本发明专利技术提供了一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置及其应用方法，该装置适用于油气管道牺牲阳极阴极保护在线监测、控制。装置由嵌入式终端和后台系统组成，嵌入式终端采用模块化设计，包含电源管理、信号检测与输出控制、DTU通信三大模块，分别实现嵌入式终端低功耗管理，油气管道管地电位、牺牲阳极电位、牺牲阳极输出电流、杂散电流参数在线监测和牺牲阳极组投切控制；后台系统由服务器和用户界面组成，实现数据可视化监测和配置指令远程下发；装置采用MQTT通信协议，最大程度降低了通信数据量，实现了一对多和双向通信控制。本发明专利技术适用范围广、采样控制精度高，弥补当前油气管道牺牲阳极阴极保护在线监测的不足，具有良好的应用和推广价值。应用和推广价值。应用和推广价值。
【技术实现步骤摘要】
一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置及其应用方法
[0001]本专利技术涉及油气管道阴极保护与监测领域，特别涉及一种适用于油气管道牺牲阳极阴极保护在线监测与控制的轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置及其应用方法。
技术介绍
[0002]阴极保护加防腐涂层配合使用的方式作为最有效的防腐手段，其应用已显著减少了管道的腐蚀问题，但受防腐涂层意外破损、外界因素干扰和阴极保护系统设计不规范等影响，阴极保护系统难以达到理想的保护效果，导致管道腐蚀问题仍十分显著。据统计，近年来全国油气管网每年发生的安全事故超过250起，其中因管道腐蚀导致的事故比例高达30%，造成了巨大的经济损失和社会影响，对管网安全运营造成了严重威胁。因此，完善油气管道阴极保护系统设计、加强阴极保护监测能力，是提升管道整体防腐性能的研究重点。
[0003]随着物联网设备和通信技术的发展，油气管道阴极保护在线监测方式发展正逐渐替代人工巡检监测，这在很大程度上提升了油气管道阴极保护保护效果和运行状态的监管能力。但目前几乎所有的在线监测均针对恒电位仪阴极保护进行，牺牲阳极阴极保护保护效果监测仍存在监管盲区，导致无法及时掌握油气管道牺牲阳极阴极保护的保护效果和运行状态，存在很大的管道腐蚀隐患。因此针对当前牺牲阳极阴极保护在线监测中存在的不足，设计一种牺牲阳极阴极保护在线监控装置具有非常重要的意义。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于：基于目前油气管道牺牲阳极阴极保护在线监测中存在的不足，提供一种基于MQTT物联网通信协议的轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置及其应用方法，可完成对油气管道、牺牲阳极运行参数的实时采集、远程传输，并可对装置的运行模式进行远程配置，实现对牺牲阳极阴极保护的在线监测和控制。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置，该监控装置包含电源管理、信号检测与输出控制、DTU通信三大模块，基于18位高精度模数转换器和LTE网络完成阴极保护运行状态参数采集和远程传输，所述监控装置主要适用于油气管道牺牲阳极阴极保护运行状态在线监测与牺牲阳极组远程控制。
[0006]进一步的，所述电源管理模块包括电源、调稳压及输出控制、电源监测三大部分，实现装置工作电源转换控制及运行状态监控；所述电源部分通过多节3.7V一次性/可充电锂电池串并联，组成输出电压18~24V、输出电流≥2A、电池容量≥50Ah的大容量锂电池组，保证电源具有不低于12V、2A带负载与大于2年续航能力；所述调稳压及输出控制部分包括两级调压和电源输出开关控制，第一级调压电路将锂电池输出转换为
±
18V电压输出，第二级调压电路转换为
±
12V、5V和3.3V电压输出，向装置内部各元器件提供工作电压和参考电压，同时通过电源管理芯片实现电源输出开关控
制，实现DTU通信模块、部分外围电路间歇性工作和低功耗运行；所述电源监测部分使用电源管理芯片对电池组输出电压、输出电流和温度进行实时采集监测，进而对电池组剩余电量和运行状态进行监测。
[0007]进一步的，所述信号检测与输出控制模块以STM32高性能处理器为核心，包含采样处理和继电器输出控制单元，分别实现参数在线采集和牺牲阳极组投切控制；所述采样处理包括如下三个步骤：1）使用18位高精度模数转换器采集管道开路电位、牺牲阳极通电电位、牺牲阳极开路电位、牺牲阳极输出电流、牺牲阳极/管道内部杂散电流等参数；2）使用FFT算法对模数转换器采集到的数据进行幅频转换，分析采集参数中涉及的交、直流干扰分量频谱及幅值；3）根据采样结果，生成油气管道阴极保护效果和装置运行的预报警信息；所述牺牲阳极组投切控制包括检测投切控制和优化保护投切控制两类，所述投切控制通过继电器输出实现；所述检测投切控制用于牺牲阳极通电、开路电位切换检测控制，基于卫星同步授时可实现全线阴极保护装置同步通断，达到消除阴极保护电位中IR降的目的，提升阴极保护效果评估的准确性；所述优化保护投切控制用于根据阴极保护效果调整牺牲阳极组牺牲阳极投入只数，以达到保护效果及牺牲阳极组运行的最优化。
[0008]进一步的，所述DTU通信模块基于LTE通信网络，兼容2G、GPRS、3G、4G通信技术，同时支持卫星实时定位；所述通信模块与信号检测与输出控制模块之间通过串口/485进行通信，以拓展装置模块化设计的灵活性；通信模块与后台服务器之间通过2G、GPRS、3G、4G无线通信网络进行通信，采用MQTT协议简化装置收发数据量和通信数据量，并通过发布/订阅模式实现装置与后台解耦和双向通信控制；所述卫星实时定位基于GPS全球定位系统进行，实时采集装置的位置信息防止装置误动，同时完成管道阴极保护装置同步授时。
