一种带供电监测保护的遥测终端机及电源故障判断方法与流程

1.本发明涉及监测技术领域，具体涉及一种带供电监测保护的遥测终端机及电源故障判断方法。


背景技术：

2.遥测终端机(rtu)主要应用于河道、泵站、水库、山洪预警、水文站等，用于对水位、降雨(雪)量、流量、流速、蒸发量、泥沙、冰凌、墒情、水质等环境参数进行监测。
3.遥测终端机除了采集传感器数据上传至数据中心外，还需要给每个传感器提供电源，目前遇到的情况是所有传感器都接在一个或者两个端上，当其中一个传感器损坏造成电源短路，其他所有传感器都无法使用，甚至造成遥测终端机供电线路烧坏；另外当所连接传感器断路无数据时也无法快速判断是传感器出现故障还是遥测终端机出现故障。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种带供电监测保护的遥测终端机及电源故障判断方法，解决现有遥测终端机不能对多路电源进行同时监测的问题。
5.为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种带供电监测保护的遥测终端机，包括主控器，多路监测电路和切换开关矩阵；
6.所述切换开关矩阵具有多路电源输入端和多路电源输出端，电源输出端用于连接负载；
7.每路所述监测电路的采集端连接在对应的一路电源输入端上，用于监测每路负载的电流值，并根据电流值的异常，自动切断异常路的切换开关矩阵的电源输入端的电源；
8.所述主控器用于控制切换开关矩阵的开关通断、以及接收监测电路的采集到的电流值，并控制监测电路控制切断电源后的电源输入端再次接通电源。
9.优选地，所述监测电路包括电流采集模块和超限自锁模块，所述超限自锁模块包括比较单元、h桥、继电器k201、脉冲单元，所述继电器k201的常闭开关串联在电源输入端和电源之间，所述继电器k201的第一控制端与h桥的第一输出端相连，所述继电器k201的第二控制端与h桥的第二输出端相连；
10.所述电流采集模块的采集端连接在电源输入端和继电器k201之间，所述电流采集模块的输出端与比较单元的第一输入端相连，所述比较单元的第二输入端与主控器相连，所述比较器的输出端与h桥的第二输入端相连；
11.所述h桥的第一输入端与脉冲单元相连。
12.优选地，所述比较单元的输出端连接有隔直耦合电路，所述隔直耦合电路的输出端与h桥的第二输入端相连；
13.所述比较单元包括迟滞比较器u202a、电阻r203、电阻r204；
14.所述电阻r203的一脚与电流采集模块的输出端相连，所述电阻r203的二脚分别与电阻r204的一脚、迟滞比较器u202a的比较端相连，所述电阻r204的二脚与迟滞比较器
u202a的输出端相连，所述迟滞比较器u202a的参考端与主控器相连；
15.所述隔直耦合电路包括电阻r205、电容c202，所述电阻r205的一脚分别与电容c202的一脚、h桥的第二输入端相连，所述电容c202的二脚与迟滞比较器u202a的输出端相连，所述电阻r205的二脚接地。
16.优选地，所述电流采集模块包括采样电阻r202、隔离芯片u201，电阻r201、电容c201，采样电阻r202串联在电源输入端和继电器k201之间，所述隔离芯片u201的两个输入端分别连接在电阻r202的两引脚上；所述隔离芯片u201的输出端分别与电阻r201的一脚、电容c201的一脚、电阻r203的一脚相连，所述电阻r201的二脚、电容c201的二脚均接地。
17.优选地，所述切换开关矩阵包括若干呈阵列分布的开关单元和译码器，同一列的所有开关单元的一端连接在一起，同一行的所有开关单元的另一端连接在一起，每个所述开关单元的控制端均与译码器的输出端相连，所述译码器的输入端与主控器相连。
18.优选地，每个开关单元包括三极管q101、三极管q102、电阻r101，所述三极管q102的d极、s极分别为开关单元的两端；
19.所述三极管q102的d极与电阻r101的一脚相连，所述三级管q102的g极分别与电阻r101的二脚、三极管q101的d极相连；
