陰極保護電位控制裝置與方法
2023-10-09 11:35:09
專利名稱：陰極保護電位控制裝置與方法
技術領域：
本發明涉及特種電源控制領域，特別是涉及一種陰極保護電源系統的控制方法。
背景技術：
在防腐工程中，強制電流陰極保護技術被廣泛用於阻止金屬結構件的腐蝕，例如，用於對油田採油區儲罐群、輸油或輸氣管道等金屬結構群的防腐。現有的用於陰極保護防腐的電源系統多為採用相控整流器或開關變換器的單路輸出直流電源，對被保護金屬結構群中多個相鄰的用導電體連接的被保護金屬結構供電，用一個參比極檢測陰極電位。金屬結構受保護面與陽極之間的電流路徑上包含多個金屬內部局部等效電阻和多個金屬表面與土壤電解質之間的等效電阻，由於金屬結構受保護面的導 電結構差異、塗層差異以及接觸土壤差異，各種等效電阻值不等。對於給定的電流密度，在電流較大的時候，各局部等效電阻的壓降差異較大，因而，在用單個直流電源供電和單點電位檢測的情況下，在大的金屬結構受保護面中，電位不能得到均衡控制，難以使金屬結構受保護面各點處於最佳的保護狀態。此外，現有的陰極保護防腐電源，對電位的信號採集方式是直接用導線將被保護金屬陰極和參比極與電源控制器相連接。通常，電源模塊遠離被保護金屬結構件和參比極，電源模塊經較長的導線對電位信號進行測量，由於連接導線電阻和電感等分布參數及其參數變化的影響，會使檢測到的參比極電位與實際值存在誤差，從而使電位控制出現偏差，導致金屬結構受保護面偏離最佳的保護狀態。中國專利ZL201020220448. I號於2011年2月9日公開的方案中，採用了模塊化電源結構和電位數位化檢測進行多點金屬結構件的防腐保護來克服上述問題；在該方案中，由於每個電源模塊採用獨立的電位反饋迴路，電源系統的通信電纜線束多，使系統布線複雜，給防腐電源系統的安裝和維護帶來不便；另一方面，在電源控制室遠離金屬結構件時，多條長距離測量電纜也不經濟。現有陰極保護電源系統的電位控制方法，除了採用開環控制外，多數電源模塊採用獨立的電位反饋迴路，由電源模塊的控制器直接進行電位控制。當採用數字控制技術對陰極保護電源進行電位控制時，這種由電源模塊控制器既進行功率變換控制，同時又進行電壓和電位調節的控制方法，使得電源模塊控制軟體設計變得複雜，不利批量生產調試。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種陰極保護電位控制裝置，以克服每個電源模塊採用獨立的電位反饋迴路，電源系統的通信電纜線束多、系統布線複雜、電源系統的安裝和維護不便的問題；還提供一種陰極保護電位控制方法，使電源模塊的控制任務得到簡化，利於批量生產調試。本發明解決其技術問題採用以下的技術方案
本發明提供的陰極保護電位控制裝置，是由一個電位控制模塊，以及數量相等的多個電源模塊和電位檢測模塊組成，其中所有電源模塊均設有電源模塊控制器和電源功率電路；每個電源功率電路中，其負極通過導線與被保護金屬結構件相連接，其正極與接地陽極連接；所述電位檢測模塊的信號檢測負極端連接到被保護金屬結構件上，其信號檢測正極端與參比極相連接；所述電位控制模塊經通信接口與所有電源模塊控制器的通信接口相連，經通信接口與所有電位檢測模塊的通信接口相連。所述的電位控制模塊，可以經兩組獨立的串行通信線分別與電源模塊和電位檢測模塊連接。所述的電位控制模塊，還可以經一組串行通信線與電源模塊和電位檢測模塊連接。所述的多個電源模塊，可以用於根據各自的參考電壓數據，對各自輸出電壓進行電壓反饋控制，產生施加於被保護金屬結構件進行陰極保護的多路可控直流電壓。所述的電位控制模塊用於周期性啟動電位檢測模塊進行電位信號採樣和接收各 電位檢測模塊的電位檢測數據，按照設定的參考電位值進行電位反饋控制運算，向與電位檢測模塊相應的電源模塊發出參考電壓數據。所述的多個電位檢測模塊，用於檢測同相應電源模塊連接的被保護金屬結構件與其參比極之間的電位信號。本發明提供的陰極保護電位控制方法，具體是多個電源模塊的輸出電壓由各自的電源模塊控制器採用電壓閉環控制實現，電壓反饋信號直接在各自電源模塊內部的電源功率電路輸出埠測量獲得；各個被保護金屬構件與對應參比極之間的陰極保護電位控制，由電位控制模塊採用電位閉環控制實現，即反饋電位數據由位於被保護金屬構件附近的相應電位檢測模塊測量獲得，並以串行通信方式發送至電位控制模塊，電位控制模塊按各個被保護金屬構件的設定參考電位值進行電位反饋控制運算而產生相應的參考電壓數據，並以串行通信方式將上述參考電壓數據發送至對應的電源模塊控制器，上述參考電壓數據用於電源模塊進行電壓閉環控制的參考值。上述陰極保護電位控制方法，其可以包括以下步驟
