一种埋地钢质管道强制电流智能阴保系统

1.本发明涉及管道腐蚀防护技术领域，尤其是涉及一种埋地钢质管道强制电流智能阴保系统。

背景技术：

2.目前对埋地钢质管道的腐蚀控制措施除外加防腐层外，还广泛使用电化学腐蚀控制技术，主要分为牺牲阳极阴极保护法和强制电流阴极保护法。牺牲阳极阴极保护系统因输出电流较小，多用于城市管网及地下储油罐；强制电流阴极保护法通过外加电源将电子输送到被保护金属表面，使被保护金属表面的电位始终处于保护电位范围内，从而达到防腐目的。与牺牲阳极法相比，强制电流阴极保护系统具有高度的灵活性和较强的输出能力，作用范围更广，因此适用于长距离输油管道的大规模、环境恶劣的情况。本发明所述的智能阴保系统便是针对长输管道强制电流阴极保护系统的。
3.长距离输油管道的铺设环境一般较为偏远，沿途多为山区及人烟稀少地区，日常的电位采集、沿线巡检工作较为困难，且存在诸多问题：实时性差，不能及时发现问题；数据采集受到操作人员的主观因素影响较大，结果不准确；不具备恒电位仪根据情况自动调节输出参数的功能；无法做到自动预警等。
4.目前已有的专利cn112725807b“一种基于fpga的埋地钢质管道智能阴保系统及实现方法”实则是针对牺牲阳极阴极保护运行过程中的沿管线情况进行信息采集、通信与监控，与强制电流智能阴保系统在系统构成、采集参数及具体实现方法等方面还有着较大区别。而其他的一些管道阴极保护监测系统多以msp430、stm32等串行处理芯片为处理核心，且采集参数较少、时钟同步依靠gps，多数系统仅采集通/断电位作为阴极保护情况的判定标准，无法同时实现对沿管线杂散电流干扰情况的一体化监测；所采用的通信方式也较为单一，通信延迟较高，数据传输易丢失，且无法快速做出响应；同时，采用gps信号提供定位及时钟信息，在时间、定位精度及数据的安全性、可靠性等方面远不如采用北斗卫星；整个系统对于断电操作的时间同步精度较低，数据采集的结果可能存在较大误差，极大影响着对埋地管道的保护系统运行状态的理想监控。
5.随着通信技术的发展，4g/5g高速通信的普及以及数据安全科技研究和应用的不断深入，针对长输油气管道阴极保护技术的智能化，亟需研究和开发一种用于埋地钢质管道强制电流阴极保护系统的多参数同步采集、基于北斗卫星信号同步、4g/5g高速无线通信、数据安全可靠不易丢失、对阴极保护效果及沿管线杂散电流干扰情况进行一体化监测与评价的智能阴保系统，以解决上述提到的诸多问题与不足。

技术实现要素：

6.针对上述社交网络中隐私信息扩散传播问题，本发明提供了一种埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，对强制电流阴极保护系统的阴保参数及杂散电流干扰参数实时监测，监测精度高、可及时预警，自动化程度高，实现阴保系统的远程控制和各项参数的远程
自动化采集。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，包括：上位机监控台，所述上位机监控台通信连接与埋地钢质管道沿线各位置分别连接的多个同步中断器、多个数据采集仪；
8.各所述同步中断器均串联在所述埋地钢质管道与一个恒电位仪之间，所述恒电位仪分别连接埋设于地下的第一参比电极和辅助阳极块；所述恒电位仪通过第一参比电极实时获取参比信号，根据所述参比信号及给定电位计算输出参数，控制辅助阳极块与埋地钢质管道之间的电位达到给定电位；所述同步中断器实时读取所述恒电位仪的输出参数，发送至所述上位机监控台；
9.各所述数据采集仪均分别连接埋设于地下的自然电位检查片、交流腐蚀试片、第二参比电极及第三参比电极，通过所述自然电位检查片、交流腐蚀试片、第二参比电极及第三参比电极分别采集阴极保护参数及杂散电流干扰参数，并发送所述上位机监控台；
10.所述上位机监控台同时向所有同步中断器、数据采集仪下发断电指令，所有同步中断器接收所述断电指令并同时进行断电操作，所有数据采集仪接收断电指令，并在所有同步中断器断电操作完成后同时进行断电电位采集操作，并将所述断电电位发送所述上位机监控台；
11.所述上位机监控台接收各所述同步中断器及各所述数据采集仪发送的所述恒电位仪的输出参数、阴极保护参数及杂散电流干扰参数，进行数据分析诊断并显示。
12.作为本发明的进一步改进，所述同步中断器包括第一fpga主控模块及与其连接的rs485通信模块、4g-5g通信模块、第一北斗-gps模块、数据采集监控模块、中断控制模块、人机屏幕交互模块和数据存储模块；
13.所述第一fpga主控模块，用于：
