CN112725807B - 一种基于fpga的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法 - Google Patents

一种基于fpga的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112725807B
CN112725807B CN202011571626.XA CN202011571626A CN112725807B CN 112725807 B CN112725807 B CN 112725807B CN 202011571626 A CN202011571626 A CN 202011571626A CN 112725807 B CN112725807 B CN 112725807B
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
data
current
communication
controller
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011571626.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN112725807A (zh
Inventor
王新华
于小欢
孙涛
杨林
赵以振
李荣华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN202011571626.XA priority Critical patent/CN112725807B/zh
Publication of CN112725807A publication Critical patent/CN112725807A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112725807B publication Critical patent/CN112725807B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F13/00—Inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection
    • C23F13/02—Inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection cathodic; Selection of conditions, parameters or procedures for cathodic protection, e.g. of electrical conditions
    • C23F13/06—Constructional parts, or assemblies of cathodic-protection apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F13/00—Inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection
    • C23F13/02—Inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection cathodic; Selection of conditions, parameters or procedures for cathodic protection, e.g. of electrical conditions
    • C23F13/06—Constructional parts, or assemblies of cathodic-protection apparatus
    • C23F13/08—Electrodes specially adapted for inhibiting corrosion by cathodic protection; Manufacture thereof; Conducting electric current thereto
    • C23F13/22—Monitoring arrangements therefor
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/02—Protocols based on web technology, e.g. hypertext transfer protocol [HTTP]
    • H04L67/025—Protocols based on web technology, e.g. hypertext transfer protocol [HTTP] for remote control or remote monitoring of applications
