周偉 劉國楨 王廷勇 王輝

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.012

收稿日期：2023-06-07

摘? 要：文章針對海洋平臺陰極保護(hù)智能監(jiān)檢測系統(tǒng)，采用單片機(jī)+HMI模式建立以太網(wǎng)通信，應(yīng)用TCP通信協(xié)議采集保護(hù)陰極、犧牲陽極的電壓信號與電流信號并做數(shù)據(jù)記錄。陰極保護(hù)監(jiān)測儀模塊采集系統(tǒng)與模塊進(jìn)行通信，獲取、解析數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲至本地；陰極保護(hù)監(jiān)測儀模塊采集系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)下發(fā)指令，模塊采集系統(tǒng)通過相應(yīng)指令將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)海洋平臺陰極保護(hù)電位、犧牲陽極發(fā)生電流、陰極極化電流的高保真轉(zhuǎn)換和傳輸。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；HMI;陰極保護(hù)；監(jiān)檢測系統(tǒng)；TCP

中圖分類號：TP368? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0050-04

Cathodic Protection Intelligent Monitoring and Detection System Based on

Single-Chip Microcomputer and LabVIEW

ZHOU Wei， LIU Guozhen， WANG Tingyong， WANG Hui

（SunRui Marine Environment Engineering Co.， Ltd.， Qingdao? 266101， China）

Abstract： This paper focuses on the intelligent monitoring and detection system for cathodic protection on marine platforms， which adopts a Single-Chip Microcomputer+HMI mode to establish Ethernet communication. The TCP communication protocol is applied to collect voltage and current signals of the protective cathode and sacrificial anode， and record the data. The cathodic protection monitoring instrument module acquisition system communicates with the module to obtain， analyze， and store data locally; the cathodic protection monitoring instrument module acquisition system communicates with the upper computer， which issues instructions. The module acquisition system sends data to the upper computer through corresponding instructions， achieving high fidelity conversion and transmission of cathodic protection potential， sacrificial anode current， and cathodic polarization current on offshore platforms.

Keywords： Single-Chip Microcomputer; HMI; cathodic protection; monitoring and detection system; TCP

0? 引? 言

海洋屬十分苛刻的腐蝕環(huán)境，海洋平臺等海工裝備若不采取有效的防護(hù)措施，在短期內(nèi)就會因腐蝕而發(fā)生損壞或失效。涂料+陰極保護(hù)技術(shù)是解決金屬結(jié)構(gòu)物在海水中被腐蝕問題的有效途徑。陰極保護(hù)能夠大幅降低海工裝備的受腐蝕程度，提高裝備服役過程的安全性，延長裝備服役壽命。一些傳統(tǒng)的監(jiān)測方法（比如潛水員檢測、ROV檢測等）往往成本高昂，并且沒有實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能，陰極保護(hù)監(jiān)檢測在這種情境下應(yīng)運(yùn)而生。陰極保護(hù)監(jiān)檢測可用于了解海洋平臺的腐蝕狀況，評估設(shè)備安全性，其中海洋平臺導(dǎo)管架陰極保護(hù)監(jiān)檢測系統(tǒng)是較為重要的部分。

1? 外加電流陰極保護(hù)

利用外加直流電源和輔助陽極的陰極保護(hù)，是使被保護(hù)的金屬管路與直流電源的負(fù)極相連，設(shè)置輔助陽極與電源正極相連是使管路陰極極化以減輕或防止腐蝕的方法，又被稱為“強(qiáng)制電流陰極保護(hù)”。其工作原理是：直流電源開啟前，腐蝕電流從陽極流向陰極，陽極被腐蝕；電壓開啟后，腐蝕電流最先流向陰極，使之電位負(fù)向偏移，直至陰極陽極電位達(dá)到平衡狀態(tài)，腐蝕電流消失。區(qū)分犧牲陽極的陰極保護(hù)法和外加電流的陰極保護(hù)法最基本的方法就是看看有沒有外加電源，有外加電源就是外加電流的陰極保護(hù)法，沒有外加電源就是犧牲陽極的陰極保護(hù)法。

外加電流系統(tǒng)對直流設(shè)備的要求如下：1）可靠性高。2）使用壽命長。3）維護(hù)保養(yǎng)簡便。4）對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。5）輸出的電流、電壓具有可調(diào)節(jié)性。6）具備防雷、過載及故障保護(hù)裝置。

外加電流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：輸出電壓可以調(diào)節(jié)，可用來保護(hù)大型甚至沒有防腐層的結(jié)構(gòu)，土壤電阻率對其影響不大。