14.对所述上位机监控台下发指令的数据帧进行数据解析；
15.控制中断控制模块实现断电操作；
16.所述rs485通信模块，用于：
17.与所述恒电位仪进行通信，读取或更改所述恒电位仪的输出参数；
18.所述4g-5g通信模块，用于：
19.接收所述上位机监控台下发指令的数据帧；
20.将所述rs485通信模块读取到的所述恒电位仪当前的输出参数发送至所述上位机监控台；
21.第一北斗-gps模块，用于：
22.实现本同步中断器与其他同步中断器及所有数据采集仪之间的高精度时钟同步；所述数据采集监控模块，用于：
23.对所述rs485通信模块读取的所述恒电位仪的输出参数进行数据预处理，再将各参数输入到不同的转换通道，完成输出参数的采集；
24.所述中断控制模块，用于：
25.串联在所述埋地钢质管道和所述恒电位仪之间，执行所述埋地钢质管道和所述恒电位仪所在串联电路的断电操作；
26.所述人机屏幕交互模块，用于：
27.与所述第一fpga主控模块通信，获取并显示所述恒电位仪的输出参数及系统当前工作模式；
28.所述数据存储模块，用于：
29.通过所述第一fpga主控模块获取所述恒电位仪的输出参数及当前工作模式信息进行本地备份存储。
30.作为本发明的进一步改进，所述数据采集仪包括第二fpga主控模块，所述第二fpga主控模块依次连接adc模数采集模块和信号调理模块，所述信号调理模块连接埋设于地下的自然电位检查片、交流腐蚀试片、第二参比电极及设于地上的第三参比电极；所述第二fpga主控模块还连接有第二北斗-gps模块、4g-5g无线模块、千兆以太网模块；所述数据采集仪外壳上对应需采集通电电位和断电电位、管地电位、自然电位、交流电位和交流电流均设有数据采集通道；
31.所述第二fpga主控模块，用于：
32.对所述上位机监控台下发指令的数据帧进行数据解析；
33.根据所述上位机监控台下发指令控制adc模数采集模块进行数据采集；
34.所述adc模数采集模块，用于：
35.对应各所述数据采集通道均设置模拟接口，各所述模拟接口分别与第二参比电极、第三参比电极、自然电位检查片、交流腐蚀试片连接，分别采集通电电位和断电电位、管地电位、自然电位、交流电位和交流电流，并计算交流电流密度；
36.所述信号调理模块，用于：
37.将所述adc模数采集模块需采集的通电电位、断电电位、自然电位、交流电位、交流电流进行预处理转换；
38.所述第二北斗-gps模块，用于：
39.实现本数据采集仪与其他数据采集仪及所有同步中断器之间的高精度时钟同步；
40.所述4g-5g无线模块和所述千兆以太网模块，用于：
41.接收所述上位机监控台下发指令的数据帧；
42.将adc模数采集模块采集及计算的通电电位、断电电位、管地电位、自然电位、交流电位、交流电流及交流电流密度数据发送至所述上位机监控台。
43.作为本发明的进一步改进，所述自然电位检查片和交流腐蚀试片均可埋设多片，在参数采集过程中通过继电器切换连接不同的自然电位检查片或交流腐蚀试片进行参数采集，保证采集参数的准确性。
44.作为本发明的进一步改进，所述信号调理模块包括通断电位预处理子模块，所述通断电位预处理子模块包括差分仪表放大器和电压跟随器，所述差分仪表放大器的输入端连接埋地钢质管道，输出端与所述电压跟随器连接，所述电压跟随器输出端与所述adc模数采集模块连接，所述adc模数采集模块进行断电电位的采集。
45.作为本发明的进一步改进，所述数据采集仪进行断电电位采集操作，包括：
46.所述数据采集仪接收上位机监控台发送的系统断电指令，等待所述第二北斗-gps模块上升沿脉冲并开启定时单元，延时控制所述adc模数采集模块进行断电电位的采集。
47.作为本发明的进一步改进，所有同步中断器、所有数据采集仪分别通过其第一北斗-gps模块、第二北斗模块中与国际标准utc时间上升沿同步对齐的秒脉冲实现高精度的
时钟同步。
48.作为本发明的进一步改进，所述上位机监控台还可向任一同步中断器或数据采集仪发送数据重发指令，获取历史数据。
49.作为本发明的进一步改进，所述上位机监控台还可根据需要，对任一同步中断器下发指令，设定该同步中断器连接的所述恒电位仪的输出参数，对所述恒电位仪的输出参数进行更改。
50.作为本发明的进一步改进，所述上位机监控台包括手动工作模式和自动工作模式；
51.在所述自动工作模式下，所述上位机监控台根据接收到的恒电位仪输出参数、阴极保护参数自动判断，在需要时自动下发指令调整所述恒电位仪的输出参数。
52.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
