專利名稱：海底觀測網絡節點故障診斷系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于深海觀測系統技術領域，具體地說，是涉及一種對海底觀測網絡節點的運行狀況進行檢測與維護的故障診斷系統。
背景技術：
海底觀測網絡系統能夠提供多要素、多學科的長期、綜合、實時觀測，可以應用于包括基礎科學研究、資源與能源、勘探開發利用、災害與環境保護、航海等多方面研究領域，以滿足國家海洋安全最基本的海底、水體和海面各種要素的需求。節點控制系統是海底觀測網絡中的基本單元與核心部分，它是一種基于水下的電能和信息集中、轉換和處理的自動控制機電裝置，是傳感器、監測設備、路由器、以太網交換機等與分支網或主干網進行電氣和數據連接的接口設備。節點包括含有光纖數據傳輸接口、水密接頭的接駁盒、能源接口、傳感器及外設接口，它是數據傳輸的中繼器或終端，是長期監測深海環境的最佳平臺，因此，節點的異常與故障排除是整個海底觀測網絡系統能否長期穩定運行的關鍵所在。一旦海底觀測網絡的節點控制系統發生嚴重故障，將會帶來高昂的維修成本，甚至不可修復，因此，節點控制系統的故障診斷與維護具有重大的現實意義和應用價值。為了保障節點處于良好的運行狀態，需要先進的節點故障診斷技術和設備對節點進行監控，并對出現的故障情況進行應急處理。而目前市場上還沒有完善的海底觀測網絡節點故障診斷系統，無法滿足節點控制系統的故障診斷與維護需求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種針對海底觀測網絡節點而設計的故障診斷系統，以實現對海底觀測網絡節點的故障診斷與維護。為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案予以實現
一種海底觀測網絡節點故障診斷系統，包括用于監測海底觀測網絡節點中能源供電模組運行狀況的能源故障診斷子系統、用于監測海底觀測網絡節點內部傳感器運行狀況的節點艙體內部故障診斷子系統、用于監測海底觀測網絡節點外接傳感器及設備運行狀況的節點艙體外部故障診斷子系統、用于信號采集與處理的節點主控電路板、以及用于遠程監控海底觀測網絡節點運行狀況及數據管理的岸站；所述節點主控電路板分別與能源故障診斷子系統、節點艙體內部故障診斷子系統和節點艙體外部故障診斷子系統相連接，采集運行狀況檢測信號，并與岸站連接通信。優選的，所述節點主控電路板通過光電復合線纜連接岸站，岸站通過光電復合線纜中的電纜向節點主控電路板輸送供電電源，所述供電電源經由節點系統中的電源模塊轉換成節點系統中各用電負載所需的工作電源，為各用電負載供電；岸站與節點主控電路板之間的通信數據和控制信號經由光電復合線纜中的光纖以光信號的形式傳輸。進一步的，在所述節點主控電路板上設置有用于傳輸數字信號的開關量輸入檢測
4電路、用于接收模擬信號并進行模數轉換的ADC模數轉換電路、用于數據通信的串口通訊電路、以及分別與所述的開關量輸入檢測電路、ADC模數轉換電路和串口通訊電路對應連接的處理器。又進一步的，在所述能源故障診斷子系統中包含有能源供電模組、單片機、短路漏電保護控制單元、能源模塊開關控制單元以及串口通訊電路；在所述能源供電模組中包含有N路并聯的能源模塊，所述N為大于1的自然數，連接在供電線路中用于對高壓供電電源進行降壓變換；所述能源模塊在發生短路故障時輸出短路信號，通過單片機控制短路漏電保護控制單元切斷高壓供電電源與發生短路故障的一路能源模塊的供電線路；所述能源模塊在其輸出的電壓或電流出現異常時，輸出供電故障信號，通過單片機控制能源模塊開關控制單元切斷發生電壓或電流故障的一路能源模塊的電源輸出線路，利用其它無故障的能源模塊轉換輸出低壓直流電源。對于能源模塊的投切控制，優選采用以下兩種控制方案
