CN102828189B - 阴极保护电位控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明是阴极保护电位控制装置与方法。该装置由一个电位控制模块及数量相等的多个电源模块和电位检测模块组成，所有电源模块均设有电源模块控制器和电源功率电路；电位检测模块的信号检测负极和端和正极端分别与被保护金属结构件和参比极相连；所述电位控制模块经通信接口分别与所有电源模块控制器和电位检测模块的通信接口相连。该方法是：多个电源模块的输出电压由各自的电源模块控制器采用电压闭环控制实现，电压反馈信号直接在各自电源模块内部的电源功率电路输出端口测量获得；各个被保护金属构件与对应参比极之间的阴极保护电位控制，由电位控制模块采用电位闭环控制实现。本发明简化了阴极保护电源系统的线束、布线和控制复杂程度。

Description

阴极保护电位控制装置与方法

技术领域

本发明涉及特种电源控制领域，特别是涉及一种阴极保护电源系统的控制方法。

背景技术

在防腐工程中，强制电流阴极保护技术被广泛用于阻止金属结构件的腐蚀，例如，用于对油田采油区储罐群、输油或输气管道等金属结构群的防腐。现有的用于阴极保护防腐的电源系统多为采用相控整流器或开关变换器的单路输出直流电源，对被保护金属结构群中多个相邻的用导电体连接的被保护金属结构供电，用一个参比极检测阴极电位。金属结构受保护面与阳极之间的电流路径上包含多个金属内部局部等效电阻和多个金属表面与土壤电解质之间的等效电阻，由于金属结构受保护面的导电结构差异、涂层差异以及接触土壤差异，各种等效电阻值不等。对于给定的电流密度，在电流较大的时候，各局部等效电阻的压降差异较大，因而，在用单个直流电源供电和单点电位检测的情况下，在大的金属结构受保护面中，电位不能得到均衡控制，难以使金属结构受保护面各点处于最佳的保护状态。此外，现有的阴极保护防腐电源，对电位的信号采集方式是直接用导线将被保护金属阴极和参比极与电源控制器相连接。通常，电源模块远离被保护金属结构件和参比极，电源模块经较长的导线对电位信号进行测量，由于连接导线电阻和电感等分布参数及其参数变化的影响，会使检测到的参比极电位与实际值存在误差，从而使电位控制出现偏差，导致金属结构受保护面偏离最佳的保护状态。

中国专利ZL201020220448.1号于2011年2月9日公开的方案中，采用了模块化电源结构和电位数字化检测进行多点金属结构件的防腐保护来克服上述问题；在该方案中，由于每个电源模块采用独立的电位反馈回路，电源系统的通信电缆线束多，使系统布线复杂，给防腐电源系统的安装和维护带来不便；另一方面，在电源控制室远离金属结构件时，多条长距离测量电缆也不经济。

现有阴极保护电源系统的电位控制方法，除了采用开环控制外，多数电源模块采用独立的电位反馈回路，由电源模块的控制器直接进行电位控制。当采用数字控制技术对阴极保护电源进行电位控制时，这种由电源模块控制器既进行功率变换控制，同时又进行电压和电位调节的控制方法，使得电源模块控制软件设计变得复杂，不利批量生产调试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种阴极保护电位控制装置，以克服每个电源模块采用独立的电位反馈回路，电源系统的通信电缆线束多、系统布线复杂、电源系统的安装和维护不便的问题；还提供一种阴极保护电位控制方法，使电源模块的控制任务得到简化，利于批量生产调试。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的阴极保护电位控制装置，是由一个电位控制模块，以及数量相等的多个电源模块和电位检测模块组成，其中：所有电源模块均设有电源模块控制器和电源功率电路；每个电源功率电路中，其负极通过导线与被保护金属结构件相连接，其正极与接地阳极连接；所述电位检测模块的信号检测负极端连接到被保护金属结构件上，其信号检测正极端与参比极相连接；所述电位控制模块经通信接口与所有电源模块控制器的通信接口相连，经通信接口与所有电位检测模块的通信接口相连。