53.本发明的智能阴保系统通过同步中断器和数据采集仪对系统各位置的恒电位仪输出参数及工作状态、阴极保护参数及杂散电流干扰参数进行采集，解决了现有阴极保护系统人工巡检采集参数、采集数据实时性差、且数据受操作人员主管因素影响，准确性差的问题；同时通过上位机监控台控制各同步中断器和各数据采集仪的各项数据采集，控制同步中断器连接的恒电位仪的输出参数，对采集数据进行分析诊断，对系统整体应急保护效果及杂散电流干扰情况实时检测，获知异常情况，并对异常情况进行及时处理，放置因硬件设置原因导致的系统运行异常，延长管道的服役寿命。
54.本发明同步中断器和数据采集仪分别通过第一fpga主控模块、第二fpga主控模块并行完成数据的采集、存储、数据帧整合处理及通信功能。
55.本发明的智能阴保系统实现了各同步中断器和数据采集仪的智能化组网，上位机监控台可对管道沿线的数据采集仪与同步中断器进行统一监控与管理，各同步中断器和数据采集仪均基于fpga设计并通过第一北斗-gps模块、第二北斗-gps模块保持同步，时间同步精度高，各数据参数采样更准确。当出现异常情况时，可通过同步中断器和数据采集仪的第一北斗-gps模块、第二北斗-gps模块的定位功能对存在问题同步中断器和数据采集仪快速、精准定位。
56.本发明的智能阴保系统可以通过上位机监控台的手动模式设置各个恒电位仪的输出参数，或是通过自动模式，根据阴极保护系统运行情况自动调节，确保系统阴极保护状况长期处于最优状态，延长管道服役寿命。
57.本发明的智能阴保系统集成度高、供电方便、通信方式可根据需要选择，具有很强的环境适用性，同时安装方便、操作施工较为便捷，也可适用于其它设备的阴极保护效果监控，对保障阴极保护运行效果和提升设备耐用性有着重要意义。
附图说明
58.图1为本发明一种实施例公开的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统示意图；
59.图2为本发明一种实施例公开的阴极保护与杂散电流各参数采集方式示意图；
60.图3为本发明一种实施例公开的数据采集仪完整硬件结构示意图；
61.图4为本发明一种实施例公开的同步中断器完整硬件结构示意图；
62.图5为本发明一种实施例公开的数据采集仪接收上位机监控台下发的指令，进行
数据解析及指令执行流程图；
63.图6为本发明一种实施例公开的数据采集仪主要模块运行流程图；
64.图7为本发明一种实施例公开的同步中断器主要模块运行流程图。
65.附图标记说明：
66.1、上位机监控台；2、同步中断器；3、数据采集仪；4、辅助阳极；5、第一参比电极；6、自然电位检查片；7、第二参比电极；8、交流腐蚀试片；9、恒电位仪；10、第三参比电极。
具体实施方式
67.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
68.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
69.如图1所示，本发明提供的一种埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，包括：上位机监控台1，上位机监控台1通信连接与埋地钢质管道沿线各位置分别连接的多个同步中断器2、多个数据采集仪3；
70.各同步中断器2均串联在埋地钢质管道与一个恒电位仪9之间，恒电位仪9分别连接埋设于地下的第一参比电极5和辅助阳极4块；恒电位仪9通过第一参比电极5实时获取参比信号，根据参比信号及给定电位计算输出参数，控制辅助阳极4块与埋地钢质管道之间的电位达到给定电位；同步中断器2实时读取恒电位仪9的输出参数，发送至上位机监控台1；
71.如图2所示，各数据采集仪3均分别连接埋设于地下的自然电位检查片6、交流腐蚀试片8及第二参比电极7，通过自然电位检查片6、交流腐蚀试片8、第二参比电极7及第三参比电极10分别采集阴极保护参数及杂散电流干扰参数，并发送上位机监控台1；其中，阴极保护参数及杂散电流干扰参数包括通电电位、断电电位、管地电位、自然电位、交流电位、交流电流及交流电流密度；通过管地电位、自然电位、交流电位、交流电流、交流电流密度等参数，即可实现对埋地钢质管道直流、交流杂散电流干扰程度的一体化监测。
