CN114737191A

CN114737191A - 一种分布式船用外加电流阴极保护系统

Info

Publication number: CN114737191A
Application number: CN202210287920.0A
Authority: CN
Inventors: 马晓; 宋航; 许凤玲; 鲁统军; 宋卿源; 刘广义; 闫永贵
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2022-07-12

Abstract

本发明属于船舶腐蚀防护技术领域，具体涉及一种基于分布式架构的船用外加电流阴极保护系统，能够在同等电流输出的情况下，实现更低的设备功率、更高的能效比、更快的动态响应反馈调节速度和更精准更均匀的船体电位控制，大幅缩减了系统整体重量和能耗，同时，控制终端的升级可使控制方式更趋智能化，达到分区控制和集中管理功能，为船舶外加电流阴极保护系统的升级换代提供了可能，为智能化升级预留了空间；其结构简单，采用更低功率和能耗的电器设备就能满足同等保护电流需求，随着电缆布置的大幅减少，总功率和总重量的大幅降低，“调控‑反馈”的动态响应更为灵敏，电位控制和电流输出更为精准，全船整体的保护电位分布更加均匀。

Description

一种分布式船用外加电流阴极保护系统

技术领域：

本发明属于船舶腐蚀防护技术领域，具体涉及一种基于分布式架构的船用外加电流阴极保护系统，适用于所有大、中型船舶腐蚀防护。

背景技术：

外加电流阴极保护系统是海洋船舶船体防腐的必备装置，具有随船舶航速、海区、油漆破损程度等外界条件变化自动调节保护电流的功能，使船体电位始终处于最佳的保护范围内，从而保护船体水下部位及附体免受海水的腐蚀。适用于船舶在海水中的系泊和航行状态，主要由恒电位仪、辅助阳极和参比电极组成。基本工作原理是通过恒电位仪提供直流电，电流通过辅助阳极散出并回流船体，使得船体被阴极极化，当船体被极化到一定电位时即可有效抑制船体腐蚀。外加电流阴极保护系统作为船舶的主要防腐蚀手段，广泛应用于各型船舶，包括散货船、集装箱船、滚装船、油气运输船和远洋邮轮等，发挥了不可替代的防腐作用。

随着船运业的发展和船舶吨位的提高，大、中型船舶的外加电流阴极保护系统随着总保护电流的增大，需要配置能够输出更大电流和电压的恒电位仪才能满足设计需求，出现了功率高、功耗大、能效比低、噪音大等问题；同时，随着船舶体积的增大，电缆铺设距离变长，回路电阻增大带来的设备输出压降问题也愈加明显，不仅严重影响了保护电流的输送效率和船体电位“调控-反馈”过程的灵敏度，不利于保护电位的精准控制，还增加了整个阴极保护系统的总重量；此外，传统的阴极保护系统相对独立，无开源信号传输和远程控制功能。

现有技术通过拆分阴极保护的整体控制形式，降低船舶吨位提高带来的船体保护电位分布不均的情况，涉及的相关专利极少，仅余定峰等人发明的中国专利201420833212.3公开的一种分布式外加电流阴极保护装置，包括阳极组、参比电极组、供电单元、控制器和报警装置，所述的阳极组为多组，从船艏至船艉均匀布置，每个阳极组具有二个阳极分别布置在水线下的船体两侧，所述的参比电极组为多组，从船艏至船艉均匀布置，每个参比电极组具有二个参比电极分别布置在水线下的船体左右舷两侧，所述的供电单元包括与阳极组组数对应数目的独立电源，每个电源分别为一组阳极组供电，所述控制器用于采集船体相对于参比电极组各参比电极的电势，分别控制供电单元中的电源为阳极组中的阳极提供所需电流，所述阳极组共6组，在船体艏段、舯段、艉段的每个区段分别布置2组阳极组，所述参比电极组共3组，在船体艏段、舯段、艉段的每个区段分别布置1组参比电极组，所述供电单元包括含6个独立的电源，每1个电源为其对应的1组阳极组提供所需直流电，还包括报警装置，所述的报警装置包括6个声光报警器，每个声光报警器与供电单元中的一个电源对应，在电源失效时，控制器控制相对应的声光报警器报警，所述的电源的机箱壳体由一体成形制作，机箱壳体的底板上表面具有凹槽，电源的变压器和电感安装于凹槽内，底板下表面具有散热齿叶，所述的散热齿叶具有多排，每排散热齿叶的单个叶片平行排列形成“V”形的排列，单个叶片之间的间隙形成散热风道；其将整船划分为艏、舯、艉三个区，每个区由各自的回路形成单独控制，有效改善了局部过保护或欠保护的现象。但是，该技术没有改变系统整体的控制逻辑，形成完全独立的分区控制单元，依然存在系统功率高、能效比低、调控灵敏度低、电线电缆布置繁琐和控制系统智能化程度低等问题。因此，研发设计一种基于分布式架构的船用外加电流阴极保护系统，以更低功率和能耗的电器设备，更少的电缆布置和系统重量，满足同等保护电流的需求，具有积极的社会和经济效益。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种分布式船用外加电流阴极保护系统，实现分区控制和集中管理，为船舶外加电流阴极保护系统的升级换代提供可能。

