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^[1]，因此通過檢測陰極保護(hù)電流，就可以評估各點(diǎn)的防腐效果。但是裝置是在地下或水中，這給檢測帶來很大困難。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)、電極電流檢測裝置" title="檢測裝置">檢測裝置和數(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1700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)測陰極保護(hù)電流的變化，在碼頭各點(diǎn)安裝電流檢測裝置57臺、參比電壓檢測裝置1臺(以下稱從節(jié)點(diǎn))，每臺最多可檢測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)場大型裝卸機(jī)和皮帶傳輸機(jī)會產(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)3000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^[2]。
　　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、重發(fā)和限時(shí)退出并重新握手建立連接等通信機(jī)制。現(xiàn)場調(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)存儲等本地事務(wù)。一旦故障節(jié)點(diǎn)排除，即可恢復(fù)通信。圖1為實(shí)際應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)連接圖。

2 電極電流檢測裝置硬件結(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PIC16F877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。外存儲器采用型號為24LC256的EEPROM存儲器(8片)以I²C總線與單片機(jī)連接, 存儲容量為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DS1302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。

　　美國Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F877單片機(jī)是一種低功耗、高性能、價(jià)格適中的CMOS全靜態(tài)八位FLASH單片機(jī)，為40DIP封裝。PIC16F877芯片包含192字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和8KB的程序存儲器，32個(gè)輸出輸入口，三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，三個(gè)捕捉/比較/PWM模數(shù)和兩個(gè)串行口，同步串行口可配置成三線SPI或二線I²C工作方式，串行口可設(shè)置成同步或異步。另有八通道高速10位A/D轉(zhuǎn)換器。軟件在結(jié)構(gòu)上采用RISC指令結(jié)構(gòu)，每條指令均為字長14位的單字節(jié)指令，大多數(shù)指令都是一個(gè)周期。因而編程代碼的相對效率大為提高，執(zhí)行速度大大加快，與同類8位單片機(jī)的其他產(chǎn)品相比，執(zhí)行速度要快10倍左右。具有8級堆棧、多個(gè)內(nèi)部和外部中斷位。
　　系統(tǒng)硬件由兩塊電路板組成。一塊為模擬板,主要對來自鋼樁的陰極保護(hù)電流的測量信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波、放大等;一塊為數(shù)字板,主要完成采樣信號通道的切換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換、計(jì)算(消除噪聲并還原信號)、參數(shù)設(shè)置、異常報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲及傳輸?shù)取?BR>　　整個(gè)程序主要由主程序、通信中斷處理程序" title="中斷處理程序">中斷處理程序、A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序、定時(shí)中斷處理程序和數(shù)值計(jì)算程序組成。主程序及通信中斷處理程序流程圖如圖3所示。

3 主節(jié)點(diǎn)軟件功能
　　主節(jié)點(diǎn)軟件用Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境編制。主要有以下功能：
　　(1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集
　　根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)采集密度和時(shí)刻自動接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并存盤，也可以采用手動方式對某些電極進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。各電極的采集時(shí)間、箱號、電極號、數(shù)值、上下限值同時(shí)顯示，并以不同的顏色顯示異常數(shù)據(jù)。同時(shí)，在主節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì)中增加了傳輸過程的顯示，如發(fā)送次數(shù)、無應(yīng)答次數(shù)、壞包個(gè)數(shù)以及當(dāng)前通信狀態(tài)和已經(jīng)完成的通信任務(wù)，以便及時(shí)進(jìn)行故障處理。
　　(2) 系統(tǒng)設(shè)置
　　可任意設(shè)置數(shù)據(jù)采集密度和時(shí)刻。可設(shè)置電流、電壓上下限值并發(fā)送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)發(fā)送主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，保證各節(jié)點(diǎn)參數(shù)一致。
　　可啟用或禁用某一節(jié)點(diǎn)或某一電極。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行維修或出現(xiàn)故障時(shí)不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。
　　(3) 查詢和曲線顯示
　　設(shè)計(jì)了電極參數(shù)的縱向比較圖表，即同一根電極電流在不同時(shí)間變化的曲線，還有多根電極電流的縱向比較曲線和橫向的電流、電位比較曲線，即不同的電極電流、電位在某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的變化曲線比較圖表。
　　數(shù)據(jù)備份可避免采集并保存的大量數(shù)據(jù)因不可預(yù)知的原因而丟失。本系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)備份功能。
　　(4) 異常電極位置顯示
　　制作碼頭鋼管樁平面位置圖，將每根電極的三維位置(X，Y，Z)在工控機(jī)顯示器上顯示出來，就可以非常直觀地顯示正常工作電極和不正常工作電極在碼頭的實(shí)際位置，便于管理人員發(fā)現(xiàn)和分析問題，以利于對鋼管樁的及時(shí)維護(hù)。
　　主節(jié)點(diǎn)相關(guān)操作界面如圖4和圖5所示。

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