20.所述三极管q101的g极与译码器的输出端相连，所述三极管q101的s极接地。
21.一种遥测终端机的电源故障判断方法，包括以下判断方法：
22.短路判断：利用监测电路实时监测电流值，当发生短路后，分辨出短路类型，短路类型包括负载短路、电源线路短路和短路误判中的一种；
23.断路判断：利用监测电路实时监测电流值，当发生断路后，分辨出断路类型，断路类型包括负载短路和电源线路断路中的一种。
24.所述短路判断包括以下步骤：
25.s11、多路监测电路分别获取多路负载电流信息，并判断每路负载电流是否异常；
26.s12、当一路或多路负载电流过大异常后，监测电路自动切断异常路负载的电源输入；
27.s13、监测电路接收主控器的延时解锁信号，并根据延时解锁信号再次使异常路负载接通电源，若未再次出现短路，则为误触发；
28.s14、若再次出现短路，重复执行步骤s12-s13；
29.s15、若异常路负载还是为短路状态；则主控器控制切换开关矩阵切换异常路负载的电源通道；
30.s16、切换电源通道后，若异常路负载保持为短路状态，则负载出现短路异常；若异常路负载的短路状态消除，则切换前的电源通道的线路短路。
31.所述断路判断包括以下步骤：
32.s21、多路监测电路分别获取多路负载电流信息，并判断每路负载电流是否异常；
33.s22、当一路或多路负载电流过小异常后，主控器控制切换开关矩阵切换异常负载的电源通道；
34.s23、若负载电流保持异常状态，则负载出现短路；若负载电流异常状态消除，则切换前的电源通道的线路断路。
35.还包括电路预警步骤：
36.s31、监测电路获取的实时电流值发送至主控器进行存储，主控器将电流的历史数据拟合成预测曲线；
37.s32、当前的测试电流值与预测曲线出现偏差时，通过主控器发出预警信息。
38.本发明的有益效果集中体现在：
39.1、本发明的每路传感器负载进行独立供电，每路负载均有监测电路，监测电路能够对每路的负载的电流进行实时监测，当其中一路传感器损坏造成短路或者断路时，能够立马判断出问题点，并切断传感器的供电，而其余传感器能够正常工作，同时不会因短路对rtu产生损坏；能大大提高rtu的可靠性和经济性。
40.2、本发明的遥测终端机能够准确判断出是传感器出现故障还是遥测终端机出现故障；当供电线路出现故障，而传感器未出现故障时，通过切换开关矩阵切换供电线路，能够确保传感器的正常工作。
附图说明
41.图1是本发明遥测终端机供电整体结构框图；
42.图2是本发明监测电路原理图；
43.图3是本发明切换开关矩阵的电路框图；
44.图4是本发明开关单元的原理图；
45.图5是本发明短路判断流程图；
46.图6是本发明短路判断流程图。
具体实施方式
47.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
48.如图1所示，一种带供电监测保护的遥测终端机，包括主控器，多路监测电路和切换开关矩阵；
49.所述切换开关矩阵具有多路电源输入端和多路电源输出端，电源输出端用于连接负载，例如具有四路负载，负载为传感器，则切换开关矩阵至少具有四路电源输出端，而对于电源输入端也至少具有四路，电源输入端的数量可以比电源输出端的数量多1-3路，多余的电源输入端可以作为备用电源输入；
50.每路所述监测电路的采集端连接在对应的一路电源输入端上，用于监测每路负载的电流值，并根据电流值的异常，自动切断异常路的切换开关矩阵的电源输入端的电源；也就是说当其中一路或多路传感器损坏造成短路或者断路时，能够立马判断出问题点，并切断传感器的供电，而传感器能够正常工作，同时不会因短路对rtu产生损坏；能大大提高rtu的可靠性和经济性；其次，遥测终端机能够准确判断出是传感器出现故障还是遥测终端机出现故障；当供电线路出现故障，而传感器未出现故障时，通过切换开关矩阵切换供电线路，能够确保传感器的正常工作；
