埋地金属管道远程监测系统设计

发布时间：2017-07-30 13:17

  本文关键词：埋地金属管道远程监测系统设计

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【摘要】：施加阴极保护法是防止埋地管道受腐蚀的有效手段,但目前埋地金属管道阴极保护法有以下几个弊端:由于现有技术条件限制,人们一般通过人工定期录取的方式获得阴极保护参数,不仅费时、费力,而且可能会因为测量劳动强度大,导致测量数据存在错误;阴极保护电位在每个季节、每个时间段,由于受降雨量以及管道附近环境的变化,在不同时期、不同位置断电电位的值互不相同,传统的方法不能够实现对数据的实时监测。因此,要保证埋地金属时刻处于受保护状态,需要做到以下两点:能够对阴极保护电位进行实时的监测;能够对对监测结果进行自动化分析与科学化管理。本文完成了针对浙江嘉欣某天然气在役埋地管道的远程监测系统的设计。该系统设计主要包括两个部分:阴极保护参数远程监测系统设计,恒电位仪参数远程监测系统设计。其中,阴极保护参数远程监测系统主要是采集断电电位等参数了解埋地金属管道的受保护状态。该系统不仅为金属管道监管提供实时、准确、具体、全面的监控数据信息,提高工作效率,而且设计了软件程序对数据进行分析处理,了解天然气埋地金属管道在不同时间段的腐蚀情况,针对性的设计数据采集方案,使得监测更加准确、实时、智能化。恒电位仪参数监测系统可以监测恒电位仪的工作情况,如果埋地金属管道的断电电位不在阴极保护范围内,服务器可以发布命令到单片机,通过改变恒电位仪的功率,从而使得埋地金属管道一直处于受保护状态。本文的主要研究成果有:1、针对野外供电条件不足的问题,设计了电源管理模块,满足了野外低功耗的要求。通过开关芯片或者闹钟芯片对不同的电路进行控制,只有当需要电路工作时才打开开关或者闹钟芯片唤醒:对模拟±12V的电源进行管理,在电源进入信号调理电路前,首先通过一个开关芯片IRF7416,对电源进行管理;微控制器STM32一般处于休眠状态,当需要工作时由闹钟芯片DS1682唤醒。2、采用STM32F103VCT6作为微控制器,负责系统的协调工作、对阴极保护参数(通电电位、断电点位、交流电位、自腐蚀电位)和恒电位仪参数(输出电压、输出电流、通电电位)进行采样、完成数据打包发送等工作。3、采用SIM900A GPRS无线模块来实现阴极保护电位数据和恒电位仪参数的传输,将系统采集的数据打包后通过GPRS无线网络传送至监控中心。4、设计了通电电位调理电路,由于埋地金属管道处于高压输电线或者变压器附近,会在管道上耦合出工频的感生交流电压,实际施工表明,在有的高压输电线下的管道会感生出上百伏的交流电压。另外,由于管道埋于地下,雷雨天气时会在管道和参比电极上耦合出较强的感应雷信号,因此,系统不能够直接将管道以及参比电极接入测量系统,需要做端口保护。5、设计了交流电位调理电路,由于系统测量的交流信号通常是通过高压输电线和变压器耦合到管道上的,其频率通常为50Hz,因此系统选取AD736作为真有效值转换芯片,该芯片的功耗极低(工作电流小于200μA),输入阻抗高(约1012?),芯片的转换频率最高可达36KHz,满足系统设计要求。6、设计了三通道4~20mA信号调理电路,由于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。工程经验发现,感生的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。7、设计了监控中心。服务器对接收的数据进行解析、处理,对恒电位仪的功率进行控制。当数据异常时,发出警报,同时管理决策人员可立即通过服务器发送相关命令到单片机,单片机通过控制恒电位仪的功率进行控制,从而使得埋地金属管道处于受保护状态。
【关键词】：埋地管道 阴极保护 恒电位仪 数据采集 远程监测
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.41;TP274
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 引言11-17
• 1.1 选题依据及研究意义11-12
• 1.2 阴极保护方法国内外研究现状12-14
• 1.3 本文主要研究内容14-15
• 1.4 论文结构安排15
• 1.5 本章小结15-17
• 第2章 相关技术理论分析及系统架构设计17-24
• 2.1 阴极保护方法17-19
• 2.1.1 阴极保护法原理17
• 2.1.2 阴极保护法主要参数17-18
• 2.1.3 阴极保护法防腐依据18-19
• 2.2 恒电位仪保护系统原理19-20
• 2.3 系统技术与结构分析20-22
• 2.3.1 远程监测终端参数分析20-21
• 2.3.2 网络传输系统方案选择21-22
• 2.3.3 监控中心技术分析22
• 2.4 系统结构设计22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第3章 阴极保护参数远程监测系统设计24-39
• 3.1 电源模块24-28
• 3.1.1 模拟±12V电源25-26
• 3.1.2 微控制器STM32电源26-27
• 3.1.3 GPRS电源27-28
• 3.2 信号调理电路28-30
• 3.2.1 直流电位调理电路28-29
• 3.2.2 交流电位调理电路29-30
• 3.3 微控制器模块30-36
• 3.3.1 微控制器最小系统31-33
• 3.3.2 微控制器外设33-34
• 3.3.3 固件流程34-36
• 3.4 GPRS通信模块36-37
• 3.5 本章小结37-39
• 第4章 恒电位仪远程监测系统硬件电路设计39-44
• 4.1 电源模块39-40
• 4.2 多通道 4～20mA信号调理电路40-41
• 4.3 RS485通信电路设计41
• 4.4 数据采集与无线传输41-42
• 4.5 固件流程42-43
• 4.6 本章小结43-44
• 第5章 系统软件开发与设计44-47
• 5.1 软件开发平台44
• 5.2 软件系统工作流程44-45
• 5.3 通信协议45-46
• 5.3.1 野外监测终端到服务器发送数据的通信协议45
• 5.3.2 服务器到野外监测终端的配置通信协议45-46
• 5.3.3 恒电位仪到服务器发送数据的通信协议46
• 5.3.4 恒电位仪心跳包通信协议46
• 5.4 本章小结46-47
• 第6章 系统成果及测试47-53
• 6.1 系统硬件成果47-50
• 6.1.1 系统硬件实物图及功能介绍47-48
• 6.1.2 系统的数据测量精度48-49
• 6.1.3 野外监测终端的功耗测试49-50
• 6.2 系统软件成果50-52
• 6.2.1 上位机软件展示及功能介绍50-51
• 6.2.2 上位机对监测终端的配置51
• 6.2.3 上位机对本地服务器的配置51-52
• 6.3 本章小结52-53
• 结论53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-58
• 攻读学位期间取得学术成果58

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