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船载阴极保护远程监测系统设计

2018-08-28 16:28:11
作者:陈 静 1 ,王小华 2 ,高怀远 2 ,秦霆镐 2
来源:1. 中国航天科技集团公司第八研究院 上海,201109 2. 上海大学 机自学院电站自动化重点实验室 上海,2000

外加电流阴极保护(ICCP)技术是有效的舰船、桥梁防腐方法。本文主要介绍舰船阴极保护实时监测系统的设计,主要涉及人机接口和数据存储两方面。人机界面部分通过迪文彩色触摸屏和阴极保护系统测控板 ARM 芯片 LCP2138 串口相接,通过 Modbus 远程终端协议实现阴极保护系统与 arm 处理器的通信,实现基于串口触摸屏的实时在线监测。实时数据基于LPC2138 与 RS485 通信接口存储在实时数据库中,可通过触摸屏实时显示,也可存储在外部 SD 卡或 U 盘中。初步测试结果表明,该系统实现了阴极保护系

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    0 引言

 

    船舶、桥梁等的钢质材料与海水接触,极易受海水强烈的化学腐蚀以及海洋生物附着的污损,降低了使用寿命,增加了维护、维修的费用,并有可能造成严重危害[1] 。阴极保护技术的原理就是给被腐蚀金属结构物表面提供大量电子,被保护结构物成为阴极,抑制金属腐蚀发生的电子迁移,避免或减弱腐蚀的发生[2-3] 。

 

    阴极保护通常有两种方法:牺牲阳极和外加电流两种[3] 。牺牲阳极方法由于简单、经济,被广泛采用,但效果欠佳,焊在船体外表面的锌块也会增加船体阻力。使用永久性外加电流的阴极保护装置是目前控制钢质船体在海水中腐蚀的最有效方法[4-5] 。本文采用的即为外加电流阴极保护的方法。


    阴极保护技术在 70 年代开始被美国、日本等各国船体保护中应用并取得了很好的经济效益[4-6] 。在 20 世纪 70-80年代,我国阴极保护技术的引进、消化和二次开发才取得了实质性的进展,也就是在这个时期,研制了一批阴极保护的材料和设备,打下了阴极保护在行业市场供需链的基础。近年来,该技术在多个场合如码头工程钢管桩[7] 、埋地管道 [8] 、海洋平台[9] 等也有应用。


    李言涛等在《中国海洋腐蚀科研选题与发展战略》[10] 中指出,随着计算机与自动化技术的发展 ,阴极保护电位的监测逐步从以前定期人工检测发展到通过对电位的模/ 数转换和逻辑运算。电位监测由原来的对单一点、线的监测,逐渐实现对整个系统综合的监控。通过应用于局域网的 Intranet 技术和应用于广域网的 Internet 技术或电信通信线路 ,可以在整个作业海域或企业内甚至于全国各地乃至全球的相关机构方便地实现监测信息共享 、系统评价控制和远程实时监控。本项目中对多个(四个)舰载阴极保护系统进行远程实时监控,可以认为是对该预测方向的小规模尝试。


    目前阴极保护项目的计算机监控研究项目已经在开展,然而关于在线监测的相关报道较少。孙虎元对长江二桥的阴极保护电路项目论述了监控系统的设计[11] 。该项目属于国家依托类项目,对于小型阴极保护项目的监控设计来说并不实用。


    本文依托某公司的舰体外加电流阴极保护监控设计,实现对阴极保护系统的实时监控及人机交互。其核心是通过阴极保护系统主控板 ARM 嵌入式处理器和触摸屏进行传感器信号和输入控制信号的传递。


    下文首先介绍了系统结构和工作原理,给出了系统主控板和硬件总体设计方案。之后重点阐述了然后介绍了主控板 ARM 芯片的通讯过程和人机界面触摸屏的软件设计。文末对本文的设计过程进行总结,并给出了下一步的设计思路。


    1 外加电流 阴极保护测控系统总体构造

 

    阴极保护测控系统为船载检测系统,由多个系统构成。总体结构示意图如图 1 所示。


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    其中图 1 左边的 Marimpress 框代表的是多个舰载外加电流阴极保护装置。图 1 右侧的虚线框内是远程监控单元。系统总体设计通过远程监控单元可实现多个舰载阴极电流保护装置的电流电压监控。


