一种电子辐照加速器的电压故障监测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种电子辐照加速器的电压故障监测系统及方法，包括用于分别测量n个待测点电压的n个电压检测器、通信节点网络和数据库；所述通信节点网络由n个通信节点单元和一个网络接入点单元构成星型拓扑结构，n个通信节点单元通过无线通信的方式与所述网络接入点单元连接；所述网络接入点单元通过网线与所述数据库连接；n个电压检测器的输入端分别用于连接加速器中n个电压待测点，采集待测点的电压，n个电压检测器的输出端分别与n个通信节点单元连接；根据数据库中的数据以及预先设定的故障状态数据获得加速器的电压故障状态。本发明通过检测关键部位电压，可以准确定位故障位置。
【专利说明】一种电子辐照加速器的电压故障监测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于加速器监控【技术领域】，更具体地，涉及一种电子辐照加速器的电压故障监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]电子辐照加速器是辐照加工产业的关键设备之一，广泛应用于工业线缆、热收缩管、工程塑料、半导体器件表面涂装、橡胶硫化、高聚物发泡以及食品防腐保鲜、医疗和卫生产品消毒、食用水处理、工业废物处理、烟尘处理等方面，它的产品几乎深入到人类生活的各个领域。电子辐照加速器除了应用于辐照加工外还应用于低能核物理研宄、核分析、生物医学等其它领域。
[0003]大功率直流高压电源就是电子辐照加速器系统中最为关键的部件，电子束的能量来源于高压直流电源提供的高压电场，这种高压直流电源的电压高达数百千伏甚至数千千伏，同时由于输出电压为直流不能用变压器降压测量，现有的测量方式为电阻堆分压后测整体的输出电压，这种方案有两个缺点，首先需要体积庞大的分压电阻堆，第二不能检测电源关键部位的电压，在高压输出故障时不能诊断故障位置。
[0004]首先传统的测量电路是通过电阻分压来测量一个电压很高的电压值，由于加速器的电压是很高的直流电压，往往到数百千伏到几个兆伏，由于是直流高电压传统的电压变送器无法使用，要将这个直流电压降到可测量的电压范围就需要大量的分压电阻来串联分压，这些电阻构成了体积旁大的电阻堆，同时一个电阻堆只能测量一个点的电压，加速器内的空间不允许安装多个电阻堆，这样就只能测量输出点的电压，而无法测量加速器中其他关键点的电压，这样在加速器故障时无法准确定位故障位置。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电子辐照加速器的电压故障监测系统及方法，旨在解决现有的电压检测系统体积庞大，且不能检测关键部位电压导致无法准确定位故障位置，故障诊断存在缺陷的问题。
[0006]本发明提供了一种电子辐照加速器的电压故障监测系统，包括:用于分别测量η个待测点电压的η个电压检测器、通信节点网络和数据库；所述通信节点网络由η个通信节点单元和一个网络接入点单元构成星型拓扑结构，η个通信节点单元通过无线通信的方式与所述网络接入点单元连接；所述网络接入点单元通过网线与所述数据库连接；η个电压检测器的输入端分别用于连接加速器中η个电压待测点，采集待测点的电压，η个电压检测器的输出端分别与η个通信节点单元连接；工作时，η个电压检测器实时采集η个电压待测点的相对电压，由η个通信节点单元分别将待测点的相对电压通过无线通信的方式发送至网络接入点单元，网络接入点单元将各个待测点的相对电压以及各个待测点的位置信息发送至数据库；根据数据库中的数据以及预先设定的故障状态数据获得加速器的电压故障状
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[0007]更进一步地，所述电压检测器包括电压调理采样电路，用于测量电子辐照加速器中关键节点的电压并将电压信号数字化，获得待测点的相对电压。
