CN216337966U

CN216337966U - 一种用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置

Info

Publication number: CN216337966U
Application number: CN202123162532.XU
Authority: CN
Inventors: 贾佳; 王飞; 谢昆仑; 胡天生; 王彬楠; 吴奕枢; 赵伟
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2031-12-15

Abstract

本实用新型公开了一种用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，包括金属管道、阳极地床、主电源模块、控制器和参比电极，金属管道上设置阴极接线点和零位接阴点，控制器的输入端连接有数据采集模块和急停开关，控制器的输出端连接有PWM电源控制模块、故障报警模块、通信模块和显示模块；PWM电源控制模块的输出阳极和输出阴极通过导线分别连接至所述阳极地床和阴极接线点；数据采集模块能够采集各种电信号。本实用新型能够快速采集的多项参数，智能化调节参比电位，降低了长输管道的腐蚀速率。

Description

一种用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置

技术领域

本实用新型涉及电化学技术领域，尤其涉及一种用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置。

背景技术

随着油气管道工程的快速发展，埋地长输管道的腐蚀问题日益突出，全世界每年因为管道腐蚀带来的经济损失将近7000亿，控制埋地长输管道腐蚀问题依然是一重大挑战。目前，可以利用外加电流法的阴极保护装置，减轻或避免腐蚀带来的危害。

参比电位是阴极保护装置数据采集的对象之一，作为反映长输管道防腐效果的重要数据，可以体现整个系统的调控效果。

目前，阴极保护电位一般可通过技术员测量，由于受环境因素、工作条件的影响，数据采集的准确性和及时性存在很大问题，数据采集效率低下，不能满足现代企业管道管理的要求，技术员的工作压力和强度也相对较大。同时，国内现有的阴极保护装置，其输出普遍需要通过手动调节机械旋钮给定阴极保护电位，不能实现自动控制调节输出参数，难免存在对管道的欠保护和过保护的情况，导致长输管道的防腐蚀工作效率低下。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，能够快速采集多项参数，智能化调节参比电位，降低了长输管道的腐蚀速率。

为了实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：一种用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，包括埋在地下的金属管道、设置在金属管道两侧的阳极地床和参比电极，金属管道上设置有阴极接线点和零位接阴点，其结构中还包括主电源模块和控制器，控制器的输入端连接有数据采集模块和急停开关，控制器的输出端连接有PWM电源控制模块、故障报警模块、通信模块和显示模块，PWM电源控制模块的输出阳极和输出阴极通过导线分别连接至阳极地床和阴极接线点；数据采集模块包括土壤PH检测模块、土壤温度采集模块、用于检测埋地长输管线上电流的电流采集器以及用于采集参比电位的参比电位采集器，电流采集器和电位采集器均通过信号调理电路和AD转换模块连接至控制器的输入端，电位采集器通过外部信号线分别与参比电极和零位接阴点连接，土壤PH检测模块通过AD转换模块连接至控制器的输入端，土壤温度采集模块直接连接在控制器的输入端；所述控制器对检测到的参比电位值和系统设定电位值进行比对，进而控制PWM电源控制模块输出最优电压。

作为实用新型的一种优选技术方案，所述阴极接线点位于每节金属管道的中点位置。

作为实用新型的一种优选技术方案，所述主电源模块包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。

作为实用新型的一种优选技术方案，所述PWM电源控制模块通过DA转换模块连接至控制器的输出端。

作为实用新型的一种优选技术方案，独立可选的，所述控制器采用STM32F103系列芯片；独立可选的，PWM电源控制模块采用SG3525芯片；独立可选的，土壤温度采集模块采用DS18B20温度传感器；独立可选的，土壤PH检测模块采用PH4502C测试模块；独立可选的，通信模块采用无线通信模块；独立可选的，显示模块采用LCD液晶显示器；独立可选的，阳极地床采用防腐锌块；独立可选的，参比电极采用硫酸铜参比电极。

作为实用新型的一种优选技术方案，所述电流采集器采用霍尔传感器，将霍尔传感器串入由PWM电源控制模块的输出阳极、阳极地床、金属管道、阴极接线点以及PWM电源控制模块的输出阴极形成的回路中，电流从IN+端流入，从IN-端流出，霍尔传感器的霍尔效应使电流信号转化为电压信号，电压信号以线性方式产生，从7引脚VIOUT端可以测量转化出的电压信号，然后编程时通过数据转换处理，即可以在显示模块得到相应的被测电流值。

作为实用新型的一种优选技术方案，所述通信模块连接有手机或监控平台。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型能够快速采集土壤PH值、土壤温度、金属管道的参比电位值、PWM电源控制模块的输出电压和输出电流等多项参数，并通过控制PWM电源控制模块的输出电压和输出电流，智能化调节参比电位值，使参比电位值与系统设定电位值的偏差值在可控范围内，降低了长输管道的腐蚀速率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型系统模块设计框图；