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    单个外加电流阴极保护保护装置结构图如图 2 所示,其中最主要的部分有辅助阳极,参比电极,直流大电流发生器,高电压变压装置以及控制电路板。设计思路和注意事项可参见文献[5],[7]。本文将重点阐述远程测控单元设计。


    2 中央监控单元设计  

 

    中央监控器是整个系统的监控中心,具备针对下级各个ICCP 设备的实时监控、远程控制、数据保存等各项功能。但ICCP 设备的工作并不依赖于中央监控器,无论 ICCP 设备是否与中央监控器连接,ICCP 设备都具备独立工作的能力。当ICCP 设备连接到中央监控器时,ICCP 设备总是执行最后一个输入的操作指令,而无论该指令是来源于 ICCP 设备本身的操作面板还是来源于中央监控器。若中央监控器的操作和ICCP 设备操作面板上的操作同时发生时,ICCP 设备将只执行本身操作面板的的操作指令,即本地操作指令将优先于远程操作指令得到响应和执行。


    2. 1 中央监控器工作原理

 

    中央监控器总体机构如图 3 所示。Arm 芯片 LPC2138 因其性能高、体积小、功耗低、成本低、代码密度紧凑和供应源多等显著优点,是监控板采用的处理芯片。它负责完成控制所需所有数据处理以及通信和控制任务。其它电路模块有些则是将外部信号转换成芯片能够接收的信号,有些是提高芯片控制信号的驱动能力,还有一些则负责芯片与其它器件之间的通信,承担电压电流设定和调节,数据通信、数据采集、外部存储、实时显示等功能。通信接口采用 485 总线与 Modbus 协议。外部存储设计了 SD 和 USB 两个接口:前者用于运行中保存数据使用,后者用于复制 SD 内存储的数据。系统中除了正常工作电源外,增设短时后备电源,用于监控器掉电时,保存数据之用。


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    2. 2 MODBUS 通信

 

    Modbus 协议是一种已广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议。通过此协议,控制器相互之间、或控制器经由网络(如以太网)可以和其它设备之间进行通信。Modbus 协议使用的是主从通讯技术,即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为 Modbus Master,从设备方使用的协议称为 Modbus Slave。Modbus 通讯物理接口可以选用串口(包括 RS232 和 RS485),也可以选择以太网口。


    本系统中,Modbus 命令帧的发送采用了 fifo(先入先出)循环队列发送机制,而响应帧采用中断方式接收。为确保整个系统通讯稳定,本系统在发送和接收过程中均进行保护:发送命令帧过程中加入了超时重发、强发;而在接收响应帧过程中,采用了严格的预判帧格式的方式,确保非法响应帧不影响整个系统的安全稳定,运行机制如图 2 所示。


    2. 2. 1 循环队列发送命令机制

 

    系统调用一次发送 Modbus 命令函数即将 Modbus 命令帧依次存入 fifo(二维数组)内,运行机制如下:


    (1)初始化时 head 指针与 tail 指针同时指向二维数组头部;(2)命令帧存入 fifo 的地址永远都在 tail 指针处,并且当命令帧进入 fifo 之后,tail 指针自增一次;(3)当真正准备发送命令帧时,必须从 fifo 的 head 指针处取命令帧,并且当命令帧被发送出去后,head 指针自增一次;

 

    当 head 指针与 tail 指针相等的时候,本系统则认为 fifo为空。如果是因为命令帧进入 fifo 过快而引起 tail 指针追上了 head 指针,本系统则抛弃原来 fifo 中的所有数据,依然认为fifo 为空。(实际上系统每一秒钟才将十余条命令帧存入 fifo,系统有充足的时间将 fifo 中的命令发空)。


    2. 2. 2 发送过程保护

 

    系统每次调用发送 Modbus 的功能函数的时候其实最终都落实到 checkfifo 函数。系统用全局变量 count 在 checkfifo函数中记录当前距离上次发送命令帧的时间,若 count 值过大则说明系统没有接受到响应。当系统没有接收到响应的时候,系统需要超时重发和强发命令帧。超时重发是指当 count为 N(N 为测试值)的整数倍的时候,重发上一次发送的命令帧,count 随后清零;超时强发是指当 count 大于等于 N 的3 倍的时候则强制发送 fifo 中一下条命令,count 随后清零。


