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摘要：为实现恒电位仪的自动化控制，使金属管道始终处于受保护状态，设计对阴极保护设备恒电位仪的输出保护参数（通电电位、断电电位、交流电位、自腐蚀电位）进行监控的电路。该监控系统以Cortex-M3内核的微控制器STM32为核心，以多通道信号调理电路为数据采集单元，通过RS485总线实现与恒电位仪的通信，采用GPRS作为数据传输网络，将恒电位仪的各项参数采集后发送回服务器，服务器对数据进行分析处理，得出恒电位仪的工作状态以及被监测管道的受保护状态。系统需要调节恒电位仪输出功率时，服务器通过GPRS网络将参数传输到监控系统，监控系统通过RS485总线实现对恒电位仪的控制。实测结果表明：恒电位仪输出电流的测量范围为0-80A，准确度在±0.48%以内；管道通电电位测量范围为-3-3V，准确度在+7mV以内，能够实现对埋地金属管道恒电位参数的远程监控。
关键词：金属管道；腐蚀；阴极保护；恒电位仪；远程监控系统
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2016）01-0069-05
0 引言
埋地金属管道腐蚀的问题普遍存在于与生活息息相关的各行各业中，既带来了巨大的经济损失，也给人们的生产和生活造成极大的不便。据统计，我国每年因腐蚀而损耗的钢铁达6千多万吨，造成经济损失高达2800亿元。腐蚀不仅造成钢铁资源的浪费，而且使管道、设备使用寿命缩短，生产成本增大，经济效益降低，生产停顿，给居民生活造成不便。天然气、石油、化工、化纤、化肥、制药等埋地金属管道的破损除损失大量有用的物质外还造成严重的环境污染甚至引起火灾、爆炸、塌毁等灾难性事故。因此，对管道的保护显得尤为重要。
埋地管道保护有两种方法，即牺牲阳极保护和外加电流保护。为了提供保护电流，在外加电流保护系统中，需要有一个稳定的直流电源，使用最为普遍的直流电源有恒电位仪和整流器两种。在工程中广泛使用的恒电位仪主要有3类：晶体管恒电位仪、可控硅恒电位仪和磁饱和恒电位仪。
我国从1958年开始在石油管道上使用阴极保护电源，其中恒电位仪使用量超过90%。国外如美国、英国、德国、独联体等国家则多采用整流器作为电源设备。发达国家将阴极保护电源的研究主要投入到测量技术、测量方法、替代能源的开发与应用，区域化无线远程控制技术和保护评价的研究等方面，而我国针对远程控制技术方面的研究甚少。针对该现象，本文设计了远程监测系统实现对恒电位仪的自动化控制。
1 恒电位保护的基本原理
浙江嘉兴某天然气输送管道的口径为720mm.管道全长约350km。该管道采用的是恒电位保护方式，其保护结构示意图如图1所示。该保护系统主要由恒电位仪、阳极床、参比电极和被保护金属管道等构成。本文使用的是福建畅联的PS-1可控硅型恒电位仪，恒电位仪的阳极与阳极床相连，阴极与金属管道相连，参比电极与恒电位仪的参比接口相连接。保护电流由恒电位仪的阳极输出，流经阳极床、参比电极和金属管道后，流回恒电位仪的阴极。由于受到土壤化学、电化学以及微生物等影响，深埋于地下的金属管道会丢失电子，从而发生不同程度的腐蚀。恒电位仪通过阴极向管道输送电子，使管道一直处于得电子而非失电子状态，最终使管道电位较参比电位低0.85-1.2V，从而实现对管道的保护。
天然气输送管道全长达350km.根据理论计算，在保留一定余量的情况下，需要5台恒电位仪均匀地分布在管道上才能对其进行可靠的保护。传统对恒电位仪的监控均是通过人为方式实现：通过读取被保护管道的断电电位判断管道的受保护状态：如果管道欠（过）保护，那么需要现场手动提高（降低）恒电位的输出功率，使管道恢复为受保护状态；恒电位仪的工作状态也需要现场读取，实时性差，为系统的运行带来了极大的不便。
针对上述问题，本文设计了恒电位参数自动监测控制系统，该系统能够直接读取恒电位仪的工作参数（输出电压、输出电流、通电电位），并将该参数实时地传输回服务器；同时，服务器对野外监测数据进行分析、显示。如果数据异常，管理决策人员可立即通过服务器发送相关命令到监控系统，该监控系统即可实现对恒电位仪的控制，以使被保护管道处于受保护状态。