(1)電位控制模塊向電位檢測模塊發送電位信號採樣指令；
(2)電位檢測模塊採樣被保護金屬構件與參比極之間的陰極保護電位信號並獲得電位檢測數據；
(3)將上述電位檢測數據以串行通信方式發送至電位控制模塊；
(4)電位控制模塊將上述電位檢測數據與相應的設定參考電位值進行比較，按反饋控制算法對上述比較差值進行運算，生成參考電壓數據；
(5)將上述參考電壓數據以串行通信方式發送至電源模塊；
(6)電源模塊中的電源控制器測量電源功率電路輸出端的實際電壓，將實際電壓值與上述參考電壓數據進行比較，按反饋控制算法對電源功率電路輸出電壓進行調節控制；
經過上述步驟，實現對陰極保護電位的控制。上述步驟(I)中，對反饋的電位檢測數據的控制方法可以為電位檢測數據的採樣周期由電位控制模塊決定，由電位控制模塊向電位檢測模塊發送電位信號採樣指令，激活電位檢測模塊對電位信號的採樣和電位數據的發送。上述步驟(5)中，對電位反饋控制方法可以為電位反饋控制周期由電位控制模塊決定，由電位控制模塊周期性向電源模塊發送參考電壓數據。
本發明與目前採用的陰極保護電位控制裝置和方法相比，具有以下主要的優點 其一，簡化了陰極保護電源系統的線束和布線複雜程度；
採用串行通信線將電位控制模塊與多個被保護金屬結構件的電位檢測模塊連接，克服了每個電源模塊採用獨立的電位反饋迴路時的通信電纜線束多，經濟性差，布線複雜，安裝和維護困難的缺陷。其二，簡化了電源模塊的控制複雜程度
由電位控制模塊採集多個被保護金屬結構件的電位數據，進行電位閉環控制運算，向對應電源模塊發送控制信號的方法，有利於在電位控制中對電位檢測模塊的電位信號採用統一的米集和處理方式，簡化電源模塊閉環控制任務，有利於降低電源模塊控制軟體複雜性，克服電源模塊批量生產調試困難的缺陷。
圖I是按照本發明一實施方式用於陰極保護電位控制裝置的結構示意圖。圖2是按照本發明一個實施方式用於電位檢測模塊檢測和發送電位數據的流程圖。圖3是按照本發明一個實施方式用於電位控制模塊獲取電位數據和產生參考電壓數據的流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不限定本發明。一.陰極保護電位控制裝置
該陰極保護電位控制裝置的結構如圖I所示，由一個電位控制模塊，以及數量相等的多個電源模塊和電位檢測模塊組成，其中所有電源模塊均設有電源模塊控制器和電源功率電路。每個電源功率電路中，其負極通過導線與被保護金屬結構件相連接，其正極與接地陽極連接。所述電位檢測模塊的信號檢測負極端連接到被保護金屬結構件上，其信號檢測正極端與參比極相連接。在本實施例中，所述電位控制模塊經兩組獨立的串行通信線分別與多個電源模塊和多個電位檢測模塊連接，即所述電位控制模塊有兩個通信接口，其中一個通信接口與所有電源模塊控制器的通信接口相連，另一個通信接口與所有電位檢測模塊的通信接口相連。所述電源模塊與電位控制模塊經串行通信線連接，串行通信線用於從電位控制模塊向電源模塊傳送參考電壓數據和相互傳遞其它信息；該電源模塊用於根據各自的參考電壓數據，對各自輸出電壓進行電壓反饋控制，產生施加於被保護金屬結構件進行陰極保護的多路可控直流電壓。該電源模塊中，其電源功率電路是採用電力電子器件場效應管構成的常規開關型電力變流電路，用於將輸入的未控制的交流或直流電壓變換成可控制的直流電壓；其電源模塊控制器是由通用單片機和通用PWM控制晶片構成的電力變換控制器。