72.上位机监控台1同时向所有同步中断器2、数据采集仪3下发断电指令，所有同步中断器2接收断电指令并同时进行断电操作，所有数据采集仪3接收断电指令，并在所有同步中断器2断电操作完成后同时进行断电电位采集操作，并将断电电位发送上位机监控台1；其中，所有同步中断器2、所有数据采集仪3分别通过其第一北斗-gps模块、第二北斗模块中与国际标准utc时间上升沿同步对齐的秒脉冲实现高精度的时钟同步。
73.上位机监控台1接收各同步中断器2及各数据采集仪3发送的恒电位仪9的输出参数、阴极保护参数及杂散电流干扰参数，进行数据分析诊断并显示。其中，上位机监控台1接收到的数据帧包括固定的帧头和帧尾，中间位置除参数数据外还包括各同步中断器2和数据采集仪3独立的识别码及采样时间，上位机监控台1通过识别码及采样时间做数据区分、故障识别及设备定位检修。进一步的，阴保系统工作模式包括自动工作模式和手动工作模式，在手动工作模式下，工作人员根据上位机监控台1接收到的恒电位仪9输出参数、阴极保护参数进行判断，在需要时手动输入恒电位仪9的输出参数，并下发指令调整恒电位仪9的输出参数；在自动模式下时，整个监测过程中若出现有数据异常，上位机监控台1可评价异
常原因后给出诊断措施，即根据接收到的恒电位仪9输出参数、阴极保护参数自动判断，在需要时，自动生成调节恒电位仪9输出参数的数据帧，自动下发指令至同步中断器2，确保埋地钢质管道强制电流阴极保护效果长期运行在最优状态，实现高度的智能化。
74.优选的，如图4所示，本发明的同步中断器2包括第一fpga主控模块及与其连接的rs485通信模块、4g-5g通信模块、第一北斗-gps模块、数据采集监控模块、第一实时时钟模块、中断控制模块、人机屏幕交互模块和数据存储模块。
75.第一fpga主控模块，用于：
76.对上位机监控台1下发指令的数据帧进行数据解析；
77.控制中断控制模块实现断电操作；
78.rs485通信模块，用于：
79.与恒电位仪9进行通信，读取或更改恒电位仪9的输出参数；
80.4g-5g通信模块，用于：
81.接收上位机监控台1下发指令的数据帧；其中，通过4g或5g网络接收上位机监控台1下发的系统断电指令、恒电位仪9输出参数更改指令，更改恒电位仪9的输出参数，实现输出参数远程管理；
82.将rs485通信模块读取到的恒电位仪9当前的输出参数发送至上位机监控台1；
83.第一北斗-gps模块，用于：
84.实现本同步中断器2与其他同步中断器2及所有数据采集仪3之间的高精度时钟同步；其中，第一北斗-gps模块采用中科微电子的atgm336h模块，同时支持gps和北斗卫星，满足多场景需求。
85.数据采集监控模块，用于：
86.对rs485通信模块读取的恒电位仪9的输出参数进行数据预处理，再将各参数输入到不同的转换通道，完成输出参数的采集。
87.中断控制模块，用于：
88.串联在埋地钢质管道和恒电位仪9之间，执行埋地钢质管道和恒电位仪9所在串联电路的断电操作；其中，本发明中断控制模块选用mosfet(场效应管)，考虑到mosfet导通状态内阻仅1mω左右，最大可通过电流达195a，满足恒电位仪9大电流输出的需要；同时，mosfet响应速度快，符合系统对于断电相应时间精度的要求。进一步的，当需要断电操作时，利用第一fpga主控模块io口的高低电平控制光耦来间接控制mosfet，在强弱电隔离的条件下实现断电操作，保证整个系统的安全运行。
89.人机屏幕交互模块，用于：
90.与第一fpga主控模块通信，获取并显示恒电位仪9的输出参数及系统当前工作模式；其中，人机屏幕交互模块通过rs232接口或ttl电平与第一fpga主控模块通信，当获取到的输出参数及系统当前工作模式等信息有变化时，人机屏幕交互模块显示的数据实时更新；进一步的，人机屏幕交互模块显示数据的更新，包括：利用fpga内部提前做好数据处理，再进行数据传输，具体时间通过移位运算与加减法相结合代替乘法运算，节约fpga内部资源的同时也节省操作时间。更进一步的，可通过手动点击人机屏幕交互模块的屏幕，手动触发断电操作。
91.数据存储模块，用于：
92.通过第一fpga主控模块获取恒电位仪9的输出参数及当前工作模式信息进行本地备份存储。其中，数据存储模块每次的数据存储操作均以当前的rtc时间计算扇区地址，同时将当前时刻的sd卡存储扇区地址发送到第一实时时钟模块的ram中，实现断电后再上电，存储扇区自动更新的目的。进一步的，数据存储模块存储恒电位仪9近一个月的数据，当上位机监控台1需要时可发送指令要求重发某天数据，避免数据传输丢失的风险。
