基于4層架構(gòu)的陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

劉 婷，趙 翔

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

陰極保護(hù)與遠(yuǎn)程監(jiān)控的結(jié)合技術(shù)是現(xiàn)代自動(dòng)化工業(yè)科技發(fā)展的產(chǎn)物，而 Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GPRS無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用已成為遠(yuǎn)程監(jiān)控研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

筆者根據(jù)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)體陰極保護(hù)的實(shí)際需求，針對(duì)陰極保護(hù)電源在金屬結(jié)構(gòu)體運(yùn)行狀況的監(jiān)控要求，設(shè)計(jì)了一套陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用GPRS通信單元模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，采用Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)客戶端通過(guò)瀏覽器對(duì)陰極保護(hù)電源裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)、故障診斷和控制的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1．1 基本原理

腐蝕是金屬物質(zhì)的電子從陽(yáng)極到陰極的一種電化學(xué)的過(guò)程，由于金屬在陽(yáng)極失去電子被氧化而造成金屬發(fā)生腐蝕，其離子方程式(鋼鐵)如下［1］:

陰極保護(hù)電位是指抑制腐蝕所需的最低電位［2］。實(shí)踐中，當(dāng)保護(hù)電位 ＜ －0．85 V 時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)可受到保護(hù)，這時(shí)腐蝕可以忽略不計(jì)。

陰極保護(hù)主要有兩種方法［3］:①犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù);②外加電流陰極保護(hù)。陰極保護(hù)原理如圖1所示。

圖1 陰極保護(hù)原理

1．2 系統(tǒng)功能

基于4層架構(gòu)和B/S模式陰極保護(hù)電源的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下主要功能:①實(shí)時(shí)檢測(cè)陰極保護(hù)電源的電壓、電流和功率單元溫度數(shù)據(jù);②連續(xù)記錄長(zhǎng)線管路段或儲(chǔ)罐區(qū)域的電位變化;③快速識(shí)別被保護(hù)對(duì)象的電位故障;④快速識(shí)別被保護(hù)對(duì)象的涂層損壞情況;⑤判斷雜散電流影響;⑥對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和維護(hù)。

2 4層架構(gòu)的應(yīng)用

2．1 系統(tǒng)4層架構(gòu)和B/S模式

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中通常以3層架構(gòu)作為設(shè)計(jì)方案，采集單元與控制單元沒(méi)有區(qū)分開(kāi)來(lái)，采集的模擬信號(hào)的距離取決于信號(hào)強(qiáng)度和頻率，傳輸過(guò)程中任何一個(gè)小的干擾都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰減和失真，傳輸線路越長(zhǎng)，噪聲的積累越多，信號(hào)失真越嚴(yán)重。而數(shù)字信號(hào)傳輸過(guò)程中，抗干擾性能力強(qiáng)，不易受到外界環(huán)境干擾，傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸信號(hào)的質(zhì)量較高，遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)還可以通過(guò)中繼再生去除噪聲實(shí)現(xiàn)保持信號(hào)無(wú)差錯(cuò)。

鑒于上述原因，筆者提出了4個(gè)層次架構(gòu):第1層為以MSP430F2013為控制芯片的采集單元要與被采集對(duì)象盡可能靠近，通過(guò)前級(jí)的信號(hào)放大調(diào)理，經(jīng)線性光藕按等比例隔離后傳入MCU內(nèi)部，通過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)RS－485總線傳送給第2層;第2層則是以dsPIC33FJ16GS504芯片為核心芯片的數(shù)字控制單元;第3層為采用微處理器LPC2134(ARM7)和無(wú)線控制模塊 SIM300控制方案的GPRS通信單元;第4層為采用Java編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)方案的監(jiān)控中心。系統(tǒng)4層架構(gòu)和B/S模式結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)4層架構(gòu)和B/S模式

2．2 采集單元

第1層采集單元采用TI公司的MSP430F系列MSP430F2013，16位超低功耗微控制器，2 kB閃存、128 B RAM、16位 Σ－Δ A/D超低功耗微控制器作為控制芯片，與被采集對(duì)象盡可能靠近，再將MCU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)通過(guò)RS－485總線傳給第2層的數(shù)字控制芯片中。由于陰極保護(hù)的保護(hù)電位為負(fù)值，因此這里采用雙電源供電，分別為+5 V電源和－5 V電源;前級(jí)通過(guò)LM358將采集到的信號(hào)進(jìn)行一定的放大，再由HCRN201線性光藕將信號(hào)同比例地傳送到MCU，采用線性光藕隔離主要是為了保護(hù)后一級(jí)的電路，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性;最后將調(diào)理好的電位信號(hào)傳送到單片機(jī)MSP430F2013的模擬采樣通道AN0中，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的16位A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，電位采集硬件電路如圖3所示。