所述的电位控制模块，可以经两组独立的串行通信线分别与电源模块和电位检测模块连接。

所述的电位控制模块，还可以经一组串行通信线与电源模块和电位检测模块连接。

所述的多个电源模块，可以用于根据各自的参考电压数据，对各自输出电压进行电压反馈控制，产生施加于被保护金属结构件进行阴极保护的多路可控直流电压。

所述的电位控制模块用于周期性启动电位检测模块进行电位信号采样和接收各电位检测模块的电位检测数据，按照设定的参考电位值进行电位反馈控制运算，向与电位检测模块相应的电源模块发出参考电压数据。

所述的多个电位检测模块，用于检测同相应电源模块连接的被保护金属结构件与其参比极之间的电位信号。

本发明提供的阴极保护电位控制方法，具体是：多个电源模块的输出电压由各自的电源模块控制器采用电压闭环控制实现，电压反馈信号直接在各自电源模块内部的电源功率电路输出端口测量获得；各个被保护金属构件与对应参比极之间的阴极保护电位控制，由电位控制模块采用电位闭环控制实现，即反馈电位数据由位于被保护金属构件附近的相应电位检测模块测量获得，并以串行通信方式发送至电位控制模块，电位控制模块按各个被保护金属构件的设定参考电位值进行电位反馈控制运算而产生相应的参考电压数据，并以串行通信方式将上述参考电压数据发送至对应的电源模块控制器，上述参考电压数据用于电源模块进行电压闭环控制的参考值。

上述阴极保护电位控制方法，其可以包括以下步骤：

（1）电位控制模块向电位检测模块发送电位信号采样指令；

（2）电位检测模块采样被保护金属构件与参比极之间的阴极保护电位信号并获得电位检测数据；

（3）将上述电位检测数据以串行通信方式发送至电位控制模块；

（4）电位控制模块将上述电位检测数据与相应的设定参考电位值进行比较，按反馈控制算法对上述比较差值进行运算，生成参考电压数据；

（5）将上述参考电压数据以串行通信方式发送至电源模块；

（6）电源模块中的电源控制器测量电源功率电路输出端的实际电压，将实际电压值与上述参考电压数据进行比较，按反馈控制算法对电源功率电路输出电压进行调节控制；

经过上述步骤，实现对阴极保护电位的控制。

上述步骤（1）中，对反馈的电位检测数据的控制方法可以为：电位检测数据的采样周期由电位控制模块决定，由电位控制模块向电位检测模块发送电位信号采样指令，激活电位检测模块对电位信号的采样和电位数据的发送。

上述步骤（5）中，对电位反馈控制方法可以为：电位反馈控制周期由电位控制模块决定，由电位控制模块周期性向电源模块发送参考电压数据。

本发明与目前采用的阴极保护电位控制装置和方法相比，具有以下主要的优点：

其一，简化了阴极保护电源系统的线束和布线复杂程度；

采用串行通信线将电位控制模块与多个被保护金属结构件的电位检测模块连接，克服了每个电源模块采用独立的电位反馈回路时的通信电缆线束多，经济性差，布线复杂，安装和维护困难的缺陷。

其二，简化了电源模块的控制复杂程度：

由电位控制模块采集多个被保护金属结构件的电位数据，进行电位闭环控制运算，向对应电源模块发送控制信号的方法，有利于在电位控制中对电位检测模块的电位信号采用统一的采集和处理方式，简化电源模块闭环控制任务，有利于降低电源模块控制软件复杂性，克服电源模块批量生产调试困难的缺陷。

附图说明

图1是按照本发明一实施方式用于阴极保护电位控制装置的结构示意图。

图2是按照本发明一个实施方式用于电位检测模块检测和发送电位数据的流程图。

图3是按照本发明一个实施方式用于电位控制模块获取电位数据和产生参考电压数据的流程图。  

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

一. 阴极保护电位控制装置

该阴极保护电位控制装置的结构如图1所示，由一个电位控制模块，以及数量相等的多个电源模块和电位检测模块组成，其中：所有电源模块均设有电源模块控制器和电源功率电路。每个电源功率电路中，其负极通过导线与被保护金属结构件相连接，其正极与接地阳极连接。所述电位检测模块的信号检测负极端连接到被保护金属结构件上，其信号检测正极端与参比极相连接。在本实施例中，所述电位控制模块经两组独立的串行通信线分别与多个电源模块和多个电位检测模块连接，即所述电位控制模块有两个通信接口，其中一个通信接口与所有电源模块控制器的通信接口相连，另一个通信接口与所有电位检测模块的通信接口相连。