51.所述主控器用于控制切换开关矩阵的开关通断、以及接收监测电路的采集到的电流值，并控制监测电路控制切断电源后的电源输入端再次接通电源；主控器可以采用stm32系列的mcu，同时还具有其它功能模块，例如存储模块、通信模块以及人机交互模块。
52.进一步地，如图2所示，所述监测电路包括电流采集模块和超限自锁模块，所述超限自锁模块包括比较单元、h桥、继电器k201、脉冲单元，所述继电器k201的常闭开关串联在电源输入端和电源之间，所述继电器k201的第一控制端与h桥的第一输出端相连，所述继电器k201的第二控制端与h桥的第二输出端相连；在本实施例中脉冲单元可以采用单独的产生脉冲的元件设备，也可以由主控器直接产生脉冲。
53.其中继电器k201为双稳态继电器k201，所述电流采集模块的采集端连接在电源输入端和继电器k201之间，所述电流采集模块的输出端与比较单元的第一输入端相连，所述比较单元的第二输入端与主控器相连，所述比较器的输出端与h桥的第二输入端相连；所述h桥的第一输入端与脉冲单元相连。
54.所述比较单元的输出端连接有隔直耦合电路，所述隔直耦合电路的输出端与h桥的第二输入端相连；
55.其中，所述比较单元包括迟滞比较器u202a、电阻r203、电阻r204；所述电阻r203的一脚与电流采集模块的输出端相连，所述电阻r203的二脚分别与电阻r204的一脚、迟滞比较器u202a的比较端相连，所述电阻r204的二脚与迟滞比较器u202a的输出端相连，所述迟滞比较器u202a的参考端与主控器相连。
56.迟滞比较器u202a的参考端和主控器之间具有dac转换器u203，dac转换器u203将数字信号转换为模拟量信号，则迟滞比较器u202a的参考信号来自于主控器和外接dac转换器u203，可根据所接负载设备的供电要求自由调节参考电压或远程设置，大大增加设备的适应性和通用性。r203、r204构成迟滞电路，u202a采用宽电源集成比较器。
57.其中，所述隔直耦合电路包括电阻r205、电容c202，所述电阻r205的一脚分别与电容c202的一脚、h桥的第二输入端相连，所述电容c202的二脚与迟滞比较器u202a的输出端相连，所述电阻r205的二脚接地。c202、r205还可构成单脉冲发生器，根据后续电路的变化，能自动转换成正脉冲发生器或负脉冲发生器；同时电阻r205、电容c202还可对输出信号进行滤波处理；三极管q201-q206构成经典h桥电路，控制双稳态继电器k201有序工作，形成超限自锁电路。
58.具体地，所述电流采集模块包括采样电阻r202、隔离芯片u201、电阻r201、电容c201，在本实施例中隔离芯片u201为线性输出，采样电阻r202串联在电源输入端和继电器k201之间，所述隔离芯片u201的两个输入端分别连接在电阻r202的两引脚上；所述隔离芯片u201的输出端分别与电阻r201的一脚、电容c201的一脚、电阻r203的一脚相连，所述电阻r201的二脚、电容c201的二脚均接地。将采样电阻r202设置在高端，避免低端采样，影响低电平的稳定性，同时能防止大的感性或容性负载对采样电路的干扰或损坏。隔离芯片u201采集光电转换后的电流，一路进入迟滞比较器，作为超限自锁模块的监测信号，如图2所示，另一路电流通过adc转换器将模拟信号转换为数字信号，主控器获取该电流值的数字信号，并对电流值进行存储，监测所接传感器电源的工作情况。u201采用线性光耦，调节采样电阻r202，使其工作在线性区。
59.遥测终端机上电后工作原理如下：上电时，k201处于常闭状态，电流采样模块采集到的信号小于设定值，迟滞比较器u202a输出低电平，后续的h桥不启动，当供电电源通过k201对负载供电；当负载出现故障，造成电流消耗过大，电流采样模块采集到的信号将大于设定值，造成迟滞比较器翻转，输出高电平，产生自锁启动脉冲，通过h桥电路，触发双稳态
继电器k201断开，切断供电电源。在需要控制双稳态继电器k201接通电源恢复供电时，脉冲单元产生一个解锁脉冲加载到三极管q202上即可解锁接通供电电源。