一種是，通過所述能源模塊輸出的短路信號和供電故障信號直接傳輸至單片機，一方面通過單片機生成控制信號輸出至短路漏電保護控制單元或者能源模塊開關控制單元，以切斷高壓供電電源與發生短路故障的一路能源模塊的供電線路或者切斷發生電壓或電流故障的一路能源模塊的電源輸出線路；另一方面通過單片機生成短路故障編碼和電壓/電流超限故障編碼，經由串口通訊電路發送至節點主控電路板上的處理器，通過處理器上傳至岸站。另一種是，在所述能源故障診斷子系統中進一步設置短路信號反饋接口和能源供電反饋接口 ；通過不同能源模塊輸出的短路信號首先經由短路信號反饋接口輸出至節點主控電路板上的開關量輸入檢測電路，進而傳輸至處理器的不同IO 口，所述處理器根據其IO 口接收到的短路信號進行短路故障編碼，然后經由串口通訊電路發送至單片機，通過單片機解析出是哪一路能源模塊發生了短路故障，進而輸出控制信號至短路漏電保護控制單元，以切斷高壓供電電源與發生短路故障的一路能源模塊的供電線路；通過不同能源模塊輸出的供電故障信號首先經由能源供電反饋接口輸出至節點主控電路板上的ADC模數轉換電路，進行模擬信號到數字信號的轉換處理后，輸出至處理器的不同數字接口，進而生成電壓/電流超限故障編碼經由串口通訊電路發送至單片機，然后通過單片機解析出是哪一路能源模塊發生了供電故障，進而輸出控制信號至能源模塊開關控制單元，以切斷發生電壓或電流故障的一路能源模塊的電源輸出線路。其中，作為所述短路漏電保護控制單元的一種優選電路組建結構，可以設計N組由光電耦合器和繼電器連接而成的開關支路，其中，N組開關支路中的光電耦合器分別與單片機的N路IO 口一一對應連接，N個繼電器的活動觸點一一對應的串聯在高壓供電電源與N路能源模塊的供電線路中；通過單片機輸出的控制信號經由光電耦合器進行光電隔離處理后，控制繼電器的線圈供電回路通斷，進而驅動繼電器的活動觸點動作，以切斷或者連通高壓供電電源與能源模塊的供電線路。作為所述能源模塊開關控制單元的一種優選設計方案，可以設置模擬開關電路、N個光電耦合器和N個繼電器，所述N個繼電器的活動觸點一一對應的串聯在N路能源模塊的電源輸出線路中；單片機根據各能源模塊的供電故障情況生成地址編碼，輸出至模擬開關電路的選擇端子，以配置模擬開關電路中N路輸出端子的高低電平狀態；所述模擬開關電路的N路輸出端子分別與N個光電耦合器的發光側一一對應連接，N個光電耦合器的受光側分別與N個繼電器的線圈一一對應連接，通過對各個繼電器的線圈進行通斷電控制，進而控制各個繼電器的活動觸點動作，以切斷或者連通各路能源模塊的電源輸出線路。再進一步的，在所述節點艙體內部故障診斷子系統中包含有分別用于對節點艙體內部的溫度、鹽度、壓力、濕度情況進行采樣檢測的溫度傳感器、鹽度傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器，各傳感器將檢測值發送至節點主控電路板上的ADC模擬轉換電路進行模擬信號到數字信號的轉換處理后，傳輸至處理器，以分析出節點艙體內部是否出現異常，并將分析結果上傳至岸站。更進一步的，在所述節點艙體外部故障診斷子系統中包含有用于檢測外接傳感器的供電電源狀況的檢測電路，輸出電壓、電流采樣值至節點主控電路板上的ADC模數轉換電路，轉換成數字信號后輸出至處理器；所述處理器在檢測到連接某一路外接傳感器的供電電源出現異常時或者某一路外接傳感器發出的檢測數據長時間不正常時，輸出控制信號至節點艙體外部故障診斷子系統中的傳感器模塊開關控制單元，進而切斷出現故障的一路外接傳感器的供電線路；同時，處理器將外接傳感器的故障信息上傳至岸站。與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是本發明的海底觀測網絡節點故障診斷系統針對海底觀測網絡節點系統平臺專門設計，能夠很好地完成海底觀測網絡節點的常規故障診斷與維護任務，不僅縮短了海底觀測網絡節點的故障診斷時間，最大程度上保證了海底觀測網絡節點的正常運行，而且大大降低了海底觀測網絡節點的維修費用。結合附圖閱讀本發明實施方式的詳細描述后，本發明的其他特點和優點將變得更加清楚。