所述電位檢測模塊，用於對應檢測與相應電源模塊連接的被保護金屬結構件與其參比極之間的電位信號；該電位檢測模塊與電位控制模塊經串行通信線連接，串行通信線用於電位控制模塊向電位檢測模塊發送起始電位信號採樣指令和用於電位檢測模塊向電位控制模塊傳送電位檢測數據，以及用於相互傳遞其它信息。電位檢測模塊中的電位信號採樣電路是通用的模擬電路，所述電位採樣信號由數字處理器處理成為電位檢測數據，再經通信接口由串行通信線發送給電位控制模塊。所述電位控制模塊，用於周期性啟動電位檢測模塊進行電位信號採樣和接收各電位檢測模塊的電位檢測數據，按照設定的參考電位值進行電位反饋控制運算，產生參考電壓數據，將該參考電壓數據經串行通信線發送給與電位檢測模塊相應的電源模塊。在本實施例中，電位控制模塊可以是具有兩個串行通信接口單元的單片機系統，例如是有兩個CAN總線控制器接口的通用單片機系統。本發明提供的陰極保護電位控制裝置，其工作過程是各電源模塊的輸出電壓由各自的電源模塊控制器採用電壓閉環控制實現，電壓反饋信號直接在各自電源模塊內部的電源功率電路輸出埠測量獲得；各個被保護金屬構件與對應參比極之間的陰極保護電位控制，由電位控制模塊採用電位閉環控制實現，即反饋電位數據由位於被保護金屬構件附近的相應電位檢測模塊測量獲得，並經串行通信線以串行通信方式發送至電位控制模塊，電位控制模塊按各個被保護金屬構件的設定參考電位值進行電位反饋控制運算而產生相 應的參考電壓數據，並以串行通信方式由串行通信線將上述參考電壓數據發送至對應的電源模塊，上述參考電壓數據用於電源模塊進行電壓閉環控制的參考值。二.陰極保護電位控制方法
本發明提供的上述陰極保護電位控制裝置可以實現陰極保護電位的控制。為便於說明，參見圖1，本實施例將多個電源模塊和電位檢測模塊各設置五個，即五個電源模塊的標識號分別為I、2、3、4、5,對應的五個電位檢測模塊的標識號與電源模塊的標識號相同，也分別為1、2、3、4、5。由電位檢測模塊110發送給電位控制模塊101的電位檢測數據幀中含有該電位檢測模塊自身的標識號信息，用於在電位控制模塊101中識別電位檢測數據的來源。電位控制模塊101向電源模塊103發送的參考電壓數據幀中含有電源模塊的標識號，用於表示該參考電壓數據應被與該標識號相同的電源模塊接收。串行通信為多主方式，採樣統一和固定的數據格式。電位控制模塊101向電位檢測模塊110發送的電位信號採樣指令數據幀的標識號為0、1、2、3、4、5;其中，標識號為0的電位信號採樣指令數據幀用於啟動標識號I電位檢測模塊的電位信號採樣與電位數據發送。於是，標識號k的電位檢測模塊的電位信號採樣和電位數據發送過程被包含標識號k-Ι的數據幀激活。本發明提供的陰極保護電位控制方法，是用於電位檢測模塊檢測和發送電位數據方法，其流程如圖2所示。假設該流程在標識號為k的電位檢測模塊中被執行。該流程開始於步驟S201。然後，在步驟S202，電位檢測模塊以串行通信方式接收含有標識號的數據幀。電位控制模塊向電位檢測模塊發送標識號O的電位信號採樣起始指令，即可激活所有電位檢測模塊的電位信號採樣和電位數據發送。在步驟S203，對步驟S202接收的數據幀的標識號進行判斷，如果接收到的數據幀的標識號比電位檢測模塊自身標識號小1，即標識號k電位檢測模塊接收到的數據幀的標識號是(k-Ι)，則流程進入步驟S204 ;否則，流程進入步驟S206。在步驟S204，電位檢測模塊採樣被保護金屬構件與參比極之間的陰極保護電位信號並獲得電位檢測數據。在步驟S205，電位檢測模塊將包含自身標識號k的上述電位檢測數據以串行通信方式發送至電位控制模塊，用於進行電位閉環控制。同時，該電位檢測數據也被其它電位檢測模塊所接收，可啟動下一個具有相鄰標識號的電位檢測模塊進行電位信號採樣和電位檢測數據發送。在步驟S206，流程結束。本發明提供的陰極保護電位控制方法，是用於電位控制模塊獲取電位數據和產生參考電壓數據的方法，其流程如圖3所示。該流程開始於步驟S301。在步驟S302，清除電位檢測數據緩衝區，準備接收該電位控制周期的電位檢測數據。該緩衝區用於保存一個周期中所接收的所有對應電位檢測模塊的電位檢測數據。在步驟S303，接收串行通信數據的中斷被開放，即中斷允許。