[0009]进一步的，所述监测装置包含状态指示、状态报警与数据存储单元，用于装置安装、调试、人工巡检过程中装置运行状态显示、报警以及装置运行中的关键数据和采集的历史数据采集备份；所述状态指示单元使用不同颜色的LED灯珠和闪烁频率，实现对剩余电量显示、装置正常/异常运行显示；所述状态报警单元将装置异常移动、装置异常拆卸进行报警，并利用蜂鸣器和报警数据上传方式现场报警/警告和远程报警功能；所述存储单元包括E2PROM存储器和TF卡，实现装置关键运行数据存储和采集数据、报警信息、下发指令的备份存储。
[0010]进一步的，所述监控装置适用于单支牺牲阳极和牺牲阳极组组成的阴极保护系统在线监测控制，所述牺牲阳极包括镁、锌、铝及合金等牺牲阳极种类；所述监控装置采用防爆设计，满足Exde IICT4 Gb设计标准，装置预设防爆USB、天线接口便于人工巡检期间对装置进行维护和提升通信、定位精度，装置工作期间通过防爆
金属挡板封扣所有接口，提升防爆性能。
[0011]进一步的，所述轻量级体现为装置采用模块化设计，可根据作业需求灵活选配相应组件（电池组、信号检测与输出控制模块）实现功能拓展和应用最优化，同时采用MQTT轻量级物联网通信协议，最大程度降低了协议数据包非有效数据量，减少了通信数据量和电池电量消耗。
[0012]上述一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置及其应用方法的具体实现步骤如下：第一步：根据应用场景选取配件搭配方式，八支及以下牺牲阳极组成的阴极保护系统中，采用单个信号检测与输出控制模块即可，超过八支牺牲阳极或对通信要求较高（24小时在线）的场景应考虑对配件进行扩展；第二步：安装调试，将装置防爆箱安装于测试桩上，完成牺牲阳极电缆、管道电缆布线连接，进行装置校准和现场调试；第三步：实时采集管道开路电位、牺牲阳极通电/开路电位、牺牲阳极输出电流、管道和牺牲阳极内杂散电流阴极保护系统相关参数和电池组输出电压、电流、温度等运行参数，其中管道开路电位由装置配合恒电位仪同步通断测得；第四步：对采集的数据进行分析处理，生成初步的状态预报警信息，并对采集的原始数据、处理后数据及预报警信息进行备份、上传；第五步：根据后台配置指令完成牺牲阳极组远程投切控制和装置DTU通信模块在线工作模本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置，其特征在于，该装置应用于油气管道阴极保护在线监测，所述监控装置由电源管理、信号检测与输出控制、DTU通信三大模块组成，实现管道牺牲阳极阴极保护效果、牺牲阳极运行状态在线监测和牺牲阳极组自动投切控制；所述轻量级通过使用MQTT协议简化通信程序及数据体量，实现监控装置通信传输最小化；所述牺牲阳极包括单支牺牲阳极和多支牺牲阳极组成的牺牲阳极组，牺牲阳极类型包括镁、锌、铝及合金牺牲阳极。2.如权利要求1所述一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置，其特征在于，所述电源管理模块由供电电源、电源调压及输出控制、电源监测三部分构成；所述供电电源采用16~24V一次性/可充电锂电池组供电，可持续提供不低于12V，2A电压电流输出；所述电源调压及输出控制采用两级调压及输出控制电路，提供
±
12V、5V、3.3V可控电压输出，并通过电源管理芯片实现电源输出开关控制；所述电源监测通过电源管理芯片对锂电池组电压、电流、温度进行监测，评估电池组剩余电量和运行状况。3.如权利要求1所述一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置，其特征在于，所述信号检测与输出控制模块包括采样处理与继电器输出控制两部分；所述采样处理使用18位高精度AD模块和STM32高性能处理器，实时采集处理管道管地电位、牺牲阳极电位、牺牲阳极输出电流、杂散电流参数；所述继电器输出控制通过控制继电器通断实现检测电位、电流通路切换、牺牲阳极组投切控制和断电电位检测同步通断。4.如权利要求1所述一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置，其特征在于，所述DTU通信模块包括通信模组和定位模组；所述通信模组兼容2G、3G、4G、GPRS通信网络；所述定位模组采用GPS定位方式，定位偏差＜10米。5.如权利要求1所述一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置，其特征在于，所述监控装置包括状态报警与数据储存模组；所述状态报警通过LED状态指示灯、蜂鸣器对装置运行状态进行报警；所述数据储存包括E2PROM存储器和TF卡，分别对监控装置关键运行数据和监测数据进行实时储存。6.如权利要求2所述一种轻量级牺牲阳极阴极保护在线监控装置，其特征在于，所述电源管理模块通过电源输出开关控制，对信号检测与输出控制、DTU通信模块的工作时间及...
【专利技术属性】
技术研发人员：李茜，周熙朋，刘建生，杨超，张安安，邓江湖，
申请(专利权)人：成都中安电气有限公司，
类型：发明
国别省市：
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