93.优选的，如图3所示，本发明的数据采集仪3包括第二fpga主控模块，第二fpga主控模块依次连接adc模数采集模块和信号调理模块，信号调理模块连接埋设于地下的自然电位检查片6、交流腐蚀试片8、第二参比电极7及设置于地上的第三参比电极10；第二fpga主控模块还连接有第二北斗-gps模块、4g-5g无线模块、千兆以太网模块、数据存储sd卡模块、按键及数码管显示模块、温湿度采集模块、第二实时时钟模块；数据采集仪3外壳上对应需采集的通电电位和断电电位、自然电位、管地电位、交流电位、交流电流均设有数据采集通道；如图5所示，数据采集仪3通过千兆以太网模块或4g-5g无线模块接收上位机下发的数据采集指令，第二fpga主控模块对数据采集指令的数据帧进行解析，根据解析后的指令码进行对应参数的采集，此时，包括对应断电电位选择进行系统开关连接状态的切换，获取断电电位，以及通过发送串口指令到adc模数采集模块进行其他阴保参数及杂散电流的采集。
94.第二fpga主控模块，用于：
95.对上位机监控台1下发指令的数据帧进行数据解析；
96.根据上位机监控台1下发指令控制adc模数采集模块进行数据采集；
97.adc模数采集模块，用于：
98.对应各数据采集通道均设置模拟接口，各模拟接口分别与第二参比电极7、第三参比电极10、自然电位检查片6或交流腐蚀试片8连接，分别采集通电电位和断电电位、管地电位、自然电位、交流电位和交流电流，并计算交流电流密度。其中，数据采集仪3进行断电电位采集操作，包括：数据采集仪3接收上位机监控台1发送的系统断电指令，等待第二北斗-gps模块上升沿脉冲并开启定时单元，延时控制adc模数采集模块进行断电电位的采集。如通过定时单元设置延时时间为500毫秒，即在同步中断器2断开的时刻，数据采集仪3采集系统断电电位。进一步的，采集交流电流对应的数据采集通道上添加了用于通交流阻直流的电容，防止直流信号对差分仪表电流放大器芯片的影响；采集通电电位、断电电位对应的数据采集通道接口与埋地钢质管道的引出点相连接；采集自然电位对应的数据采集通道与自然电位检查片6连接，更进一步的，自然电位检查片6和交流腐蚀试片8均可埋设多片，采集交流电流密度对应的数据采集通道接口通过继电器切换与不同位置的交流腐蚀试片8相连，从而测量不同位置交流杂散电流情况；采集自然电位对应的数据采集通道接口通过继电器切换与不同位置的自然电位检查片6相连，从而测量不同位置的自然电位情况，保证采集参数的准确性。
99.信号调理模块，用于：
100.将adc模数采集模块采集的通电电位、断电电位、自然电位、交流电位、交流电流进行预处理转换；其中，信号调理模块包括通断电位预处理子模块，通断电位预处理子模块包括差分仪表放大器和电压跟随器，差分仪表放大器的输入端连接埋地钢质管道，输出端与电压跟随器连接，电压跟随器输出端与adc模数采集模块连接，adc模数采集模块进行断电电位的采集。进一步的，信号调理模块还包括自然电位调理子模块、管地电位调理电路、杂
散电流转换电路、交流电位转换电路，分别对采集的自然电位、管地电位、交流电流、交流电位进行数据的转换计算，其中杂散电流转换电路根据交流电流计算交流电流密度。
101.第二北斗-gps模块，用于：
102.实现本数据采集仪3与其他数据采集仪3及所有同步中断器2之间的高精度时钟同步；
103.4g-5g无线模块和千兆以太网模块，用于：
104.接收上位机监控台1下发指令的数据帧；其中，通过以太网或4g/5g网络接收上位机监控台1下发的数据采集指令及数据重发指令等功能性指令。
105.将adc模数采集模块采集的通电电位、断电电位、管地电位、自然电位、交流电位、交流电流及计算得到的交流电流密度数据发送至上位机监控台1。
106.数据存储sd卡模块，用于：
107.存储adc模数采集模块采集的数据，其中，数据存储sd卡模块存储adc模数采集模块采集的近一个月的数据，当上位机监控台1需要时可发送指令要求重发某天数据，避免数据传输丢失的风险。
108.按键及数码管显示模块，用于：
109.通过按键调节数码管显示的具体数据，具体数据包括adc模数采集模块采集的各项数据。
110.温湿度采集模块，用于：
111.采集其所属数据采集仪3所处环境温度及湿度数据上传上位机监控台1，上位机监控台1接收后做数据分析，以便于根据不同的温度及湿度数据调整管道阴极保护的最佳保护电位。
112.第二实时时钟模块，用于：
113.数据存储sd卡模块每次的数据存储操作均以当前的rtc时间计算扇区地址，同时将当前时刻的sd卡存储扇区地址发送到第二实时时钟模块的ram中，实现断电后再上电，存储扇区自动更新的目的。