所述电源模块与电位控制模块经串行通信线连接，串行通信线用于从电位控制模块向电源模块传送参考电压数据和相互传递其它信息；该电源模块用于根据各自的参考电压数据，对各自输出电压进行电压反馈控制，产生施加于被保护金属结构件进行阴极保护的多路可控直流电压。该电源模块中，其电源功率电路是采用电力电子器件场效应管构成的常规开关型电力变流电路，用于将输入的未控制的交流或直流电压变换成可控制的直流电压；其电源模块控制器是由通用单片机和通用PWM控制芯片构成的电力变换控制器。

所述电位检测模块，用于对应检测与相应电源模块连接的被保护金属结构件与其参比极之间的电位信号；该电位检测模块与电位控制模块经串行通信线连接，串行通信线用于电位控制模块向电位检测模块发送起始电位信号采样指令和用于电位检测模块向电位控制模块传送电位检测数据，以及用于相互传递其它信息。电位检测模块中的电位信号采样电路是通用的模拟电路，所述电位采样信号由数字处理器处理成为电位检测数据，再经通信接口由串行通信线发送给电位控制模块。

所述电位控制模块，用于周期性启动电位检测模块进行电位信号采样和接收各电位检测模块的电位检测数据，按照设定的参考电位值进行电位反馈控制运算，产生参考电压数据，将该参考电压数据经串行通信线发送给与电位检测模块相应的电源模块。在本实施例中，电位控制模块可以是具有两个串行通信接口单元的单片机系统，例如是有两个CAN总线控制器接口的通用单片机系统。

本发明提供的阴极保护电位控制装置，其工作过程是：各电源模块的输出电压由各自的电源模块控制器采用电压闭环控制实现，电压反馈信号直接在各自电源模块内部的电源功率电路输出端口测量获得；各个被保护金属构件与对应参比极之间的阴极保护电位控制，由电位控制模块采用电位闭环控制实现，即反馈电位数据由位于被保护金属构件附近的相应电位检测模块测量获得，并经串行通信线以串行通信方式发送至电位控制模块，电位控制模块按各个被保护金属构件的设定参考电位值进行电位反馈控制运算而产生相应的参考电压数据，并以串行通信方式由串行通信线将上述参考电压数据发送至对应的电源模块，上述参考电压数据用于电源模块进行电压闭环控制的参考值。

二. 阴极保护电位控制方法

本发明提供的上述阴极保护电位控制装置可以实现阴极保护电位的控制。

为便于说明，参见图1，本实施例将多个电源模块和电位检测模块各设置五个，即：五个电源模块的标识号分别为1、2、3、4、5，对应的五个电位检测模块的标识号与电源模块的标识号相同，也分别为1、2、3、4、5。由电位检测模块110发送给电位控制模块101的电位检测数据帧中含有该电位检测模块自身的标识号信息，用于在电位控制模块101中识别电位检测数据的来源。电位控制模块101向电源模块103发送的参考电压数据帧中含有电源模块的标识号，用于表示该参考电压数据应被与该标识号相同的电源模块接收。串行通信为多主方式，采样统一和固定的数据格式。电位控制模块101向电位检测模块110发送的电位信号采样指令数据帧的标识号为0、1、2、3、4、5；其中，标识号为0的电位信号采样指令数据帧用于启动标识号1电位检测模块的电位信号采样与电位数据发送。于是，标识号k的电位检测模块的电位信号采样和电位数据发送过程被包含标识号k-1的数据帧激活。

本发明提供的阴极保护电位控制方法，是用于电位检测模块检测和发送电位数据方法，其流程如图2所示。假设该流程在标识号为k的电位检测模块中被执行。该流程开始于步骤S201。然后，在步骤S202，电位检测模块以串行通信方式接收含有标识号的数据帧。电位控制模块向电位检测模块发送标识号0的电位信号采样起始指令，即可激活所有电位检测模块的电位信号采样和电位数据发送。

