陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏澤中，劉 婷

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

金屬結(jié)構(gòu)防腐的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方法，是通過(guò)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)施加直流電壓，改變金屬結(jié)構(gòu)體的相對(duì)電位，抑制金屬表面電化學(xué)反應(yīng)，使金屬結(jié)構(gòu)免受腐蝕。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方法具有輸出電流連續(xù)可調(diào)、保護(hù)范圍大、不受環(huán)境電阻率限制、經(jīng)濟(jì)性好和保護(hù)裝置壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在防腐工程中越來(lái)越受到重視。該方法[1]需要配置直流電源系統(tǒng)，才能對(duì)長(zhǎng)線管路或儲(chǔ)罐群進(jìn)行強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。通常陰極保護(hù)電源系統(tǒng)是分散安裝的，為了保證系統(tǒng)始終工作在保護(hù)狀態(tài)，必須定期對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)，且維護(hù)管理工作量大。

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)有效的遠(yuǎn)程檢測(cè)、故障診斷和控制，這對(duì)于保證整個(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。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由陰極保護(hù)電源裝置(包括整流電路、直流變換電路、數(shù)字控制電路)、GPRS通信電路模塊、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)和瀏覽器組成。其主要功能是現(xiàn)場(chǎng)采集陰極保護(hù)電源系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線通信方式，經(jīng)Internet公網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的目的。對(duì)于授權(quán)的瀏覽用戶，可以在遠(yuǎn)端對(duì)指定的電源模塊進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 陰極保護(hù)電源裝置

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)電源裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，陰極保護(hù)電源由直流電路、高頻開(kāi)關(guān)型DC-DC變換電路、數(shù)字控制電路、采集單元、中央控制電路和GPRS電路模塊組成。

圖2 陰極保護(hù)電源裝置結(jié)構(gòu)圖

EMI濾波濾除三相電流諧波的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。整流電路將三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓。直流變換器輸出直流負(fù)極和正極分別與被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)和埋地陽(yáng)極相連接。通過(guò)數(shù)字控制電路檢測(cè)電源的輸出直流電壓和陰極電流，并檢測(cè)被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)與參比電極之間的電位，通過(guò)數(shù)字控制器的閉環(huán)控制，將參比電位穩(wěn)定地控制在設(shè)定的數(shù)值。在數(shù)字控制電路中設(shè)有CAN總線通信接口，中央控制電路通過(guò)CAN總線與多個(gè)陰極保護(hù)電源連接。

DC-DC采用 ZVS全橋移相變換器，如圖3所示，開(kāi)關(guān)管Q1和Q3設(shè)定為滯后橋臂，Q2和Q4設(shè)定為超前橋臂。輸入整流橋和輸出整流橋后分別設(shè)有電感和極性電容進(jìn)行電壓濾波，得到穩(wěn)定的直流輸出[2]。

圖3 移相全橋DC-DC變換

2.2 采集單元與數(shù)字控制電路

采集單元硬件電路中的芯片采用TI公司的MSP430F2013，16位超低功耗微控制器，2 kB閃存，128 B RAM和16位Σ-Δ A/D超低功耗微控制器。采集單元485總線通信軟件流程如圖4所示。

圖4 采集單元485總線通信軟件流程

該系統(tǒng)通信協(xié)議采用Modbus通信協(xié)議。數(shù)字控制單元發(fā)送查詢命令，采集單元將被測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息傳回給數(shù)字控制單元，由撥碼開(kāi)關(guān)組先設(shè)置好每個(gè)采集單元的設(shè)備號(hào)作為存放從機(jī)的地址字節(jié)，數(shù)字控制單元定時(shí)輪詢各個(gè)從機(jī)設(shè)備也就是各個(gè)采集單元，并要求其上傳各被測(cè)設(shè)備上的狀態(tài)信息，整個(gè)通信過(guò)程由數(shù)字控制單元主導(dǎo)完成，采集單元何時(shí)采集被測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息則無(wú)法主動(dòng)告知數(shù)字控制單元，針對(duì)該問(wèn)題，監(jiān)控中心設(shè)置了輪詢定時(shí)器來(lái)控制巡檢時(shí)間。

采用dsPIC33FJ16GS504高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器微處理器作為數(shù)字控制單元的核心芯片，主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生PWM信號(hào)、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)及匯集所采集的各參數(shù)信號(hào)并上傳至中央控制器。

由于金屬群周圍環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，高壓電線、電氣軌道等都會(huì)對(duì)管道電壓造成干擾，而開(kāi)關(guān)電路本身也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾[3];筆者在硬件方面通過(guò)增加無(wú)源緩沖電路及二次整流的吸收回路，設(shè)備接地，元件布局及PCB布線方法來(lái)抑制干擾。軟件方面通過(guò)CRC冗余校檢對(duì)數(shù)據(jù)幀的正確性進(jìn)行檢測(cè)，CRC校檢正確則接收，否則丟棄。

