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和犧牲陽極的方法,。無任哪一種方法，都會使被保護金屬處于極化的負電位(保護電位),，從而消除金屬表面的腐蝕微電池作用,，達到了保護的目的。
　　防腐工程中的每一點保護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工作十分重要,。由于電流密度是由接觸介質(zhì)和保護面積決定的^[1]，因此通過檢測陰極保護電流,，就可以評估各點的防腐效果,。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)計了電流巡回監(jiān)測系統(tǒng),，將每一段陰極保護電流采集后送至中央控制室，以便及時,、準確地了解保護系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài),，并由上位機軟件分析異常數(shù)據(jù)，發(fā)出警報,，以便及時維修,，讓所有保護點始終都處于良好的保護工作狀態(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)拓撲結(jié)構(gòu)和通信機制
　　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電流以防腐蝕,。陰極保護電流總數(shù)可達2565路,。為實時監(jiān)測陰極保護電流的變化,，在碼頭各點安裝電流檢測裝置57臺、參比電壓檢測裝置1臺(以下稱從節(jié)點),，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(以下稱主節(jié)點)傳送數(shù)據(jù)，或由主節(jié)點設(shè)置各個從節(jié)點的工作狀態(tài),。
　　RS-485網(wǎng)絡(luò)拓撲一般采用終端匹配的總線型結(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,，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用了三條總線分別將各個從節(jié)點串接起來,，再用兩個集線器整合為一條總線與主節(jié)點相連，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的合理布局,。集線器同時又有中繼器的作用,，延長了通信距離。
　　由于現(xiàn)場大型裝卸機和皮帶傳輸機會產(chǎn)生高能的電磁干擾,，除了采用噪聲抑制能力強,、多點、差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴蔙S-485通信接口外,，還在各節(jié)點和終端采用可以承受高達3000伏,、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾的光電隔離接口，此舉同時又為通信網(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,。
　　在一個主節(jié)點和多個從節(jié)點構(gòu)成的總線式網(wǎng)絡(luò)中，采取主從應(yīng)答方式由主節(jié)點發(fā)起并控制網(wǎng)上的每一次通信,。每個從節(jié)點有一個識別地址,，只有收到與自己地址匹配的數(shù)據(jù)幀時，才進行相應(yīng)的處理,，并向主節(jié)點應(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)點的本地事務(wù)順利執(zhí)行,，設(shè)計了限時退出的通信方法,，即在收到與自己地址不匹配的數(shù)據(jù)幀時，臨時關(guān)閉通信口,。這樣既保證了本地事務(wù)的執(zhí)行時間,，又可避免從節(jié)點常在網(wǎng)上可能引起的雙向干擾。因此在上,、下位機的軟件設(shè)計中采用二次檢錯,、重發(fā)和限時退出并重新握手建立連接等通信機制?，F(xiàn)場調(diào)試中發(fā)現(xiàn),，在某些節(jié)點工作異常、甚至通信網(wǎng)絡(luò)完全癱瘓的情況下,，其他各節(jié)點也能獨立完成數(shù)據(jù)采集,、異常報警和實時數(shù)據(jù)存儲等本地事務(wù)。一旦故障節(jié)點排除,，即可恢復(fù)通信,。圖1為實際應(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
　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。芯片選用價格低廉,、性能優(yōu)良的PIC16F877單片機，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總線與單片機連接, 存儲容量為256KB,。外接大屏幕128×64點陣液晶顯示器，有背光,，便于夜間操作,。時鐘選用有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單片機是一種低功耗,、高性能,、價格適中的CMOS全靜態(tài)八位FLASH單片機，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個輸出輸入口，三個定時/計數(shù)器,，三個捕捉/比較/PWM模數(shù)和兩個串行口,，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電流的測量信號進行轉(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,、計算(消除噪聲并還原信號)、參數(shù)設(shè)置,、異常報警和數(shù)據(jù)存儲及傳輸?shù)取?BR>　　整個程序主要由主程序,、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,、定時中斷處理程序和數(shù)值計算程序組成,。主程序及通信中斷處理程序流程圖如圖3所示。

3 主節(jié)點軟件功能
　　主節(jié)點軟件用Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境編制,。主要有以下功能：
　　(1) 實時數(shù)據(jù)采集
　　根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)采集密度和時刻自動接收各個節(jié)點的數(shù)據(jù)并存盤,，也可以采用手動方式對某些電極進行數(shù)據(jù)采集。各電極的采集時間,、箱號,、電極號、數(shù)值,、上下限值同時顯示,，并以不同的顏色顯示異常數(shù)據(jù)。同時,，在主節(jié)點通信模塊設(shè)計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),，以便及時進行故障處理。
　　(2) 系統(tǒng)設(shè)置
　　可任意設(shè)置數(shù)據(jù)采集密度和時刻,?？稍O(shè)置電流、電壓上下限值并發(fā)送到各個節(jié)點,，同時發(fā)送主節(jié)點的時鐘數(shù)據(jù),，保證各節(jié)點參數(shù)一致,。
　　可啟用或禁用某一節(jié)點或某一電極。當(dāng)某一節(jié)點設(shè)備進行維修或出現(xiàn)故障時不影響整個系統(tǒng)的正常工作,。
　　(3) 查詢和曲線顯示
　　設(shè)計了電極參數(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,、電位在某一個時間段內(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維護,。
　　主節(jié)點相關(guān)操作界面如圖4和圖5所示。

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