114.本发明中，同步中断器2和数据采集仪3中数据的存储及通信均采用16进制的格式，上位机监控台1接受到同步中断器2和数据采集仪3上传的数据后转化为十进制的格式，再进行数据分析诊断并及展示。
115.本发明中，上位机监控台1还可向任一同步中断器2或数据采集仪3发送数据重发指令，获取历史数据。
116.本发明中，上位机监控台1还可根据需要，对任一同步中断器2下发指令，设定该同步中断器2连接的恒电位仪9的输出参数，对恒电位仪9的输出参数进行更改。
117.本发明数据采集仪3主要模块运行流程如图6所示，包括各参数的采集、存储及数据通信；具体为：
118.步骤1、数据存储sd卡模块上电自复位，等待上位机监控台1以4g、5g信号或以太网发送的；
119.步骤2、接受到数据帧后，数据采集仪3进行初始化，然后启动第二fpga主控模块的主程序，解析数据帧获取到数据采集指令；
120.步骤3、第二fpga主控模块向adc模数采集模块读取各采集参数(包括通电电位、自
然电位、交流电位、交流电流及交流电流密度数据)、并向第二实时时钟模块获取实时时钟数据，即当前时间；
121.步骤4、第二fpga主控模块根据获取到的各采集参数及实时时钟数据构建数据帧；
122.步骤5、一方面，第二fpga主控模块通过fifo缓存握手协议将数据帧存储至512b的ram缓存区，然后进行数据full判断及sd地址计算，根据计算得到的sd地址将数据帧存储到数据存储sd卡模块中；另一方面，判断当前数据采集仪3的通信模式，若当前为4g/5g无线通信模式，则通过4g-5g无线模块将数据帧发送上位机监控台1，若当前为千兆以太网光纤通信模式，则通过千兆以太网模块将数据帧发送上位机监控台1；
123.步骤6、阴保参数及杂散电流数据采集及上传过程结束。
124.本发明同步中断器2主要模块运行流程如图7所示，包括数据采集、通信、屏幕显示及命令交互；具体为：
125.步骤1、数据存储模块上电初始化，数据采集监控模块初始化；
126.步骤2、判定初始化完成后，
127.步骤2-1：第一fpga主控模块读取数据采集监控模块采集的各参数的数据，包括恒电位仪9的输出电压和输出电流；第一fpga主控模块向第一实时时钟模块获取实时时钟数据，即当前时间；
128.步骤2-2：根据步骤2-1获取的各参数的数据和实时时钟数据进行数据转换，构建dwin指令，将dwin指令通过rs232接口或ttl电平发送至人机屏幕交互模块进行显示；
129.步骤2-3：若初始化完成后，接受到断电指令，则利用第一fpga主控模块io口的高低电平控制光耦来间接控制mosfet中断，在强弱电隔离的条件下实现断电操作；
130.步骤2-4：若初始化完成后，接受到设定该同步中断器2连接的恒电位仪9的输出参数的指令，则将设定参数通过rs485通信模块发送至恒电位仪9，完成参数设定；
131.步骤3、根据步骤2-1获取的各参数的数据和实时时钟数据构建数据帧，通过异步fifo缓存区进行缓存，并通过4g/5g无线通信发送至上位机监控台1。
132.实施例：
133.步骤1：根据安装需要，将数据采集仪3外壳上数据采集通道接口的各接线孔位与埋地钢质管道、第二参比电极7、第三参比电极10、各自然电位检查片6、各交流腐蚀试片8的对应引线相连接，同时在沿管线合适位置设置恒电位仪9与埋地钢质管道连接，二者之间串联同步中断器2；
134.步骤2：在对各数据采集仪3的第二fpga主控模块和各同步中断器2的第一fpga主控模块进行现场编程后，打开电源，等待系统上电及各模块的自复位，待标志的led灯亮起后，系统开始正常工作，默认采用5g通信方式，可根据现场信号情况需要通过指令设置进行4g/5g/以太网通信方式的切换；
135.步骤3：系统正常运行后，上位机监控台1即可接收到各个下位机上传的阴极保护参数及杂散电流干扰参数，并进行数据转换及直观显示，当有异常状态时可通过同步中断器2和数据采集仪3发送的数据帧中的识别码，精准定位出现问题的同步中断器2或数据采集仪3；
136.步骤4：在系统正常工作过程中，上位机监控台1可以通过以太网或4g/5g网络向数据采集仪3发送数据采集及数据重发等功能性命令，同时可通过4g/5g网络向同步中断器2
发送系统断电指令及恒电位仪9输出参数更改指令。
137.本发明的优点：
138.本发明的智能阴保系统通过同步中断器和数据采集仪对系统各位置的恒电位仪输出参数及工作状态、阴极保护参数及杂散电流干扰参数进行采集，解决了现有阴极保护系统人工巡检采集参数、采集数据实时性差、且数据受操作人员主管因素影响，准确性差的问题；同时通过上位机监控台控制各同步中断器和各数据采集仪的各项数据采集，控制同步中断器连接的恒电位仪的输出参数，对采集数据进行分析诊断，对系统整体应急保护效果及杂散电流干扰情况实时检测，获知异常情况，并对异常情况进行及时处理，放置因硬件设置原因导致的系统运行异常，延长管道的服役寿命。
