一种海底观测网次接驳盒内的监控系统的利记博彩app
【专利摘要】本发明公开的海底观测网次接驳盒内的监控系统包括：电压转换电路，采集次接驳盒腔内环境数据的环境监测电路，嵌入式PC，以太网交换机，继电控制保护电路和备用继电控制保护电路以及接地故障检测电路。本发明以嵌入式PC为核心控制单元，利用以太网交换机实现岸基与嵌入式PC、科学设备的通讯；环境监测电路检测次接驳盒内的电压、电流、温湿度和漏水情况；接地检测电路检测下级负载的接地故障情况；继电控制保护电路检测下端科学设备的输入端电压、电流，实现负载的电能通断和过流、短路保护功能。本发明对海底观测网次接驳盒接驳功能进行快速响应，对故障实时处理和报警，具有高可靠性和稳定性，保障海底观测网的长期可靠运行。
【专利说明】一种海底观测网次接驳盒内的监控系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于海底观测网络的接驳盒【技术领域】，尤其是一种应用于海底观测网络的 次接驳盒内的监控系统。
【背景技术】
[0002] 随着高科技的蓬勃发展，海底观测系统成为海洋科技领域的新热点。对于海底观 测网而言，接驳盒是完成电能和数据信号集中、转换和处理的装置。其中，次接驳盒内的监 控系统对信号的传输和通信进行处理调度，并为科学设备分配稳定的电能。因此，次接驳盒 内的监控系统是海底观测网系统中至关重要的一个节点，如果次接驳盒内的监控系统发生 故障会导致各终端科学设备都无法正常工作。高可靠性的次接驳盒内的监控系统的设计， 对整个海洋观测具有极其重要的作用：有利于海底现状的实时观测、管理和监控；有利于 终端设备与岸基的远程通讯及控制；能快速响应并排除故障，保障整个系统正常运行。
[0003] 海底环境复杂多变，在观测网运行的过程中，外界的影响或内部电路的故障，都可 能影响整个观测网的正常运行。因此，要求海底观测网次接驳盒内的控制系统具有高可靠 性、快速响应性和高稳定性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为保障海底观测网可靠、稳定运行，而提供一种基于嵌入式PC的 海底观测网次接驳盒内的监控系统。
[0005] 为达到上述目的，本发明拟采用的技术解决方案是： 本发明的海底观测网次接驳盒内的监控系统包括：将375V输入电压转换成2N+1个相 互隔离的48V输出电压的电压转换电路，采集次接驳盒腔内环境数据的环境监测电路，嵌 入式PC，以太网交换机，N个继电控制保护电路和N个备用继电控制保护电路以及N个接地 故障检测电路，N=2?4 ;环境监测电路的电源输入端与电压转换电路的一个48V电源输出 端相连，环境监测电路的电源输出端分别与嵌入式PC的电源输入端和以太网交换机的电 源输入端相连；电压转换电路的2N个48V电压输出端分别与N个继电控制保护电路的电源 输入端和N个备用继电控制保护电路的电源输入端相连，每一个继电控制保护电路的电源 输出端和一个备用继电控制保护电路的电源输出端相连，共形成N个电源输出端，该N个电 源输出端分别与N个接地故障检测电路的电源输入端相连，环境监测电路的环境监测信号 输出端与嵌入式PC的第一个I/O模块相连，N个继电控制保护电路的信号端与嵌入式PC的 第二个I/O模块相连，N个备用继电控制保护电路的信号端与嵌入式PC的第三个I/O模块 相连，N个接地故障检测电路的信号端与嵌入式PC的第四个I/O模块相连，嵌入式PC的信 号接口通过RJ45接头与以太网交换机相连。
[0006] 本发明中，所述的环境监测电路包括48V-24V电压转换电路、24V-5V电压转换电 路、24V-12V电压转换电路、湿度传感器、温度传感器、漏水检测器、电压传感器、电流传感器 和两个滤波电路，48V-24V电压转换电路的输入端、电压传感器的输入端和电流传感器的输 入端分别与48V电源相连，48V-24V电压转换电路的输出端分别与24V-5V电压转换电路的 输入端和24V-12V电压转换电路的输入端相连，24V-5V电压转换电路的输出端分别与湿度 传感器和温度传感器连接，24V-12V电压转换电路的输出端与漏水检测器连接，电压传感器 的输出端与第一滤波电路的输入端连接，电流传感器的输出端与第二滤波电路的输入端连 接，湿度传感器、温度传感器和漏水检测器分别输出湿度、温度和漏水监测信号，第一滤波 电路输出电压信号，第二滤波电路输出电流信号。