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法，检测系统包括：数据信息高速并行处理模块、阴保电流采集模块、通电电位采集模块、断电电位采集模块、阴保测试桩、本地数据存储模块、以太网通讯模块、4G通讯模块、电池充电控制模块、太阳能电池板、远程监控台。数据信息高速并行处理模块由FPGA作为主控芯片，高速并行的进行采集、存储和通讯；阴保电流采集模块、通电电位采集模块和断电电位采集模块分别从阴保测试桩中采集阴保的电流和通断电位；4G通讯模块和以太网通讯模块分别用于和远程监控台进行无线和有线通讯；本发明对阴极保护的多个参数进行同步采集和监测，无需架设电线，具有适应性强、通讯稳定、集成度高的优点。

Description

一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法
技术领域
本发明涉及管道腐蚀防护领域，具体涉及基于FPGA的埋地钢质管道阴极保护智能监测技术。
背景技术
管道运输是国家重大生命线和城市生命线，管道的腐蚀损坏会给国民经济带来不可估量的后果。当前常用的防止和减缓管道腐蚀方法主要有管道外加防腐层法和阴极保护法。其中外加防腐层法是管道安全的第一道防线，但由于服役环境、施工、第三方破坏等原因，防腐层免不了出现破损，因此就需要采用阴极保护法对破损点的管道进行保护，构成管道安全的第二道防线。
为了确保阴极保护的有效性，避免管道处于欠保护和过保护的状态，需要对管道的阴保参数进行测量。
当前通常采用人工定期巡检或远程监控来获得阴极保护参数。但由于阴保测试桩多在地处偏远、供电不便的地方，人工定期巡检的方法就必然存在实时性差、成本高、效率低、不宜于后期管理和分析等问题。而至今所提出和应用的远程阴保监测系统，采集参数多为通断电位，而忽略了阴保电流的采集，但通过阴保电流的实时采集可以判断管道内是否有杂散电流干扰，并针对杂散电流大小做出适时的处理，从而保障阴保有效性。除此以外，当前远程阴保监测系统的通信方式也局限于单一、低速网络，硬件系统也都以51或者ARM为采集、处理和通信核心，并未结合当前覆盖全面的4G和千兆以太网高速通讯技术及高速并行处理核心FPGA，低速网络和低处理速率必然会导致通讯延迟、数据丢失、冗余、同步测量参数单一、集成化水平低等问题。
所以亟待研究和开发一种具备多参数同步测量、有线与无线高速通讯自由切换、智能依托太阳能供电、又包含本地数据存储备份和远程监控与存储功能的采集可靠、通讯稳定、且适应性强、集成度高的智能阴保系统。
发明内容
为解决上述现有阴极保护的参数采集和监测系统及方法存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法，即：以太阳能为供电来源，以FPGA作为高速并行处理核心，进行阴保电流和通断电位的同步采集、处理；以本地实时时钟的时间为标识，并行的进行本地数据的存储和以光纤或者4G的方式与远程监控台通讯，远程监控台可以对其组网下各个阴保测试桩处采集的数据进行统一的监测和管理。本发明具有适应性强、集成度高、使用简单等优点，满足工程监测的实际需要。
本发明采用的技术方案为一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统，该系统包括：太阳能电池板(1)、系统电源管理模块(2)、充电电池(3)、数据信息高速并行处理模块(4)、模数转换模块(9)、按键控制模块(10)、实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、LED指示模块(13)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)、电池充电控制模块(16)、阴保电流采集模块(17)、通电电位采集模块(18)、断电电位采集模块(19)、远程监控台(22)、阴保测试桩(23)。
系统电源管理模块(2)与太阳能电池板(1)和充电电池(3)相连，还连接着系统中的所有需要供电的单元和模块；阴保电流采集模块(17)、通电电位采集模块(18)、断电电位采集模块(19)的两端分别与阴保测试桩(23)和模数转换模块(9)连；模数转换模块(9)还和数据信息高速并行处理模块(4)相连；数据信息高速并行处理模块(4)还和按键控制模块(10)、实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、LED指示模块(13)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)、电池充电控制模块(16)相连；以太网通讯模块(14)和4G通讯模块(15)还分别通过光纤(20)和4G(21)的方式与远程监控台(22)进行通讯。
并行的数据采集和处理流程：阴保电流采集模块(17)、通电电位采集模块(18)、断电电位采集模块(19)并行的从阴保测试桩(23)中采集阴保电流和电位数据，经过模数转换模块(9)转化，再由数据信息高速并行处理模块(4)处理后，通过以太网通讯模块(14)或4G通讯模块(15)以光纤(20)或4G(21)的形式发送到远程监控台(22)，远程监控台可以对其组网下各个阴保测试桩处采集的数据进行统一的监测和管理，其中每帧数据间的标识和阴保测试桩间的标识由实时时钟模块(11)的时钟寄存器和RAM寄存器产生；本地数据存储模块(12)用于所采集数据的实时本地存储备份，电池充电控制模块(16)用于调节充电电池的输入电压和电流，按键控制模块(10)和LED指示模块(13)分别用于系统运行状态的控制和指示。
