夏泽中，刘 婷

(武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070)

金属结构防腐的强制电流阴极保护方法，是通过对金属结构施加直流电压，改变金属结构体的相对电位，抑制金属表面电化学反应，使金属结构免受腐蚀。强制电流阴极保护方法具有输出电流连续可调、保护范围大、不受环境电阻率限制、经济性好和保护装置寿命长等优点，使其在防腐工程中越来越受到重视。该方法[1]需要配置直流电源系统，才能对长线管路或储罐群进行强制电流阴极保护。通常阴极保护电源系统是分散安装的，为了保证系统始终工作在保护状态，必须定期对其进行监测和维护，且维护管理工作量大。

在设计优化阴极保护电源模块装置的基础上，采用GPRS无线技术通过Internet公网传输，对阴极保护电源装置运行状态和阴极保护系统进行实时有效的远程检测、故障诊断和控制，这对于保证整个金属结构群强制电流阴极保护系统运行的稳定性和可靠性具有重要意义。

1 系统总体设计架构

阴极保护电源远程监控系统由阴极保护电源装置(包括整流电路、直流变换电路、数字控制电路)、GPRS通信电路模块、服务器、数据库和浏览器组成。其主要功能是现场采集阴极保护电源系统的运行数据，将采集的数据通过GPRS无线通信方式，经Internet公网远程传输到监控中心的数据库中，并对数据进行处理，以实现对远端阴极保护系统运行状态进行监测和控制的目的。对于授权的浏览用户，可以在远端对指定的电源模块进行控制调节。阴极保护电源远程监控系统总体结构如图1所示。

图1 阴极保护电源远程监控系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 阴极保护电源装置

强制电流阴极保护电源装置硬件结构如图2所示，阴极保护电源由直流电路、高频开关型DC-DC变换电路、数字控制电路、采集单元、中央控制电路和GPRS电路模块组成。

图2 阴极保护电源装置结构图

EMI滤波滤除三相电流谐波的传导干扰和辐射干扰。整流电路将三相交流电转变为稳定的直流电压。直流变换器输出直流负极和正极分别与被保护的金属结构和埋地阳极相连接。通过数字控制电路检测电源的输出直流电压和阴极电流，并检测被保护的金属结构与参比电极之间的电位，通过数字控制器的闭环控制，将参比电位稳定地控制在设定的数值。在数字控制电路中设有CAN总线通信接口，中央控制电路通过CAN总线与多个阴极保护电源连接。

DC-DC采用 ZVS全桥移相变换器，如图3所示，开关管Q1和Q3设定为滞后桥臂，Q2和Q4设定为超前桥臂。输入整流桥和输出整流桥后分别设有电感和极性电容进行电压滤波，得到稳定的直流输出[2]。

图3 移相全桥DC-DC变换

2.2 采集单元与数字控制电路

采集单元硬件电路中的芯片采用TI公司的MSP430F2013，16位超低功耗微控制器，2 kB闪存，128 B RAM和16位Σ-Δ A/D超低功耗微控制器。采集单元485总线通信软件流程如图4所示。

图4 采集单元485总线通信软件流程

该系统通信协议采用Modbus通信协议。数字控制单元发送查询命令，采集单元将被测设备的状态信息传回给数字控制单元，由拨码开关组先设置好每个采集单元的设备号作为存放从机的地址字节，数字控制单元定时轮询各个从机设备也就是各个采集单元，并要求其上传各被测设备上的状态信息，整个通信过程由数字控制单元主导完成，采集单元何时采集被测设备的状态信息则无法主动告知数字控制单元，针对该问题，监控中心设置了轮询定时器来控制巡检时间。

采用dsPIC33FJ16GS504高性能16位数字信号控制器微处理器作为数字控制单元的核心芯片，主要实现产生PWM信号、过流过压保护及汇集所采集的各参数信号并上传至中央控制器。

由于金属群周围环境错综复杂，高压电线、电气轨道等都会对管道电压造成干扰，而开关电路本身也会产生电磁干扰[3];笔者在硬件方面通过增加无源缓冲电路及二次整流的吸收回路，设备接地，元件布局及PCB布线方法来抑制干扰。软件方面通过CRC冗余校检对数据帧的正确性进行检测，CRC校检正确则接收，否则丢弃。

