來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：上海工程技術(shù)大學(xué)計(jì)算中心 王明衍

    摘要：介紹了一種水下鋼樁防腐陰極保護(hù)電流檢測(cè)系統(tǒng)及相關(guān)的硬件電路的設(shè)計(jì)，用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無人化檢測(cè)與監(jiān)控。介紹了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)配置以及有關(guān)的芯片與微處理器，闡述了軟件的設(shè)計(jì)思路。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能可靠，能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。

    關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集單片機(jī)rs-485接口陰極保護(hù)電流

    為防止碼頭鋼結(jié)構(gòu)和管道在海水或土壤中被腐蝕，目前國內(nèi)大多采用外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽極的方法。無任哪一種方法，都會(huì)使被保護(hù)金屬處于極化的負(fù)電位(保護(hù)電位)，從而消除金屬表面的腐蝕微電池作用，達(dá)到了保護(hù)的目的。

    防腐工程中的每一點(diǎn)保護(hù)失效都可能是釀成重大事故的隱患，因此日常的檢測(cè)和維護(hù)工作十分重要。由于電流密度是由接觸介質(zhì)和保護(hù)面積決定的，因此通過檢測(cè)陰極保護(hù)電流，就可以評(píng)估各點(diǎn)的防腐效果。但是裝置是在地下或水中，這給檢測(cè)帶來很大困難。在此為某鋼廠的原料碼頭水下鋼樁防腐工程設(shè)計(jì)了電流巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將每一段陰極保護(hù)電流采集后送至中央控制室，以便及時(shí)、準(zhǔn)確地了解保護(hù)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，并由上位機(jī)軟件分析異常數(shù)據(jù)，發(fā)出警報(bào)，以便及時(shí)維修，讓所有保護(hù)點(diǎn)始終都處于良好的保護(hù)工作狀態(tài)。

    該系統(tǒng)分為三大部分：通信網(wǎng)絡(luò)、電極電流檢測(cè)裝置和數(shù)據(jù)記錄分析軟件。

    1 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信機(jī)制

    原料碼頭分為引橋(長l700米)、主碼頭(長640米)和副碼頭(長430米)，呈反f形態(tài)，由855根鋼樁支撐。每根鋼樁分二或三段加以陰極保護(hù)電流以防腐蝕。陰極保護(hù)電流總數(shù)可達(dá)2565路。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)電流的變化，在碼頭各點(diǎn)安裝電流檢測(cè)裝置57臺(tái)、參比電壓檢測(cè)裝置l臺(tái)(以下稱從節(jié)點(diǎn))，每臺(tái)最多可檢測(cè)48路電流或64路電壓，通過rs-485網(wǎng)絡(luò)向電氣控制室的pc機(jī)(以下稱主節(jié)點(diǎn))傳送數(shù)據(jù)，或由主節(jié)點(diǎn)設(shè)置各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

    rs-485網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。不支持環(huán)形或星型結(jié)構(gòu)。根據(jù)本系統(tǒng)的反f形狀的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了三條總線分別將各個(gè)從節(jié)點(diǎn)串接起來，再用兩個(gè)集線器整合為一條總線與主節(jié)點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的合理布局。集線器同時(shí)又有中繼器的作用，延長了通信距離。

    由于現(xiàn)場(chǎng)大型裝卸機(jī)和皮帶傳輸機(jī)會(huì)產(chǎn)生高能的電磁干擾，除了采用噪聲抑制能力強(qiáng)、多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)rs-485通信接口外，還在各節(jié)點(diǎn)和終端采用可以承受高達(dá)31000伏、持續(xù)時(shí)間較長的瞬態(tài)干擾的光電隔離接口，此舉同時(shí)又為通信網(wǎng)絡(luò)提供一條低阻抗的信號(hào)地，以有效地解決共模和電磁輻射的干擾問題。

    在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的總線式網(wǎng)絡(luò)中，采取主從應(yīng)答方式由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起并控制網(wǎng)上的每一次通信。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)有一個(gè)識(shí)別地址，只有收到與自己地址匹配的數(shù)據(jù)幀時(shí)，才進(jìn)行相應(yīng)的處理，并向主節(jié)點(diǎn)應(yīng)答結(jié)果。通信代碼都采用asiic碼的編碼形式。由于本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)代碼只有數(shù)值數(shù)據(jù)，因此0～9、a～f除外的字符都可以用作命令代碼。

    為保證通信暢通和從節(jié)點(diǎn)的本地事務(wù)順利執(zhí)行，設(shè)計(jì)了限時(shí)退出的通信方法，即在收到與自己地址不匹配的數(shù)據(jù)幀時(shí)，臨時(shí)關(guān)閉通信口。這樣既保證了本地事務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，又可避免從節(jié)點(diǎn)常在網(wǎng)上可能引起的雙向干擾。因此在上、下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)中采用二次檢錯(cuò)、重發(fā)和限時(shí)退出并重新握手建立連接等通信機(jī)制�，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在某些節(jié)點(diǎn)工作異常、甚至通信網(wǎng)絡(luò)完全癱瘓的情況下，其他各節(jié)點(diǎn)也能獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、異常報(bào)警和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等本地事務(wù)。一旦故障節(jié)點(diǎn)排除，即可恢復(fù)通信。圖l為實(shí)際應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)連接圖。

    2 電極電流檢測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。芯片選用價(jià)格低廉、性能優(yōu)良的picl6f877單片機(jī)，充分利用其提供的軟硬件資源，并配以相應(yīng)的外圍電路。外存儲(chǔ)器采用型號(hào)為24lc256的eeprom存儲(chǔ)器(8片)以i2c總線與單片機(jī)連接，存儲(chǔ)容量為256kb。外接大屏幕128×64點(diǎn)陣液晶顯示器，有背光，便于夜間操作。時(shí)鐘選用有spi三線接口的dsl302芯片，還有數(shù)據(jù)采集通道控制電路以及數(shù)據(jù)通訊接口等部分。