長輸管道陰極保護參數(shù)采集與傳輸系統(tǒng)

崔 震

（西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065）

1 引言

管道輸送石油具有低成本，安全性高的優(yōu)點，是最廣泛使用的輸送方法。 然而，大多數(shù)管道敷設(shè)于地下，它們會被運輸介質(zhì)，土壤，地下水和雜散電流腐蝕。腐蝕會使管道壁面變薄，甚至穿孔泄漏。這會造成一定經(jīng)濟損失、資源浪費和環(huán)境污染。中國工程院調(diào)查結(jié)果表明，2008年我國因腐蝕造成的經(jīng)濟損失就高達1.2～2萬億元人民幣[1]。

隨著我國油氣田深度開發(fā)和油氣管道建設(shè)飛速發(fā)展，油氣井、集輸管線和長輸管線的腐蝕問題日益突出，給腐蝕控制工作帶來極大挑戰(zhàn)，可以通過利用陰極保護裝置，減輕或避免腐蝕帶來的危害。

2 系統(tǒng)的工作原理及組成

2.1 工作原理

管道參比電位是陰極保護參數(shù)采集的對象之一，同時，是反映被保護長輸管道防腐效果的重要數(shù)據(jù)，可以體現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)控效果。

陰極保護參數(shù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計的基本原理是：前端待測信號經(jīng)過信號處理，利用電容濾除噪聲，之后將信號傳送A/D數(shù)據(jù)采集模塊進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，主控制模塊實時讀取數(shù)字信號，經(jīng)過分析處理后，通過RS-485總線發(fā)送到上位機。上位機通過LabVIEW組態(tài)設(shè)計對相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，并可實時發(fā)送控制調(diào)節(jié)命令到主控模塊，控制電源模塊的輸出電壓，進而對參比電位進行調(diào)節(jié)。

2.2 系統(tǒng)組成

埋地長輸管道陰極保護裝置的硬件部分可分為四個主要模塊：主控模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和電源模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

（1）主控模塊：作為本設(shè)計的核心控制部分，采用主控芯片STM32F103C8T6。它具有強大的擴展能力，易于移植，并具有豐富的外圍設(shè)備資源，可以達到系統(tǒng)所需的精度和范圍[2]。

（2）A/D數(shù)據(jù)采集模塊：采集電源模塊的輸出電壓和輸出電流，被保護長輸管道的參比電位、溫度。這四路信號進入ADS1256芯片進行采樣，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后傳輸至主控模塊進行處理和分析。

（3）通信模塊：在主控模塊與上位機之間遠距離發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。上位機通過RS-485總線向下位機發(fā)布控制參數(shù)和命令，同時下位機向上位機傳送數(shù)據(jù)的工作。由于RS-485通信是半雙工通信，因此在發(fā)送和接收之間共享一個信道。

（4）電源模塊：向被保護的埋地長輸管道提供電源，通過施加電流的方法，將參比電位調(diào)節(jié)到合適的值。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件設(shè)計

3.1 參比電位采集電路

圖2 參比電位采集電路

利用飽和硫酸銅參比電極檢測管道參比電位信號，經(jīng)過一級運放組成的電壓跟隨器可以采集-5V～+5V范圍的電壓信號，然后執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以獲得參比電位，具體電路如圖4所示。由于輸入阻抗非常高，信號輸入使用同相放大的電壓跟隨器以增加輸入阻抗。運放使用雙電源。電阻全部使用1%精度的電阻。參比電位采集電路如圖2所示。

3.2 A/D數(shù)據(jù)采集模塊

圖3 A/D數(shù)據(jù)采集模塊電路

外圍連接電路如圖3所示。A/D數(shù)據(jù)采集模塊以ADS1256為核心，外圍包括晶振、電源、電容等。ADD1256最多具有四路差動輸入，能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求滿足多種精度和速度的需求，可以以合適的速度采集到所需大量數(shù)據(jù)。同時，在單通道與各通道之間的干擾可以達到最小[3]。

3.3 通信電路

使用差分電平通信RS-485總線，因此在高速率傳輸和遠距離通信時會在電子線路中產(chǎn)生回撥干擾。為避免這種干擾，在通信線路末端并聯(lián)了一個120Ω的匹配電阻。

4 軟件設(shè)計

4.1 A/D數(shù)據(jù)采集

差分輸入模式用于此設(shè)計。然后選擇差分輸入時的模擬輸入通道，ADS1256的CH0、CH1、CH2分別接入?yún)⒈入姌O信號、電源模塊輸出電流信號以及電源模塊輸出電壓信號。

A/D數(shù)據(jù)讀取流程圖如圖4所示：DRDY作為一個狀態(tài)判斷信號，當(dāng)它為低電平時，輸入通道改變，執(zhí)行發(fā)送和讀取命令，讀取24位數(shù)據(jù)。讀取完成后，狀態(tài)將返回高電平，直到下一個低電平到來。

圖4 ADS1256數(shù)據(jù)讀取流程

4.2 通信傳輸協(xié)議

通過控制字的設(shè)置完成上述工作后，開始進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，調(diào)用延時子函數(shù)等待采樣轉(zhuǎn)換完成。最后將采樣轉(zhuǎn)換的結(jié)果轉(zhuǎn)存入STM32的內(nèi)部寄存器中，轉(zhuǎn)存的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)將用于后面進行的下一步的數(shù)據(jù)分析與處理。

在上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信過程中需要通信協(xié)議。本系統(tǒng)采用Modbus-RTU協(xié)議。Modbus是一種標準的開放式協(xié)議，用戶可以放心使用。它支持多種電氣接口，如RS-485、RS-232 等，還能通過各種介質(zhì)來傳送，如光纖、雙絞線、無線等。此外，它的幀格式易于理解，緊湊且易于使用。

5 結(jié)語

通過實驗驗證，本文設(shè)計的長輸管道陰極保護參數(shù)采集與傳輸系統(tǒng)具有采集陰極保護數(shù)據(jù)，遠程傳輸與控制陰極保護電位的功能。系統(tǒng)以STM32為核心，通過對電源進行輸出電壓的調(diào)控，采用LabVIEW上位機組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制，從而調(diào)節(jié)長輸管道的陰極保護電位。在聯(lián)機調(diào)試時，采集與傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期的功能，使陰極保護電位能夠準確、快速地達到給定值。