2 监控系统通信组网方式
恒电位仪监控系统的主要功能之一是将恒电位仪的各项参数（输出电压、输出电流、通电电位）测量后发送回服务器。数据传输方式有很多种，采用有线方式显然不能满足系统的要求，无线传输有GPRS和北斗两种。由于GPRS具有成本低、使用方便、实时性强、误码率低、传输速率高等特点，因此系统采用GPRS作为无线通信方式，本系统选取的GPRS模块为SIM900A.设计的数据通信链路如图2所示。系统将数据采集后发回服务器以确定恒电位仪的工作状态以及管道的受保护状态。
图中恒电位仪输出电子给管道，使管道处于被保护状态。室外监控系统采集恒电位仪的工作参数并通过GPRS网络将数据传回服务器，服务器有专用的数据接收、解析软件对数据进行处理、存储和显示。决策者通过数据访问平台可以实时查看各恒电位仪的工作状态以及管道的受保护状态。如果管道保护异常，那么决策者可通过服务器的控制中心实现对恒电位仪的控制，调节恒电位仪的输出功率，从而使管道处于正常受保护状态。
3 野外监控系统的设计
恒电位仪采用220V市电供电，监控系统的供电充裕。系统直接采用12V的适配器给系统供电，但电源纹波较大，因此在监控主板的电源输入级采用共模电感先滤去电源中的工频噪声，然后加入两级LC进行滤波，并采用大容量的铝电解电容，以尽可能地降低电源中的噪声。为了降低系统功耗，设计了专用的电源管理模块，在系统需要采集数据时才打开电源，其他时间均处于断电状态：另外，微处理器MCU通常处于休眠状态，只有在需要工作时才通过闹钟芯片DS1682S唤醒，以实现低功耗。
恒电位仪的数据接口有3通道的4-20mA接口和1个RS485接口。通常来讲，3通道的4-20mA接口可直接读取恒电位仪的输出电压、输出电流以及管道的通电电位.RS485接口可通过命令实现对恒电位仪输出功率的控制。 监控系统的主要功能是将恒电位仪的各个参数采集后传输回服务器，因此监控系统主要包括各参数信号调理电路和通信电路，其总体设计框图如图3所示。
为了简化电路，系统将4-20mA信号调理电路设计为多路复用电路，以降低硬件开发成本。
3.1 多通道4-20mA信号调理电路
图4给出了一种多通道4-20mA信号调理电路的原理图。由于恒电位仪在野外工作，同时与被保护管道相连接。如果恒电位仪或管道处于高压输电线或变电站附近，那么就有可能在管道和恒电位仪的4-20mA接口上感生出较强的交流信号，实际施工经验发现，该感生交流信号峰值可达上百伏；另外，在雷雨天气下也会在被保护管道和恒电位仪上感生出感应雷信号。因此，在4-20mA接口不能直接接入测量系统，需要做端口保护。系统采用光MOS器件AQV257C（图中的UI、U3、U4、U5）对输入端口进行隔离，在监测系统需要采集数据的时候才打开光MOS器件进行测量，其他时间光MOS器件均处于关断状态，以免监控系统受接口上感生信号的影响。另外，为了使接口电路更可靠，在4-20 mA接口的输入端，即图中UOUT、IOUT、ON_PT、PGND接口处添加瞬态抑制二极管（图中未给出）进一步做端口防护。
图4所示的电路可同时对恒电位仪的输出电压、输出电流和通电电位进行测量。如果系统要测量恒电位仪的输出电压，那么控制器MCU给CONO、CON3高电平，CONI、CON2低电平，打开光MOS器件UI、U5。恒电位仪输出电压的4-20mA信号就会通过UOUT端口进入测量系统，该电流信号先通过精密电阻R2转换为电压信号，再通过运放U2隔离放大后得到输出信号Vo。该信号经ADC即可得到恒电位仪的输出电压。假设4-20mA信号的输出电流为I，那么运放的输出电压Vo可表示为
Vo=I·R2·（I+R7/R6）
（l）
对于光MOS器件的选取，除了要考虑隔离电压、负载电流、驱动电流等参数以外，其导通电阻Ron也是一个非常重要的指标，如果光MOS在开启时的导通电阻Ron较大，那么电流信号流过光MOS器件后必定会引起一定的压降，使得最终测量得到的信号幅度降低。本系统选取的光MOS器件为AQV257C，其隔离电压为200V，最大导通电阻Ron<1Ω（典型值为0.7Ω），最大负载电流500mA.最小驱动电流<1mA，满足系统设计要求。