所述系统电源管理模块(2)对系统中所使用电压集中设计和管理：考虑阴保测试桩可能存在地处偏远和供电不便的问题，采用太阳能电池板(1)和充电电池(3)作为供电来源，产生12V电压；TPS54331DR降压模块的输入电压是12V输出电压是5V；AMS1117-3.3和AMS1117-2.5的输入电压+5V，输出电压分别为+3.3V和+2.5V；AMS1117-1.2的输入电压+3.3V，输出电压+1.2V；另外，电池充电控制模块(16)可以调节太阳能电池板(1)向充电电池(3)充电时的电压和电流，起到电池的保护作用。
数据信息高速并行处理模块(4)采用由FPGA设计的阴保电流和电位数据采集ADC控制器、异步FIFO缓存控制器、双口RAM闪存控制器、按键选择控制器、实时时钟控制器、SD卡本地数据存储控制器、LED灯指示控制器、千兆以太网通讯控制器、4G通讯控制器及电池充电控制器，实现控制器内部以及控制器之间指令的高速并行运算和数据交互；阴保电流和电位数据采集ADC控制器对模数转换模块(9)进行控制，实现阴保电流和电位的转换和处理；异步FIFO缓存控制器用作数据的缓存，以实现数据采集与双口RAM闪存控制器、千兆以太网通讯控制器、4G通讯控制器间跨时钟域的数据交互；按键选择控制器、实时时钟控制器、SD卡本地数据存储控制器、LED灯指示控制器、千兆以太网通讯控制器、4G通讯控制器及电池充电控制器分别实现对按键控制模块(10)、实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、LED指示模块(13)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)、电池充电模块(16)的控制。
数据的本地存储、传输和监控台存储方案：通过读取存储在实时时钟模块(11)的RAM寄存器中的阴保测试桩(23)识别码作为一帧采样数据的帧头，用于区别不同阴保测试桩的数据；通过获得实时时钟模块(11)的日期和时间，作为一帧采样数据的时间帧，用于区别同一个阴保测试桩的不同时刻的数据；每一帧采样数据以0A0D作为尾帧，标志着一帧数据的结束；从每帧数据中时间帧的后一字节开始到尾帧的前一字节为止为数据帧，包含采集到的阴保电流和电位数据，为了减少传输的数据量和本地的存储空间，在数据传输和本地数据存储模块(12)中数据帧采用16进制形式，远程监控台(22)接收到数据后转化为对应的十进制形式用于实时的监测和存储到数据库中。
所述以太网通讯模块(14)和4G通讯模块(15)均采用UDP/IP协议，便于实现按键控制模块(4)一键选择功能和远程监控台(22)对监测网络的统一管理。
所述以太网通讯模块(14)包括以太网的端口物理层芯片PHY和光电转换模块，PHY芯片和光电转换模块都具备1000M/100M网速的自适应功能。
据通讯接口：数据信息高速并行处理模块(4)分别通过IIC接口(5)、SPI接口(6)、UDP/IP接口(7)、UART接口(8)与实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)进行通讯。
所述LED指示模块(13)设置有2个LED指示灯，即蓝色LED指示灯和黄色LED指示灯，蓝色LED指示灯用于指示当前的通讯状态，当蓝色LED灯闪烁时表示4G无线通讯方式，常亮时表示以太网光纤通讯方式；黄色LED指示灯用于指示当前的采集状态，当其闪烁时表示阴保电流和电位的采集正常，常亮时表示采集异常。
所述按键控制模块(10)包含KEY1和KEY2共两个按键，KEY1实现系统通讯状态的选择，用户可以根据实际的工况，通过KEY1选择长距离通讯方式为光纤(20)或者4G(21)；通过KEY2控制系统的开始与停止。
所述阴保电流采集模块(17)包括高精度电流取样电阻RRef和电流检测放大器，其中取样电阻RRef串联于阴保电路的大地和负载之间，由于取样电阻RRef的阻值远小于负载电阻RLoad，则流过取样电阻RRef的电流即为阴保电流I；电流检测放大器芯片并联在取样电阻RRef上起到信号放大作用，则阴保电流I与电流检测放大器的输出电压VOUT的关系为：
根据电流检测放大器输入的共模电压VIN+、VIN-、放大倍数K、参考电压VREF1、VREF2,则可由公式(1)求出电流检测放大器的输出电压VOUT：
Figure BDA0002862899920000041
根据电流检测放大器输入的共模电压VIN+、VIN-和采样电阻RRef，由公式(2)得阴保电流I：
Figure BDA0002862899920000042
根据公式(3)得阴保电流I与电流检测放大器的输出电压VOUT的关系为：
Figure BDA0002862899920000043
作为优选，充电电池(3)采用12V，20000mAh的锂电池。
作为优选，数据信息高速并行处理模块(4)采用Altera公司Cyclone IV系列的FPGA，即EP4CE10E22C8N,此芯片采用LQFP封装，具有144个引脚，支持最大200M时钟频率，大于所需的千兆以太网的125M的时钟频率，满足系统硬件连接和控制要求。
作为优选，模数转换模块(9)中的AD转换芯片采用AD7606,支持多通道模拟量输入和并行数据转换。
