CN101625387A - 两线制工业仪表的快速巡回检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两线制工业仪表的快速巡回检测装置及检测方法，利用HART总线协议数字通信技术，多通道切换和高精度数据采集技术，配套专用的上位机检测软件，实现对两线制仪表的批量化巡回检测，简化生产过程，降低劳动强度，方便故障的排查和维护；系统中包括了智能仪表数字通信接口部分，可通过总线与被测量仪表进行数字通信，实现数据双向传输，对智能仪表的智能功能进行测试和初步诊断；装置连接方式灵活，可根据检测仪表数量多少自行配置；为改进工艺和提高质量提供决策，优化产品的生产过程，提高生产效率。

Description

两线制工业仪表的快速巡回检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种仪表检测设备，特别涉及一种两线制工业仪表的快速巡回检测装置及检测方法。

背景技术

目前市场上的工业自控系统用仪表，既有传统的模拟型仪表又有数字化的智能仪表，模拟型仪表以4～20mA两线制为主，仍占有一定的市场份额；数字化的智能仪表通常符合某种现场总线规范，目前应用最广的是HART现场总线协议，因为其保留了传统的4～20mA模拟信号，同时又叠加了数字通信方式，因此可以在不改变原有系统结构的条件下实现对模拟仪表的替代。可见目前主流的智能或非智能型仪表都具有4～20mA的模拟输出功能，其回路连接如图1所示。因而考虑设计一种对两类仪表都能够进行检测的装置和方法来简化仪表的生产制造过程。

仪表在生产过程中，各种信息及其输出信号都需要在出厂前预设和调校，同时也需要对产品性能指标进行检验，把好产品质量关，使产品达到企业或者国家的标准。调校、检验和相关的老化测试是仪表生产过程的重要环节，决定了整机的性能。通常的检验设备包括有高精度数字万用表、采样/负载电阻、信号源(压力、温度等)。这样一些检验设备一次只能对一台仪表进行操作，如图2所示。为实现批量化生产，仪表厂商目前广泛采用的方法是将多台仪表连接成独立的回路，通过传统的手动拨动机械开关选择到需要的单台仪表，手工记录相关的测量数据，进行人工检测。虽然极少数采用了测量仪器的数字输出功能来记录数据，被检仪表的通道切换仍旧采用手动来完成，劳动强度大，效率难以提高。其系统功能框图如图3。

HART协议智能仪表的生产调校和检验装置还比较简单，与传统的装置相比仅是增加了简单的RS-232或RS-485通信模块来对检测数据的采集；底层的通道切换仍旧采用的是机械开关手工切换，是单台仪表检验的方式，效率较低，没有充分发挥出智能特性。

传统的检测方式是测试人员手动选择测试仪表，读取仪表示数，手工记录和处理数据，其缺点是误差大、测试时间长、效率低、分析处理数据工作繁杂；而自动测试系统具有精度高、数据采集快速高效、分析处理能力强等特点，大大提高了测试的精度和效率，降低了测试人员的工作强度。

发明内容

本发明是针对现在工业自控系统用仪表批量生产检测设备和方法存在的不足，提出了一种两线制工业仪表的快速巡回检测装置及检测方法，可实现对仪表的功能和性能作批量在线测试，自动切换模拟开关来进行检测通道的选择，自动测试并报告出测试产品类型及其单元模块中的失效性(电流输出失效，通信失效等)，以及性能指标是否符合标准，分拣产品故障，所得到的数据可保存下来进行分析，为改进工艺和提高质量提供决策，优化产品的生产过程，提高生产效率。

本发明的技术方案为：一种两线制工业仪表的快速巡回检测装置，包括由限流保护电路、负载采样电阻、与被检仪表串联连接到电源模块的24V输出上形成的数个二线制工业仪表回路，还包括模拟开关选通控制模块、数字输出模块、AD采集模块、HART通信模块、扩展接口模块以及上位机，上位机通过数子接口分别与数字输出模块、AD采集模块、HART通信模块连接，上位机输出信号通过数字输出模块到模拟开关选通控制模块，用于选通二线制工业仪表回路中的一路，上位机输出信号到AD采集模块，进行信号采集，AD采集模块将选通回路信号送入上位机，上位机发出符合HART协议的HART命令给HART通信模块，HART通信模块将数字信号转换成符合HART规范的FSK物理层信号叠加到回路负载采样电阻，用于与选通仪表进行通信，所述电源模块同时给各个模块供电。