圖1是本發明所提出的海底觀測網絡節點故障診斷系統的整體架構框圖2是圖1中能源故障診斷子系統與節點主控電路板的一種實施例的電路組建及連接關系圖3是圖2中短路漏電保護控制單元的一種實施例的電路原理圖；圖4是圖2中能源模塊開關控制單元的一種實施例的電路原理圖；圖5是圖1中節點艙體內部故障診斷子系統與節點主控電路板的一種實施例的電路組建及連接關系圖6是圖1中節點艙體外部故障診斷子系統與節點主控電路板的一種實施例的電路組建及連接關系圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細地描述。實施例一，參見圖1所示，本實施例的海底觀測網絡節點故障診斷系統主要由節點主控電路板、能源故障診斷子系統、節點艙體內部故障診斷子系統、節點艙體外部故障診斷子系統以及岸站等部分組成。其中，節點主控電路板作為整個故障診斷系統的控制核心，分別與所述的能源故障診斷子系統、節點艙體內部故障診斷子系統、節點艙體外部故障診斷子系統對應連接，用于完成信號的采集、處于及通訊任務，同時與遠程的岸站建立通信鏈接，實現陸上工作人員對海底觀測網絡節點運行狀況的遠程監控及數據管理工作。作為海底觀測網絡節點中各類故障的采樣檢測單元能源故障診斷子系統用于監測海底觀測網絡節點中能源供電模組的運行狀況；節點艙體內部故障診斷子系統用于監測海底觀測網絡節點內部傳感器的運行狀況；節點艙體外部故障診斷子系統用于監測海底觀測網絡節點外接傳感器及設備的運行狀況。各類故障診斷系統將采集到的運行狀況檢測信號實時或者定時地傳輸至節點主控電路板，一方面可以在節點主控電路板的控制作用下對發生故障的能源模塊或者傳感器進行切除，以保證節點系統的持續安全運行；另一方面可以通過節點主控電路板上傳至岸站，提供給陸上工作人員以及時對發生故障的設備進行修理或者維護。對于節點主控電路板與岸站之間的連接關系，本實施例優選采用光電復合線纜進行連接，如圖1所示。對于各網絡節點系統工作所需的供電電源由岸站通過光電復合線纜中的電纜傳輸提供。通常情況下，通過岸站輸出的供電電源一般為6000V的交流高壓，通過節點系統中的節點主控電路板輸送至電源模塊進行降壓及整流變換處理后，生成400V直流高壓供電電源輸出至能源供電模組，以轉換成低壓直流電源(例如48V)為節點系統中用電負載供電。對于需要不同幅值工作電源的用電負載來說，還可以在能源供電模塊的電源輸出線路上進一步連接穩壓電路，以穩壓生成不同負載所需的直流電源(例如12V、5V等)，為不同負載提供工作電壓。同時，在網絡節點系統中還可以進一步配置不間斷電源UPS，在岸站供電正常時，利用電源模塊變換輸出的400V高壓供電電源同時為UPS充電蓄能；當岸站供電中斷時，可以轉由UPS為能源供電模組繼續供電，以維持節點系統中各用電負載的不間斷運行。對于岸站與節點主控電路板之間的通信數據和控制信號等，則可以經由光電復合線纜中的光纖以光信號的形式進行雙向傳輸。此時，需要在節點主控電路板和岸站兩側分別配置光電轉換模塊，以完成光信號與電信號之間的相互轉換。下面對構成所述海底觀測網絡節點故障診斷系統的各子系統的具體組建結構及工作原理做進一步詳細的闡述。在本實施例的海底觀測網絡節點故障診斷系統中，節點主控電路板是系統的控制核心，可以實時采集與測量各項數據，進行數據通訊，監控接口狀態，并迅速響應故障狀態完成應急處理。在節點主控電路板上設置有處理器、用于采集數字信號的開關量輸入檢測電路、用于采集模擬信號并實現模數轉換功能的ADC模數轉換電路、以及用于數據通信的串口通訊電路，參見圖2所示。其中，處理器可以采用基于ARM內核的微處理芯片進行電路設計，優選采用內部集成有MMC/SD卡讀寫控制器、實時時鐘、支持多種類型外圍接口等豐富硬件資源的高集成芯片，這樣只需在處理器外部配置少量的外圍電路便可組成及控制、通信功能于一體的中央處理系統，即可減小系統規模，又可提高系統運行的可靠性。開關量輸入檢測電路可以選用光耦隔離器連接處理器的IO 口，對來自其他子系統的開關量信號進行光電隔離處理后，再傳輸至所述的處理器，以保證處理器的安全。對于ADC模數轉換電路來說，考慮到其他子系統輸出的模擬信號有可能是單端信號，也有可能是差分信號，因此在設計所述ADC模數轉換電路時優選設置兩種類型的模數轉換器，分別用于對單端模擬信號和差分模擬信號進行采集并轉換成數字信號后，輸出至處理器的數字接口。對于串口通訊電路，可以采用電平轉換芯片MAX232與MAX1487，分別構成RS232與RS485通訊鏈路，用于數據通訊和控制指令的發送。本實施例的海底觀測網絡節點故障診斷系統主要對節點系統中的三方面故障進行檢測診斷能源供電模組運行狀況的故障診斷、節點艙體內部故障的檢測診斷、節點艙體外部外接傳感器及設備運行狀況的檢測診斷。針對上述三方面故障，本實施例分別設計了三個故障診斷子系統能源故障診斷子系統、節點艙體內部故障診斷子系統以及節點艙體外部故障診斷子系統，下面分別進行具體闡述。( 1)能源故障診斷子系統