這樣，當電位控制模塊每接收一個串行通信數據，都會被數據接收中斷程序處理和接收，並按序存放於上述電位檢測數據緩衝區。在步驟S304，電位控制模塊向電位檢測模塊發送標識號k=0的電位信號採樣指令。電位檢測模塊接收到該指令後，標識號I電位檢測模塊將採樣被保護金屬構件與對應 參比極之間的陰極保護電位信號並獲得電位檢測數據。在步驟S305，將標識號存儲單元值設為k=l，以作為讀取電位檢測數據緩衝區的指針值，用於讀取所接收到的標識號k的電位檢測模塊發出的電位檢測數據。在步驟S306，在電位檢測數據緩衝區中按標識號單元值k為地址指針值，讀取所接收到的相應標識號的電位檢測模塊發出的電位檢測數據。在步驟S307，判斷上述電位檢測數據是否為有效數據，如果是有效數據，流程進入S308 ;否則，流程進入S310。在步驟S308，電位控制模塊將有效電位檢測數據與相應的設定參考電位值進行比較，按反饋控制算法對上述比較差值進行運算，生成參考電壓數據。在步驟S309，將包含標識號k的上述參考電壓數據以串行通信方式發送至電源模塊。電源模塊中的電源控制器測量電源功率電路輸出端的實際電壓，將實際電壓值與上述參考電壓數據進行比較，按反饋控制算法對電源功率電路輸出電壓進行調節控制。在步驟S310，進行超時判斷，如果在預定的時間之內未接收到有效電位檢測數據，流程回到步驟S306 ;否則，流程進入步驟S311。在步驟S311，向電位檢測模塊發送包含標識號k的電位信號採樣指令；該指令用於使標識號k+Ι的電位檢測模塊進行電位信號採樣和電位數據發送。在步驟S312，向電源模塊發送包含標識號k的前一周期計算的參考電壓數據。由於未接收到有效的標識號k的電位檢測模塊的電位檢測數據，將前次計算得到的參考電壓數據用於對相應的電源模塊進行電壓閉環控制。在步驟S313,標識號存儲單元值加一運算，即k=k+l。在步驟S315，判斷5個電位控制任務是否完成。如果未完成，流程返回到步驟S306。否則，流程進入步驟S315。在步驟S315，禁止電位控制模塊的數據接收中斷。在步驟S316，對故障進行處理。例如，連續η個周期均未接收到同一標識號電位檢測模塊的電位檢測數據，則可能是該標識號電位檢測模塊出現故障，可顯示報警等。在步驟S317，流程結束。圖3的流程描述了電位控制模塊對全部陰極保護電位進行一個周期的電位閉環控制。可見，電位檢測數據的採樣周期由電位控制模塊決定，由電位控制模塊向電位檢測模塊發送電位信號採樣指令，激活電位檢測模塊對電位信號的採樣和電位數據的發送。電位反饋控制周期由電位控制模塊決定，由電位控制模塊周期性向電源模塊發送參考電壓數據。上述實施例中，本發明提供的陰極保護電位控制裝置，是將多個電位檢測模塊用同一通信電纜連接到電位控制模塊，克服了每個電源模塊採用獨立的電位反饋迴路，電源系統的通信電纜線束多、系統布線複雜、電源系統的安裝和維護不便的問題。上述實施例中，本發明提供的陰極保護電位控制方法，其對於多點陰極保護系統，所有的被保護金屬結構件現場電位數據由電位控制模塊採集，電位控制模塊對電位數據進行閉環控制運算，將產生的參考電壓信號發生到對應的電源模塊，由電源模塊進行電壓閉環控制。於是，電源模塊的控制任務得到簡化，克服了電源模塊控制軟體設計複雜，批量生產調試困難的弱點。 上述實施例雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域普通技術人員可以在所附權利要求的範圍內作出各種變形或修改。
權利要求
1.一種陰極保護電位控制裝置，其特徵在於由一個電位控制模塊，以及數量相等的多個電源模塊和電位檢測模塊組成，其中所有電源模塊均設有電源模塊控制器和電源功率電路；每個電源功率電路中，其負極通過導線與被保護金屬結構件相連接，其正極與接地陽極連接；所述電位檢測模塊的信號檢測負極端連接到被保護金屬結構件上，其信號檢測正極端與參比極相連接；所述電位控制模塊經通信接口與所有電源模塊控制器的通信接口相連，經通信接口與所有電位檢測模塊的通信接口相連。