外加電流系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：1）一次性投入成本較高，日常維護(hù)需要可靠的外部電源，費(fèi)用較高。2）對臨近的構(gòu)筑物存在腐蝕干擾，尤其是輔助陽極附近，需要定期檢測是否對構(gòu)筑物造成腐蝕干擾。3）陽極地床維修成本較高，產(chǎn)生的氣體不易排出從而產(chǎn)生氣阻，增大地床的電阻會影響地床的使用壽命。

外加電流的陰極保護(hù)是面向深水域環(huán)境友好的陰極保護(hù)方法。目前國內(nèi)針對該方法的研究比較多，但關(guān)鍵技術(shù)還較為欠缺，還不夠成熟，因此，亟須開發(fā)一套基于外加電流陰極保護(hù)的系統(tǒng)。

2? 監(jiān)檢測系統(tǒng)簡介

2.1? 系統(tǒng)特點(diǎn)

該項(xiàng)目控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：1）借助單片機(jī)使控制器與觸摸屏結(jié)合而成海洋平臺陰極保護(hù)監(jiān)測儀，并將臺式工控機(jī)作為上位機(jī)，將海洋平臺陰極保護(hù)監(jiān)測儀作為下位機(jī)，通過上位機(jī)采集監(jiān)控下位機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)海洋平臺陰極保護(hù)電位、犧牲陽極發(fā)生電流、陰極極化電流的高保真轉(zhuǎn)換、存儲和傳輸。2）海洋平臺陰極保護(hù)監(jiān)測儀選用觸摸屏工控機(jī)而不是常規(guī)觸摸屏，可以存儲數(shù)百GB的龐大數(shù)據(jù)，可進(jìn)行長期記錄和選擇性刪除歷史數(shù)據(jù)，從而緩解了觸摸屏存儲空間小的弊端。3）在微軟視窗操作系統(tǒng)下運(yùn)行，采用Windows圖形漢化界面，可提供人機(jī)對話功能，操作簡便。檢測系統(tǒng)可以對任何檢測點(diǎn)的保護(hù)電位進(jìn)行連續(xù)檢測，檢測時(shí)間頻率在1～720分范圍內(nèi)（可由用戶設(shè)定），能夠?qū)Ξ惓ｋ娢话l(fā)出警報(bào)。4）采用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的高精度數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，8路差分電壓或電流模擬量輸入，電壓輸入阻抗100 MΩ，通信接口RS485，波特率在1 200～115 200 bits/s之間，功率1.5 W。5）下位機(jī)觸摸屏軟件采用.Net6框架、C#語言，以WPF開發(fā)方式通過Visual Studio 2022開發(fā)而成，數(shù)據(jù)庫采用MySQL/SQLite進(jìn)行本地存儲，通過與采集模塊和服務(wù)器等元器件進(jìn)行交互、調(diào)度實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、顯示、上傳等功能，采用WebAPI接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集模塊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至服務(wù)器，以此保證數(shù)據(jù)的安全性和實(shí)時(shí)性。6）上位機(jī)軟件基于KLAB測試平臺開發(fā)。上位機(jī)軟件通過TCPSocket與下位機(jī)連接獲取硬件數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、保存、積分運(yùn)算、報(bào)警等功能。

2.2? 硬件配置

海洋平臺智能監(jiān)檢測系統(tǒng)的監(jiān)測裝置由水上部分和水下部分兩部分組成。水上部分主要包括初始極化數(shù)據(jù)采集存儲器及其密封箱與電源、陰極保護(hù)監(jiān)測儀及其輔助設(shè)備（如UPS、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器等）；水下部分主要包括復(fù)合參比電極、被監(jiān)測陽極（包括測量電阻與絕緣法蘭）、被監(jiān)測陰極及發(fā)生電流檢測器、護(hù)管、防水電纜和走線盒等。

海洋平臺陰極保護(hù)監(jiān)測儀由機(jī)柜、工業(yè)平板電腦、UPS電源、電源控制模塊（開關(guān)電源/欠壓過壓保護(hù)器/浪涌保護(hù)器）、模擬量采集模塊等組成，其中模擬量采集模塊包括控制器、ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、存儲器、RS-485通信模塊、DC-DC轉(zhuǎn)換器、MUX數(shù)據(jù)選擇器等。電控柜電氣原理圖如圖1所示，硬件電控柜內(nèi)分布如圖2所示。

2.2.1? 單片機(jī)架構(gòu)