在本實施例的能源故障診斷子系統中主要設置有能源供電模組、單片機、短路漏電保護控制單元、能源模塊開關控制單元和串口通訊電路，參見圖2所示。其中，在所述能源供電模組中包含有N路并聯的能源模塊，所述N為大于1的自然數，本實施例以N=15為例進行說明，分別與高壓供電電源對應連接，例如通過電源模塊變換輸出的400V高壓供電電源， 用于對高壓供電電源進行降壓變換處理，例如變換成48V的直流電壓輸出至后級用電負載。所述的每一路能源模塊都具有短路檢測功能和電壓、電流輸出異常檢測功能，在能源模塊發生短路故障或者供電輸出異常情況時，可以分別輸出短路信號和供電故障信號，以通知外圍設備該能源模塊當前所發生的故障。對于各能源模塊的故障檢測及故障響應處理， 本實施例提出以下兩種處理方案
其一是，直接利用能源故障診斷子系統中的單片機連接各路能源模塊，采集各能源模塊輸出的短路信號和供電故障信號，進而解析出是哪一路能源模塊發生了何種類型的故障。對于發生短路故障的能源模塊，單片機輸出控制信號至短路漏電保護控制單元，進而切斷高壓供電電源與發生短路故障的一路能源模塊的供電線路，使發生短路故障的能源模塊停止運行，以保證其他能源模塊的正常供電。對于輸出的電壓或者電流發生過壓、欠壓或者過流、欠流故障的能源模塊來說，單片機輸出控制信號至能源模塊開關控制單元，進而切斷發生電壓或電流故障的一路能源模塊的電源輸出線路，以避免對后級用電負載造成損壞。 此時，可以利用其他運行正常的能源模塊轉換輸出低壓直流電源，以滿足后級用電負載的供電需求。對于發生故障的能源模塊，單片機可以根據接收到的短路信號和供電故障信號分別編碼生成短路故障編碼和電壓/電流超限故障編碼，經由串口通訊電路發送至節點主控電路板上的處理器，進而通過處理器上傳至岸站，供陸上工作人員監控。這種故障檢測處理方案需要單片機配置有足夠的接口資源，以滿足與各個能源模塊的連接需求。但是，對于采用接口資源相對緊張的單片機設計的能源故障診斷子系統來說，則很難滿足與多個能源模塊的連接要求，此時，可以考慮采用下述第二種設計方案。其二是，利用節點主控電路板上配置的處理器來采集各能源模塊輸出的短路信號和供電故障信號，進而解析出是哪一路能源模塊發生了何種類型的故障，然后對故障信息進行編碼后，回傳至能源故障診斷子系統中的單片機，進而通過單片機控制短路漏電保護控制單元或者能源模塊開關控制單元動作，以斷開有故障的一路能源模塊，避免其對其他各路能源模塊造成影響。采用這種設計方案需要在能源故障診斷子系統中進一步設置短路信號反饋接口和能源供電反饋接口，如圖2所示。通過各能源模塊輸出的短路信號經由短路信號反饋接口輸出至節點主控電路板，通過節點主控電路板上的開關量輸入檢測電路進行采集和光電隔離處理后，輸出至處理器的不同IO 口。處理器根據其不同IO 口接收到的短路信號進行短路故障編碼，然后經由串口通訊電路以RS232串行通信方式發送至單片機。單片機接收到短路故障編碼后，分析出是哪一路能源模塊發生了短路故障，然后生成控制信號輸出至短路漏電保護控制單元，控制短路漏電保護控制單元將能源供電模組中出現短路故障的能源模塊斷開，即切斷該路能源模塊與高壓供電電源的供電線路，以保證其他的能源模塊正常供電。當能源供電模組中的能源模塊的輸出電壓或者電流出現異常時，發生故障的能源模塊會產生供電故障信號，例如過流值、過壓值、欠流值或者欠壓值，經由能源供電反饋接口發送至節點主控電路板，通過節點主控電路板上的ADC模數轉換電路采集并進行模擬信號到數字信號的轉換處理后，分別傳輸至處理器的不同數字接口。