2.3 中央控制電路與GPRS電路模塊

中央控制電路收集各陰極保護(hù)電源的電壓、電流、功率模塊溫度和參比電極等數(shù)據(jù)，經(jīng)GPRS通信單元通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器上。中央控制電路接收監(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)。

中央控制電路采用ARM7處理器LPC2134[4]，GPRS電路模塊采用Simcom公司內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的模塊SIM300[5]。中央控制電路與GPRS電路模塊的連接關(guān)系如圖5所示。具體目標(biāo)為:通過(guò)CAN總線與陰極保護(hù)電源的數(shù)字控制電路相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集;串口與SIM300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。

圖5 中央控制電路與GPRS電路模塊的連接關(guān)系

3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思想及結(jié)構(gòu)

Java是使用較為廣泛的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有簡(jiǎn)單、面向?qū)ο?、穩(wěn)定、與平臺(tái)無(wú)關(guān)、解釋型、多線程和動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)，其中，與平臺(tái)無(wú)關(guān)是其最大的優(yōu)勢(shì)。

該系統(tǒng)監(jiān)控中心軟件采用Java編程語(yǔ)言[6]，MVC(model-view-controller)設(shè)計(jì)模式。通過(guò)MVC的Web架構(gòu)，弱化各個(gè)部分的耦合關(guān)系，將業(yè)務(wù)邏輯處理與頁(yè)面以及數(shù)據(jù)分離開(kāi)來(lái)，這樣當(dāng)其中一個(gè)模塊的代碼發(fā)生改變時(shí)，不會(huì)影響其他模塊的正常運(yùn)行[7]。采用B/S結(jié)構(gòu)使用戶可隨時(shí)隨地在瀏覽器上直觀方便快捷監(jiān)控到遠(yuǎn)程設(shè)備的運(yùn)行情況，并根據(jù)授權(quán)不同、用戶管理權(quán)限的范圍不同進(jìn)行控制，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)框架采用SSH(Sping1.2+Struts 1.2+Hibernate3.0)3層架構(gòu)結(jié)合技術(shù)(實(shí)體類層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Server 2000。

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。

3.2 服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)

在開(kāi)發(fā)陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)前，分析了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的要求，由于系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)安全性、可靠性、跨平臺(tái)有一定的要求，因此該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用 Microsoft SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫(kù)[8]。

系統(tǒng)中創(chuàng)建的陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)名稱為db_rm。在該數(shù)據(jù)庫(kù)下創(chuàng)建了5張數(shù)據(jù)表，分別為單位注冊(cè)信息表tb_unit，用來(lái)存儲(chǔ)注冊(cè)單位相關(guān)的信息內(nèi)容;設(shè)備注冊(cè)信息表tb_device，用來(lái)存儲(chǔ)注冊(cè)設(shè)備相關(guān)信息內(nèi)容;通信數(shù)據(jù)信息表tb_communication，用來(lái)存儲(chǔ)通信數(shù)據(jù)參數(shù)相關(guān)信息;控制表tb_control，用來(lái)存儲(chǔ)通信模塊控制設(shè)置的給定值參數(shù);用戶管理表tb_manager，用來(lái)存儲(chǔ)用戶信息、密碼和權(quán)限級(jí)別。

監(jiān)控中心軟件運(yùn)用JDBC技術(shù)建立Java應(yīng)用程序與SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，向數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送SQL語(yǔ)句，處理數(shù)據(jù)庫(kù)返回的結(jié)果，其數(shù)據(jù)關(guān)系如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)關(guān)系圖

3.3 登錄界面及主界面

登錄模塊是監(jiān)控中心軟件的入口，用戶通過(guò)瀏覽器登錄系統(tǒng)登錄窗口填寫相關(guān)信息:用戶名、密碼和驗(yàn)證碼。填寫完畢后單擊“登錄”按鈕，如果信息填寫正確就進(jìn)入陰極保護(hù)系統(tǒng)主界面，如圖7所示。否則彈出錯(cuò)誤提示框進(jìn)入登錄失敗頁(yè)面。

圖7 陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主界面

登錄界面驗(yàn)證通過(guò)調(diào)用后臺(tái)form表單的方法實(shí)現(xiàn)，session驗(yàn)證結(jié)果正確后進(jìn)入系統(tǒng)主界面。同時(shí)，在用戶管理表存儲(chǔ)的用戶密碼中增加了MD5的加密技術(shù)，可更好地保證用戶信息的安全。將加密后的輸入密碼與SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)中的密碼對(duì)比，根據(jù)返回值判斷正確與否。