在步骤S203，对步骤S202接收的数据帧的标识号进行判断，如果接收到的数据帧的标识号比电位检测模块自身标识号小1，即标识号k电位检测模块接收到的数据帧的标识号是(k-1)，则流程进入步骤S204；否则，流程进入步骤S206。

在步骤S204，电位检测模块采样被保护金属构件与参比极之间的阴极保护电位信号并获得电位检测数据。

在步骤S205，电位检测模块将包含自身标识号k的上述电位检测数据以串行通信方式发送至电位控制模块，用于进行电位闭环控制。同时，该电位检测数据也被其它电位检测模块所接收，可启动下一个具有相邻标识号的电位检测模块进行电位信号采样和电位检测数据发送。

在步骤S206，流程结束。

本发明提供的阴极保护电位控制方法，是用于电位控制模块获取电位数据和产生参考电压数据的方法，其流程如图3所示。该流程开始于步骤S301。在步骤S302，清除电位检测数据缓冲区，准备接收该电位控制周期的电位检测数据。该缓冲区用于保存一个周期中所接收的所有对应电位检测模块的电位检测数据。

在步骤S303，接收串行通信数据的中断被开放，即中断允许。这样，当电位控制模块每接收一个串行通信数据，都会被数据接收中断程序处理和接收，并按序存放于上述电位检测数据缓冲区。

在步骤S304，电位控制模块向电位检测模块发送标识号k=0的电位信号采样指令。电位检测模块接收到该指令后，标识号1电位检测模块将采样被保护金属构件与对应参比极之间的阴极保护电位信号并获得电位检测数据。

在步骤S305，将标识号存储单元值设为k=1，以作为读取电位检测数据缓冲区的指针值，用于读取所接收到的标识号k的电位检测模块发出的电位检测数据。

在步骤S306，在电位检测数据缓冲区中按标识号单元值k为地址指针值，读取所接收到的相应标识号的电位检测模块发出的电位检测数据。

在步骤S307，判断上述电位检测数据是否为有效数据，如果是有效数据，流程进入S308；否则，流程进入S310。

在步骤S308，电位控制模块将有效电位检测数据与相应的设定参考电位值进行比较，按反馈控制算法对上述比较差值进行运算，生成参考电压数据。

在步骤S309，将包含标识号k的上述参考电压数据以串行通信方式发送至电源模块。电源模块中的电源控制器测量电源功率电路输出端的实际电压，将实际电压值与上述参考电压数据进行比较，按反馈控制算法对电源功率电路输出电压进行调节控制。

在步骤S310，进行超时判断，如果在预定的时间之内未接收到有效电位检测数据，流程回到步骤S306；否则，流程进入步骤S311。

在步骤S311，向电位检测模块发送包含标识号k的电位信号采样指令；该指令用于使标识号k+1的电位检测模块进行电位信号采样和电位数据发送。

在步骤S312，向电源模块发送包含标识号k的前一周期计算的参考电压数据。由于未接收到有效的标识号k的电位检测模块的电位检测数据，将前次计算得到的参考电压数据用于对相应的电源模块进行电压闭环控制。

在步骤S313，标识号存储单元值加一运算，即k=k+1。

在步骤S315，判断5个电位控制任务是否完成。如果未完成，流程返回到步骤S306。否则，流程进入步骤S315。

在步骤S315，禁止电位控制模块的数据接收中断。

在步骤S316，对故障进行处理。例如，连续n个周期均未接收到同一标识号电位检测模块的电位检测数据，则可能是该标识号电位检测模块出现故障，可显示报警等。

在步骤S317，流程结束。

图3的流程描述了电位控制模块对全部阴极保护电位进行一个周期的电位闭环控制。可见，电位检测数据的采样周期由电位控制模块决定，由电位控制模块向电位检测模块发送电位信号采样指令，激活电位检测模块对电位信号的采样和电位数据的发送。电位反馈控制周期由电位控制模块决定，由电位控制模块周期性向电源模块发送参考电压数据。