图2是本实用新型现场连接示意图；

图3是本实用新型系统控制原理图；

图4是本实用新型电流采集电路图；

图5是本实用新型系统控制流程图；

图6是本实用新型PID控制算法原理框图。

具体实施方式

参看附图1和2，本实用新型一个具体实施方式的结构中包括一种用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，包括埋在地下的金属管道、设置在金属管道两侧的阳极地床和参比电极，金属管道上设置有阴极接线点和零位接阴点，其结构中还包括主电源模块和控制器，控制器的输入端连接有数据采集模块和急停开关，控制器的输出端连接有PWM电源控制模块、故障报警模块、通信模块和显示模块，PWM电源控制模块的输出阳极和输出阴极通过导线分别连接至阳极地床和阴极接线点；数据采集模块包括土壤PH检测模块、土壤温度采集模块、用于检测埋地长输管线上电流的电流采集器以及用于采集参比电位的参比电位采集器，电流采集器和电位采集器均通过信号调理电路和AD转换模块连接至控制器的输入端，电位采集器通过外部信号线分别与参比电极和零位接阴点连接，土壤PH检测模块通过AD转换模块连接至控制器的输入端，土壤温度采集模块直接连接在控制器的输入端；所述控制器采用模糊自适应PID控制算法对检测到的参比电位值和系统设定电位值进行比对，进而控制PWM电源控制模块输出最优电压。

所述阴极接线点位于每节金属管道的中点位置。因为阴极接线点位于每节金属管道的中点，所以在金属管道上的电流是从两侧流向中心的，从中心的阴极接线点回到PWM的输出阴极，这样整体管道电压为0V。

所述主电源模块包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。

所述PWM电源控制模块通过DA转换模块连接至控制器的输出端。

所述控制器采用STM32F103系列芯片；扩展能力十分强大，便于移植，并具有丰富的外围设备资源，可以达到系统所需的精度和范围。同时，它具有更快的计算速度，更强的性能和极低的功耗。

PWM电源控制模块采用SG3525芯片，是一款性能良好、通用性强的用于驱动N沟道功率MOSFET的集成PWM控制芯片，芯片应用电路也相对简单，并且芯片的输出驱动形式为推拉输出，能够使驱动能力变得更好。

土壤温度采集模块采用DS18B20温度传感器；土壤温度采集模块通过外部铜芯电缆与控制器相连。DS18B20温度传感器抗干扰能力强，测温系统精度高，布线简单等多个优点。

土壤PH检测模块采用PH4502C测试模块；土壤PH检测模块通过外部铜芯电缆与AD转换器相连。具有结构简单，稳定性能好，响应时间短、测量精度高等多个有优点。

通信模块采用无线通信模块；

显示模块采用LCD液晶显示器；

阳极地床采用防腐锌块；

参比电极采用硫酸铜参比电极。硫酸铜参比电极的本体在埋设前应在净水中浸泡24小时以上，确保参比电极本体充分浸润。在安装前应进行精准性校核，以保证测量结果的准确性；安装时，应装在距管道外壁200mm处，贴近管道式埋设，埋设深度同保护管道中心埋深；安装完后，应浇足够的水，充分湿润参比电极及周围土壤，并小心夯实。

如图4所示，电流采集器采用霍尔传感器，将霍尔传感器串入由PWM电源控制模块的输出阳极、阳极地床、金属管道、阴极接线点以及PWM电源控制模块的输出阴极形成的回路中，电流从IN+端流入，从IN-端流出，霍尔传感器的霍尔效应使电流信号转化为电压信号，电压以线性方式产生，从7引脚VIOUT端可以测量转化出的电压信号，然后编程时通过一定的数据转换处理，即可以在显示模块得到相应的被测电流值。

如图3所示，所述控制器对检测到的参比电压值和设定的保护电压范围进行比较，进而控制PWM电源控制模块输出最优电压。模糊PID控制算法更接近于人的思维方法和推理习惯，因此便于设计与操作人员的理解和使用；在常规的算法中，一点微小的错误和参数的不定性都可能引起系统的失控，而基于模糊控制信息的系统对参数的微小变化不是很敏感，适用于非线性、时变、滞后的系统控制。

如图6所示，所述模糊自适应PID控制算法是在PID算法的基础上，结合PH值和温度条件，以偏差值和偏差值变化率作为控制系统的输入变量，以PID算法的参数调节量为输出变量，利用模糊算法对PID中的参数进行实时调整，所述偏差值是指系统设定电位值减去参比电位值得到的差值。

所述模糊自适应PID控制算法包括以下步骤：

(1)建立模糊规则库：总结出PID参数的各种整定经验知识，当偏差值较大时，以尽快消除偏差为主，当偏差值较小时，以防止超调和提高系统稳定性为主，根据以上规则，分别建立三个参数K_p、K_i、K_d的规则库，K_p为比例参数，K_i为积分参数，K_d为微分参数，将不同土壤PH值和不同温度值条件进行排列组合，形成多种不同组合工况对应的模糊规则库，根据实际情况，控制器选择调用对应的模糊规则库；