系統(tǒng)以模擬量采集模塊為核心，模擬量采集模塊以ADI單片機(jī)為核心，由A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換取樣模塊、I/O隔離輸入模塊、存儲模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊和串口通信模塊組成。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）采用ADI單片機(jī)作為核心控制器，性能穩(wěn)定可靠。2）模擬量采集模塊能夠?qū)奚枠O以及保護(hù)陰極的電位電流等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確采集，并通過4～20 mA的電流信號傳送至采集模塊。3）I/O隔離輸入模塊能夠?qū)⒐I(yè)現(xiàn)場的控制開關(guān)量傳送到單片機(jī)，隔離負(fù)載驅(qū)動(dòng)模塊輸出相應(yīng)的水泵控制信號。4）采用串口通信與GPRS上網(wǎng)相結(jié)合的方式，將采集到的信息傳送到控制中心PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。5）該系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性，適用于各種工業(yè)控制場合。

2.2.2? TCP通信配置

陰極保護(hù)監(jiān)測儀模塊采集系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)下發(fā)指令，模塊采集系統(tǒng)通過相應(yīng)指令將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。下位機(jī)用于存儲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將模塊數(shù)據(jù)匯總采集上來后，會將數(shù)據(jù)存儲至本地，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。下位機(jī)采用TCP通信，下位機(jī)與上位機(jī)都是采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的，所以需要建立鏈路并加以維持。

一般步驟如下：1）上位機(jī)作為客戶端，下位機(jī)作為服務(wù)端，上位機(jī)連接下位機(jī)。2）雙方建立通信關(guān)系作為判斷雙方是否在線的依據(jù)。

對多種協(xié)議進(jìn)行權(quán)衡，最終選擇TCP字符串解析方式進(jìn)行解析，避免粘包及數(shù)據(jù)混亂的問題，所有十六進(jìn)制ASCII轉(zhuǎn)換為“字符串”，各項(xiàng)以空格分隔，數(shù)據(jù)采用“，”分隔方便數(shù)據(jù)解析。

歷史數(shù)據(jù)下發(fā)完成后，數(shù)據(jù)會根據(jù)間隔按條主動(dòng)上傳，直至數(shù)據(jù)全部上傳完成。由于測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過多，為避免正式運(yùn)行時(shí)傳輸無用的數(shù)據(jù)，在下位機(jī)觸摸屏上安裝一個(gè)刪除歷史數(shù)據(jù)的軟件，以此提高運(yùn)行效率。

2.3? 監(jiān)測軟件開發(fā)

LabVIEW是由NI公司開發(fā)的圖形化界面編程軟件，上位界面采用LabVIEW進(jìn)行編寫，通過TCP通信協(xié)議進(jìn)行命令發(fā)送，并對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲。

上位機(jī)軟件通信首先要將IP及接口與下位機(jī)保持在同一個(gè)網(wǎng)段，下位機(jī)軟件需要與下位機(jī)的IP處于同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，軟件通過TCP與下位機(jī)通信獲取硬件數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、保存、積分運(yùn)算、報(bào)警等功能。

2.3.1? 數(shù)據(jù)顯示主界面

數(shù)據(jù)顯示主界面如圖3所示，主頁面中詳細(xì)說明內(nèi)容如下：

A區(qū)域。下位機(jī)控制：用來顯示下位機(jī)連接狀態(tài)，向下位機(jī)發(fā)送指令等。設(shè)備連接：是一個(gè)指示燈，亮綠色代表下位機(jī)已連接獲取設(shè)備信息。點(diǎn)擊這個(gè)按鈕可以在B區(qū)域查看下位機(jī)相關(guān)信息獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊這個(gè)按鈕可以向下位機(jī)請求一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會在C、D區(qū)域顯示出來。注意如果下位機(jī)數(shù)據(jù)尚未準(zhǔn)備好，則不會收到數(shù)據(jù)。設(shè)備對時(shí)：在后面的“對時(shí)時(shí)間”輸入框中鍵入時(shí)間（例如20230131110559）后，點(diǎn)擊按鈕會進(jìn)行下位機(jī)對時(shí)。如果輸入框中無內(nèi)容，則默認(rèn)使用當(dāng)前時(shí)間修改設(shè)備編號。在后面的“設(shè)備編號”輸入框中輸入新的字符（例如DEV123）后，點(diǎn)擊按鈕發(fā)送給下位機(jī)進(jìn)行修改。注意編號必須是6字節(jié)，且不能有標(biāo)點(diǎn)和中文。設(shè)置采樣率：在后面的“采樣頻率”輸入框中輸入新的字符（例如1234），然后點(diǎn)擊按鈕發(fā)送給下位機(jī)。請求歷史數(shù)據(jù)：在后面三個(gè)輸入框中輸入對應(yīng)的三個(gè)參數(shù)后，點(diǎn)擊按鈕發(fā)送給下位機(jī)。