[0007] 本发明中，所述的以太网交换机是支持IEEE1588v2计时协议的工业以太网交换 机。
[0008] 本发明中，所述的嵌入式PC是倍福CX5010-0111型号控制器，第一个I/O模块由 EL3068组成，第二个I/O模块与第三个I/O模块分别由EL1809、EL2809和EL3068组成，第 四个I/O模块由EL2809和EL3068组成。
[0009] 本发明中，所述的继电控制保护电路包括48V-5V电压转换电路、48V-12V电压转 换电路、短路保护芯片、过流保护芯片、两个电量隔离传感器、两个滤波电路、继电器和M0S 管，48V-5V电压转换电路的输入端和48V-12V电压转换电路的输入端分别与48V电源输入 端相连，48V-5V电压转换电路的输出端分别与短路保护芯片的辅助电源输入端和过流保护 芯片的辅助电源输入端相连，48V-12V电压转换电路的输出端分别与两个电量隔离传感器 的辅助电源输入端相连；M0S管的漏极连接48V电源输入端，源极分别与过流保护芯片的输 入端、两个电量隔离传感器的输入端以及继电器的一端相连，M0S管的栅极与短路保护芯片 的M0S信号输出端相连，第一电量隔离传感器的输出端与第三滤波电路的输入端相连，第 二电量隔离传感器的输出端与第四滤波电路的输入端相连，继电器的另一端与48V电源输 出端相连，短路保护芯片输入M0S信号和输出短路信号，过流保护芯片输入复位信号和输 出过流信号，第三滤波电路输出负载电流信号，第四滤波电路输出负载电压信号，继电器控 制端输入开关信号。
[0010] 上述的备用继电控制保护电路和继电控制保护电路相同。
[0011] 本发明中，所述的接地检测电路包括隔离放大电路、放大/滤波电路、两个接地开 关、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4,电阻R1的一端接48V电源输入端，另一端与第一接 地开关的一端相连，第一接地开关的另一端与电阻R4的一端及第二接地开关的一端相连， 第二接地开关的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接48V电源输出端，电阻R4 的另一端与电阻R3的一端及隔离放大电路的一个输入端相连，电阻R3的另一端与隔离放 大电路的另一个输入端相连，隔离放大电路的输出端与放大/滤波电路的输入端相连，放 大/滤波电路输出端输出接地电压信号。
[0012] 本发明的海底观测网次接驳盒内的控制系统，采用嵌入式PC为系统的核心控制 单元，选取的工业以太网交换机能在恶劣环境下运作，可提高系统可靠性；采用继电控制保 护电路冗余设计和完全兼容以太网的I/O模块，可增强系统稳定性；数据采集l〇ms/次和数 据上传 Is/次的频率，可保障系统的快速响应性及岸基上位机的实时监控。
[0013] 本发明的海底观测网次接驳盒内的控制系统具有高可靠性、高稳定性和快速响应 性，保障了整个观测网正常运行，实现了终端设备与岸基的远程通讯和控制，以及对海底现 状的实时监控。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是海底观测网次接驳盒内的控制系统示意图。
[0015] 图2是环境检测电路原理框图。
[0016] 图3是继电控制保护电路原理框图。
[0017] 图4是接地检测电路原理框图。
[0018]
【具体实施方式】 以下结合附图对本发明做详细的说明。
[0019] 参照图1所示实例，此例中，N=4,则本发明的海底观测网次接驳盒内的监控系统 包括：将375V输入电压转换成9个相互隔离的48V输出电压的电压转换电路1，采集次接驳 盒腔内环境数据的环境监测电路2,嵌入式PC 3,以太网交换机4,4个继电控制保护电路5 和4个备用继电控制保护电路6以及4个接地故障检测电路7 ;环境监测电路2的电源输入 端与电压转换电路1的一个48V电源输出端相连，环境监测电路2的电源输出端分别与嵌 入式PC 3的电源输入端和以太网交换机4的电源输入端相连；电压转换电路1的8个48V 电压输出端分别与4个继电控制保护电路5的电源输入端和4个备用继电控制保护电路6 的电源输入端相连，每一个继电控制保护电路5的电源输出端和一个备用继电控制保护电 路6的电源输出端相连，共形成4个电源输出端，该4个电源输出端分别与4个接地故障检 测电路7的电源输入端相连，环境监测电路2的环境监测信号输出端与嵌入式PC的第一个 I/O模块相连，4个继电控制保护电路5的信号端与嵌入式PC的第二个I/O模块相连，4个 备用继电控制保护电路6的信号端与嵌入式PC的第三个I/O模块相连，4个接地故障检测 电路7的信号端与嵌入式PC的第四个I/O模块相连，嵌入式PC的信号接口通过RJ45接头 与以太网交换机相连。