作为优选，实时时钟模块(11)采用DS1302模块，内部包含实时时钟寄存器和30字节的RAM寄存器，支持纽扣电池供电，可以用于时间获取和阴保测试桩标识的存取。
作为优选，本地数据存储模块(12)中的存储芯片采用Micro SD HC 2.0,具备体积小、存取速度快的优点。
作为优选，以太网通讯模块(14)中的端口物理层的芯片PHY采用RTL8211EG，支持1000M/100M网速自适应。
作为优选，4G通讯模块(15)采用Air 724UG模块，其配置方便、支持UDP、TCP等通讯协议。
作为优选，电池充电控制模块(16)中的电池充电控制芯片采用BQ24650,具备可编程控制充电电压和电流的功能，便于充电电池(3)的保护。
作为优选，阴保电流采集模块(17)中的电流检测放大器采用INA240A，支持-4V～80V的共模电压输入范围，放大倍数为50倍。
作为优选，当由于网络问题产生阴保数据的丢失时，可以通过远程监控台(22)发送指令重新读取存储于本地数据存储模块(12)中的数据。
作为优选，一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统的实现方法，包含以下步骤：
步骤1：根据硬件采集系统和远程监控台(22)的MAC地址、IP地址、端口号构建阴保监测系统的通讯组网；
步骤2：将阴保电流采集模块(17)、通电电位采集模块(18)和断电电位采集模块(19)探头的正负极依次串联和并联在埋地管道的阴保测试桩(23)电路中；
步骤3：打开电源，等待初始化完成后，根据实际工况，通过按键控制模块(10)中的KEY1选择光纤(20)通讯方式或4G(21)通讯方式，通过按键控制模块(10)中的KEY2选择开始或停止系统运行；
步骤4：当系统开始运行后，由本发明中的数据信息高速并行处理模块(4)自动控制模数转化模块(9)、实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)等相关模块实现数据的采集、通讯和本地存储备份，此时可以在远程监控台(22)观察到实时的阴保电流和电位数据；
步骤5：远程监控台(22)也可以通过光纤(20)或4G(21)向硬件采集系统发送指令，控制采集系统开始、停止和重发指定日期数据。
相对于现有技术与实现方法，本发明的有益效果如下：
1、本发明所述硬件系统对阴保电流和阴保通断电位进行了同步采集,其中阴保通断电位采集探头的两极并联于阴保电路的两极，而阴保电流采集探头的两极串联在阴保电路中，通过集成在硬件电路中的高精度小阻值采样电阻、电流检测放大器和16位多通道模数转化模块转化后并行传输到FPGA进行综合处理，解决了阴极保护同步采集参数单一、不准确的问题。
2、本发明所述系统依靠FPGA的高速并行处理特性，把来自于模数转化模块、实时时钟模块的数据进行处理后，组合成包含帧头、时间帧、十六进制数据帧和帧尾的一帧数据，然后同时把每帧数据存储到本地存储区和发送到远程监控台，当由于网络不畅甚至网络中断导致远程监控台丢失数据时，远程监控台可以向硬件系统发送指令从本地存储区中读取数据，解决了通讯中数据丢失和冗余的问题。
3、本发明所述系统提供了4G和光纤两种高速通讯方式，用户可以根据阴保现场的无线网络质量和阴保现场与监控台的距离综合考量，选择4G或者光纤方式与监控台通讯，高速的传输机制、可供一键选择的传输方案在解决通讯低延迟的同时也具有更高的环境适应性。
4、本发明所述硬件系统完全采用太阳能作为电力来源，硬件系统中集成了太阳能充电控制器，可对充电电流和电压进行自动控制，解决了供电成本高和供电不便问题，同时也避免了电池过充和欠压带来的安全隐患。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法示意图。
图2为本发明实施例的系统电源管理模块示意图，包含各级分化电压。
图3为本发明实施例优选的模数转化芯片AD7606芯片、电流监控芯片INA240A与FPGA的接口设计。
图4为本发明实施例的阴保电流采集模块采集示意图。
图5为本发明实施例优选的4G通讯模块Air724UG、实时时钟模块DS1302与FPGA的接口设计。
图6为本发明实施例优选的千兆以太网芯片RTL8211EG与FPGA的接口设计。
图7为本发明实施例的以太网与远程监控台通讯过程示意图。
图8为本发明实施例优选的数据存储芯片Micro SD与FPGA的接口设计。
图9为本发明实施例的硬件系统程序主要部分流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明进一步描述，在以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
