CN208207547U - 适用于网络版rtu装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种适用于网络版RTU装置，该装置包括有三路模拟量、模拟量放大滤波采集电路、差分放大滤波电路、隔离放大电路、16路开关量输入、隔离电路、RJ45接口、网络隔离电路、网络PHY电路、以太网光电模块、485防雷电路、485隔离模块、核心处理器、USB隔离通信电路、EEPROM系统参数存储器、Flash数据存储器、显示输出电路、8路隔离电路、8路驱动电路、8路继电器输出。有益效果是支持USB在线调试可通过上位机调试软件对通信实时监听、对系统进行配置、对时、从机指令配置及系统模拟量采集、开关状态和故障事件查看，从而提高调试效率。可有效减少设备数量，使系统成本降低30％，同时便于现场设备直接通过网络通道实现与调度主站的通讯。
Description
技术领域
本装置涉及一种适用于网络版RTU装置，此装置具有网络协议转换、继电器输出控制、开关量输入、模拟量采集故障存储功能。适用于铁路、工业、变电站综合自动化系统，可作为铁路、工业、变电站综合自动化系统的远程控制终端及数据转换终端，在变电站自动化系统中得到了普遍的应用。
背景技术
随着计算机技术、通讯技术和电子技术的迅猛发展，自动化程度也日益提高。RTU远端控制终端作为铁路、工业、变电站自动化系统一次设备监视控制的关键设备，担负着配电变电所遥测、遥信、遥控、摇调的四遥功能，并将遥信、遥测的信息及时上传给主站，并接受主站命令，实现遥控遥调功能。
目前大多数RTU功能单一，无法实现协议转换、无法实现从机指令下发、无法查看系统状态及无法对的数据进行监听。因此，现有的RTU已无法满足应用场合的需求，需要开发一款具有协议转换、数据监听及可扩展多台从机的网络版RTU装置。
发明内容
为解决上述技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种适用于网络版RTU装置，该网络版RTU装置可满足协议转换(RTU Modbus、TCP Modbus、IEC60870协议转换)、通过RS-485实现多从机的网络扩展；还具有通信控制、在线调试、数据监听、故障事件记录，从而达到网络版RTU装置所需的功能。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是提供一种适用于网络版RTU装置，该装置包括有三路模拟量、模拟量放大滤波采集电路、差分放大滤波电路、隔离放大电路、16路开关量输入、隔离电路、RJ45接口、网络隔离电路、网络PHY电路、以太网光电模块、485防雷电路、485隔离模块、核心处理器、USB隔离通信电路、EEPROM系统参数存储器、Flash数据存储器、显示输出电路、8路继电器输出、8路驱动电路、8路隔离电路。
本实用新型的效果是：
本装置核心处理器采用32位ARM STM32F407ZG处理器，实现协议转换、直接控制、通信控制、模拟量采集、系统电压采集、开关量输入、在线调试、数据监听、故障事件记录、状态查看等功能。本系统适应电网电压浮动大的场合，供电采用交直流宽电压输入，输入范围为AC 86～265V或DC 110～265V。
本装置具有三路模拟量采集，输入4-20mA的模拟量信号经过运算放大器(LM2904芯片)的滤波及放大把信号转换成0-3V的信号输给核心处理器计算，实现模拟量的采集。
本装置提供故障事件存储功能，可快速读取历史数据方便故障分析及设备健康管理。本管理机提供存储功能共有512个故障时间存储区，每区不少于256条事件记录。可通过485接口或USB接口进行快速读取故障事件记录。
本装置能485串口实现多从机的扩展，同时对从机进行通信控制、模拟量的读取、状态的读取等功能。
本装置具有以太网通信接口，实现客户端对本装置的控制和数据传输、实现串口协议与网络协议的转换。如：RTU Modbus、TCP Modbus、IEC60870协议转换。还具有系统运行、故障及通信状态显示功能，通过显示能判断系统运行状态及每个通信接口通信状态是否正常。