處理器根據其不同數字接口接收到的供電故障信號，編碼生成電壓/電流超限故障編碼，經由串口通訊電路以 RS232串行通信方式發送至單片機。單片機在接收到所述的電壓/電流超限故障編碼后， 即可分析出是哪一路能源模塊發生了供電故障，進而輸出控制信號至能源模塊開關控制單元，將能源供電模組中發生電流或者電壓超限故障的一路能源模塊斷開，例如切斷該路能源模塊的電源輸出線路，以保證其他的能源模塊正常工作。對于各路能源模塊的故障編碼信息，處理器可以通過光電復合線纜實時或者定時的上傳至岸站，提供給陸上工作人員進行監控，并對出現故障的能源模塊及時進行修理或者更換，確保整個海底觀測網絡系統的長期穩定、安全運行。作為所述短路漏電保護控制單元的一種優選電路設計方案，本實施例提出了光電耦合器配合繼電器的電路設計形式，參見圖3所示。針對N路能源模塊配置N組分別由光電耦合器Ul和繼電器Kl連接而成的開關支路，一一對應地連接在400V高壓供電電源與各能源模塊的供電線路中，并在單片機的控制作用下進行供電線路的通斷控制。具體來講，可以將N組開關支路中的光電耦合器分別與單片機的N路IO 口一一對應連接，N個繼電器的活動觸點一一對應地串聯在高壓供電電源與N路能源模塊的供電線路中。以能源模塊1為例進行說明，將光電耦合器Ul中發光二極管的陽極通過限流電阻Rl連接直流電源VDD3. 3， 發光二極管的陰極連接單片機的RBO 口，接收單片機輸出的控制信號。將光電耦合器Ul中受光三極管的發射極接地，集電極通過限流電阻R2連接到繼電器Kl線圈的一端，繼電器Kl 線圈的另一端連接直流電源，例如+5V，繼電器Kl的常閉觸點串聯在400V高壓供電電源與能源模塊1的正極輸入端Vin之間。當能源模塊1正常運行時，單片機通過其RBO 口輸出高電平控制信號，此時光電耦合器Ul不導通，繼電器Kl的線圈中無電流流過，繼電器Kl的常閉觸點保持關閉狀態，進而使能源模塊1的正極輸入端Vin與400高壓供電電源連通，通過能源模塊1對高壓供電電源進行降壓變換處理。當能源模塊1發生短路故障時，單片機通過其RBO 口輸出低電平控制信號，控制光電耦合器Ul導通，進而連通繼電器Kl的線圈供電回路，控制繼電器Kl的常閉觸點斷開，以切斷400V高壓供電電源與能源模塊1正極輸入端Vin的連接，控制能源模塊1停止工作， 從而將能源模塊1從能源供電模組中切除。當然，所述短路漏電保護控制單元也可以僅采用繼電器或者其他具有開關作用的開關元件設計實現，本實施例并不僅限于以上舉例。作為所述能源模塊開關控制單元的一種優選電路設計方案，本實施例提出了模擬開關電路配合N個光電耦合器和N個繼電器的電路組建形式，參見圖4所示。考慮到能源供電模組中配置有15路能源模塊，因此對于支持8路輸出的模擬開關電路U2來說需要設置兩片。將兩片模擬開關電路U2的片選端 1分別與單片機的兩個IO 口對應連接，接收單片機輸出的片選信號，進而確定啟用哪一片模擬開關電路U2接收單片機發出的地址編碼。將單片機輸出地址編碼的三個IO 口 RA0、 RAU RA2分別與兩片模擬開關電路U2的選擇端子SO、Si、S2 一一對應連接，模擬開關電路 U2根據其選擇端子SO、Si、S2接收到的地址編碼確定其各路輸出端子Y0-Y7的高低電平狀態，進而分別控制與其連接的一路光電耦合器U3導通發光或者關斷。具體來講，可以將模擬開關電路U2的N路輸出端子分別與N個光電耦合器的發光側一一對應連接，N個光電耦合器的受光側分別與N個繼電器的線圈一一對應連接，通過對各個繼電器的線圈進行通斷電控制，進而控制各個繼電器的活動觸點動作，以切斷或者連通各路能源模塊的電源輸出線路。以能源模塊2為例進行說明，將模擬開關電路U2的輸出端子YO連接到光電耦合器U3中發光二極管的陰極K，發光二極管的陽極A通過串聯的限流電阻R3連接直流電源 VDD3. 3V;光電耦合器U3中受光三極管的發射極GND接地，集電極E通過串聯的限流電阻R4 連接繼電器K2線圈的一端，繼電器K2線圈的另一端連接+5V直流電源，繼電器K2的常閉觸點連接在能源模塊2的正極輸出端Vout與48V電源輸出線路之間。