图1是本发明提供的一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统，包括太阳能电池板(1)、系统电源管理模块(2)、充电电池(3)、数据信息高速并行处理模块(4)、模数转换模块(9)、按键控制模块(10)、实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、LED指示模块(13)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)、电池充电控制模块(16)、阴保电流采集模块(17)、通电电位采集模块(18)、断电电位采集模块(19)、远程监控台(22)、阴保测试桩(23)。其中模块间的通讯接口如下：数据信息高速并行处理模块(4)分别通过IIC接口(5)、SPI接口(6)、UDP/IP接口(7)、UART接口(8)与实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)进行通讯，以太网通讯模块(14)和4G通讯模块与远程监控台(22)之间的传输介质分别为有线光纤(20)和无线4G(21)。
系统电源管理模块(2)对系统中所使用电压集中设计和管理，如图2所示，考虑阴保测试桩可能存在地处偏远和供电不便的问题，采用太阳能电池板(1)和充电电池(3)作为供电来源，产生12V电压；TPS54331DR降压模块的输入电压是12V输出电压是5V；AMS1117-3.3和AMS1117-2.5的输入电压+5V，输出电压分别为+3.3V和+2.5V；AMS1117-1.2的输入电压+3.3V，输出电压+1.2V；另外，电池充电控制模块(16)可以调节太阳能电池板(1)向充电电池(3)充电时的电压和电流，起到电池的保护作用。
作为优选，数据信息高速并行处理模块(4)采用Altera公司Cyclone IV系列的FPGA，即EP4CE10E22C8N,此芯片采用LQFP封装，具有144个引脚，支持最大200M时钟频率，大于所需的千兆以太网的125M的时钟频率，满足系统硬件连接和控制要求。
如图3所示连接，通过优选的电流监测放大芯片INA240A、优选的多通道模数转化芯片AD7606和数据信息高速并行处理模块(4)实现了对阴保电流和阴保通断电位的同步采集和处理。阴保通断电位采集探头的两极并联于阴保电路的两极；而阴保电流采集探头的两极，即IN+和IN-，串联在阴保电路中，如图4所示。由此，则可以通过集成在探头两极间的高精度采样电阻RRef，把阴保电流的检测转化为采样电阻RRef两端电压的监测，再经过电流监测放大芯片INA240A，把电压信号进行放大后，同阴保通断电位并行的发送到多通道模数转化模块AD7606。
由于取样电阻RRef的阻值远小于负载电阻RLoad，则流过取样电阻RRef的电流即为阴保电流I。优选的电流检测放大器芯片INA240A并联在取样电阻RRef上起到信号放大作用，则阴保电流I与电流检测放大器的输出电压VOUT的关系为：
根据电流检测放大器输入的共模电压VIN+、VIN-、放大倍数K、参考电压VREF1、VREF2,则可由公式(1)求出电流检测放大器的输出电压VOUT。
Figure BDA0002862899920000081
根据电流检测放大器输入的共模电压VIN+、VIN-和采样电阻RRef，由公式(2)可得阴保电流I。
Figure BDA0002862899920000082
根据公式(3)得阴保电流I与电流检测放大器的输出电压VOUT的关系为：
Figure BDA0002862899920000083
由于公式(3)中参考电压VREF1、VREF2、放大倍数K和取样电阻RRef都是已知量，电流检测放大器的输出电压VOUT又可以通过模电转化模块测得，则在FPGA中嵌入公式(3)便可得到阴保电流数据。
硬件采集系统与远程监控台(22)之间采用高速的通讯方式，兼容无线4G(21)和有线光纤(20)，可以通过按键KEY1一键选择通讯方式，并且都采用UDP/IP通讯协议，便于远程监控台(22)对组网内所有设备的统一监控和管理。其中4G通讯模块(15)采用优选的Air724UG，接线如图5左侧所示；而光纤通讯采用以太网转光纤的方式，如图7所示，以太网转光纤的通讯方式既拥有以太网的网络特性也具备光纤长距离传输稳定的优点；以太网通讯模块(14)中的端口物理层是通过PHY芯片实现的，优选为RTL8211EG，以太网接口优选为集成了变压器的HR911130A,接线图如图6所示。
为了便于区分组网下不同阴保测试桩的数据和同一个阴保测试桩不同时间的数据，在数据发送和存储前，对数据进行规范化处理，即每帧数据都包含帧头、时间帧、数据帧和帧尾。其中帧头和时间帧由FPGA分别从优选的DS1302的RAM寄存器和时钟寄存器中读取，帧头为阴保测试桩的唯一标识，时间帧为同一测试桩不同时间数据的标识；阴保电流和通断电位的十六进制形式为数据帧，十六进制的数据形式能大大减少传输的数据量和本地的存储空间；最后以0A0D为每帧数据的帧尾，用于监控台区别每帧数据，从而实现数据的拆分和处理。
通过FPGA的高速并行特性实现了高速通讯和本地数据存储的同步进行，实现方式为在FPGA内部构建两个完全并行的异步FIFO缓存区，即在数据采集端和远程通讯端构建的异步FIFO缓存区，以实现数据采集和通讯的跨时钟操作；在数据采集端和数据本地存储端之间构建异步FIFO缓存区和双口RAM闪存区，在解决跨时钟域问题的同时也满足了SD卡的按页存储的要求。
本地数据存储模块(12)中的存储芯片优选为Micro SD,接线图如图8所示。在SD卡内部共分了31个存储区，数据以天为索引进行存储，所以本地存储区可以保存最近31天的数据。当由于网络或者其他原因导致监控台的数据丢失时，远程监控台(22)可以向硬件采集系统发送指令，重新读取指定日期的数据，又由于FPGA的高速并行性和通讯网络的高速性，重发数据并不会影响正常的数据采集。