支持USB在线调试可通过上位机调试软件对通信实时监听、对系统进行配置、对时、从机指令配置及系统模拟量采集、开关状态和故障事件查看，从而提高调试效率。可有效减少设备数量，使系统成本降低30％，同时便于现场设备直接通过网络通道实现与调度主站的通讯。
附图说明
图1为本网络版RTU装置总图；
图2为核心处理器连接的16路开关量采集电路；
图3为核心处理器连接的系统电压采集电路；
图4为核心处理器连接的3路4-20mA模拟量采集电路；
图5为核心处理器连接的8路继电器输出电路；
图6为核心处理器连接的以太网通信电路；
图7为核心处理器连接的光纤以太网通信电路；
图8为核心处理器连接的USB隔离通信电路；
图9为核心处理器连接的485通信电路；
图10为上位机调试软件。
图中：
0、三路模拟量 1、模拟量放大滤波采集电路 2、差分放大滤波电路 3、隔离放大电路 4、16路开关量输入 5、隔离电路 6、RJ45接口 7、网络隔离电路 8、网络PHY电路 9、以太网光电模块 10、485防雷电路 11、485隔离模块 12、核心处理器 13、上位机调试软件 14、USB隔离通信电路 15、EEPROM系统参数存储器 16、Flash数据存储器 17、显示输出电路18、8路继电器输出 19、8路驱动电路 20、8路隔离电路 21、稳压管 22、端子 23、输入隔离光耦 24、上拉电阻 25、滤波器 26、DC/DC隔离电源模块 27、整理桥 28、衰减电阻 29、UK133运算放大器 30、LM2904运算放大器 31、线性光耦 32、放大跟随电路 33、钳位二极管34、采样电阻 35、双向稳压管 36、差分放大滤波电路1 37、施密特非门 38、输出隔离光耦39、驱动电路 40、肖特基二极管 41、继电器 42、PHY芯片 43、网络变压器 44、防雷静电保护电路 45、RJ45网络接口 46、IP113芯片 47、电平转换电路 48、以太网光电模块 59、磁隔离芯片 50、USB协议转换芯片 51、USB-TVS 52、USB-D型接口 53、单向TVS 54、π型滤波电路55、485通信模块 56、双向TVS 57、防雷放电电路
具体实施方式
结合附图对本实用新型网络版RTU装置结构加以说明。
本实用新型网络版RTU装置结构如图1所示，以核心微处理器作为整体系统的核心，该装置包括有三路模拟量0、模拟量放大滤波采集电路1、差分放大滤波电路2、隔离放大电路3、16路开关量输入4、隔离电路5、RJ45接口6、网络隔离电路7、网络PHY电路8、以太网光电模块9、485防雷电路10、485隔离模块11、核心处理器12、上位机调试软件13、USB隔离通信电路14、EEPROM系统参数存储器15、Flash数据存储器16、显示输出电路17、8路继电器输出18、8路驱动电路19、8路隔离电路20。
所述三路模拟量0、模拟量放大滤波采集电路1通过PCB铜箔连接至与核心处理器12；差分放大滤波电路2、隔离放大电路3通过PCB铜箔连接把处理完的信号通过PCB铜箔连接至核心处理器12；16路开关量输入4、隔离电路5通过PCB铜箔与核心处理器12；RJ45接口6、网络隔离电路7及网络PHY电路8之间通过PCB铜箔连接至核心处理器12；以太网光电模块9与网络PHY电路8连接后连接至核心处理器12；485防雷电路10、485隔离模块11通过PCB铜箔连接至核心处理器12；显示输出电路17、USB隔离通信电路14、EEPROM系统参数存储器15、Flash数据存储器16通过PCB铜箔分别连接至核心处理器12；8路继电器输出18、8路驱动电路19及8路隔离电路20通过PCB铜箔分别连接至核心处理器12；所述USB隔离通信电路14通过USB转接线与电脑连接。