當能源模塊2正常運行時，單片機通過其RA3 口輸出高電平，禁止模擬開關電路U2 工作，此時，光電耦合器U3不導通，繼電器K2的線圈斷電，其常閉觸點保持閉合狀態，使能源模塊2的正極輸出端Vout與48V電源輸出線路連通，為后級負載供電。當能源模塊2輸出的電壓或電流出現異常時，單片機通過其RA3 口輸出低電平有效的片選信號至模擬開關電路U2，控制模擬開關電路U2啟動運行，并向模擬開關電路U2的選擇端子SO、Si、S2發出均為低電平的地址編碼信號，進而選擇第一路輸出端子YO輸出低電平，其余各路輸出端子輸出高電平。此時，光電耦合器U3的發光二極管導通發光，控制繼電器K2的線圈通電，使其常閉觸點K2斷開，進而切斷能源模塊2的電源輸出，從而將能源供電模組中出現電壓、電流故障的能源模塊2斷開，利用其它無故障的能源模塊為后級負載提供直流供電。(2)節點艙體內部故障診斷子系統
在本實施例的節點艙體內部故障診斷子系統中，包括安裝在節點艙體內部的溫度傳感器、鹽度傳感器、壓力傳感器及濕度傳感器，分別用于對節點艙體內部的溫度、鹽度、壓力及濕度情況進行采樣檢測，參見圖5所示。其中，溫度傳感器和壓力傳感器輸出的檢測信號可能是差分信號，傳輸至節點主控電路板上的ADC模數轉換電路進行差分模擬信號到數字信號的轉換處理后，輸出至處理器進行故障判斷。對于鹽度傳感器和濕度傳感器來說，其輸出的檢測信號可能是單端信號，傳輸至節點主控電路板上的ADC模數轉換電路進行單端模擬信號到數字信號的轉換處理后，輸出至處理器的數字接口。當節點主控電路板上的處理器檢測到通過ADC模數轉換電路轉換輸出的測量值出現異常時，例如溫度過高、鹽度偏小、壓力過大、濕度過大等，則處理器將故障信息與測量數據經光電復合線纜及時上傳給岸站，以通知岸站上的工作人員及時對該節點艙進行維護。節點艙體內部安裝傳感器輸出的數據，對節點系統的故障診斷有著重要的意義。舉例來說，當艙體內部傳感器測得的壓力值與濕度值同時過高，而鹽度值顯著改變并與節點艙外測得的鹽度值相當時，則可判斷節點艙體內部進水。此時，需要將此故障警情及時上傳給岸站并進行應急處理。而溫度值過高，則說明節點系統中的散熱裝置出現故障，并且可以輔助證明能源供電模組的故障狀態。(3)節點艙體外部故障診斷子系統
在本實施例的節點艙體外部故障診斷子系統中，包括與外接傳感器相連接的傳感器電源反饋接口、數據傳輸接口及傳感器模塊開關控制單元，參見圖6所示。其中，在每一路外接傳感器設備的供電線路中均分別連接有一個檢測電路，用于檢測外接傳感器的供電電源狀況，并輸出電壓、電流采樣值通過傳感器電源反饋接口傳輸至節點主控電路板上的ADC 模數轉換電路，進而轉換成數字信號后輸出至處理器。所述處理器在檢測到連接某一路外接傳感器的供電電源出現異常時(例如過壓、過流、欠壓、欠流等)或者某一路外接傳感器發出的檢測數據長時間不正常時，輸出控制信號至節點艙體外部故障診斷子系統中的傳感器模塊開關控制單元，進而切斷出現故障的一路外接傳感器的供電線路，以保證其它的傳感器設備正常工作。與此同時，處理器將外接傳感器的故障信息上傳至岸站，供工作人員監控。所述傳感器模塊開關控制單元同樣可以選用模擬開關電路配合光電耦合器和繼電器連接而成，仿照圖4所示的電路組建結構，每一路光電耦合器和繼電器對應某一特定的外接傳感器設備，實現對該路外接傳感器設備供電的通斷控制。為了實現節點艙體外接傳感器設備接口的即插即用，在所述數據傳輸接口中包含有差分信號接口、廣5V信號接口、Γ20πιΑ信號接口、RS232及RS485串口。節點主控電路板上的處理器通過ADC模數轉換電路和串口通訊電路接收外接傳感器設備發送的各種類型的檢測數據。節點系統可外接搭載多種所需的故障診斷傳感器設備，例如CTD傳感器、聲學多普勒海流剖面儀等。舉例來說，節點系統可搭載水下攝像機，該攝像機配置RS485云臺控制串口，可與節點主控電路板上的串口通訊電路連接，可接收處理器發出的控制指令和設置參數，以完成節點系統水下周邊360°視頻監控故障診斷與分析的任務。