3.4 設(shè)備管理

一方面用戶在對(duì)需要監(jiān)控的設(shè)備注冊(cè)后，系統(tǒng)才可對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。注冊(cè)時(shí)需填寫設(shè)備相關(guān)信息，如設(shè)備編號(hào)、地點(diǎn)、SIM卡、注冊(cè)時(shí)間、所屬單位、責(zé)任人及手機(jī)號(hào)碼、報(bào)警電位上下限和備注;另一方面是對(duì)設(shè)備的增刪改查。

3.5 GPRS實(shí)時(shí)通信模塊

GPRS實(shí)時(shí)通信模塊的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，對(duì)陰極電源裝置的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)進(jìn)行解析封裝指令處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使陰極保護(hù)系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)[9]。其中電源裝置與監(jiān)控中心通信過(guò)程如下:服務(wù)器ServerSocket監(jiān)聽(tīng)端口2020，偵聽(tīng)電源裝置GPRS通信模塊發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，由此建立Socket輸入輸出流，當(dāng)有接收數(shù)據(jù)時(shí)首先校驗(yàn)數(shù)據(jù)類型是否正確，再判斷是否是注冊(cè)的設(shè)備信息，如果都正確，則還原數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)，否則丟棄。其Socket流程圖如圖8所示。

圖8 陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件Socket流程圖

GPRS實(shí)時(shí)通信后臺(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，可修改端口設(shè)置(默認(rèn)為2020)及巡檢時(shí)間設(shè)置(默認(rèn)為60 s)。

在通信過(guò)程中，為了防止通信或網(wǎng)絡(luò)故障所引起的無(wú)法通信或斷線，特別在該模塊中增加通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)測(cè)試功能，類似心跳包的過(guò)程，如果出現(xiàn)故障或掉線，就會(huì)拋出異常，表示連接中斷。

通過(guò)繼承 java.lang的 Thread類，并且覆蓋Thread的public void run()方法，Thread類實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，在主線程中實(shí)例化線程，并且調(diào)用start()實(shí)現(xiàn)多線程通信。

3.6 數(shù)據(jù)處理與圖形化顯示

監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并以圖形化方式顯示，可實(shí)現(xiàn)如下功能:

(1)查詢。輸入不同的查詢條件查詢歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。

(2)定位。將手機(jī)卡信號(hào)傳輸?shù)胶笈_(tái)，以確定設(shè)備定位信息。

(3)控制。根據(jù)事先設(shè)定的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控中心向異常設(shè)備地址發(fā)出控制信號(hào)指令到該地址碼的數(shù)字控制單元，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比控制PWM輸出DC-DC電路，達(dá)到調(diào)整輸出電流的目的。

(4)報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)短信報(bào)警，顯示故障裝置的具體信息(編號(hào)、地點(diǎn)、日期、時(shí)間、所屬單位和責(zé)任人等)，根據(jù)事先設(shè)定的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控中心向異常設(shè)備地址發(fā)出控制信號(hào)指令到該地址碼的數(shù)字控制單元。

(5)報(bào)表。運(yùn)用 JavaExcel(JXL)技術(shù)配合struts框架在 Action中調(diào)用Javabean，實(shí)現(xiàn) Excel表格的導(dǎo)出，并在用戶端保存為 .xls文件。具體思路為:先在服務(wù)器端實(shí)時(shí)生成Excel文件，然后在客戶端下載，不占用服務(wù)器內(nèi)存，不存在編碼損壞問(wèn)題，方便快速。

(6)圖形化顯示。圖形分析使用JFreeChart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)。其實(shí)時(shí)圖形如圖9所示。

圖9 陰極保護(hù)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)2011年1月實(shí)時(shí)圖形

3.7 用戶及系統(tǒng)管理

為滿足不同用戶管理員需求，系統(tǒng)設(shè)置不同權(quán)限的管理員查看及操作不同的頁(yè)面和內(nèi)容。高級(jí)管理員可以增加、刪除、修改、查詢?nèi)抗芾韱T信息，設(shè)置用戶權(quán)限，進(jìn)行各頁(yè)面操作;中級(jí)管理員可以增加、刪除、修改區(qū)域內(nèi)普通管理員信息，進(jìn)行部分操作;普通管理員只能修改自己的賬戶注冊(cè)信息，瀏覽頁(yè)面信息，不能操作頁(yè)面內(nèi)容。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的陰極保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可對(duì)整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)群體的陰極保護(hù)電源實(shí)施更有效、更多樣化的處理機(jī)制，集本地自動(dòng)控制與無(wú)線遠(yuǎn)程控制于一體，具有更好的人機(jī)界面，平臺(tái)移植方便快捷，對(duì)數(shù)據(jù)信息的操作分析更直觀化。特別適用于地域范圍廣、設(shè)備節(jié)點(diǎn)多且不易現(xiàn)場(chǎng)管理的陰極保護(hù)電源設(shè)施設(shè)備中。

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