上述实施例中，本发明提供的阴极保护电位控制装置，是将多个电位检测模块用同一通信电缆连接到电位控制模块，克服了每个电源模块采用独立的电位反馈回路，电源系统的通信电缆线束多、系统布线复杂、电源系统的安装和维护不便的问题。

上述实施例中，本发明提供的阴极保护电位控制方法，其对于多点阴极保护系统，所有的被保护金属结构件现场电位数据由电位控制模块采集，电位控制模块对电位数据进行闭环控制运算，将产生的参考电压信号发生到对应的电源模块，由电源模块进行电压闭环控制。于是，电源模块的控制任务得到简化，克服了电源模块控制软件设计复杂，批量生产调试困难的弱点。

上述实施例虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (8)

1. 一种阴极保护电位控制装置，其特征在于由一个电位控制模块，以及数量相等的多个电源模块和电位检测模块组成，其中：所有电源模块均设有电源模块控制器和电源功率电路；每个电源功率电路中，其负极通过导线与被保护金属结构件相连接，其正极与接地阳极连接；所述电位检测模块的信号检测负极端连接到被保护金属结构件上，其信号检测正极端与参比极相连接；所述电位控制模块经通信接口与所有电源模块控制器的通信接口相连，经通信接口与所有电位检测模块的通信接口相连；所述的电位控制模块经两组独立的串行通信线分别与电源模块和电位检测模块连接。

2.根据权利要求1所述的阴极保护电位控制装置，其特征在于所述的多个电源模块，用于根据各自的参考电压数据，对各自输出电压进行电压反馈控制，产生施加于被保护金属结构件进行阴极保护的多路可控直流电压。

3.根据权利要求1所述的阴极保护电位控制装置，其特征在于所述的电位控制模块用于周期性启动电位检测模块进行电位信号采样和接收各电位检测模块的电位检测数据，按照设定的参考电位值进行电位反馈控制运算，向与电位检测模块相应的电源模块发出参考电压数据。

4.根据权利要求1所述的阴极保护电位控制装置，其特征在于所述的多个电位检测模块，用于检测同相应电源模块连接的被保护金属结构件与其参比极之间的电位信号。

5. 一种阴极保护电位控制方法，其特征在于：多个电源模块的输出电压由各自的电源模块控制器采用电压闭环控制实现，电压反馈信号直接在各自电源模块内部的电源功率电路输出端口测量获得；各个被保护金属构件与对应参比极之间的阴极保护电位控制，由电位控制模块采用电位闭环控制实现，即反馈电位数据由位于被保护金属构件附近的相应电位检测模块测量获得，并以串行通信方式发送至电位控制模块，电位控制模块按各个被保护金属构件的设定参考电位值进行电位反馈控制运算而产生相应的参考电压数据，并以串行通信方式将上述参考电压数据发送至对应的电源模块控制器，上述参考电压数据用于电源模块进行电压闭环控制的参考值。

6.根据权利要求5所述的阴极保护电位控制方法，其特征在于该方法步骤包括：

（1）电位控制模块向电位检测模块发送电位信号采样指令；

（2）电位检测模块采样被保护金属构件与参比极之间的阴极保护电位信号并获得电位检测数据；

（3）将上述电位检测数据以串行通信方式发送至电位控制模块；

（4）电位控制模块将上述电位检测数据与相应的设定参考电位值进行比较，按反馈控制算法对上述比较差值进行运算，生成参考电压数据；

（5）将上述参考电压数据以串行通信方式发送至电源模块；

（6）电源模块中的电源控制器测量电源功率电路输出端的实际电压，将实际电压值与上述参考电压数据进行比较，按反馈控制算法对电源功率电路输出电压进行调节控制；

经过上述步骤，实现对阴极保护电位的控制。

7.根据权利要求6所述的阴极保护电位控制方法，其特征在于步骤（1）中，对反馈的电位检测数据的控制方法为：电位检测数据的采样周期由电位控制模块决定，由电位控制模块向电位检测模块发送电位信号采样指令，激活电位检测模块对电位信号的采样和电位数据的发送。

8.根据权利要求6所述的阴极保护电位控制方法，其特征在于步骤（5）中，对电位反馈控制方法为：电位反馈控制周期由电位控制模块决定，由电位控制模块周期性向电源模块发送参考电压数据。