2.3 中央控制电路与GPRS电路模块

中央控制电路收集各阴极保护电源的电压、电流、功率模块温度和参比电极等数据，经GPRS通信单元通过Internet网络发送到监控中心服务器上。中央控制电路接收监控中心服务器的指令，对阴极保护电源进行控制和维护。

中央控制电路采用ARM7处理器LPC2134[4]，GPRS电路模块采用Simcom公司内嵌TCP/IP协议的模块SIM300[5]。中央控制电路与GPRS电路模块的连接关系如图5所示。具体目标为:通过CAN总线与阴极保护电源的数字控制电路相连实现数据的采集;串口与SIM300模块连接控制实现网络登录及数据的发送和接收。

图5 中央控制电路与GPRS电路模块的连接关系

3 监控中心软件设计

3.1 设计思想及结构

Java是使用较为广泛的程序设计语言，具有简单、面向对象、稳定、与平台无关、解释型、多线程和动态等特点，其中，与平台无关是其最大的优势。

该系统监控中心软件采用Java编程语言[6]，MVC(model-view-controller)设计模式。通过MVC的Web架构，弱化各个部分的耦合关系，将业务逻辑处理与页面以及数据分离开来，这样当其中一个模块的代码发生改变时，不会影响其他模块的正常运行[7]。采用B/S结构使用户可随时随地在浏览器上直观方便快捷监控到远程设备的运行情况，并根据授权不同、用户管理权限的范围不同进行控制，服务器采用Windows Server 2000，应用服务器采用Apache Tomcat 6.0，开发框架采用SSH(Sping1.2+Struts 1.2+Hibernate3.0)3层架构结合技术(实体类层、业务逻辑层、表示层)，数据库采用Microsoft SQL Server 2000。

系统软件模块主要包括:登录模块、设备管理模块、通信模块、数据图形模块、用户信息及系统管理模块。

3.2 服务器端数据库

在开发阴极保护远程监控系统前，分析了对数据库的要求，由于系统对数据量、数据安全性、可靠性、跨平台有一定的要求，因此该系统数据库采用 Microsoft SQL Server 2000 数据库[8]。

系统中创建的阴极保护远程监控系统数据库名称为db_rm。在该数据库下创建了5张数据表，分别为单位注册信息表tb_unit，用来存储注册单位相关的信息内容;设备注册信息表tb_device，用来存储注册设备相关信息内容;通信数据信息表tb_communication，用来存储通信数据参数相关信息;控制表tb_control，用来存储通信模块控制设置的给定值参数;用户管理表tb_manager，用来存储用户信息、密码和权限级别。

监控中心软件运用JDBC技术建立Java应用程序与SQL Server 2000数据库的连接，实现与数据库的连接，向数据库发送SQL语句，处理数据库返回的结果，其数据关系如图6所示。

图6 数据关系图

3.3 登录界面及主界面

登录模块是监控中心软件的入口，用户通过浏览器登录系统登录窗口填写相关信息:用户名、密码和验证码。填写完毕后单击“登录”按钮，如果信息填写正确就进入阴极保护系统主界面，如图7所示。否则弹出错误提示框进入登录失败页面。

图7 阴极保护电源远程监控系统主界面

登录界面验证通过调用后台form表单的方法实现，session验证结果正确后进入系统主界面。同时，在用户管理表存储的用户密码中增加了MD5的加密技术，可更好地保证用户信息的安全。将加密后的输入密码与SQL Server 2000数据库中的密码对比，根据返回值判断正确与否。

3.4 设备管理

一方面用户在对需要监控的设备注册后，系统才可对其进行监控。注册时需填写设备相关信息，如设备编号、地点、SIM卡、注册时间、所属单位、责任人及手机号码、报警电位上下限和备注;另一方面是对设备的增删改查。

3.5 GPRS实时通信模块

GPRS实时通信模块的主要任务是实现远程数据的接收与发送，对阴极电源装置的各项信息数据包实时进行解析封装指令处理，实现远程控制，使阴极保护系统处于良好的运行状态[9]。其中电源装置与监控中心通信过程如下:服务器ServerSocket监听端口2020，侦听电源装置GPRS通信模块发来的请求，由此建立Socket输入输出流，当有接收数据时首先校验数据类型是否正确，再判断是否是注册的设备信息，如果都正确，则还原数据后存储，否则丢弃。其Socket流程图如图8所示。