[0008]更进一步地，所述电压调理采样电路包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容Cl和电容C2 ;所述电阻Rl的一端作为所述电压调理采样电路的输入端，所述电阻Rl的另一端连接至所述第一运算放大器Ul的正相输入端，所述电阻Rl的另一端还通过所述电阻R2接地；所述第一运算放大器Ul的反向输入端连接至所述第一运算放大器Ul的输出端，所述第一运算放大器Ul的输出端通过依次串联连接的电阻R3和电阻R4连接至所述第二运算放大器U2的正相输入端；所述第二运算放大器U2的反相输入端连接至所述第二运算放大器U2的输出端，所述第二运算放大器U2的输出端作为所述电压调理采样电路的输出端；所述电容Cl的一端连接至所述电阻R3和所述电阻R4的串联连接端，所述电容Cl的另一端连接至所述第二运算放大器U2的输出端；所述电容C2的一端连接至所述第二运算放大器U2的正相输入端，所述电容C2的另一端接地。
[0009]本发明还提供了一种电子辐照加速器的电压故障监测方法，包括下述步骤:
[0010]S1:在电子辐照加速器的关键点分布式布置η个待测节点；所述关键点是指加速器中容易高压打火的位置与高故障率点；
[0011]S2:测量各个待测节点的相对电压，并通过无线通信的方式将电压测量数据发送至网络接入点；
[0012]S3:通过网络接入点获取各个节点的电压信息以及其位置信息，并将这些信息存入数据库；
[0013]S4:通过处理数据库里的实时监测数据与预先存入的故障状态数据，判断加速器的工作状况，并将加速器的运行状况以图形化的方法显示。
[0014]更进一步地，η个待测节点与网络接入点公用一个信道进行通信。
[0015]更进一步地，η个待测节点与网络接入点之间采用争用型的介质访问控制协议进行通信，具体为:
[0016](I)各个通信节点单元在发送之前先进行一次载波监听，若此时信道空闲，则随机延时一段较短的时间再进行一次载波监听，若此时信道仍然空闲，那么可认为这个时间段内信道没有干扰，可以发送帧数据；
[0017](2)各个通信节点单元发送自己的节点位置信息，网络接入点给不同位置的通信节点单元分配通信地址，此阶段结束后组网成功；
[0018](3)通信节点单元发送电压的实时监测信息，网络接入点接到数据包后通过通信地址判断通信节点单元的物理位置从而提供给数据库电压信息，节点位置信息与时间信息。
[0019]更进一步地，所述实时监测信息包含电压信息与采样时间信息。
[0020]通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用了分布式的测量方式，通过测量电压的相对值而不再需要对高电压分压测量，这样就省去了体积旁大的电阻堆，同时分布式的测量网络可以测量更多点的电压，通过检测关键点的电压可以准确定位故障位置；能够取得检测系统体积小，测量信息量大，方便维护与诊断加速器工况有益效果O
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明实施例提供的电子辐照加速器的电压故障监测系统的结构示意图；
[0022]图2是本发明实施例提供的电子辐照加速器的电压故障监测系统中电压信号调理采样电路的具体电路图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]本发明采用分布式测量；如果使用无线通信来完成测量，就可以解除直流高压和通信信号的耦合，便可以在一个悬浮的高电位下直接测量一个较低的相对电压而不再需要庞大的分压电阻堆。基于这种思想，本发明提出了一种分布式的测量系统，通过在加速器的关键点(加速器中容易高压打火的位置与高故障率点)布设电压测量节点，让这些电压测量节点直接测量相对电压，并通过无线通信组网来给加速器维护者提供节点的电压信息。可以解决现有的电压检测系统体积庞大，同时不能检测关键部位电压而不利于故障诊断的缺陷，从而实现电子辐照加速器电压高效安全的监测。可以应用于对加速器电压的智能化的完整监控。