B區(qū)域。顯示下位機(jī)收到指令后的應(yīng)答：當(dāng)A區(qū)域發(fā)給下位機(jī)的指令應(yīng)答是數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)答直接顯示在C區(qū)域和D區(qū)域，否則在B區(qū)域?qū)?yīng)控件中顯示應(yīng)答結(jié)果。

C區(qū)域。下位機(jī)上報(bào)的數(shù)據(jù)以表格形式顯示：超出閾值的通道會自動(dòng)標(biāo)紅，顯示上面的數(shù)據(jù)時(shí)間戳是下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)所攜帶的時(shí)間，當(dāng)發(fā)送的是歷史數(shù)據(jù)的時(shí)候，這個(gè)時(shí)間可能會與當(dāng)前實(shí)際時(shí)間不一致。

D區(qū)域。下位機(jī)上報(bào)的數(shù)據(jù)以圖形形式顯示。

E區(qū)域。下位機(jī)上報(bào)的數(shù)據(jù)超出閾值或發(fā)生模塊故障時(shí)以文字形式顯示出來。

F區(qū)域。傳感器布局示意圖。

G區(qū)域。截止到當(dāng)前通過已接收的數(shù)據(jù)計(jì)算出來的損耗率和壽命。

2.3.2? 歷史數(shù)據(jù)查看界面

歷史數(shù)據(jù)查看界面如圖4所示，上方是控制按鈕，左側(cè)是文件中保存的通道?？梢酝ㄟ^將文件拖拽到中間區(qū)域，查看各個(gè)通道的歷史數(shù)據(jù)。也可以通過創(chuàng)建一個(gè)虛擬通道，計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)通道的平均值。在公式中填寫avg1 = （RE1A + RE2A） / 2，點(diǎn)擊“確定”后將會顯示“avg1”這條平均值曲線。事實(shí)上，所開發(fā)的軟件中支持公式計(jì)算的有很多，具體可以查看軟件內(nèi)的幫助，可以選中任意時(shí)間段任意通道的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

2.3.3? 其他界面

其他界面包括報(bào)警信息界面、報(bào)警信息記錄界面、積分運(yùn)算界面。其中積分運(yùn)算界面可進(jìn)入計(jì)算頁面，其中K和m0是默認(rèn)的計(jì)算參數(shù)，如果需要修改直接填寫對應(yīng)值，然后點(diǎn)擊下方的計(jì)算，此時(shí)會在表格中顯示計(jì)算結(jié)果——根據(jù)截止到當(dāng)前已接收的數(shù)據(jù)計(jì)算出來的損耗率和壽命；當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值或下位機(jī)報(bào)告模塊出現(xiàn)故障時(shí)，軟件會把錯(cuò)誤通道和錯(cuò)誤模塊顯示在軟件界面上，同時(shí)也保存到文件里面（即記錄報(bào)警信息）；報(bào)警記錄反映了實(shí)時(shí)的報(bào)警信息和報(bào)警歷史記錄，方便用戶查看所有的報(bào)警歷史。用戶也可以將任何一段時(shí)期感興趣的數(shù)據(jù)同時(shí)選中，進(jìn)行比較，可以打印出來以供分析之用。我們的歷史數(shù)據(jù)都會被打包按時(shí)間保存，隨時(shí)可以調(diào)用出來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)可以按照時(shí)間段選擇性刪除不需要的數(shù)據(jù)，以便后續(xù)進(jìn)行更為深入的分析。

3? 結(jié)? 論

本文給出了海洋平臺陰極保護(hù)智能監(jiān)檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，基于對各組成電路模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，編寫了相應(yīng)的上位軟件，用于對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)獲取外加電流的陰極保護(hù)電流及電壓、犧牲陽極的陰極保護(hù)電流及電壓，如果發(fā)生報(bào)警可以第一時(shí)間獲取信息（比如上位機(jī)下位機(jī)連接失敗，電流電壓的數(shù)值超過報(bào)警值等）。完成集中監(jiān)測和控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和相應(yīng)上位軟件的開發(fā)，同時(shí)結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境以及市場需求，進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性和可靠性設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)。這套基于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境以及市場需求完成的陰極保護(hù)檢測裝置，可以為保護(hù)陰極提供有效的腐蝕防護(hù)，具有廣闊的應(yīng)用和拓展前景。

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作者簡介：周偉（1993—），女，漢族，山東青島人，中級工程師，碩士研究生，研究方向：電氣自動(dòng)化控制。