摘　要：介紹了一種防腐電源智能監控節點的設計方法及相關的硬件電路,用以實現野外防腐電源的無人化監控與檢測。研究了系統硬件結構、信號調理電路以及有關芯片與微處理器的接口電路,闡述了監控軟件的設計思路。試驗表明,該系統結構簡單、成本低廉、性能可靠,能滿足工業現場的需要。

　金屬發生腐蝕的現象隨處可見。腐蝕給金屬材料造成的直接和間接損失是巨大的,以至造成災難性的破壞事故,引起嚴重的環境污染。研究表明,因腐蝕造成的損失一般占國民生產總值的3％～4％,其中約有15%是可以通過現有的防腐技術避免的,而陰極保護技術的發展又是與防腐技術的進步分不開的。
　　防腐電源是陰極保護技術中最為關鍵的設備。由于易腐蝕的金屬構件大部分分布在野外或者地下,并且分布范圍廣,如石油管道、輸電線路、海上平臺等,所以必然要求發展可靠性高、智能化的新型防腐電源,并且要求通過工業網遠程采集現場數據,進行計算分析,實現遠程控制,從而提高現場設備的可靠性,實現無人管理。
1 防腐電源系統的結構組成
　　陰極保護技術簡單地說就是測量被保護金屬構件的電位(即管地電位),并根據其大小變化,調節補償保護電流大小,起到對金屬構件的保護作用。圖1是遠程監控防腐電源系統示意圖。

圖1 遠程監控防腐電源示意圖

　　很顯然,防腐電源是陰極保護系統中最核心的設備,其監控系統要能對其電位、電流、電壓等運行參數進行檢測與控制,實現網絡化監控,滿足實時、快速響應的要求。
2 監控節點的硬件設計
　　系統硬件由兩塊電路板組成。一塊為模擬板,主要對來自防腐電源的測量信號進行濾波、放大、采樣保持,以及自動選擇放大倍數等;一塊為數字板,主要完成采樣信號的模/數轉換、計算(消除噪聲并還原信號)、參數設置和數據傳輸^[1]等。監控系統的總體框圖如圖2所示。

圖2 監控節點總體框圖

　　監控系統直接測量的是防腐電源現場的電信號,包括電壓信號和電流信號。防腐電源的現場環境惡劣,待測信號中夾雜著諸多干擾信號。前置調理電路包括差模放大電路和有源濾波電路,用來抑制現場信號中的共模干擾信號和高頻干擾信號。系統通過485總線與上位機進行通訊,使用約定的協議交換數據。
2.1 模擬電路設計
　　模擬電路框圖如圖3所示,其中Vin1、Vin2、Iin1、Iin2為從防腐電源現場采集的信號。由于待測信號比較微弱,現場環境又比較惡劣,待測信號中疊加了很多干擾信號,為了從噪聲中提取出有用的信號,采用差模調理電路和有源濾波電路相結合的調理電路對輸入信號去干擾,然后通過電壓分檔電路估算信號的范圍,提供給單片機。單片機根據給定的信號計算出合適的放大倍數,進而控制可編程放大器AD526的放大倍數,將已調理的信號放大到有效范圍,輸入到數字板上的AD574進行模/數轉換^[2]。

圖3 模擬電路框圖

2.1.1 信號調理設計
　　通過試驗對現場信號進行分析,發現干擾信號主要來自電源線的耦合干擾、電源的瞬態電壓干擾和外部電磁輻射干擾。因此,這部分電路的作用有兩個:一是根據干擾信號的頻率特點設計濾波電路,有效地濾除干擾信號;二是對輸入信號適當放大,完成阻抗轉換。
2.1.2 自動增益調節電路的設計
　　調理好的信號通過多路模擬開關進行逐一選定和處理。信號通過模擬開關后,一路進入分檔電路測定范圍,另一路進入放大單元放大到合適的工作范圍。
　　AD526是專用五級變增益運放,增益級數為G＝1、2、4、8、16,增益控制輸入腳有三個。設計中將兩個AD526串聯,這樣就構成了1～256增益的放大單元,變增益放大電路如圖4所示。

圖4 自動增益電路

　　該電路由8個電壓比較器構成分檔電路,單片機讀取其輸出信號,根據得到的分檔信號設定合適的放大倍數,控制放大單元的工作,實現自動調整增益,保證每路信號都能放大到A/D的最佳工作范圍,滿足高精度、寬范圍的設計要求。
2.2 數字電路設計
　　數字電路框圖如圖5所示。單片機80C51是本系統的核心,通過擴展ROM增加系統的數據存儲容量。A/D為數據采集模塊,D/A為標準電流控制信號輸出模塊,MAX485是與上位機進行通訊的模塊,Vin為模擬部分的輸出信號^[3]。

圖5 數字電路框圖

2.2.1 通訊接口設計
　　系統通過485通訊接口與上位機通訊,交換數據。RS-485采用的是一對平衡差分信號線,為半雙工通訊方式。RS-485對于多站連接是十分方便的,其標準允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器,這足以滿足一個中型構件的多點防腐系統的要求。總線兩端接匹配電阻,提高了抗干擾能力。RS-485傳輸速率最高為10Mbit/s,最大電纜長度為1200m。考慮到現場工作環境的惡劣性,使用TVS管實現了防雷功能,保護系統不受瞬間高壓破壞,提高了運行的可靠性。
2.2.2 標準控制電流輸出設計
　　上位機將接收到的數據進行處理,運用一定的控制算法得出所需要的反饋控制信號。由于防腐電源為模擬器件電路,無法直接接收數字控制信號,因此必須通過單片機轉換成模擬信號,才能控制電源工作。
　　系統中采用的AD421是一種單片高性能數/模轉換器。它由電流環路供電,16位數字信號以串行方式輸入,5～20mA電流輸出,可實現遠程智能工業控制。其數字輸入信號通過光電隔離保證信號的準確有效,輸出為標準的電流信號,具有較強的抗干擾能力,可以直接驅動相關的模擬器件。
3 監控節點的軟件設計
　　為了提高程序編寫效率,采用了目前廣泛使用的MCS-51單片機高級語言C51作為軟件開發工具^[4]。
　　監控系統的整個程序主要由主程序、三個中斷處理程序、兩個計算程序組成。完成的主要功能是:系統復位后的初始化、控制采樣、進行A/D轉換、根據采樣值進行信號處理、選擇放大倍數(量程)、控制通訊接口傳送數據等。主程序流程圖如圖6所示^[5]。

圖6 主程序流程圖

　　本設計采用通用元件、模塊化設計方法和可變增益電路,在滿足高精度寬量程要求的同時,簡化了系統結構,大大提高了系統的可靠性,同時節約了成本。該設計對于防腐工業中實現遠程集約化管理具有現實意義。