所述网络版RTU装置如图1所示，所述三路模拟量经模拟量放大滤波采集电路把采集信号放大滤波后接入核心处理器的ADC输入接口。系统电压经差分放大滤波电路把信号处理送入隔离放大电路，经隔离放大电路的隔离及放大后接至核心处理器计算，16路开关量输入经隔离电路接至核心处理器的I/O口，RJ45接口数据经网络隔离电路的防雷隔离后送给网络PHY电路转换，数据经网络PHY电路转换送至核心处理器的RII接口，光信号经以太网光电模块转换成LVPECL电平信号经电平转换与网络PHY电路后接至核心处理器的RII接口，485防雷电路将485通信信号经防雷处理送入485隔离模块后接至核心处理器的USART接口，网络数据经过核心处理器处理转换通过核心处理器的I/0输出给8路隔离电路经隔离送入8路驱动电路放大后驱动8路继电器输出，USB隔离通信电路将调试配置数据经隔离送给核心处理器或上位机软件，通过上位机可对EEPROM系统参数存储器进行设置及Flash数据存储器将故障事件数据保存送至核心处理器。
所述核心处理器为STM32F407ZGT6微处理器作为核心处理器。
本实用新型网络DTU采集装置功能是这样实现的：
核心处理器12与隔离电路、16路开关量输入连接连接结果如图2所示，开关量经端子22输入后，经电阻限流送入输入隔离光耦23经隔离后输入上拉电阻24传输至核心处理器12的I/O脚，实现开关量状态的采集。
核心处理器12与隔离放大电路、差分滤波放大电路连接结构如图3所示，系统电压经整流桥27整流输送给衰减电阻28衰减后传输给UK133运算放大器29转换，转换后输出至LM2904运算放大器30接至线性光耦31进行隔离，隔离后的信号送入放大跟随电路后经钳位二极管33的保护接入核心处理器的ADC_IN脚，经核心处理器对信号转换计算后得到系统电压，并对其判断实现对系统的欠压及过压保护。
核心处理器12与模拟量放大滤波电路、三路模拟量连接结构如图4所示，模拟量通过IN1、IN2输入采样电阻34把4-20mA电流信号转换成电压信号经双向稳压管35的保护输给差分放大滤波电路1 36的滤波放大后接入核心处理器的ADC_IN脚，实现对模拟量的采集。采集后的数据经核心处理器计算和上位机调试软件的设置实现量程变化、报警保护、故障显示功能。
核心处理器12与8路隔离电路、8路驱动电路及8路继电器输出相连接结构如图5所示，核心处理器12I/O输出经施密特非门37整形反向后驱动输出隔离光耦38输出给驱动电路39放大后驱动继电器41实现继电器的动作。肖特基二极管40与继电器的输入线圈并联，实现对继电器线圈续流及能量的释放避免了线圈产生的高压损坏器件。
核心处理器12与网络PHY电路连接后与网络总线、网络隔离电路及RJ45接口连接结果如图6所示，核心处理器12的ETH的RII引脚与PHY芯片42连接后，PHY芯片42作用实现网络PECL电平信号的转换。网络变压器43通过网络总线与PHY芯片42的TDP、TDM、RDP、RDM引脚连接，作用是使网络差分信号隔离从而保护PHY芯片；网络差分信号经防雷静电保护电路44的TVS、可恢复保险、放电管及Y1电容对网络差分线的浪涌及感应尖峰起到保护作用，再经RJ45接口45与其他通信设备通信。
如图6所示网络PHY电路经网络总线与以太网光电模块连接结果，网络总线与IP113芯片46的RXIP、RXIM、TXOP、TXOM引脚连接，经数据IP113芯片46的转换与电平转换电路47连接。电平转换电路47作用是把信号转换LVPECL电平信号送入以太网光电模块48，经以太网光电模块48把LVPECL电平信号的电信号转换成光信号传输，与其他设备通信。
核心处理器12与图8所示USB隔离通信电路与计算机进行快速数据交换，通过图10所示的上位机调试软件13对系统的状态、故障事件存储及监听数据进行读取显示，也可对装置的工作参数进行写入配置及从机协议进行配置。USB-D型接口52插入数据电缆后，信号线及电源经由USB-TVS 51后与USB协议转换芯片50进行连接，当有静电冲击时USB-TVS 51动作保护转换芯片不被击穿，USB协议转换芯片50将USB通信协议转换为USART后将数据传至核心处理器12的RX、TX进行处理，核心处理器12将数据发送至转换芯片处理后传至计算机经上位机调试软件13处理进行显示。