[0025]在本发明实施例中，一种电子辐照加速器的电压故障监测方法，包括下述步骤:
[0026]S1:在电子辐照加速器的关键点，分布式布置η个待测节点；
[0027]S2:测量各个待测节点的相对电压，并通过无线通信的方式将电压测量数据发送至网络接入点；
[0028]S3:上位机通过网络接入点获取各个节点的电压信息以及其位置信息，并将这些信息存入数据库；
[0029]S4:上位机通过处理数据库里的实时监测数据与预先存入的故障状态数据，通过匹配特定位置电压测量值与正常工况下的数值判断加速器的工作状况，无法匹配的值再与故障数据库中的数值匹配，故障数据库中已预先存入了故障电压的范围与故障类型对应的信息。一种故障类型对应有多种测量电压的偏差，在本系统中给每种故障类型加入了四个故障电压的匹配值，在匹配故障时，用节点的电压信息获得四个特征值，这四个特征值经过一个打分算法会得到一个匹配的分数，如果匹配分数大于95分，则认为加速器有这种故障，将故障数据库的故障类型都匹配一遍后便可获得加速器的运行状况。最后将加速器的运行状况以图形化的方法显示给加速器管理者。
[0030]本发明提供的电子辐照加速器电压故障监测系统包括基于信号调理及数字采样的多个节点电压检测器、用于无线通信的节点网络和查询界面数据库，多个节点电压检测器独立工作，节点电压检测器中的通信节点与网络接入点构成星型拓扑的无线通信的节点网络，节点电压检测器通过这种无线通信网络向查询界面数据库传输信息。
[0031]基于信号调理及数字采样的节点电压检测器以ADUC7024为控制核心，采用AD端口数字化经调理电路调理的电压的信号，辅以MSP430F5438进行无线通信协议的处理工作。
[0032]用于无线通信的节点网络，AP通过相关的通讯协议与电压检测器中的无线通信单元组建星型网络。统计电子辐照加速器中各个关键节点电压的信息，提供电压节点数据以供上位机的数据库调用。
[0033]上位机数据库对关键节点的电压信息进行完整信息的录入，完成数据库记载和维护的工作，并与网络接入点远程通信，以达到实时动态更新数据库信息的工作。
[0034]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0035]首先关键节点的电压信号经信号调理电路调理到0-3.3V的电压采样范围。ADUC7026上芯片自带的12位ADC对调理后的电压信号进行采样。首先，网络接入点利用计算机串口获取无线数据。此后，接入点将数据整理拆包后通过发送至数据库。数据库管理系统软件通过储存的数据将加速器关键节点的电压以图标的方式显示在屏幕上。
[0036]图1示出了本发明实施例提供的基于物联网的电子辐照加速器电压故障监测系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下:
[0037]电子辐照加速器电压故障监测系统包括:数据库3、通信节点网络2以及用于分别测量η个待测点电压的η个电压检测器1 ;
[0038]其中通信节点网络2为星型拓扑结构，是由η个通信节点单元和一个网络接入点单元组成，η个通信节点单元通过无线通信的方式与网络接入点单元连接；
[0039]η个电压检测器1的输入端分别连接加速器中η个电压待测点，采集待测点的电压，η个电压检测器1的输出端分别与η个通信节点单元连接，
[0040]通信节点网络2多个节点电压检测器直接与加速器中电压待测点相连，同时节点电压检测器通过电磁波与无线通信的ΑΡ连接构成星型拓扑结构，每一台加速器有一个单独的ΑΡ用于汇聚节点电压检测器的电压信息，通过网线与上位机连接，上位机通过网线读取这些信息并储存调用。