139.本发明同步中断器和数据采集仪分别通过第一fpga主控模块、第二fpga主控模块并行完成数据的采集、存储、数据帧整合处理及通信功能。
140.本发明的智能阴保系统实现了各同步中断器和数据采集仪的智能化组网，上位机监控台可对管道沿线的数据采集仪与同步中断器进行统一监控与管理，各同步中断器和数据采集仪均基于fpga设计并通过第一北斗-gps模块、第二北斗-gps模块保持同步，时间同步精度高，各数据参数采样更准确。当出现异常情况时，可通过同步中断器和数据采集仪的第一北斗-gps模块、第二北斗-gps模块的定位功能对存在问题同步中断器和数据采集仪快速、精准定位。
141.本发明的智能阴保系统可以通过上位机监控台的手动模式设置各个恒电位仪的输出参数，或是通过自动模式，根据阴极保护系统运行情况自动调节，确保系统阴极保护状况长期处于最优状态，延长管道服役寿命。
142.本发明的智能阴保系统集成度高、供电方便、通信方式可根据需要选择，具有很强的环境适用性，同时安装方便、操作施工较为便捷，也可适用于其它设备的阴极保护效果监控，对保障阴极保护运行效果和提升设备耐用性有着重要意义。
143.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于，包括：上位机监控台，所述上位机监控台通信连接与埋地钢质管道沿线各位置分别连接的多个同步中断器、多个数据采集仪；各所述同步中断器均串联在所述埋地钢质管道与一个恒电位仪之间，所述恒电位仪分别连接埋设于地下的第一参比电极和辅助阳极块；所述恒电位仪通过第一参比电极实时获取参比信号，根据所述参比信号及给定电位计算输出参数，控制辅助阳极块与埋地钢质管道之间的电位达到给定电位；所述同步中断器实时读取所述恒电位仪的输出参数，发送至所述上位机监控台；各所述数据采集仪均分别连接埋设于地下的自然电位检查片、交流腐蚀试片、第二参比电极及第三参比电极，通过所述自然电位检查片、交流腐蚀试片、第二参比电极及第三参比电极分别采集阴极保护参数及杂散电流干扰参数，并发送所述上位机监控台；所述上位机监控台同时向所有同步中断器、数据采集仪下发断电指令，所有同步中断器接收所述断电指令并同时进行断电操作，所有数据采集仪接收断电指令，并在所有同步中断器断电操作完成后同时进行断电电位采集操作，并将所述断电电位发送所述上位机监控台；所述上位机监控台接收各所述同步中断器及各所述数据采集仪发送的所述恒电位仪的输出参数、阴极保护参数及杂散电流干扰参数，进行数据分析诊断并显示。2.根据权利要求1所述的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于：所述同步中断器包括第一fpga主控模块及与其连接的rs485通信模块、4g-5g通信模块、第一北斗-gps模块、数据采集监控模块、中断控制模块、人机屏幕交互模块和数据存储模块；所述第一fpga主控模块，用于：对所述上位机监控台下发指令的数据帧进行数据解析；控制中断控制模块实现断电操作；所述rs485通信模块，用于：与所述恒电位仪进行通信，读取或更改所述恒电位仪的输出参数；所述4g-5g通信模块，用于：接收所述上位机监控台下发指令的数据帧；将所述rs485通信模块读取到的所述恒电位仪当前的输出参数发送至所述上位机监控台；第一北斗-gps模块，用于：实现本同步中断器与其他同步中断器及所有数据采集仪之间的高精度时钟同步；所述数据采集监控模块，用于：对所述rs485通信模块读取的所述恒电位仪的输出参数进行数据预处理，再将各参数输入到不同的转换通道，完成输出参数的采集；所述中断控制模块，用于：串联在所述埋地钢质管道和所述恒电位仪之间，执行所述埋地钢质管道和所述恒电位仪所在串联电路的断电操作；所述人机屏幕交互模块，用于：与所述第一fpga主控模块通信，获取并显示所述恒电位仪的输出参数及系统当前工作