[0020] 上述的以太网交换机是支持IEEE1588v2计时协议的工业以太网交换机。
[0021] 上述的嵌入式PC是倍福CX5010-0111型号控制器，第一个I/O模块由EL3068组 成，第二个I/O模块与第三个I/O模块分别由EL1809、EL2809和EL3068组成，第四个I/O 模块由EL2809和EL3068组成。
[0022] 上述的环境监测电路2如图2所示，包括48V-24V电压转换电路8、24V-5V电压转 换电路9、24V-12V电压转换电路10、湿度传感器11、温度传感器12、漏水检测器13、电压传 感器14、电流传感器15和两个滤波电路16、17,48V-24V电压转换电路8的输入端、电压传 感器14的输入端和电流传感器15的输入端分别与48V电源相连，48V-24V电压转换电路8 的输出端分别与24V-5V电压转换电路9的输入端和24V-12V电压转换电路10的输入端相 连，24V-5V电压转换电路9的输出端分别与湿度传感器11和温度传感器12连接，24V-12V 电压转换电路10的输出端与漏水检测器13连接，电压传感器14的输出端与第一滤波电路 16的输入端连接，电流传感器15的输出端与第二滤波电路17的输入端连接。湿度传感器 11的湿度监测信号输出端、温度传感器12的温度监测信号输出端、漏水检测器13的漏水监 测信号输出端以及第一滤波电路16的电压信号输出端和第二滤波电路17的电流信号输出 端与嵌入式PC的第一个I/O模块相连。
[0023] 上述的备用继电控制保护电路6和继电控制保护电路5相同，如图3所示，均包括 48V-5V电压转换电路18、48V-12V电压转换电路19、短路保护芯片20、过流保护芯片21、两 个电量隔离传感器22、23、两个滤波电路26、27、继电器24和M0S管25,48V-5V电压转换电 路18的输入端和48V-12V电压转换电路19的输入端分别与48V电源输入端相连，48V-5V电 压转换电路18的输出端分别与短路保护芯片20的辅助电源输入端和过流保护芯片21的 辅助电源输入端相连，48V-12V电压转换电路19的输出端分别与两个电量隔离传感器22、 23的辅助电源输入端相连；MOS管25的漏极连接48V电源输入端，源极分别与过流保护芯 片21的输入端、两个电量隔离传感器22、23的输入端以及继电器24的一端相连，MOS管25 的栅极与短路保护芯片20的MOS信号输出端相连，第一电量隔离传感器22的输出端与第 三滤波电路26的输入端相连，第二电量隔离传感器23的输出端与第四滤波电路27的输入 端相连，继电器24的另一端与48V电源输出端相连。短路保护芯片20的MOS信号输入端 和短路信号输出端、过流保护芯片21的复位信号输入端和过流信号输出端、第三滤波电路 26的负载电流信号输出端和第四滤波电路27的负载电压信号输出端以及继电器控制端的 开关信号输入端与嵌入式PC的第二个I/O模块相连。
[0024] 备用继电控制保护电路6的短路保护芯片的M0S信号输入端和短路信号输出端、 过流保护芯片的复位信号输入端和过流信号输出端、第三滤波电路的负载电流信号输出端 和第四滤波电路的负载电压信号输出端以及继电器控制端的开关信号输入端与嵌入式PC 的第三个I/O模块相连。
[0025] 上述的接地检测电路7,如图4所示，包括隔离放大电路28、放大/滤波电路29、两 个接地开关SI、S2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4,电阻R1的一端接48V电源输入端， 另一端与第一接地开关S1的一端相连，第一接地开关S1的另一端与电阻R4的一端及第二 接地开关S2的一端相连，第二接地开关S2的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一 端接48V电源输出端，电阻R4的另一端与电阻R3的一端及隔离放大电路28的一个输入端 相连，电阻R3的另一端与隔离放大电路28的另一个输入端相连，隔离放大电路（28)的输 出端与放大/滤波电路29的输入端相连，放大/滤波电路输出端输出接地电压信号f。图 中G_Det+和G_Det-分别为接地开关S1和S2的控制信号，Kre/为放大器参考电压。放 大/滤波电路的接地电压信号输出端与嵌入式PC的第四个I/O模块相连。