图8 阴极保护电源远程监控软件Socket流程图

GPRS实时通信后台管理系统，实时接收数据信息，启动和停止通信，可修改端口设置(默认为2020)及巡检时间设置(默认为60 s)。

在通信过程中，为了防止通信或网络故障所引起的无法通信或断线，特别在该模块中增加通信网络状态测试功能，类似心跳包的过程，如果出现故障或掉线，就会抛出异常，表示连接中断。

通过继承 java.lang的 Thread类，并且覆盖Thread的public void run()方法，Thread类实现了Runnable接口，在主线程中实例化线程，并且调用start()实现多线程通信。

3.6 数据处理与图形化显示

监控系统对所采集的数据进行处理并以图形化方式显示，可实现如下功能:

(1)查询。输入不同的查询条件查询历史数据与实时数据信息。

(2)定位。将手机卡信号传输到后台，以确定设备定位信息。

(3)控制。根据事先设定的数据信息，监控中心向异常设备地址发出控制信号指令到该地址码的数字控制单元，通过调节占空比控制PWM输出DC-DC电路，达到调整输出电流的目的。

(4)报警。当出现异常时发短信报警，显示故障装置的具体信息(编号、地点、日期、时间、所属单位和责任人等)，根据事先设定的数据信息，监控中心向异常设备地址发出控制信号指令到该地址码的数字控制单元。

(5)报表。运用 JavaExcel(JXL)技术配合struts框架在 Action中调用Javabean，实现 Excel表格的导出，并在用户端保存为 .xls文件。具体思路为:先在服务器端实时生成Excel文件，然后在客户端下载，不占用服务器内存，不存在编码损坏问题，方便快速。

(6)图形化显示。图形分析使用JFreeChart生成图表的Servlet和ajax刷新页面的js代码实现，并根据用户需求分析，对所采集的数据进行实时图形及历史图形的绘制，可直观地看到各装置的运行状态。其实时图形如图9所示。

图9 阴极保护电源远程监控系统2011年1月实时图形

3.7 用户及系统管理

为满足不同用户管理员需求，系统设置不同权限的管理员查看及操作不同的页面和内容。高级管理员可以增加、删除、修改、查询全部管理员信息，设置用户权限，进行各页面操作;中级管理员可以增加、删除、修改区域内普通管理员信息，进行部分操作;普通管理员只能修改自己的账户注册信息，浏览页面信息，不能操作页面内容。

4 结论

与传统的阴极保护监控系统相比，该系统可对整个金属结构群体的阴极保护电源实施更有效、更多样化的处理机制，集本地自动控制与无线远程控制于一体，具有更好的人机界面，平台移植方便快捷，对数据信息的操作分析更直观化。特别适用于地域范围广、设备节点多且不易现场管理的阴极保护电源设施设备中。

[1] DURHAM M Q，DURHAM R A.Cathodic protection[J].IEEE Industry Applications Magazine，2005，11(1):41-47.

[2] 夏泽中，李军，李远正.25 kW全桥移相变换器系统设计[J].武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2008，30(2):232-235.

[3] 陶小鹏.高频开关型阴极保护电源研究与设计[D].武汉:武汉理工大学图书馆，2010.

[4] 周立功.深入浅出 ARM7-LPC213X/214X(上册)[M].北京:北京航天航空大学出版社，2005:52-53.

[5] Simcom Company.SIM300DZ hardware design[EB/OL].[2011-08-27].http://www.simcom.us.

[6] BRUCE E.Thinking in Jave[M].[S.l.]:Prentice Hall，2006:36-39.

[7] 尹德臣.基于J2EE的电子商务网站开发研究[J].中国市场，2008(6):61-62.

[8] 苗春义.JAVA项目开发全程实录[M].北京:清华大学出版社，2008:340-357.

[9] 夏泽中，苏宏良，朱玉璟.电源监控系统中的远程采集终端设计[J].武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2010，32(5):694-698.