如图9所示为硬件系统程序主要部分流程图，包括各模块的初始化、数据采集、数据处理和数据通讯，其中充电参数管理、以太网或4G通讯、本地数据存储等程序都是并行执行的。
一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统的实现方法，包含以下步骤：
步骤1：根据硬件采集系统和远程监控台(22)的MAC地址、IP地址、端口号构建阴保监测系统的通讯组网；
步骤2：将阴保电流采集模块(17)、通电电位采集模块(18)和断电电位采集模块(19)探头的正负极依次串联和并联在埋地管道的阴保测试桩(23)电路中；
步骤3：打开电源，等待初始化完成后，根据实际工况，通过按键控制模块(10)中的KEY1选择光纤(20)通讯方式或4G(21)通讯方式，通过按键控制模块(10)中的KEY2选择开始或停止系统运行；
步骤4：当系统开始运行后，由本发明中的数据信息高速并行处理模块(4)自动控制模数转化模块(9)、实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)等相关模块实现数据的采集、通讯和本地存储备份，此时可以在远程监控台(22)观察到实时的阴保电流和电位数据；
步骤5：远程监控台(22)也可以通过光纤(20)或4G(21)向硬件采集系统发送指令，控制采集系统开始、停止和重发指定日期数据。
以上所述仅描述了本发明的优先实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统，其特征在于：系统电源管理模块(2)与太阳能电池板(1)和充电电池(3)相连，还连接着系统中的所有需要供电的单元和模块，阴保电流采集模块(17)、通电电位采集模块(18)、断电电位采集模块(19)的两端分别与阴保测试桩(23)和模数转换模块(9)连，模数转换模块(9)还和数据信息高速并行处理模块(4)相连，数据信息高速并行处理模块(4)还和按键控制模块(10)、实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、LED指示模块(13)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)、电池充电控制模块(16)相连，以太网通讯模块(14)和4G通讯模块(15)还分别通过光纤(20)和4G(21)的方式与远程监控台(22)进行通讯；
并行的数据采集和处理流程：阴保电流采集模块(17)、通电电位采集模块(18)、断电电位采集模块(19)并行的从阴保测试桩(23)中采集阴保电流和电位数据，经过模数转换模块(9)转化，再由数据信息高速并行处理模块(4)处理后，通过以太网通讯模块(14)或4G通讯模块(15)以光纤(20)或4G(21)的形式发送到远程监控台(22)，远程监控台(22)对其组网下各个阴保测试桩处采集的数据进行统一的监测和管理，本地数据存储模块(12)用于所采集数据的实时本地存储备份，电池充电控制模块(16)用于调节充电电池的输入电压和电流，按键控制模块(10)和LED指示模块(13)分别用于系统运行状态的控制和指示；
所述系统电源管理模块(2)对系统中所使用电压集中设计和管理：采用太阳能电池板(1)和充电电池(3)作为供电来源，产生12V电压；TPS54331DR降压模块的输入电压是12V，输出电压是5V；AMS1117-3.3和AMS1117-2.5的输入电压+5V，输出电压分别为+3.3V和+2.5V；AMS1117-1.2的输入电压+3.3V，输出电压+1.2V；另外，电池充电控制模块(16)可以调节太阳能电池板(1)向充电电池(3)充电时的电压和电流，起到电池的保护作用；数据信息高速并行处理模块(4)采用由FPGA设计地阴保电流和电位数据采集ADC控制器、异步FIFO缓存控制器、双口RAM闪存控制器、按键选择控制器、实时时钟控制器、SD卡本地数据存储控制器、LED灯指示控制器、千兆以太网通讯控制器、4G通讯控制器及电池充电控制器，实现控制器内部以及控制器之间指令的高速并行运算和数据交互；阴保电流和电位数据采集ADC控制器对模数转换模块(9)进行控制，实现阴保电流和电位的转换和处理；异步FIFO缓存控制器用作数据的缓存，以实现数据采集与双口RAM闪存控制器、千兆以太网通讯控制器、4G通讯控制器间跨时钟域的数据交互；按键选择控制器、实时时钟控制器、SD卡本地数据存储控制器、LED灯指示控制器、千兆以太网通讯控制器、4G通讯控制器及电池充电控制器分别实现对按键控制模块(10)、实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、LED指示模块(13)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)、电池充电模块(16)的控制；
数据的本地存储、传输和监控台存储方案：通过读取存储在实时时钟模块(11)的RAM寄存器中的阴保测试桩(23)识别码作为一帧采样数据的帧头；通过读取实时时钟模块(11)中的日期和时间，作为一帧采样数据的时间帧；每一帧采样数据以0A0D作为尾帧；从每帧数据中时间帧的后一字节开始到尾帧的前一字节为止为数据帧，包含采集到的阴保电流和电位数据，在数据传输和本地数据存储模块(12)中数据帧采用16进制形式，远程监控台(22)接收到数据后转化为对应的十进制形式用于实时的监测和备份。