本實施例針對海底觀測網絡節點系統的故障診斷及維護需求而設計，此節點故障診斷系統按照標準信號接口，可適配不同的傳感器外設，并可進行系統功能性的可擴展性設計，能夠快速、準確地對海底觀測網絡節點系統的異常狀況進行故障診斷與快速故障定位，并對出現的故障進行應急處理，最大程度上維持節點系統的正常運轉，顯著降低了維護成本。當然，以上所述僅是本發明的一種優選實施方式，應當指出的是，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于包括用于監測海底觀測網絡節點中能源供電模組運行狀況的能源故障診斷子系統、用于監測海底觀測網絡節點內部傳感器運行狀況的節點艙體內部故障診斷子系統、用于監測海底觀測網絡節點外接傳感器及設備運行狀況的節點艙體外部故障診斷子系統、用于信號采集與處理的節點主控電路板、以及用于遠程監控海底觀測網絡節點運行狀況及數據管理的岸站；所述節點主控電路板分別與能源故障診斷子系統、節點艙體內部故障診斷子系統和節點艙體外部故障診斷子系統相連接，采集運行狀況檢測信號，并與岸站連接通信。
2.根據權利要求1所述的海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于所述節點主控電路板通過光電復合線纜連接岸站，岸站通過光電復合線纜中的電纜向節點主控電路板輸送供電電源，所述供電電源經由節點系統中的電源模塊轉換成節點系統中各用電負載所需的工作電源，為各用電負載供電；岸站與節點主控電路板之間的通信數據和控制信號經由光電復合線纜中的光纖以光信號的形式傳輸。
3.根據權利要求1或2所述的海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于在所述節點主控電路板上設置有用于傳輸數字信號的開關量輸入檢測電路、用于接收模擬信號并進行模數轉換的ADC模數轉換電路、用于數據通信的串口通訊電路、以及分別與所述的開關量輸入檢測電路、ADC模數轉換電路和串口通訊電路對應連接的處理器。
4.根據權利要求3所述的海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于在所述能源故障診斷子系統中包含有能源供電模組、單片機、短路漏電保護控制單元、能源模塊開關控制單元以及串口通訊電路；在所述能源供電模組中包含有N路并聯的能源模塊，所述N為大于1的自然數，連接在供電線路中用于對高壓供電電源進行降壓變換；所述能源模塊在發生短路故障時輸出短路信號，通過單片機控制短路漏電保護控制單元切斷高壓供電電源與發生短路故障的一路能源模塊的供電線路；所述能源模塊在其輸出的電壓或電流出現異常時，輸出供電故障信號，通過單片機控制能源模塊開關控制單元切斷發生電壓或電流故障的一路能源模塊的電源輸出線路，利用其它無故障的能源模塊轉換輸出低壓直流電源。
5.根據權利要求4所述的海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于通過所述能源模塊輸出的短路信號和供電故障信號傳輸至單片機，一方面通過單片機生成控制信號輸出至短路漏電保護控制單元或者能源模塊開關控制單元，以切斷高壓供電電源與發生短路故障的一路能源模塊的供電線路或者切斷發生電壓或電流故障的一路能源模塊的電源輸出線路；另一方面通過單片機生成短路故障編碼和電壓/電流超限故障編碼，經由串口通訊電路發送至節點主控電路板上的處理器，通過處理器上傳至岸站。
6.根據權利要求4所述的海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于在所述能源故障診斷子系統中還包含有短路信號反饋接口和能源供電反饋接口 ；通過不同能源模塊輸出的短路信號經由短路信號反饋接口輸出至節點主控電路板上的開關量輸入檢測電路，進而傳輸至處理器的不同IO 口，所述處理器根據其IO 口接收到的短路信號進行短路故障編碼，經由串口通訊電路發送至單片機，通過單片機解析出是哪一路能源模塊發生了短路故障，進而輸出控制信號至短路漏電保護控制單元，以切斷高壓供電電源與發生短路故障的一路能源模塊的供電線路；通過不同能源模塊輸出的供電故障信號經由能源供電反饋接口輸出至節點主控電路板上的ADC模數轉換電路，進行模擬信號到數字信號的轉換處理后，輸出至處理器的不同數字接口，進而生成電壓/電流超限故障編碼經由串口通訊電路發送至單片機，通過單片機解析出是哪一路能源模塊發生了供電故障，進而輸出控制信號至能源模塊開關控制單元，以切斷發生電壓或電流故障的一路能源模塊的電源輸出線路。