[0041]电压检测器1包括电压调理采样电路，通过信号调理采样电路用以测电子辐照加速器中关键节点的电压并将电压信号数字化，电压调理采样电路的结构如图2所示，包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2;信号调理采样电路的输入端用于与电压待测点相连，经电阻R1与电阻R2串联组成的分压电路接到第一运算放大器U1的正向输入端，第一运算放大器U1的输出端与反向输入端相连构成电压跟随电路，第一运算放大器U1的输出端与电阻R3相连，电阻R3通过电阻R4与第二运算放大器U2的正向输入端相连，电阻R3还经电容C2串联接到地，第二运算放大器U2的输出端接反向输入端构成负反馈，第二运算放大器U2的输出端还通过电容C1连接至电阻R3和电阻R4的串联连接端构成反馈来完成频率筛选。该电路通过电阻分压将节点的比较高的电压转换为可供采样电路处理的低幅值电压信号，并通过运算放大器将输出电压放大到数字控制器AD端口的电压输入范围内，输出电压范围控制在0-3.3V的范围。输出的经过放大的电压信号接到数字控制器的AD采样端口。
[0042]采样后的数字信号经通信接口传递到通信节点。各个电压测量节点的通信模块与汇聚点通信，相互之间不通信，构成星型的通信网络。通信传输子系统采用了争用型的介质访问控制协议，利用无线通信模块LSDRF43010M01进行自组网。并制定了符合自身系统需求的冲突算法和帧格式。首先接入点通过通信节点的数据获取节点的信息，为节点分配一个通信地址，在获取了所有的通信节点信息后，通信网络组网成功。由于η个通信节点单元要公用一个信道与网络接入点通信，为保证相互之间不互相干扰就需解决冲突问题，这里采用了自己制定的一种争用型的介质访问控制协议，包括下述步骤:
[0043](I)各个通信模块在发送之前先进行一次载波监听，若此时信道空闲，则随机延时一段较短的时间再进行一次载波监听，若此时信道仍然空闲，那么可认为这个时间段内信道没有干扰，可以发送帧数据；
[0044](2)首先各个通信节点发送自己的节点位置信息，网络接入点给不同位置的通信节点分配通信地址，此阶段结束后组网成功；
[0045](3)通信节点发送电压的实时监测信息，包含电压信息与采样时间信息，网络接入点接到数据包后通过通信地址判断通信节点的物理位置从而提供给上位机数据库电压信息，节点位置信息与时间信息。
[0046]网络接入点用于汇聚下层电压检测节点发来的通信数据。此后，接入点将数据整理拆包后通过局域网发送至数据库。上位机数据库在获取这些数据后将这些数据储存，应用程序在这些储存的数据中检索所需数据，通过检索这些采样数据及位置信息，经过与储存在数据库中的正常工况下的数据进行匹配识别，从而获得加速器的工作及故障信息。将这些加速器的工作及故障信息通过一个加速器的图形化拓扑图呈现给加速器的管理者。这种方法提供了友好的查询控制界面和加速器的拓扑图，完成了对不同位置节点电压的检测，及加速器工作和故障的判断。而且AP通过局域网可与节点电压信息数据库建立稳定可靠传输的TCP连接，进行数据库中节点电压信息的自动动态更新。上位机的含数据库操作的软件将从汇聚点发来的电压数据存储，同时根据人机交互界面上获得的交互信息，为用户提供电子辐照加速器关键节点电压信息的节点电压拓扑图，同时，用户还可通过交互界面查询节点电压的历史数据，为后期的故障诊断提供数据支持。电压信号数据库使用最为广泛的开源MySQL数据库，为管理用户提供友好的界面，使管理员用户可以清晰的了解加速器的运行状况，并通过局域网与各个加速器的网络接入点(AP)建立稳定可靠的TCP连接，无需人工干预处理，实时动态更新每个节点的电压信息。真正实现对电子辐照加速器中关键节点电压的实时监测。
[0047]本发明克服了传统电子辐照加速器中电压检测系统的缺陷，是一种稳定、可靠、信息丰富、使用灵活并可以远程监控的电子辐照加速器关键节点电压的监测系统。
[0048]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电子辐照加速器的电压故障监测系统，其特征在于，包括:通信节点网络⑵、数据库⑶和用于分别测量η个待测点电压的η个电压检测器⑴； 所述通信节点网络(2)由η个通信节点单元和一个网络接入点单元构成星型拓扑结构，η个通信节点单元通过无线通信的方式与所述网络接入点单元连接；所述网络接入点单元通过网线与所述数据库(3)连接； η个电压检测器(I)的输入端分别用于连接加速器中η个电压待测点，采集待测点的电压，η个电压检测器(I)的输出端分别与η个通信节点单元连接； 工作时，η个电压检测器(I)实时采集η个电压待测点的相对电压，由η个通信节点单元分别将待测点的相对电压通过无线通信的方式发送至网络接入点单元，网络接入点单元将各个待测点的相对电压以及各个待测点的位置信息发送至数据库；根据数据库中的数据以及预先设定的故障状态数据获得加速器的电压故障状态。
2.如权利要求1所述的电压故障监测系统，其特征在于，所述电压检测器(I)包括电压调理采样电路，用于测量电子辐照加速器中关键节点的电压并将电压信号数字化，获得待测点的相对电压。
3.如权利要求2所述的电压故障监测系统，其特征在于，所述电压调理采样电路包括第一运算放大器Ul、第二运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容Cl和电容C2 ；所述电阻Rl的一端作为所述电压调理采样电路的输入端，所述电阻Rl的另一端连接至所述第一运算放大器Ul的正相输入端，所述电阻Rl的另一端还通过所述电阻R2接地；所述第一运算放大器Ul的反向输入端连接至所述第一运算放大器Ul的输出端，所述第一运算放大器Ul的输出端通过依次串联连接的电阻R3和电阻R4连接至所述第二运算放大器U2的正相输入端； 所述第二运算放大器U2的反相输入端连接至所述第二运算放大器U2的输出端，所述第二运算放大器U2的输出端作为所述电压调理采样电路的输出端； 所述电容Cl的一端连接至所述电阻R3和所述电阻R4的串联连接端，所述电容Cl的另一端连接至所述第二运算放大器U2的输出端； 所述电容C2的一端连接至所述第二运算放大器U2的正相输入端，所述电容C2的另一端接地。
4.一种电子辐照加速器的电压故障监测方法，其特征在于，包括下述步骤: S1:在电子辐照加速器的关键点分布式布置η个待测节点；所述关键点是指加速器中容易高压打火的位置与高故障率点； S2:测量各个待测节点的相对电压，并通过无线通信的方式将电压测量数据发送至网络接入点； S3:通过网络接入点获取各个节点的电压信息以及其位置信息，并将这些信息存入数据库； S4:通过处理数据库里的实时监测数据与预先存入的故障状态数据，判断加速器的工作状况，并将加速器的运行状况以图形化的方法显示。
5.如权利要求4所述的电压故障监测方法，其特征在于，η个待测节点与网络接入点公用一个信道进行通信。
6.如权利要求5所述的电压故障监测方法，其特征在于，η个待测节点与网络接入点之间采用争用型的介质访问控制协议进行通信，具体为: (1)各个通信节点单元在发送之前先进行一次载波监听，若此时信道空闲，则随机延时一段较短的时间再进行一次载波监听，若此时信道仍然空闲，那么可认为这个时间段内信道没有干扰，可以发送帧数据； (2)各个通信节点单元发送自己的节点位置信息，网络接入点给不同位置的通信节点单元分配通信地址，此阶段结束后组网成功； (3)通信节点单元发送电压的实时监测信息，网络接入点接到数据包后通过通信地址判断通信节点单元的物理位置从而提供给数据库电压信息，节点位置信息与时间信息。
7.如权利要求6所述的电压故障监测方法，所述实时监测信息包含电压信息与采样时间?目息。
【文档编号】G01R19/25GK104502742SQ201410704316
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】张力戈, 杨磊, 黄江, 杨军, 曹磊, 刘开锋, 左晨, 杨波, 鄢盛驰, 薛金花, 叶季蕾, 陶琼 申请人:华中科技大学, 中国电力科学研究院南京分院