阴极保护电源远程监控系统设计与实现

第 34 卷 第 1 期
夏泽中，等： 阴极保护电源远程监控系统设计与实现
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图 4 采集单元 485 总线通信软件流程
图 2 阴极保护电源装置结构图
制电路和 GPRS 电路模块组成。 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。
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。
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。
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
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
（ 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。
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。
（ 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。
制器硬件单元结构和监控中心软件的设计，实现了 Internet 在线客户通过浏览器对阴极保护电源装置进行远
程检测、故障诊断和控制的目的。
关键词：GPRS 通信； 电源监控； Java； 阴极保护
中图分类号：TP872
DOI： 10． 3963 / j． issn． 1007 － 144X． 2012． 01． 002
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。
文献标志码：A
阴极保护电源远程监控系统设计与实现
夏泽中，刘 婷
（ 武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070）
摘 要：针对用于石油管线和储罐防腐的阴极保护电源装置，设计了一套阴极保护电源远程监控系统，对
于提高阴极保护系统稳定性和可靠性具有重要意义。重点介绍了阴极保护电源模块装置、GPRS 通信中央控
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
收稿日期：2011 － 08 － 27． 作者简介：夏泽中（ 1958 － ） ，男，湖北武汉人，武汉理工大学自动化学院教授； 博士． 基金项目：武汉市科技攻关计划基金资助项目（ 201010721291） ．
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。
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。
第 34 卷 第 1 期 2012 年 2 月
武汉理工大学学报·信息与管理工程版 JOURNAL OF WUT（ INFORMATION ＆ MANAGEMENT ENGINEERING）
文章编号：1007 － 144X（ 2012） 01 － 0004 － 05
Vol． 34 No． 1 Feb． 2012
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
（ 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。
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。
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夏泽中，等： 阴极保护电源远程监控系统设计与实现
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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
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武汉理工大学学报·信息与管理工程版
2012 年 2 月
图 5 中央控制电路与 GPRS 电路模块的连接关系
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。
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。