2.按照权利要求1所述的一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统，其特征在于：所述以太网通讯模块(14)和4G通讯模块(15)均采用UDP/IP协议，由按键控制模块(4)可以一键选择通讯方式；
所述以太网通讯模块(14)包括以太网的端口物理层芯片PHY和光电转换模块，PHY芯片和光电转换模块都具备1000M/100M网速的自适应功能。
3.按照权利要求1所述的一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统其特征在于数据通讯接口：数据信息高速并行处理模块(4)分别通过IIC接口(5)、SPI接口(6)、UDP/IP接口(7)、UART接口(8)与实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)进行通讯。
4.按照权利要求1所述的一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统，其特征在于：所述LED指示模块(13)设置有2个LED指示灯，即蓝色LED指示灯和黄色LED指示灯，蓝色LED指示灯用于指示当前的通讯状态，当蓝色LED灯闪烁时表示4G无线通讯方式，常亮时表示以太网光纤通讯方式；黄色LED指示灯用于指示当前的采集状态，当其闪烁时表示阴保电流和电位的采集正常，常亮时表示采集异常；
所述按键控制模块(10)包含KEY1和KEY2共两个按键，KEY1实现系统通讯状态的选择，通过KEY1可以选择长距离通讯方式为光纤(20)或者4G(21)；通过KEY2控制系统的开始与停止。
5.按照权利要求1所述的一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统，其特征在于：所述阴保电流采集模块(17)包括高精度电流取样电阻RRef和电流检测放大器，其中取样电阻RRef串联于阴保电路中，根据取样电阻RRef的阻值远小于负载电阻RLoad，则流过取样电阻RRef的电流即为阴保电流I；电流检测放大器芯片并联在取样电阻RRef上起到信号放大作用，则阴保电流I与电流检测放大器的输出电压VOUT的关系为：
根据电流检测放大器输入的共模电压VIN+、VIN-、放大倍数K、参考电压VREF1、VREF2，则由公式(1)求出电流检测放大器的输出电压VOUT：
Figure FDA0003738552670000041
根据电流检测放大器输入的共模电压VIN+、VIN-和采样电阻RRef，由公式(2)得阴保电流I：
Figure FDA0003738552670000042
根据公式(3)得阴保电流I与电流检测放大器的输出电压VOUT的关系为：
Figure FDA0003738552670000043
6.按照权利要求1所述的一种基于FPGA的埋地钢质管道智能阴保系统的实现方法，包含以下步骤：
步骤1：根据硬件采集系统和远程监控台(22)的MAC地址、IP地址、端口号构建阴保监测系统的通讯组网；
步骤2：将阴保电流采集模块(17)、通电电位采集模块(18)和断电电位采集模块(19)探头的正负极依次串联和并联在埋地管道的阴保测试桩(23)电路中；
步骤3：打开电源，等待初始化完成后，根据实际工况，通过按键控制模块(10)中的KEY1选择光纤(20)通讯方式或4G(21)通讯方式，通过按键控制模块(10)中的KEY2选择开始或停止系统运行；
步骤4：当系统开始运行后，由本发明中的数据信息高速并行处理模块(4)自动控制模数转化模块(9)、实时时钟模块(11)、本地数据存储模块(12)、以太网通讯模块(14)、4G通讯模块(15)相关模块实现数据的采集、通讯和本地存储备份，此时在远程监控台(22)观察到实时的阴保电流和电位数据；
步骤5：远程监控台(22)也可以通过光纤(20)或4G(21)向硬件采集系统发送指令，控制采集系统开始、停止和重发指定日期数据。
CN202011571626.XA 2020-12-27 2020-12-27 一种基于fpga的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法 Active CN112725807B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011571626.XA CN112725807B (zh) 2020-12-27 2020-12-27 一种基于fpga的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011571626.XA CN112725807B (zh) 2020-12-27 2020-12-27 一种基于fpga的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112725807A CN112725807A (zh) 2021-04-30
CN112725807B true CN112725807B (zh) 2022-09-09

Family