圖3 電位采集單元硬件電路圖

采集單元模塊的電源是從三相交流電380 V取一相作為輔助電源的供電源，通過(guò)工頻變壓器將交流220 V轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣? V的供電方式，通過(guò)整流橋?qū)⒔涣麟娬芍绷麟?，輸入電容濾波，電源穩(wěn)壓芯片LM7805將電壓穩(wěn)壓到5 V的模擬電壓源并通過(guò)電感隔離5 V數(shù)字電壓源，供電部分電路圖如圖4所示。

圖4 采集單元模塊輔助電源5 V供電部分電路圖

2．3 數(shù)字控制單元

第2層為數(shù)字控制單元，采用高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器微處理器dsPIC33FJ16GS504為其核心芯片。EMI濾波濾除三相電流諧波，整流電路輸出穩(wěn)定的直流電壓。高頻dc－dc開(kāi)關(guān)型變換電路采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出可調(diào)的直流電壓，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，可消除開(kāi)關(guān)損耗，并提高電源效率。dc－dc變換器輸出直流，正極與埋地陽(yáng)極相連接，負(fù)極與被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)相連接。其主要任務(wù)是檢測(cè)電源的輸出直流電壓、陰極電流及被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)與參比電極之間的電位，通過(guò)閉環(huán)控制穩(wěn)定地控制電位值，并通過(guò)CAN總線通信接口與GPRS無(wú)線通信單元連接。數(shù)字控制單元結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

通常陰極保護(hù)電源與參比電極有較長(zhǎng)的距離，采集單元檢測(cè)參比電位，并通過(guò)數(shù)字通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字控制電路。數(shù)字控制器檢測(cè)到的參比電位數(shù)據(jù)，一方面用于對(duì)電位進(jìn)行閉環(huán)控制，另一方面經(jīng)CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂齐娐贰?/p>

2．4 GPRS 通信單元

第3層為采用微處理器LPC2134(ARM7)和無(wú)線控制模塊SIM300控制方案的GPRS通信單元。GPRS通信單元匯集各陰極保護(hù)電源的電壓、電流、功率模塊溫度和參比電極等數(shù)據(jù)，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器，并接收監(jiān)控中心服務(wù)器的指令，對(duì)陰極保護(hù)電源進(jìn)行控制和維護(hù)。GPRS通信單元中央控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。GPRS通信單元電路采用ARM7處理器LPC2134［4］和 Simcom 公司［5］內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議的模塊SIM300。

圖5 數(shù)字控制單元結(jié)構(gòu)圖

圖6 GPRS通信單元中央控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)LPC2134(ARM7)通過(guò)CAN接口與數(shù)字控制電路相連接，利用CAN總線雙向傳輸數(shù)據(jù);

(2)LPC2134(ARM7)串口與SIM300無(wú)線模塊連接控制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)登錄及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

LPC2134發(fā)送 AT指令給 SIM300，通過(guò) SIM Card登錄公網(wǎng)獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)IP地址，并主動(dòng)向公網(wǎng)上靜態(tài)IP地址的服務(wù)器發(fā)起TCP連接，此時(shí)正在偵聽(tīng)相應(yīng)端口的監(jiān)控中心服務(wù)器偵聽(tīng)到遠(yuǎn)端發(fā)起的這個(gè)連接請(qǐng)求并進(jìn)行回應(yīng)，最終握手連接成功，連接成功后建立一條新的通信連接，只要不斷線重連獲得的動(dòng)態(tài)地址就不會(huì)改變，此時(shí)可以在這條連接上進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。當(dāng)一條連接上的所有數(shù)據(jù)都已經(jīng)收發(fā)完成，不再需要這條連接時(shí)，就可以把連接掛斷。其中 SIM300模塊外擴(kuò)SIM卡，手機(jī)卡傳輸數(shù)據(jù)按GPRS通信流量計(jì)費(fèi)。