7.根據權利要求4所述的海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于在所述短路漏電保護控制單元中包含有N組由光電耦合器和繼電器連接而成的開關支路，其中，N組開關支路中的光電耦合器分別與單片機的N路IO 口一一對應連接，N個繼電器的活動觸點一一對應的串聯在高壓供電電源與N路能源模塊的供電線路中；通過單片機輸出的控制信號經由光電耦合器進行光電隔離處理后，控制繼電器的線圈供電回路通斷，進而驅動繼電器的活動觸點動作，以切斷或者連通高壓供電電源與能源模塊的供電線路。
8.根據權利要求4所述的海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于在所述能源模塊開關控制單元中包含有模擬開關電路、N個光電耦合器和N個繼電器，所述N個繼電器的活動觸點一一對應的串聯在N路能源模塊的電源輸出線路中；單片機根據各能源模塊的供電故障情況生成地址編碼，輸出至模擬開關電路的選擇端子，以配置模擬開關電路中N路輸出端子的高低電平狀態；所述模擬開關電路的N路輸出端子分別與N個光電耦合器的發光側一一對應連接，N個光電耦合器的受光側分別與N個繼電器的線圈一一對應連接，通過對各個繼電器的線圈進行通斷電控制，進而控制各個繼電器的活動觸點動作，以切斷或者連通各路能源模塊的電源輸出線路。
9.根據權利要求3所述的海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于在所述節點艙體內部故障診斷子系統中包含有分別用于對節點艙體內部的溫度、鹽度、壓力、濕度情況進行采樣檢測的溫度傳感器、鹽度傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器，各傳感器將檢測值發送至節點主控電路板上的ADC模擬轉換電路進行模擬信號到數字信號的轉換處理后，傳輸至處理器，以分析出節點艙體內部是否出現異常，并將分析結果上傳至岸站。
10.根據權利要求3所述的海底觀測網絡節點故障診斷系統，其特征在于在所述節點艙體外部故障診斷子系統中包含有用于檢測外接傳感器的供電電源狀況的檢測電路，輸出電壓、電流采樣值至節點主控電路板上的ADC模數轉換電路，轉換成數字信號后輸出至處理器；所述處理器在檢測到連接某一路外接傳感器的供電電源出現異常時或者某一路外接傳感器發出的檢測數據長時間不正常時，輸出控制信號至節點艙體外部故障診斷子系統中的傳感器模塊開關控制單元，進而切斷出現故障的一路外接傳感器的供電線路；同時，處理器將外接傳感器的故障信息上傳至岸站。
全文摘要
本發明公開了一種海底觀測網絡節點故障診斷系統，包括能源故障診斷子系統、節點艙體內部故障診斷子系統、節點艙體外部故障診斷子系統、節點主控電路板以及岸站；所述節點主控電路板分別與能源故障診斷子系統、節點艙體內部故障診斷子系統和節點艙體外部故障診斷子系統相連接，采集運行狀況檢測信號，并與岸站連接通信。本發明的海底觀測網絡節點故障診斷系統針對海底觀測網絡節點系統平臺專門設計，能夠很好地完成海底觀測網絡節點的常規故障診斷與維護任務，不僅縮短了海底觀測網絡節點的故障診斷時間，最大程度上保證了海底觀測網絡節點的正常運行，而且大大降低了海底觀測網絡節點的維修費用。
文檔編號H04L12/26GK102571435SQ20121000814
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者劉杰, 呂斌, 吳承璇, 曲君樂, 李正寶, 杜立彬, 江守和, 王秀芬, 賀海靖 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所