(2)用公式(1)和(2)进行计算，得到PWM电源控制模块应输出的电压值u，公式(1)和(2)如下所示：

u(k)＝K_p×[e(k)-e(k-1)]+K_i×e(k)+K_d×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (1)

e(k)＝x(k)-y(k) (2)

其中，u(k)为第k次计算的PWM电源控制模块应输出的电压值，x(k)为第k次计算时的系统设定电位值，y(k)为第k次检测的参比电位值，e(k)为第k次的偏差值。

图6中的u(t)为t时刻计算的PWM电源控制模块应输出的电压值，y(t)为t时刻检测的参比电位值，e(k)为t时刻的偏差值

所述模糊自适应PID控制算法能够实现PID参数的自我调整，调整规则如下：

(1)当|e(k)|＞0.1V时，增大K_p，减小K_d，当系统到达稳定状态后，再通过减小K_i从而削弱系统超调；

(2)当|e(k)|＜0.1V时，通过减小K_p和K_d保证系统达到稳态时的精确度，若e的微分

的值较大，则减小K_d，反之当

较小时，增大K_d。

将输入变量e(t)划分为5个等级，分别为小于-0.1V，-0.1～-0.0V，0.0V，0.0V～-0.1V，大于0.1V，5个等级对应表示为{负大，负小，零，正小，正大}，英文缩写{NB，NS，ZO，PS，PB}，模糊论域取{-2，-1，0，1，2}，则对于输入量

也划分为5个等级，表示为{负大，负小，零，正小，正大}，英文缩写{NB，NS，ZO，PS，PB}，模糊论域取{-2，-1，0，1，2}，输出量划分为7个等级，表示为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，英文缩写{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，模糊论域取{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

通信模块连接有手机或监控平台。便于远程控制。

如图5所示，根据国家管道参比电位标准保护范围为-0.85～-1.20V，本实用新型将参比电位保护区间设定为-0.90～-1.10V，通过实时监测管线的参比电压，控制输出的电压值，直到达到设定区间的电位值。

上述描述仅作为本实用新型可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims

1.一种用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，包括埋在地下的金属管道、设置在金属管道两侧的阳极地床和参比电极，金属管道上设置有阴极接线点和零位接阴点，其特征在于：其结构中还包括主电源模块和控制器，控制器的输入端连接有数据采集模块和急停开关，控制器的输出端连接有PWM电源控制模块、故障报警模块、通信模块和显示模块，PWM电源控制模块的输出阳极和输出阴极通过导线分别连接至阳极地床和阴极接线点；数据采集模块包括土壤PH检测模块、土壤温度采集模块、用于检测埋地长输管线上电流的电流采集器以及用于采集参比电位的参比电位采集器，电流采集器和电位采集器均通过信号调理电路和AD转换模块连接至控制器的输入端，电位采集器通过外部信号线分别与参比电极和零位接阴点连接，土壤PH检测模块通过AD转换模块连接至控制器的输入端，土壤温度采集模块直接连接在控制器的输入端；所述控制器对检测到的参比电位值和系统设定电位值进行比对，进而控制PWM电源控制模块输出最优电压。

2.根据权利要求1所述的用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，其特征在于：所述阴极接线点位于每节金属管道的中点位置。

3.根据权利要求1所述的用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，其特征在于：所述主电源模块包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。

4.根据权利要求1所述的用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，其特征在于：所述PWM电源控制模块通过DA转换模块连接至控制器的输出端。

5.根据权利要求1所述的用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，其特征在于：独立可选的，所述控制器采用STM32F103系列芯片；独立可选的，PWM电源控制模块采用SG3525芯片；独立可选的，土壤温度采集模块采用DS18B20温度传感器；独立可选的，土壤PH检测模块采用PH4502C测试模块；独立可选的，通信模块采用无线通信模块；独立可选的，显示模块采用LCD液晶显示器；独立可选的，阳极地床采用防腐锌块；独立可选的，参比电极采用硫酸铜参比电极。

6.根据权利要求1所述的用于埋地长输管线的智能化阴极保护装置，其特征在于：所述电流采集器采用霍尔传感器，将霍尔传感器串入由PWM电源控制模块的输出阳极、阳极地床、金属管道、阴极接线点以及PWM电源控制模块的输出阴极形成的回路中，电流从IN+端流入，从IN-端流出，霍尔传感器的霍尔效应使电流信号转化为电压信号，电压信号以线性方式产生，从7引脚VIOUT端可以测量转化出的电压信号，然后编程时通过数据转换处理，即可以在显示模块得到相应的被测电流值。