核心处理器12通过485通信模块在与485隔离电路连接结构如图9所示，电源输入采用单向TVS 53保护，前端电路电压过高能保证后面电路的安全，输入电源经π型滤波电路54滤波后纹波减小使485通讯模块55更稳定的工作。485通讯模块55将TTL信号隔离并转换成485电平差分信号，经双向TVS 56、防雷放电电路57后对485差分线的浪涌及感应尖峰起到保护作用。
本实用新型网络版RTU装置的工作流程：
网络版RTU装置上电进入自检模式，检测系统工作频率检测、SRAM检测、Flash存储芯片检测、EEPROM检测和PHY检测等，检测结果通过上位机调试软件查看。自检完成进入正常工作模式，16路开关量输入经图2送入核心处理器12，经过核心处理器12的处理计算通过网络传输给客户端或通过上位机调试软件查看开关量的状态。系统电压经图3输入核心处理器12经核心处理器对信号转换计算后得到系统电压，并对其判断实现对系统的欠压及过压保护。核心处理器12把处理及转换完的数据通过图6或图7电路传输到以太网上；客户端通过以太网把数据传送给图6或图7电路经图6、图7电路换成TTL电平数据送给核心处理器12，再经核心处理器12的处理计算把网络协议转换后通过图9把转换数据下发给各从机。三路4-20mA模拟量经图4送入核心处理器12计算处理实现对模拟量的采集；采集后的数据经核心处理器计算和上位机调试软件的设置实现量程变化、报警保护、故障显示功能。网络数据核心处理器12处理计算通过图5来控制8路继电器的动作，并通过上位机调试软件可以查看其状态。
当外部USB电缆插入后核心处理器可以通过核心处理器连接USB防静电隔离通信电路图8与PC进行数据交换；此时可以读取系统状态、故障事件存储及监听数据进行读取、模拟量设置、从机指令设置、网络IP地址、串口地址、配置系统时间、从机扫描时间等参数设置，也可在线调试，减少调试用时。
Claims (1)
1.一种适用于网络版RTU装置，其特征是：该装置包括有三路模拟量(0)、模拟量放大滤波采集电路(1)、差分放大滤波电路(2)、隔离放大电路(3)、16路开关量输入(4)、隔离电路(5)、RJ45接口(6)、网络隔离电路(7)、网络PHY电路(8)、以太网光电模块(9)、485防雷电路(10)、485隔离模块(11)、核心处理器(12)、上位机调试软件(13)、USB隔离通信电路(14)、EEPROM系统参数存储器(15)、Flash数据存储器(16)、显示输出电路(17)、8路继电器输出(18)、8路驱动电路(19)、8路隔离电路(20)；
所述三路模拟量(0)、模拟量放大滤波采集电路(1)通过PCB铜箔连接至与核心处理器(12)；差分放大滤波电路(2)、隔离放大电路(3)通过PCB铜箔连接把处理完的信号通过PCB铜箔连接至核心处理器(12)；16路开关量输入(4)、隔离电路(5)通过PCB铜箔与核心处理器(12)；RJ45接口(6)、网络隔离电路(7)及网络PHY电路(8)之间通过PCB铜箔连接至核心处理器(12)；以太网光电模块(9)与网络PHY电路(8)连接后连接至核心处理器(12)；485防雷电路(10)、485隔离模块(11)通过PCB铜箔连接至核心处理器(12)；显示输出电路(17)、USB隔离通信电路(14)、EEPROM系统参数存储器(15)、Flash数据存储器(16)通过PCB铜箔分别连接至核心处理器(12)；8路继电器输出(18)、8路驱动电路(19)及8路隔离电路(20)通过PCB铜箔分别连接至核心处理器(12)；所述USB隔离通信电路(14)通过USB转接线与电脑上位机调试软件(13)连接。
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