2．5 監(jiān)控中心

第4層為采用Java［6］編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)的監(jiān)控中心。監(jiān)控中心軟件采用Java編程語(yǔ)言，MVC設(shè)計(jì)模式。服務(wù)器采用Windows Server 2000，應(yīng)用服務(wù)器采用 Apache Tomcat 6．0，開(kāi)發(fā)框架 SSH［7］(Sping1．2+Struts 1．2+Hibernate3．0)采用3 層架構(gòu)結(jié)合技術(shù)(實(shí)體類層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層);數(shù)據(jù)庫(kù)為 Microsoft SQL Server 2000［8］。系統(tǒng)軟件模塊主要包括:登錄模塊、設(shè)備管理模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)圖形模塊、用戶信息及系統(tǒng)管理模塊。

GPRS實(shí)時(shí)通信模塊［9］采用 Java Socket套接字和多線程接口的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端設(shè)備GPRS無(wú)線通信模塊與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，實(shí)時(shí)并行接收陰極電源裝置各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)包，解析處理，封裝成指令，用于發(fā)送，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制，使陰極保護(hù)系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。其中電源裝置與監(jiān)控中心通信過(guò)程如下:服務(wù)器創(chuàng)建ServerSocket偵聽(tīng)端口2020，將偵聽(tīng)GPRS無(wú)線通信模塊發(fā)來(lái)的請(qǐng)求建立Socket輸入輸出流，當(dāng)有接收數(shù)據(jù)時(shí)首先與數(shù)據(jù)庫(kù)中系統(tǒng)已注冊(cè)的設(shè)備信息相比較，并校驗(yàn)數(shù)據(jù)類型是否正確，如果正確，存儲(chǔ)到后臺(tái)SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)中，否則丟棄。其流程圖如圖7所示。

圖7 陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件Socket流程圖

GPRS實(shí)時(shí)通信平臺(tái)管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)信息，啟動(dòng)和停止通信，其端口設(shè)置和巡檢時(shí)間可以根據(jù)需要修改。

3 B/S模式的應(yīng)用

相對(duì)于傳統(tǒng)的C/S模式，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于B/S模式［10］方法，克服了C/S模式的缺點(diǎn)，使用戶可在任何臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦上隨時(shí)隨地進(jìn)行瀏覽，直觀方便快捷地監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備的運(yùn)行情況，并根據(jù)用戶所管理的不同權(quán)限范圍進(jìn)行控制。B/S模式結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 B/S模式結(jié)構(gòu)圖

用戶通過(guò)瀏覽器登錄系統(tǒng)窗口，進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)必須先輸入正確的用戶名、密碼和驗(yàn)證碼;否則進(jìn)入登錄失敗頁(yè)面。

圖形分析使用jFreeChar生成圖表的Servlet和ajax刷新頁(yè)面的js代碼實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)用戶需求分析對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖形及歷史圖形的繪制，可直觀地看到各裝置的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)圖形模塊－實(shí)時(shí)監(jiān)控界面圖如圖9所示。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)圖形模塊－實(shí)時(shí)監(jiān)控界面圖

陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電源裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，并以圖表實(shí)時(shí)顯示電源裝置各參數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電源各參數(shù)出現(xiàn)異常(采集數(shù)據(jù)不在正常范圍內(nèi))時(shí)報(bào)警，顯示故障裝置的具體信息(其編號(hào)、地點(diǎn)、日期和時(shí)間、所屬單位、責(zé)任人等)，根據(jù)閾值范圍調(diào)整故障裝置參數(shù)，向故障裝置發(fā)出控制信號(hào)，用戶只需上Web網(wǎng)就可以隨時(shí)隨地掌握外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。當(dāng)遇到異常情況時(shí)及時(shí)報(bào)警，并對(duì)故障裝置進(jìn)行處理，從而解決了在地域廣、環(huán)境條件相對(duì)惡劣的情況下對(duì)電源裝置的高效監(jiān)管和維護(hù)，有效節(jié)省了人力物力資源，保障整個(gè)系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 結(jié)論

基于4層架構(gòu)和B/S模式的陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)優(yōu)化陰極保護(hù)電源模塊裝置的基礎(chǔ)上，采用GPRS無(wú)線技術(shù)，通過(guò)Internet公網(wǎng)傳輸，對(duì)陰極保護(hù)電源裝置運(yùn)行狀態(tài)和陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的檢測(cè)、故障診斷和遠(yuǎn)端控制，對(duì)保證整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)群強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。

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