[0026] 上述的短路保护芯片可采用EXB841，过流保护芯片可采用MAX4373。
[0027] 工作时，将各终端科学设备的电源输入端与接地检测电路7的电源输出端相连， 以太网交换机4的RJ45接口与各终端科学设备RJ45接口连接，以太网交换机4的RJ45接 口与主接驳盒光/电交换机的RJ45接口相连。环境监测电路以10ms/次的采集频率监测 电压、电流、温度、湿度和漏水情况，继电控制保护电路以l〇ms/次的采集频率监测负载电 压和负载电流，通过嵌入式PC的I/O模块，传输至嵌入式PC处理中心集中处理信号数据， 再以Is/次的上传频率，通过RJ45接口传输至以太网交换机。岸基发送控制信号给以太网 交换机，经以太网交换机传输至嵌入式PC，嵌入式PC发出1-4路的继电器开关信号和M0S 管高电平信号，先闭合继电器，5ms后M0S管导通；继电控制保护电路开始工作，给1-4个下 端科学设备提供电源，结束时先关断M0S管，再断开继电器，确保继电器处于电压电流静态 截断的零负荷状态下动作。同时，接地检测电路一直进行接地阻抗检测。检测信号G_Det+ 和6_0的_控制两个接地开关S1和S2的通断，以检测接驳盒供电线路对地电阻阻抗Rf的 阻值。例如，G_Det-驱动S1闭合时，"48V输入端一R1 - R4 - R3 - Rf - 48V输出端"形 成回路，接地电阻阻抗决定回路电流大小，可反映为电阻R3上分压的变化。R3两端分 压经隔离放大器后进入放大/滤波电路进行放大和滤波，输出电压信号。根据采集到的电 压值，可推算出相应供电线端的接地电阻阻抗，当阻抗值低于绝缘电阻临界阻抗时，可判断 为接地故障。
[0028] 当发生接地故障时，嵌入式PC发送继电器开关信号和M0S管低电平信号，断开出 现相应故障的继电控制保护电路，直到故障排除再开启；当过流和短路故障时，在短路保 护芯片和过流保护芯片作用下会自动启动过流或短路保护，其中过流状态在5ms内启动保 护，短路状态在l〇us内启动保护，并断开电源，直到故障排除并由嵌入式PC发送复位高电 平信号，重置保护电路；当继电控制保护电路出现其它故障导致无法使用时，启用冗余设计 的备用继电控制保护电路，保障下端科学设备正常工作。
[0029] 本发明的海底观测网次接驳盒内的监控系统在工作过程中，即便出现接地问题， 设备短路、过流和电路故障，均有相对应的解决措施，能保障系统的长期稳定运行。
【权利要求】
1. 一种海底观测网次接驳盒内的监控系统，其特征在于包括：将375V输入电压转换成 2N+1个相互隔离的48V输出电压的电压转换电路（1)，采集次接驳盒腔内环境数据的环境 监测电路（2 )，嵌入式PC (3 )，以太网交换机（4)，N个继电控制保护电路（5 )和N个备用继 电控制保护电路（6 )以及N个接地故障检测电路（7 )，N=2?4 ;环境监测电路（2 )的电源输 入端与电压转换电路（1)的一个48V电源输出端相连，环境监测电路（2)的电源输出端分别 与嵌入式PC (3 )的电源输入端和以太网交换机（4)的电源输入端相连；电压转换电路（1) 的2N个48V电压输出端分别与N个继电控制保护电路（5)的电源输入端和N个备用继电 控制保护电路（6)的电源输入端相连，每一个继电控制保护电路（5)的电源输出端和一个 备用继电控制保护电路（6)的电源输出端相连，共形成N个电源输出端，该N个电源输出端 分别与N个接地故障检测电路（7)的电源输入端相连，环境监测电路（2)的环境监测信号输 出端与嵌入式PC的第一个I/O模块相连，N个继电控制保护电路（5)的信号端与嵌入式PC 的第二个I/O模块相连，N个备用继电控制保护电路（6)的信号端与嵌入式PC的第三个1/ 〇模块相连，N个接地故障检测电路（7)的信号端与嵌入式PC的第四个I/O模块相连，嵌入 式PC的信号接口通过RJ45接头与以太网交换机相连。