    2. 2. 3 接受过程保护

 

    485 串口通信过程中,由于某些干扰从机会发送错误的响应帧。系统为了不被错误的响应帧扰乱甚至崩溃,所以在接收响应帧的时候做了非常严格的检测机制。系统在发送命令帧时,已经将当前命令帧保存到了固定的内存地址中,所以系统在接收到响应的时候,会根据该内存中的命令帧迅速预判响应帧的格式以及每个字节的准确范围。任何没有通过该检测机制的响应帧都将被系统抛弃而不做任何处理,确保系统安全稳定。


    3 串口触摸屏界面开发目

 

    前便携式触摸屏设备的发展较快,该类设备具有非常良好的操作便捷性,大大降低了对于操作者的电脑操作要求,具有反应速度快、节省空间、可视化强等优点,以丰富的嵌入式系统的输入方式,已逐渐代替键盘和鼠标成为嵌入式系统人机交互的首选输入工具[12] 。且该类设备携带型非常好,随着无线通讯模块的普及,及价格的降低,是舰体阴极保护人机界面的合适的选择。


    市场上主流触摸屏有四种,分为电阻、电容、表面声波、红外线扫描类型。本文选用的是四线电阻串口触摸屏,为北京迪文科技有限公司产品。这款触摸屏具有高解析度,高速传输反应,一次校正永不漂移,稳定性高。彩色触摸屏采用 8 英寸迪文串口触摸屏,屏幕分辨率为 800×600,工作电压范围DC3. 3-6. 0 V。


    液晶显示单元和触控输入单元是人机界面的输出界面与输入界面。作为集成化的显示器件,它包含中央处理单元、液晶显示单元、触控输入单元、数据存储单元、通信接口单元等。


    触摸屏内置的存储单元包括 RAM 单元和 Flash 存储单元,其中 RAM 作为处理器缓存。Flash 用于存储显示图形文件及触控配置文件。通信接口实现串口屏与仪器主控单元之间的信息交互,包括接收仪器主控单元发送过来的指令以及将触摸屏所获取的信息上传给仪器主控单元。


    3. 1 触控按键操作 

 

    串口触摸屏本身为一个相对独立的系统,所需的硬件资源较少。通过串口,采用中断接收以及查询发送的方式实现与主控板 LPC2138 通信。


    串口屏支持自动触控按键响应,只需通过调试助手事先对所有触控按键设置双字节十六进制的指令代码 ( 如0x0001)。并将串口寄存器配置为单字节触发方式,串口模式为 8n1,即每帧数据格式为 1 个起始位,8 个数据位,1 个停止位,无校验位。串口接收及发送数据流程图如图 3 所示。


    点击触摸屏按键(指令代码有效区域),触摸屏返回该键指令代码(以 0x0001 为例):AA 78 00 01 CC 33 C3 3C

 

    在串口接收中断程序中,设置一个接收缓冲区,将触摸屏返回的所有数据接收完毕,并提取所需键值 0x01 转存给寄存器 key,通过判断 key 执行相应的子程序片段。


    发送数据程序中,需要按照迪文屏的通信格式 AA CMD……CC 33 C3 3C。为了判断某串指令是否发送完毕,在每个数据串后面加一个终止符 0xfe。


    3. 2 触摸屏应用举例

 

    对触摸屏的应用不光是要对主控芯片进行编程,还要自己制作触控界面和设置按键键码。将制作好的触控界面图片和按键键码用专门的软件按照顺序上传至触摸屏内存,这样图片就有了自己的页面编号。到时候只需调用图片的编号就可控制触摸屏在不同页面间的切换。


    举一个简单的触摸屏应用的例子,如图 4 所示。

 

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    图 4 是本文在应用触摸屏当中用到的一个密码操作的例子。界面 1 是整个外加电流阴极保护系统的主菜单,它上面的每一种按键对应不同的功能,包括时钟设定,密码操作,SD卡和 USB 模块操作等。


    当按下写有 PASSWORD 字样的按键之后,触摸屏将该按键对应的键码传回到主控芯片上,芯片根据此时触摸屏显示的页码和收到的按键键码作出响应,发送命令让触摸屏进入界面 2。


    该界面是密码输入界面,为了安全,在设置新的密码之前必须要输入老的密码。接着芯片又发送一道输入文本命令,在输入密码的位置建立一个文本框,用于显示输入了几位密码。图中的数字键都被预先设定了相应的默认阿拉伯数字的键码。在按下这些数字按键时,触摸屏并不会回传键码,但会在文本框显示星号,用来告诉工作人员已经输入了几位。只有当按下OK 键后,触摸屏才会将之前输入的密码信息一并回传至芯片。芯片收到了操作员输入的密码后,与原先设定的正确密码作比对。如果密码错误则跳转到界面 3。按下界面 3 中的 OK 按键,则又返回界面 2,重新输入密码。如果密码正确,芯片会发送命令让触摸屏跳转到界面 4,开始新的密码设置。


    界面 4 中要求对新的密码设置两遍,在完成两次输入后,芯片会对两次输入的密码进行逐位匹配。如果两次输入的密码不相同则会跳转到界面 5,提醒操作人员密码不匹配。如果相同,则新的密码设置成功,LPC2138 芯片将记录下新设置的密码,并跳转到界面 6。最后再由界面 6 返回到主菜单中。


    4 系统测试

 

    系统测试采用 TI 的 MSP430 模拟控制 4 台舰载外加阴极保护系统,通过串口屏界面对系统的参数设置,并回读设置参数以及实时数据,实时数据读取频率为 1s。当设定参数上下限值超出时,在串口屏上会出现相应提示,并能够产生一条操作记录数据至实时数据库。实时数据库记录回读的 ICCP 实时数据,记录频率可通过串口屏设置,设置范围为3-10 分钟。当实时数据超出上下限设定参数,产生警报信息。


    5 总结和展望

 

    本文文中重点介阴极保护系统的在线监测系统的软件硬件设计,是实现多舰体监测,云检测的一项基础工作。详细讲述了 MODBUS 通信实现的通信过程,及串口屏的人机界面设计。通过调试及应用验证,该设计是一种运行可靠、性能优良的通用型远程监控系统,具有广阔的应用前景,很好的应用价值和市场前瞻性。


    目前控制系统虽然能够发出报警信号,但是不能确定具体的故障位置。可增加关键部位数据采集,报告出具体的故障地点,进一步增强系统的实用性。

 

    参 考 文 献

 

    [1] 柯伟,中国腐蚀调查报告[M]。 化学工业出版社,2003.

    [2] 顾彩香,吉桂军,朱冠军,李伟,田晓禹,丁树丹。 船舶的腐蚀与防腐措施[J]。 船舶工程,vol. 32,pp. 1-4,2010.

    [3] 胡学文,吴丽蓉,许崇武,黄杰。 外加电流阴极保护用辅助阳极的研究现状及发展趋势[J]。 腐蚀与防护,vol. 21,pp. 546-549,2000.

    [4] 王在忠,周鸿仁,王明新。 船体外加电流阴极保护的研究和应用[J]。 船舶工程,no. 1,pp. 76-81,1978.

    [5] 高峰。 船体外加电流阴极保护装置的工作原理及维修保养[J]世界海运,vol. 1,p. 11,2015.

  [6] J. Horvath,M. Novak,and J. Hires,“Theoretical studies on the potentialand current requirements of cathodic protection on the basis of Pourbaix-diagrams,”Acta Chim. Hungarica,vol. 38,p. 151,1963.

    [7] 杨红娜。 码头工程钢管桩外加电流阴极保护防腐蚀技术研究。 天津大学,2009.

    [8] 陶嘉楠。 埋地管道阴极保护电流测量技术研究。 天津大学,2014.

    [9] 张脉松,尹鹏飞,马长江。 海洋平台外加电流阴极保护技术。vol. 27,no. 03,pp. 20-24,2013.

    [10] 李言涛,李红玲。 中国海洋腐蚀科研选题与发展战略[J]。 海洋科学,vol. 2,pp. 29-32,2001.

    [11] 孙虎元。 上海长江大桥钢管桩外加电流阴极保护的实时监测系统设计研究[J]。 公路交通科技,vol. 1,2010.

    [12] 夏心江,吴志国,胡钢。 触摸式液晶屏二次开发中几项关键技术研究[J]。 微处理机,vol. 31,pp. 93-96,2010.

标签: 外加电流阴极保护, LCP2138, Modbus 协议, 串口触摸屏

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