ID=75617009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011571626.XA Active CN112725807B (zh) 2020-12-27 2020-12-27 一种基于fpga的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112725807B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115725977A (zh) * 2022-11-23 2023-03-03 北京工业大学 一种埋地钢质管道强制电流智能阴保系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5366604A (en) * 1993-06-29 1994-11-22 Stilley Troy R Solar powered cathodic corrosion protection system
CN103806005A (zh) * 2014-03-13 2014-05-21 黄金钊 一种地下管线阴极保护的智能化远程监测、监控方法
CN109029573A (zh) * 2018-07-25 2018-12-18 中煤航测遥感集团有限公司 一种管道巡检方法及系统
CN210534229U (zh) * 2019-07-05 2020-05-15 山西省国新能源发展集团有限公司 一种大尺度监测深埋天然气管道阴保效果的数据采集装置及系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5366604A (en) * 1993-06-29 1994-11-22 Stilley Troy R Solar powered cathodic corrosion protection system
CN103806005A (zh) * 2014-03-13 2014-05-21 黄金钊 一种地下管线阴极保护的智能化远程监测、监控方法
CN109029573A (zh) * 2018-07-25 2018-12-18 中煤航测遥感集团有限公司 一种管道巡检方法及系统
CN210534229U (zh) * 2019-07-05 2020-05-15 山西省国新能源发展集团有限公司 一种大尺度监测深埋天然气管道阴保效果的数据采集装置及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
埋地钢质管道交流干扰测试与评价;王新华等;《腐蚀与防护》;20110115;第32卷(第01期);66-70 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112725807A (zh) 2021-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN207780960U (zh) 一种无线数据采集系统
CN102830681B (zh) 一种远程电能耗数据的监控方法
CN107391520B (zh) 一种基于大数据的智能配电网规划设计辅助决策平台
CN103986416B (zh) 一种便携式光伏组件监测端
CN105445531A (zh) 一种取能采样一体化电流监测装置
CN112725807B (zh) 一种基于fpga的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法
CN105203163A (zh) 基于物联网技术的温湿度数据监测系统
CN106053388B (zh) 一种基于光纤传感器的自供电桥梁受损情况实时监测装置
CN209168754U (zh) 一种核电站安全壳变形监测系统
CN205002798U (zh) 一种基于ZigBee的直流电磁环境监测系统
CN105973311A (zh) 一种基于温湿度传感器的森林环境远程检测系统
CN202904042U (zh) 一种太阳能电池矩阵环境数据采集单元
CN205843715U (zh) 电力线路在线监测装置
CN108696388A (zh) 一种基于智能物联网网关的硬件调试管理方法
CN103760859A (zh) 基于井盖的城市马路尾气监控系统
CN212513008U (zh) 一种测姿终端
CN204330012U (zh) 基于物联网技术的机房环境状态监测装置
CN211527471U (zh) 一种智慧社会治理系统控制终端
CN208210395U (zh) 一种基于gsm的太阳能路灯电量检测系统
CN201014998Y (zh) 输电线路绝缘子闪络故障监测定位装置
CN103345210B (zh) 一种避雷器远程线监控系统
CN203825111U (zh) 氧化锌避雷器在线监测装置
CN208459287U (zh) 一种高压交流输电线路湿度自动监测装置
CN104467181A (zh) Ⅰ型电力能效管理终端及系统
CN207588862U (zh) 一种基于互联网的光缆故障点检测系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant