CN107436161A - 变压器信息远传数据采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变压器信息远传数据采集装置，包括CPU以及与其连接的开关量信号处理电路、4‑20mA信号处理电路、温湿度信号处理电路、无线通信电路、实时时钟电路、电源电路、继电器电路、RS485通信电路、数码管显示电路。本发明支持数据无线传输功能，可对监测数据通过无线传输技术传输到后台服务器；支持一路继电器输出功能，输出节点电压等级为5A/250AC；同时支持两路RS485有线通信单元，可以满足现场有线数据传输的需求，实时时钟采用可充电纽扣电池，保证掉电后时钟保持功能；装置支持上位机通信功能，可以通过串口实现对装置参数的设定和监测数据的读取，方便现场的调试及故障分析处理。显示电路可以对装置运行信息、数据采集信息进行就地显示。

Description

变压器信息远传数据采集装置
技术领域
本发明涉及对变压器运行状监测及数据传输的一种装置。实现对变压器开关量信号、4-20mA信号、温湿度信号进行实时监测，采用无线传输技术实现将采集的数据上传至后台服务器。
背景技术
变压器是变电站内设备的核心组成部分，在实际运行过程中，可通过对其状态量信号监测来判断其运行情况。变压器本身成本高，一旦发生故障，成本损失以及对国民经济、居民生活影响重大。因此，对变压器运行参数进行实时监测意义重大。
市场上很多产品可以对变压器开关量信号进行监测并通过光字牌显示，但多数都是需要先将变压器状态信号通过线缆有线接入到端子箱，然后在端子箱内取信号。有的产品现场将信号采集到，然后有线传输到控制中心或者保护室。这种情况下都需要铺设大量线缆，施工过程中人力成本和物力成本大。
发明内容
针对变压器状态监测过程中存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种可对变压器开关量信号，4-20mA信号，现场温度进行采集监测，无需现场走线，采用无线传输技术，对监测数据进行无线远传的装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：变压器信息远传数据采集装置，包括CPU以及与其连接的开关量信号处理电路、4-20mA信号处理电路、温湿度信号处理电路、无线通信电路、实时时钟电路、电源电路。
所述4-20mA信号处理电路采用双向稳压二极管、运放、肖特基二极管；输入的4-20mA正、负信号线之间连有双向稳压二极管，还通过依次连接的分压电路、滤波电路、运放与CPU连接；运放的正向输入端与滤波电路输出端连接，反向输入端与运放输出端连接，运放输出端与肖特基二极管的串接端连接，肖特基二极管的阴极与电源连接，肖特基二极管的阳极接模拟地。
所述分压电路包括三个电阻；输入的4-20mA正、负信号线分别串联一个电阻后作为分压电路的正输出端和负输出端；正输出端和负输出端之间并联一个电阻。
所述滤波电路包括两个电阻和两个电容；分压电路的正端通过串联的两个电阻与运放的正向输入端连接，串联的两个电阻间结点、运放的正向输入端与分压电路的负端间分别连有电容。
所述无线通信电路包括无线通信芯片以及与其连接的电源控制电路、SIM卡保护电路。
所述电源控制电路包括MOSFET管和三极管Q2；MOSFET管的漏极与无线通信芯片连接，还通过并联的陶瓷电容和钽电容与无线通信芯片的接地端连接；MOSFET管的源极与电源连接，栅极与三极管集电极连接后，通过电阻与电源连接；三极管的发射极接地，基极通过电阻与CPU连接。
所述SIM卡保护电路包括保护二极管；保护二极管的两个正极接地，四个负极与无线通信芯片连接，还与SIM卡电路连接。
所述无线通信芯片还通过三极管Q4与CPU连接；所述三极管Q4的基极与CPU连接，发射极接地，集电极与无线通信芯片连接，集电极还通过并联的电阻和二极管与电源连接；无线通信芯片的数据发送端、接收端、数据终端准备端与CPU连接，无线通信芯片的天线端与天线连接。
所述无线通信芯片的网络指示状态端经电阻与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的集电极用于连接指示灯，发射极接地。
变压器信息远传数据采集装置还包括RS485通信电路、继电器电路和数码管显示电路。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.装置可以实时监测变压器运行状态中的开关量信号，4-20mA信号。
2.装置采用无线传输技术，通过SIM卡实现对监测数据的无线传输。不需现场走线就可以将采集到的数据远传。减少现场线缆施工带来的人力和财力成本。
3.装置支持上位机通信功能，可以通过串口实现对装置参数的设定和监测数据的读取，方便现场的调试及故障分析处理。
4.装置具有温湿度采集功能，可对运行现场温湿度进行监测。
5.装置支持两路RS485通信，满足特殊现场数据的有线传输需求。
6.装置支持一路继电器输出，节点电压等级5A/250AC,1A/DC24V。
附图说明
图1是本发明的结构图；
其中，1、开关量信号处理电路，2、4-20mA信号处理电路，3、温湿度信号处理电路，4、CPU，5、无线通信电路，6、RS485电路，7、继电器电路，8、实时时钟电路，9、电源电路，10、数码管显示电路。
图2是4-20mA信号处理电路图；
图3是无线通信电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
考虑到监测信号的特点，本发明装置应用广泛，即可以用于变压器现场信号采集监测，然后对采集的信息进行无线传输，还可以针对控制箱内信号特点，将装置安装在控制箱内，对控制箱内开关量信号、4-20mA信号以及箱内温湿度进行采集监测，然后无线传输到控制室或者远程后台服务器。根据实际需求，该装置既可以做前端的采集监测装置，也可以做中间的接收转发装置。同时无线传输到后台服务器方式，可以实时对监测信息进行显示，工作人员可以不到现场就知道变压器运行情况
本发明公开的变压器远程数据采集装置，支持多通道信号输入，可对输入的4路开关量信号，4路4-20mA信号，以及现场温湿度信号进行监测。装置采用无线传输技术，可对采集到的数据进行无线远传，解决有线传输带来的布线及现场干扰问题。装置支持一路继电器输出功能，输出节点电压等级为5A/250AC；同时支持两路RS485有线通信，可以满足现场有线数据传输的需求。实时时钟采用可充电纽扣电池，保证掉电后时钟保持功能；装置支持上位机通信功能，可以通过串口实现对装置参数的设定和监测数据的读取，方便现场的调试及故障分析处理。显示电路可以对装置运行信息，数据采集信息进行现场显示。
如图1所示，外部输入开关量信号，4-20mA信号，温湿度信号分别通过开关量信号处理电路1、4-20mA信号处理电路2、温湿度信号处理电路3处理，然后将处理后的信号发送给CPU。开关量信号处理电路1包括电阻分压电路和光耦隔离电路；4-20mA信号处理电路2采用精密电阻对信号进行提取，通过运放电路对信号进行阻抗匹配处理，信号输出端外加保护二极管对IO电平信号进行过压保护。温湿度信号处理电路3采用高精度、低功耗温湿度传感器对现场温湿度进行采集。CPU4采用contex M3内核的ARM芯片，通过对采集到的开关量信号，4-20mA信号还有温湿度信号进行计算处理，然后根据实时时钟8提供的数据发送时间基准，将采集到的数据通过无线通信电路5上传到后台服务器；现场采集的数据也可以通过RS485通信电路6，有线方式将数据传送给监控中心，RS485通信电路6同时支持装置与PC机之间的数据通信，操作人员可通过电脑现场读取监测数据，同时也可对装置进行参数设置。在监测到故障信号时，CPU控制继电器电路7进行状态输出,输出状态可对下一级继电器进行驱动，或者将继电器状态信号有线传送到控制中心。电源电路9主要是给装置各个电路单元提供工作电源，包括主CPU电路电源、无线通信电路电源、模拟电路电源及通信电路隔离电源模块等。数码管显示电路10，可对采集到的开关量信号、4-20mA信号进行就地显示，也可以对装置运行状态进行显示。
如图2所示，无线通信电路，主要包括电源控制电路，GSM电路，SIM卡保护电路，其中电源控制电路芯片Q1选择MOSFET开关器件，导通速度快，压降极低。CPU通过GSM_PSWH电平信号控制Q1的导通与关断，实现对无线通信电路电源管理，在不需要无线通信时，关闭Q1，可以降低装置功耗，延长装置运行时间。GSM电路选择SIM900D通信芯片，采用工业标准接口，工作频率为850/900/1800/1900MHZ，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信号的传输。SIM卡保护电路中SIMVCC是SIM卡电源，SIM_RST是SIM卡复位信号，SIM_CLK是SIM卡时钟信号，SIM_DATA是SIM卡数据信号，主要实现SIM卡信号与SIM900D信号之间交互的稳定性和可靠性，选择具有四路保护通道的U17保护二极管，交互信号中，SIM_DATA接U17的1脚，SIM_CLK接U17的3脚，SIM_RST接U17的4脚，SIMVCC接U17的6脚，U17的2脚和5脚接地信号。交互信号另一端连接到SIM卡电路中相应的SIM卡电源、SIM卡复位信号、SIM卡时钟信号以及SIM卡数据信号引脚上。
其他电路中，Q3集电极外接LED指示灯，指示灯通过电阻接到电源，发射极接地，SIM900D指示网络状态脚定时输出高低电平，这样通过LED灯闪烁情况，就可以知道SIM900D工作状态；Q4三极管集电极接通信芯片12引脚，同时通过并联的电阻和二极管，二极管主要是防止芯片上电后，断电瞬间反向电流对芯片的冲击。Q4发射极接地，基级接CPU，CPU通过控制三极管Q4的通断，来控制无线通信芯片12引脚的高低电平状态，从而使芯片正常工作。
如图3所示，4-20mA信号处理电路，输入信号通过双向稳压二极管D6进行电路保护，F1为400mA电流熔断丝，在外部信号发生短路时，对电路进行保护。R22，R26和R27是由精密电阻组成的分压电路，主要作用是将输入电流信号提取出来转换成对应的电压信号，分压电路输出端连有滤波电容C22，后面是由R23，C23，R24，C24组成的滤波电路，之后信号接入运算放大器正输入端，运算放大器匹配输入输出阻抗，提高信号采样精度，经过运算放大器后，信号通过对电源对地的肖特基保护二极管，然后与CPU相应的引脚连接，保护二极管可以将输出信号的电压最高钳位在3.3V，实现对CPU引脚的保护。

Claims (10)

1.变压器信息远传数据采集装置，其特征在于包括CPU(4)以及与其连接的开关量信号处理电路(1)、4-20mA信号处理电路(2)、温湿度信号处理电路(3)、无线通信电路(5)、实时时钟电路(8)、电源电路(9)。
2.根据权利要求1所述的变压器信息远传数据采集装置，其特征在于所述4-20mA信号处理电路(2)采用双向稳压二极管、运放、肖特基二极管；输入的4-20mA正、负信号线之间连有双向稳压二极管，还通过依次连接的分压电路、滤波电路、运放与CPU(4)连接；运放的正向输入端与滤波电路输出端连接，反向输入端与运放输出端连接，运放输出端与肖特基二极管的串接端连接，肖特基二极管的阴极与电源连接，肖特基二极管的阳极接模拟地。
3.根据权利要求2所述的变压器信息远传数据采集装置，其特征在于所述分压电路包括三个电阻；输入的4-20mA正、负信号线分别串联一个电阻后作为分压电路的正输出端和负输出端；正输出端和负输出端之间并联一个电阻。
4.根据权利要求2所述的变压器信息远传数据采集装置，其特征在于所述滤波电路包括两个电阻和两个电容；分压电路的正端通过串联的两个电阻与运放的正向输入端连接，串联的两个电阻间结点、运放的正向输入端与分压电路的负端间分别连有电容。
5.根据权利要求1所述的变压器信息远传数据采集装置，其特征在于所述无线通信电路(5)包括无线通信芯片以及与其连接的电源控制电路、SIM卡保护电路。
6.根据权利要求5所述的变压器信息远传数据采集装置，其特征在于所述电源控制电路包括MOSFET管和三极管Q2；MOSFET管的漏极与无线通信芯片连接，还通过并联的陶瓷电容和钽电容与无线通信芯片的接地端连接；MOSFET管的源极与电源连接，栅极与三极管集电极连接后，通过电阻与电源连接；三极管的发射极接地，基极通过电阻与CPU(4)连接。
7.根据权利要求5所述的变压器信息远传数据采集装置，其特征在于所述SIM卡保护电路包括保护二极管；保护二极管的两个正极接地，四个负极与无线通信芯片连接，还与SIM卡电路连接。
8.根据权利要求5所述的变压器信息远传数据采集装置，其特征在于所述无线通信芯片还通过三极管Q4与CPU(4)连接；所述三极管Q4的基极与CPU(4)连接，发射极接地，集电极与无线通信芯片连接，集电极还通过并联的电阻和二极管与电源连接；无线通信芯片的数据发送端、接收端、数据终端准备端与CPU(4)连接，无线通信芯片的天线端与天线连接。
9.根据权利要求5所述的变压器信息远传数据采集装置，其特征在于所述无线通信芯片的网络指示状态端经电阻与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的集电极用于连接指示灯，发射极接地。
10.根据权利要求1所述的变压器信息远传数据采集装置，其特征在于还包括RS485通信电路(6)、继电器电路(7)和数码管显示电路(10)。
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