为了实现上述目的，本发明涉及的分布式船用外加电流阴极保护系统的主体结构包括上位机、下位机、辅助电极和参比电极；上位机通过通信电缆分别与若干台下位机连接，每台下位机通过输出电缆分别与N(N为大于等于1的正整数)支辅助电极和1支参比电极连接。

本发明涉及的上位机为工业电脑等工程用电子计算机，能够进行智能化升级，布置在配电站或集控室等一般舱室内，对下位机的控制逻辑采用开环控制，即仅向下位机发送指令，命令下位机进行工作，同时接收下位机上传的监测信号，实时汇总和显示各下位机的运行参数和监测参数，反映工作情况和船体电位保护情况，实现集中管理功能，其中，上位机通信单元的对外接口使用的通信协议包括但不限于485(RS485串行数据通信接口标准)、CAN(控制器局域网络)和以太网，可以与船舶电力系统的包括中控系统、指挥系统或驾驶室在内的上层控制平台进行信息交互，通过用户终端平台能够实时监控全船的阴极保护状态，可以实现远程控制、一键启停和一键切换等功能；下位机为由基于PID(进程控制符)算法的控制单元和功率输出单元组成的小型电器设备，控制单元的控制逻辑包括但不限于DSP(数字信号处理技术)和PLC(可编程逻辑控制器)，功率输出单元的主要组成包括但不限于MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，采用高度集成化与模块化的设计，兼具电位调控与直流输出功能，节省空间，安装便捷，对安装环境要求低，布置在船舱底层如空舱或机舱等舱室内，接收上位机的指令进行工作，控制近端的辅助阳极和参比电极，下位机的控制逻辑采用闭环控制，即执行上位机的命令，对辅助阳极进行直流输出，通过参比电极的监测电位进行负反馈，实时调节控制输出电流，提高“调控-反馈”过程的灵敏度，减少电位设置值与实际保护值的偏差累计，各个下位机之间的运行相互独立、互不干扰，实现阴极保护分区控制功能；辅助阳极的数量则根据被保护区域所需保护电流的大小选择；参比电极兼具保护电位监测与控制信号反馈的功能。

本发明涉及的上位机与下位机之间的通信电缆，用于上位机与下位机之间的通信交互，能够大幅度降低输出电缆用量并降低压降；下位机与辅助阳极之间的输出电缆，用于传输输出电流；下位机与参比电极之间的输出电缆，用于传输电位信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)输出单元层面：上位机采用的低功率工业电脑等高度集成的电子计算机，耗电低、体积小、重量轻，各下位机单元根据目标区域的保护电流，独立配备所需设备的功率，降低不必要的功率冗余；使用小型集成式、模块化、低功率的电器单元就能实现区域控制，不需要显示窗和控制界面，将输出与控制单元化整为零，使分散控制得到更小的回路电阻，采用更低电压和功率的输出设备就能满足同等保护电流的需求，大幅降低整体功率、体积和重量。

(2)控制模式层面：互相独立的下位机单元实现了真正意义上的分区控制，替代了恒电位仪直接控制、统一输出的单一模式；上位机与下位机采用通信电缆连接，使得控制传输过程更为灵敏，上位机采用开环逻辑控制下位机的输出，便于集中管理。

(3)布置方式层面：分布式架构能够大幅减少电缆用量并降低压降，缩短“调控-反馈”过程的响应时间，提高控制灵敏度，使保护电位的控制和电流输出更为精准。

(4)信号采集传输层面：各下位机之间相对独立，在控制输出的过程中互不干扰，提高了分区控制的准确度；上位机的开源信号传输不会受到下位机运行状态的干扰，同时可将控制、采集和监测等信号传输到上层集控平台，实现远程控制，提高控制层级。