60.如图3-4所示，所述切换开关矩阵包括若干呈阵列分布的开关单元和译码器，同一列的所有开关单元的一端连接在一起，同一行的所有开关单元的另一端连接在一起，每个所述开关单元的控制端均与译码器的输出端相连，所述译码器的输入端与主控器相连；切换开关矩阵由主控制器和译码器构成控制信号，对开关矩阵实施控制，可以任意接通需要的通路。
61.优选地，每个开关单元包括三极管q101、三极管q102、电阻r101，所述三极管q102的d极、s极分别为开关单元的两端；
62.所述三极管q102的d极与电阻r101的一脚相连，所述三级管q102的g极分别与电阻r101的二脚、三极管q101的d极相连；
63.所述三极管q101的g极与译码器的输出端相连，所述三极管q101的s极接地。
64.一种遥测终端机的电源故障判断方法，即当rtu所接传感器其中一路或几路发生电源故障短路时，超限自锁模块会自动切断该通路，保证其他设备能够正常运行；当其中一路或几路传感器电源故障断路时，电流采样模块能够感知某路传感器电源故障，能快速判断该故障源并且上报。
65.包括以下判断方法：
66.短路判断：利用监测电路实时监测电流值，当发生短路后，分辨出短路类型，短路类型包括负载短路、电源线路短路和短路误判中的一种；具体包括以下步骤，如图5所示：
67.s11、多路监测电路分别获取多路负载电流信息，并判断每路负载电流是否异常；
68.s12、当一路或多路负载电流过大异常后，监测电路自动切断异常路负载的电源输入，即电流采样模块采集到的电流信号，一路输送到主控器中进行存储，另一路输入到迟滞比较器中，当该电流信号大于设定值时，迟滞比较器输出高电平，产生自锁启动脉冲信号，通过h桥来触发双稳态继电器k201断开，切断供电电源，达到超限自锁；
69.s13、监测电路接收主控器的延时解锁信号，并根据延时解锁信号再次使异常路负载接通电源，即在改路电源切断一段时间后，该时延由主控器设定，主控器一个脉冲信号，通过三极管q202来触发双稳态继电器k201闭合，此时传感器可再次接上电源，完成解锁控制；若未再次出现短路，则为误触发；
70.s14、若再次出现短路，重复执行步骤s12-s13，可重复2-3次，由主控器来设定次数；
71.s15、若异常路负载还是为短路状态；则主控器控制切换开关矩阵切换异常路负载的电源通道；
72.s16、切换电源通道后，若异常路负载保持为短路状态，则负载出现短路异常；若异常路负载的短路状态消除，则切换前的电源通道的线路短路。
73.断路判断：利用监测电路实时监测电流值，当发生断路后，分辨出断路类型，断路类型包括负载短路和电源线路断路中的一种，具体包括以下步骤，如图6所示：
74.s21、多路监测电路分别获取多路负载电流信息，并判断每路负载电流是否异常；
75.s22、当一路或多路负载电流过小异常后，主控器控制切换开关矩阵切换异常负载的电源通道；
76.s23、电流采样模块再次采集电流值，若负载电流保持异常状态，则负载出现断路；若负载电流异常状态消除，则切换前的电源通道的线路断路。
77.进一步地，正常情况下，所接传感器设备的电源消耗是一定的，只随温度在小范围里变化，随着设备使用时间延长，电子元器件老化，电源消耗会逐渐增加，当消耗发生比较明显的变化时，说明电子元器件的某些性能可能发生重大变化，但是还能工作，此时就需要提前预警，存在短时间内损坏的风险，需要更坏或维修，提前预防，避免设备在洪水、暴雨等关键时刻损坏为监测带来麻烦。
78.则还包括电路预警步骤：
79.s31、监测电路获取的实时电流值发送至主控器进行存储，主控器将电流的历史数据拟合成预测曲线，同时还对预测曲线做出修正；
80.s32、当前的测试电流值与预测曲线出现偏差时，通过主控器发出预警信息；分析各路传感器电源状态是否发生变化，能够提前预警传感器电源工况，提前解决问题，预防事故发生。
81.需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本技术所必须的。