模式；所述数据存储模块，用于：通过所述第一fpga主控模块获取所述恒电位仪的输出参数及当前工作模式信息进行本地备份存储。3.根据权利要求1所述的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于：所述数据采集仪包括第二fpga主控模块，所述第二fpga主控模块依次连接adc模数采集模块和信号调理模块，所述信号调理模块连接埋设于地下的自然电位检查片、交流腐蚀试片、第二参比电极及设于地上的第三参比电极；所述第二fpga主控模块还连接有第二北斗-gps模块、4g-5g无线模块、千兆以太网模块；所述数据采集仪外壳上对应需采集通电电位和断电电位、管地电位、自然电位、交流电位和交流电流均设有数据采集通道；所述第二fpga主控模块，用于：对所述上位机监控台下发指令的数据帧进行数据解析；根据所述上位机监控台下发指令控制adc模数采集模块进行数据采集；所述adc模数采集模块，用于：对应各所述数据采集通道均设置模拟接口，各所述模拟接口分别与第二参比电极、第三参比电极、自然电位检查片、交流腐蚀试片连接，分别采集通电电位和断电电位、管地电位、自然电位、交流电位和交流电流，并计算交流电流密度；所述信号调理模块，用于：将所述adc模数采集模块采集的通电电位、断电电位、自然电位、交流电位、交流电流进行预处理转换；所述第二北斗-gps模块，用于：实现本数据采集仪与其他数据采集仪及所有同步中断器之间的高精度时钟同步；所述4g-5g无线模块和所述千兆以太网模块，用于：接收所述上位机监控台下发指令的数据帧；将adc模数采集模块采集及计算的通电电位、断电电位、管地电位、自然电位、交流电位、交流电流及交流电流密度数据发送至所述上位机监控台。4.根据权利要求3所述的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于，所述自然电位检查片和交流腐蚀试片均可埋设多片，在参数采集过程中通过继电器切换连接不同的自然电位检查片或交流腐蚀试片进行参数采集，保证采集参数的准确性。5.根据权利要求3所述的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于，所述信号调理模块包括通断电位预处理子模块，所述通断电位预处理子模块包括差分仪表放大器和电压跟随器，所述差分仪表放大器的输入端连接埋地钢质管道，输出端与所述电压跟随器连接，所述电压跟随器输出端与所述adc模数采集模块连接，所述adc模数采集模块进行断电电位的采集。6.根据权利要求3所述的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于：所述数据采集仪进行断电电位采集操作，包括：所述数据采集仪接收上位机监控台发送的系统断电指令，等待所述第二北斗-gps模块上升沿脉冲并开启定时单元，延时控制所述adc模数采集模块进行断电电位的采集。7.根据权利要求1所述的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于：所有同步
中断器、所有数据采集仪分别通过其第一北斗-gps模块、第二北斗模块中与国际标准utc时间上升沿同步对齐的秒脉冲实现高精度的时钟同步。8.根据权利要求1所述的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于：所述上位机监控台还可向任一同步中断器或数据采集仪发送数据重发指令，获取历史数据。9.根据权利要求1所述的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于：所述上位机监控台还可根据需要，对任一同步中断器下发指令，设定该同步中断器连接的所述恒电位仪的输出参数，对所述恒电位仪的输出参数进行更改。10.根据权利要求1所述的埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，其特征在于：所述上位机监控台包括手动工作模式和自动工作模式；在所述自动工作模式下，所述上位机监控台根据接收到的恒电位仪输出参数、阴极保护参数自动判断，在需要时自动下发指令调整所述恒电位仪的输出参数。

技术总结

本发明提供一种埋地钢质管道强制电流智能阴保系统，涉及管道腐蚀防护技术领域，包括：上位机监控台，其通信连接与埋地钢质管道沿线各位置分别连接的多个同步中断器、多个数据采集仪；各同步中断器均串联在埋地钢质管道与一个恒电位仪之间，恒电位仪实时获取参比信号，计算输出参数；同步中断器将恒电位仪的输出参数发送上位机监控台；各数据采集仪均分别连接埋设于地下的自然电位检查片、交流腐蚀试片及第二参比电极，采集阴极保护参数发送上位机监控台；上位机监控台向所有同步中断器、数据采集仪下发断电指令，进行断电电位采集。本发明对强制电流阴极保护系统的阴保参数及杂散电流实时监测，监测精度高、可及时预警，自动化程度高。度高。度高。