2. 根据权利要求1所述的海底观测网次接驳盒内的监控系统，其特征在于所述的环境 监测电路（2)包括48V-24V电压转换电路（8)、24V-5V电压转换电路（9)、24V-12V电压转换 电路（10)、湿度传感器（11)、温度传感器（12)、漏水检测器（13)、电压传感器（14)、电流传 感器（15)和两个滤波电路（16、17)，48V-24V电压转换电路（8)的输入端、电压传感器（14) 的输入端和电流传感器（15)的输入端分别与48V电源相连，48V-24V电压转换电路（8)的 输出端分别与24V-5V电压转换电路（9)的输入端和24V-12V电压转换电路（10)的输入端 相连，24V-5V电压转换电路（9)的输出端分别与湿度传感器（11)和温度传感器（12)连接， 24V-12V电压转换电路（10)的输出端与漏水检测器（13)连接，电压传感器（14)的输出端 与第一滤波电路（16)的输入端连接，电流传感器（15)的输出端与第二滤波电路（17)的输 入端连接，湿度传感器（11)、温度传感器（12)和漏水检测器（13)分别输出湿度、温度和漏 水监测信号，第一滤波电路（16)输出电压信号，第二滤波电路（17)输出电流信号。
3. 根据权利要求1所述的海底观测网次接驳盒内的监控系统，其特征在于所述的以太 网交换机（4)是支持IEEE1588v2计时协议的工业以太网交换机。
4. 根据权利要求1所述的海底观测网次接驳盒内的监控系统，其特征在于所述的嵌入 式PC (3)是倍福CX5010-0111型号控制器，第一个I/O模块由EL3068组成，第二个I/O模 块与第三个I/O模块分别由EL1809、EL2809和EL3068组成，第四个I/O模块由EL2809和 EL3068 组成。
5. 根据权利要求1所述的海底观测网次接驳盒内的监控系统，其特征在于所述的继电 控制保护电路（5)包括48V-5V电压转换电路（18)、48V-12V电压转换电路（19)、短路保护 芯片（20)、过流保护芯片（21)、两个电量隔离传感器（22、23)、两个滤波电路（26、27)、继电 器（24)和MOS管（25)，48V-5V电压转换电路（18)的输入端和48V-12V电压转换电路（19) 的输入端分别与48V电源输入端相连，48V-5V电压转换电路（18)的输出端分别与短路保护 芯片（20)的辅助电源输入端和过流保护芯片（21)的辅助电源输入端相连，48V-12V电压转 换电路（19)的输出端分别与两个电量隔离传感器（22、23)的辅助电源输入端相连；MOS管 (25)的漏极连接48V电源输入端，源极分别与过流保护芯片（21)的输入端、两个电量隔离 传感器（22、23)的输入端以及继电器（24)的一端相连，MOS管（25)的栅极与短路保护芯片 (20)的M0S信号输出端相连，第一电量隔离传感器（22)的输出端与第三滤波电路（26)的 输入端相连，第二电量隔离传感器（23)的输出端与第四滤波电路（27)的输入端相连，继电 器（24)的另一端与48V电源输出端相连，短路保护芯片（20)输入M0S信号和输出短路信 号，过流保护芯片（21)输入复位信号和输出过流信号，第三滤波电路（26)输出负载电流信 号，第四滤波电路（27)输出负载电压信号，继电器控制端输入开关信号。
6. 根据权利要求1所述的海底观测网次接驳盒内的监控系统，其特征在于所述的备用 继电控制保护电路（6)和继电控制保护电路（5)相同。
7. 根据权利要求1所述的海底观测网次接驳盒内的监控系统，其特征在于所述的接地 检测电路（7)包括隔离放大电路（28)、放大/滤波电路（29)、两个接地开关（SI、S2)、电阻 R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4,电阻R1的一端接48V电源输入端，另一端与第一接地开关 (S1)的一端相连，第一接地开关（S1)的另一端与电阻R4的一端及第二接地开关（S2)的一 端相连，第二接地开关（S2)的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接48V电源 输出端，电阻R4的另一端与电阻R3的一端及隔离放大电路（28)的一个输入端相连，电阻 R3的另一端与隔离放大电路（28)的另一个输入端相连，隔离放大电路（28)的输出端与放 大/滤波电路（29)的输入端相连，放大/滤波电路输出端输出接地电压信号。
【文档编号】G01D21/02GK104216319SQ201410424963
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】李德骏, 谢尚祥, 王晨, 王俊, 冯建设, 郁茂旺 申请人:浙江大学