3.2 RS485通信电路的设计
系统选取的控制器为STM32F103C8T6.该控制器只有一个串口，而系统中除了控制恒电位仪需要用到串口（串口转RS485），GPRS通信也需要使用串口，因此需要将控制器的串口进行复用。图5给出了串口转RS485的电路原理图。
图中485A、485B连接恒电位仪的RS485接口，考虑到RS485传输距离较远，需要做接口防护，系统采用U2做端口保护，并采用电阻R3、R5隔离，以达到较好的保护效果。CON连接控制器的控制端口，RXD、TXD连接控制器的串口（接收、发送端口）。当CON端口为高电平时，控制器通过串口向恒电位仪发送命令，当命令发送完以后，将CON端口拉低，开始接收恒电位仪发送回来的数据。
3.3 系统控制器的工作流程图
系统选取的控制器是基于Cortex-M3内核的微控制器STM32F103C8T6.其工作流程如图6所示。联网模块和修改恒电位仪功率值模块设置了3次超时模式，限于篇幅，图中未给出。系统在设计时加入了数据存储模块，在服务器突然掉电或者工作异常的情况下，监控系统发送数据失败后会将发送失败的数据存起来，在下次发送数据的时候再次发送。
4 系统测试
系统主要测试系统的数据准确度。由于恒电位仪有显示装置，可以直接将恒电位仪的输出电压、输出电流以及通电电位显示出来，因此本文测试数据的参考值（参考电压、参考电流）均来自于恒电位仪的显示值。将该监控系统与恒电位仪相连，手动调节恒电位仪的输出电压，让系统采集恒电位仪的输出电压，并与参考电压进行对比得到表1的结果。
可以看出，系统的测量电压范围为0-80V，相对误差在±0.42%以内，达到了较高的指标。由于测量恒电位仪的输出电流、输出电压和管道通电电位均是同一个电路，因此这里只列出了测量恒电位仪输出电压的数据。实际测试表明，恒电位仪输出电流的测量范围为0-80A，准确度在+0.48%以内，管道通电电位测量范围为-3-3V，准确度在+7mV以内。
5 结束语
本文以多通道4-20mA信号调理电路为数据采集单元、GPRS（SIM900A模块）作为无线传输单元，设计了高效、稳定的恒电位仪监控系统，该系统将恒电位仪的各项参数（通电电位、断电点位、交流电位、白腐蚀电位）采集后发送回服务器。服务器对数据接收、解析、存储并显示，为恒电位仪的工作状态提供参考依据。如果需要调节恒电位仪的输出功率，决策人员可在服务器端直接发送命令到监控系统实现远程调节，为恒电位仪的自动控制提供了研究基础。在浙江省嘉兴市运行的5套设备表明：恒电位仪监控系统具有功耗低、稳定性好、无人值守等特点，满足监测需要。
关键词：金属管道；腐蚀；阴极保护；恒电位仪；远程监控系统
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2016）01-0069-05
0 引言
埋地金属管道腐蚀的问题普遍存在于与生活息息相关的各行各业中，既带来了巨大的经济损失，也给人们的生产和生活造成极大的不便。据统计，我国每年因腐蚀而损耗的钢铁达6千多万吨，造成经济损失高达2800亿元。腐蚀不仅造成钢铁资源的浪费，而且使管道、设备使用寿命缩短，生产成本增大，经济效益降低，生产停顿，给居民生活造成不便。天然气、石油、化工、化纤、化肥、制药等埋地金属管道的破损除损失大量有用的物质外还造成严重的环境污染甚至引起火灾、爆炸、塌毁等灾难性事故。因此，对管道的保护显得尤为重要。
埋地管道保护有两种方法，即牺牲阳极保护和外加电流保护。为了提供保护电流，在外加电流保护系统中，需要有一个稳定的直流电源，使用最为普遍的直流电源有恒电位仪和整流器两种。在工程中广泛使用的恒电位仪主要有3类：晶体管恒电位仪、可控硅恒电位仪和磁饱和恒电位仪。
我国从1958年开始在石油管道上使用阴极保护电源，其中恒电位仪使用量超过90%。国外如美国、英国、德国、独联体等国家则多采用整流器作为电源设备。发达国家将阴极保护电源的研究主要投入到测量技术、测量方法、替代能源的开发与应用，区域化无线远程控制技术和保护评价的研究等方面，而我国针对远程控制技术方面的研究甚少。针对该现象，本文设计了远程监测系统实现对恒电位仪的自动化控制。
1 恒电位保护的基本原理