2.根據權利要求I所述的陰極保護電位控制裝置，其特徵在於所述的電位控制模塊經兩組獨立的串行通信線分別與電源模塊和電位檢測模塊連接。
3.根據權利要求I所述的陰極保護電位控制裝置，其特徵在於所述的電位控制模塊經一組串行通信線與電源模塊和電位檢測模塊連接。
4.根據權利要求I至3中任一權利要求所述的陰極保護電位控制裝置，其特徵在於所述的多個電源模塊，用於根據各自的參考電壓數據，對各自輸出電壓進行電壓反饋控制，產生施加於被保護金屬結構件進行陰極保護的多路可控直流電壓。
5.根據權利要求I至3中任一權利要求所述的陰極保護電位控制裝置，其特徵在於所述的電位控制模塊用於周期性啟動電位檢測模塊進行電位信號採樣和接收各電位檢測模塊的電位檢測數據，按照設定的參考電位值進行電位反饋控制運算，向與電位檢測模塊相應的電源模塊發出參考電壓數據。
6.根據權利要求I至3中任一權利要求所述的陰極保護電位控制裝置，其特徵在於所述的多個電位檢測模塊，用於檢測同相應電源模塊連接的被保護金屬結構件與其參比極之間的電位信號。
7.—種陰極保護電位控制方法,其特徵在於多個電源模塊的輸出電壓由各自的電源模塊控制器採用電壓閉環控制實現，電壓反饋信號直接在各自電源模塊內部的電源功率電路輸出埠測量獲得；各個被保護金屬構件與對應參比極之間的陰極保護電位控制，由電位控制模塊採用電位閉環控制實現，即反饋電位數據由位於被保護金屬構件附近的相應電位檢測模塊測量獲得，並以串行通信方式發送至電位控制模塊，電位控制模塊按各個被保護金屬構件的設定參考電位值進行電位反饋控制運算而產生相應的參考電壓數據，並以串行通信方式將上述參考電壓數據發送至對應的電源模塊控制器，上述參考電壓數據用於電源模塊進行電壓閉環控制的參考值。
8.根據權利要求7所述的陰極保護電位控制方法，其特徵在於該方法步驟包括 (1)電位控制模塊向電位檢測模塊發送電位信號採樣指令； (2)電位檢測模塊採樣被保護金屬構件與參比極之間的陰極保護電位信號並獲得電位檢測數據； (3)將上述電位檢測數據以串行通信方式發送至電位控制模塊； (4)電位控制模塊將上述電位檢測數據與相應的設定參考電位值進行比較，按反饋控制算法對上述比較差值進行運算，生成參考電壓數據； (5)將上述參考電壓數據以串行通信方式發送至電源模塊； (6)電源模塊中的電源控制器測量電源功率電路輸出端的實際電壓，將實際電壓值與上述參考電壓數據進行比較，按反饋控制算法對電源功率電路輸出電壓進行調節控制； 經過上述步驟，實現對陰極保護電位的控制。
9.根據權利要求8所述的陰極保護電位控制方法，其特徵在於步驟(I)中，對反饋的電位檢測數據的控制方法為電位檢測數據的採樣周期由電位控制模塊決定，由電位控制模塊向電位檢測模塊發送電位信號採樣指令，激活電位檢測模塊對電位信號的採樣和電位數據的發送。
10.根據權利要求8所述的陰極保護電位控制方法，其特徵在於步驟(5)中，對電位反饋控制方法為電位反饋控制周期由電位控制模塊決定，由電位控制模塊周期性向電源模塊發送參考電壓數據。
全文摘要
本發明是陰極保護電位控制裝置與方法。該裝置由一個電位控制模塊及數量相等的多個電源模塊和電位檢測模塊組成，所有電源模塊均設有電源模塊控制器和電源功率電路；電位檢測模塊的信號檢測負極和端和正極端分別與被保護金屬結構件和參比極相連；所述電位控制模塊經通信接口分別與所有電源模塊控制器和電位檢測模塊的通信接口相連。該方法是多個電源模塊的輸出電壓由各自的電源模塊控制器採用電壓閉環控制實現，電壓反饋信號直接在各自電源模塊內部的電源功率電路輸出埠測量獲得；各個被保護金屬構件與對應參比極之間的陰極保護電位控制，由電位控制模塊採用電位閉環控制實現。本發明簡化了陰極保護電源系統的線束、布線和控制複雜程度。
文檔編號C23F13/06GK102828189SQ201210320639
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月3日 優先權日2012年9月3日
發明者夏澤中, 喻平, 袁佑新, 陳靜, 劉芙蓉, 吳勇 申請人:武漢理工大學, 湖北興成防腐科技有限公司