附图说明：

图1为本发明实施例1的结构原理示意图。

图2为本发明实施例2的结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的分布式船用外加电流阴极保护系统的主体结构如图1所示，包括上位机U、下位机L、辅助电极A和参比电极B；上位机U分别与n台下位机L连接(分别标记为L_1......L_n)，每台下位机L与1支辅助电极A和参比电极B连接，共计n支辅助电极A(分别标记为A_1......A_n)和参比电极B(分别标记为B_1......B_n)。

实施例2：

本实施例涉及的分布式船用外加电流阴极保护系统的主体结构如图2所示，包括1台上位机U、8台下位机L₁-L₈、10支辅助阳极A₁-A₁₀和8支参比电极B₁-B₈，上位机U分别与下位机L₁-L₈连接，下位机L₁和L₂分别与2支辅助电极A(分别标记为A₁和A₃、A₂和A₄)和1支参比电极B(分别标记为B₁、B₂)连接，下位机L₃-L₈分别与1支辅助电极A(分别标记为A₅、A₆、A₇、A₈、A₉、A₁₀)和1支参比电极B(分别标记为B₃、B₄、B₅、B₆、B₇、B₈)连接，其中，上位机U安装在舱内，下位机L安装在舱内水线以下，辅助阳极A和参比电极B均安装在船体外板水线以下，控制逻辑如下表所示：

本实施例涉及的分布式船用外加电流阴极保护系统中，每1或2支辅助阳极、1支参比电极和1台下位机构成一个下位机单元，为目标区域提供保护电流，上位机U进行指令输入和显示监测；经检测，其总电流不变，运行总功率降低了50％，总重量减少了40％，这是因为更低功率的电器设备和大幅减少的电缆布置不仅降低了系统的总功率和总重量，还提高了电位反馈与调控的灵敏度，使电位控制和电流输出更为精准，实现了真正意义上的分区控制，为阴极保护技术的彻底革新提供了支撑，也为外加电流阴极保护从自动化走向智能化提供了可能。

Claims

1.一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，主体结构包括上位机、下位机、辅助电极和参比电极；上位机通过通信电缆分别与若干台下位机连接，每台下位机通过输出电缆分别与N支辅助电极和1支参比电极连接。

2.根据权利要求1所述的一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，N为大于等于1的正整数。

3.根据权利要求1或2所述的一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，上位机与下位机之间的通信电缆，用于上位机与下位机之间的通信交互。

4.根据权利要求1或2所述的一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，下位机与辅助阳极之间的输出电缆，用于传输输出电流。

5.根据权利要求1或2所述的一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，下位机与参比电极之间的输出电缆，用于传输电位信号。

6.根据权利要求1或2所述的一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，上位机为能够进行智能化升级的电子计算机，布置在一般舱室内，对下位机的控制逻辑采用开环控制，即仅向下位机发送指令，命令下位机进行工作，同时接收下位机上传的监测信号，实时汇总和显示各下位机的运行参数和监测参数，反映工作情况和船体电位保护情况，实现集中管理功能。

7.根据权利要求1或2所述的一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，下位机为由基于PID算法的控制单元和功率输出单元组成的电器设备，控制单元的控制逻辑包括DSP和PLC，功率输出单元的主要组成包括MOSFET和IGBT，采用集成化与模块化设计，兼具电位调控与直流输出功能，布置在船舱底层的舱室内，接收上位机的指令进行工作，控制近端的辅助阳极和参比电极，下位机的控制逻辑采用闭环控制，即执行上位机的命令，对辅助阳极进行直流输出，通过参比电极的监测电位进行负反馈，实时调节控制输出电流，各个下位机之间的运行相互独立、互不干扰，具有阴极保护分区控制功能。

8.根据权利要求1或2所述的一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，辅助阳极的数量根据被保护区域所需保护电流的大小选择。

9.根据权利要求1或2所述的一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，参比电极具有保护电位监测与控制信号反馈的功能。

10.根据权利要求6所述的一种分布式船用外加电流阴极保护系统，其特征在于，上位机通信单元的对外接口使用的通信协议包括485、CAN和以太网，与船舶电力系统的上层控制平台进行信息交互，通过用户终端平台实时监控全船的阴极保护状态，实现远程控制、一键启停和一键切换的功能。