浙江嘉兴某天然气输送管道的口径为720mm.管道全长约350km。该管道采用的是恒电位保护方式，其保护结构示意图如图1所示。该保护系统主要由恒电位仪、阳极床、参比电极和被保护金属管道等构成。本文使用的是福建畅联的PS-1可控硅型恒电位仪，恒电位仪的阳极与阳极床相连，阴极与金属管道相连，参比电极与恒电位仪的参比接口相连接。保护电流由恒电位仪的阳极输出，流经阳极床、参比电极和金属管道后，流回恒电位仪的阴极。由于受到土壤化学、电化学以及微生物等影响，深埋于地下的金属管道会丢失电子，从而发生不同程度的腐蚀。恒电位仪通过阴极向管道输送电子，使管道一直处于得电子而非失电子状态，最终使管道电位较参比电位低0.85-1.2V，从而实现对管道的保护。
天然气输送管道全长达350km.根据理论计算，在保留一定余量的情况下，需要5台恒电位仪均匀地分布在管道上才能对其进行可靠的保护。传统对恒电位仪的监控均是通过人为方式实现：通过读取被保护管道的断电电位判断管道的受保护状态：如果管道欠（过）保护，那么需要现场手动提高（降低）恒电位的输出功率，使管道恢复为受保护状态；恒电位仪的工作状态也需要现场读取，实时性差，为系统的运行带来了极大的不便。
针对上述问题，本文设计了恒电位参数自动监测控制系统，该系统能够直接读取恒电位仪的工作参数（输出电压、输出电流、通电电位），并将该参数实时地传输回服务器；同时，服务器对野外监测数据进行分析、显示。如果数据异常，管理决策人员可立即通过服务器发送相关命令到监控系统，该监控系统即可实现对恒电位仪的控制，以使被保护管道处于受保护状态。
2 监控系统通信组网方式
恒电位仪监控系统的主要功能之一是将恒电位仪的各项参数（输出电压、输出电流、通电电位）测量后发送回服务器。数据传输方式有很多种，采用有线方式显然不能满足系统的要求，无线传输有GPRS和北斗两种。由于GPRS具有成本低、使用方便、实时性强、误码率低、传输速率高等特点，因此系统采用GPRS作为无线通信方式，本系统选取的GPRS模块为SIM900A.设计的数据通信链路如图2所示。系统将数据采集后发回服务器以确定恒电位仪的工作状态以及管道的受保护状态。
图中恒电位仪输出电子给管道，使管道处于被保护状态。室外监控系统采集恒电位仪的工作参数并通过GPRS网络将数据传回服务器，服务器有专用的数据接收、解析软件对数据进行处理、存储和显示。决策者通过数据访问平台可以实时查看各恒电位仪的工作状态以及管道的受保护状态。如果管道保护异常，那么决策者可通过服务器的控制中心实现对恒电位仪的控制，调节恒电位仪的输出功率，从而使管道处于正常受保护状态。
3 野外监控系统的设计
恒电位仪采用220V市电供电，监控系统的供电充裕。系统直接采用12V的适配器给系统供电，但电源纹波较大，因此在监控主板的电源输入级采用共模电感先滤去电源中的工频噪声，然后加入两级LC进行滤波，并采用大容量的铝电解电容，以尽可能地降低电源中的噪声。为了降低系统功耗，设计了专用的电源管理模块，在系统需要采集数据时才打开电源，其他时间均处于断电状态：另外，微处理器MCU通常处于休眠状态，只有在需要工作时才通过闹钟芯片DS1682S唤醒，以实现低功耗。
恒电位仪的数据接口有3通道的4-20mA接口和1个RS485接口。通常来讲，3通道的4-20mA接口可直接读取恒电位仪的输出电压、输出电流以及管道的通电电位.RS485接口可通过命令实现对恒电位仪输出功率的控制。 监控系统的主要功能是将恒电位仪的各个参数采集后传输回服务器，因此监控系统主要包括各参数信号调理电路和通信电路，其总体设计框图如图3所示。
为了简化电路，系统将4-20mA信号调理电路设计为多路复用电路，以降低硬件开发成本。
3.1 多通道4-20mA信号调理电路
图4给出了一种多通道4-20mA信号调理电路的原理图。由于恒电位仪在野外工作，同时与被保护管道相连接。如果恒电位仪或管道处于高压输电线或变电站附近，那么就有可能在管道和恒电位仪的4-20mA接口上感生出较强的交流信号，实际施工经验发现，该感生交流信号峰值可达上百伏；另外，在雷雨天气下也会在被保护管道和恒电位仪上感生出感应雷信号。因此，在4-20mA接口不能直接接入测量系统，需要做端口保护。系统采用光MOS器件AQV257C（图中的UI、U3、U4、U5）对输入端口进行隔离，在监测系统需要采集数据的时候才打开光MOS器件进行测量，其他时间光MOS器件均处于关断状态，以免监控系统受接口上感生信号的影响。另外，为了使接口电路更可靠，在4-20 mA接口的输入端，即图中UOUT、IOUT、ON_PT、PGND接口处添加瞬态抑制二极管（图中未给出）进一步做端口防护。
图4所示的电路可同时对恒电位仪的输出电压、输出电流和通电电位进行测量。如果系统要测量恒电位仪的输出电压，那么控制器MCU给CONO、CON3高电平，CONI、CON2低电平，打开光MOS器件UI、U5。恒电位仪输出电压的4-20mA信号就会通过UOUT端口进入测量系统，该电流信号先通过精密电阻R2转换为电压信号，再通过运放U2隔离放大后得到输出信号Vo。该信号经ADC即可得到恒电位仪的输出电压。假设4-20mA信号的输出电流为I，那么运放的输出电压Vo可表示为
Vo=I·R2·（I+R7/R6）
（l）
对于光MOS器件的选取，除了要考虑隔离电压、负载电流、驱动电流等参数以外，其导通电阻Ron也是一个非常重要的指标，如果光MOS在开启时的导通电阻Ron较大，那么电流信号流过光MOS器件后必定会引起一定的压降，使得最终测量得到的信号幅度降低。本系统选取的光MOS器件为AQV257C，其隔离电压为200V，最大导通电阻Ron<1Ω（典型值为0.7Ω），最大负载电流500mA.最小驱动电流<1mA，满足系统设计要求。
3.2 RS485通信电路的设计
系统选取的控制器为STM32F103C8T6.该控制器只有一个串口，而系统中除了控制恒电位仪需要用到串口（串口转RS485），GPRS通信也需要使用串口，因此需要将控制器的串口进行复用。图5给出了串口转RS485的电路原理图。
图中485A、485B连接恒电位仪的RS485接口，考虑到RS485传输距离较远，需要做接口防护，系统采用U2做端口保护，并采用电阻R3、R5隔离，以达到较好的保护效果。CON连接控制器的控制端口，RXD、TXD连接控制器的串口（接收、发送端口）。当CON端口为高电平时，控制器通过串口向恒电位仪发送命令，当命令发送完以后，将CON端口拉低，开始接收恒电位仪发送回来的数据。
3.3 系统控制器的工作流程图
系统选取的控制器是基于Cortex-M3内核的微控制器STM32F103C8T6.其工作流程如图6所示。联网模块和修改恒电位仪功率值模块设置了3次超时模式，限于篇幅，图中未给出。系统在设计时加入了数据存储模块，在服务器突然掉电或者工作异常的情况下，监控系统发送数据失败后会将发送失败的数据存起来，在下次发送数据的时候再次发送。
4 系统测试
系统主要测试系统的数据准确度。由于恒电位仪有显示装置，可以直接将恒电位仪的输出电压、输出电流以及通电电位显示出来，因此本文测试数据的参考值（参考电压、参考电流）均来自于恒电位仪的显示值。将该监控系统与恒电位仪相连，手动调节恒电位仪的输出电压，让系统采集恒电位仪的输出电压，并与参考电压进行对比得到表1的结果。
可以看出，系统的测量电压范围为0-80V，相对误差在±0.42%以内，达到了较高的指标。由于测量恒电位仪的输出电流、输出电压和管道通电电位均是同一个电路，因此这里只列出了测量恒电位仪输出电压的数据。实际测试表明，恒电位仪输出电流的测量范围为0-80A，准确度在+0.48%以内，管道通电电位测量范围为-3-3V，准确度在+7mV以内。
5 结束语
本文以多通道4-20mA信号调理电路为数据采集单元、GPRS（SIM900A模块）作为无线传输单元，设计了高效、稳定的恒电位仪监控系统，该系统将恒电位仪的各项参数（通电电位、断电点位、交流电位、白腐蚀电位）采集后发送回服务器。服务器对数据接收、解析、存储并显示，为恒电位仪的工作状态提供参考依据。如果需要调节恒电位仪的输出功率，决策人员可在服务器端直接发送命令到监控系统实现远程调节，为恒电位仪的自动控制提供了研究基础。在浙江省嘉兴市运行的5套设备表明：恒电位仪监控系统具有功耗低、稳定性好、无人值守等特点，满足监测需要。