所述自动测试装置可采用主从结构，由数个子系统组成，每个子系统包含独立的电源模块，负载采样电阻模块，通道选择模块，子系统之间通过总线数字接口相连接组成总线网络。

一种两线制工业仪表的快速巡回检测方法，包括两线制工业仪表的快速巡回检测装置，检测方法包括以下步骤：

1)启动上位机软件，上位机内参数设置模块对装置的各项参数进行设置，包括HART接口属性设置、数字输出模块和AD采集模块硬件的初始化、测试工程的相关信息的填写，并将以上信息记录入数据库；

2)上位机内仪表扫描模块运行，对接入检测装置的仪表进行扫描，扫描完毕后进入循环检测部分；

3)上位机向检测装置发送控制信号，经数字输出模块输出地址选择信号给模拟开关选通控制模块选择指定的通道，接着进入仪表类型判断，如果是HART智能仪表，上位机通过HART通信模块及模拟开关选通控制模块向仪表发送HART命令，对仪表进行设置；

4)上位机通过AD采集模块对选通的通道进行数据采集，通过HART通信模块收取HART通信返回的数据，上位机处理数据并显示数据，同时将数据记录到数据库中；

5)巡检所有仪表是否已检测完毕，如没有完毕，重复步骤3)和4)，直到所有的仪表检测完毕；

6)判断是否所有的检测项目已经检测完毕，如未完毕，对下一检测项目进行检测，则重复步骤3)、4)、5)，直到所有检测项目完成；

7)所有检测项目都完成后对数据进行分析处理和判断，将分析结果写入数据库。

所述步骤4)中上位机选通指定通道并对该通道进行数据采集，数据采集模块对仪表回路采样电阻上的电压信号进行AD变换，通过数字线接口将采集的数据返回给上位机端的软件进行采集处理，显示并记录入数据库。

所述上位机发送HART命令通过HART通信模块进行信号转换，转换后的信号经过模拟开关选通控制模块后发送给被检仪表，被检仪表响应信号再经过模拟开关选通控制模块及HART通信模块转换后被上位机接收并处理。

本发明的有益效果在于：本发明两线制工业仪表的快速巡回检测装置及检测方法，实现对多台仪表的连续自动检测，发挥智能仪表智能化的特点，简化生产过程，降低劳动强度，方便故障的排查和维护；系统中包括了智能仪表数字通信接口部分，可通过总线与被测量仪表进行数字通信，实现数据双向传输，对智能仪表的智能功能进行测试和初步诊断；能够对被测试仪表的性能参数进行准确测量，能对仪表的检验结果进行判定；装置连接方式灵活，可根据检测仪表数量多少自行配置；根据应用的不同，不需更改硬件系统，基于PC的检测软件可根据应用而改变。为改进工艺和提高质量提供决策，优化产品的生产过程，提高生产效率。

附图说明

图1是现有技术两线制仪表的回路连接图；

图2是现有技术单台仪表测试连接示意图；

图3是传统的批量测试系统示意图；

图4是本发明两线制工业仪表的快速巡回检测装置结构示意图；

图5是本发明两线制工业仪表的快速巡回检测装置上位机软件的框架图；

图6是本发明快速巡回检测检测方法的主流程图；

图7是本发明两线制工业仪表的快速巡回检测装置的数据传输流图；

图8是本发明两线制工业仪表的快速巡回检测装置主从结构的硬件系统连接示意图；

图9是本发明两线制工业仪表的快速巡回检测装置一个实施例的机械结构示意图；

图10是本发明两线制工业仪表的快速巡回检测装置的一个实施例框图。

具体实施方式

图1是两线制工业仪表的回路连接图，24V电源101、仪表102以及负载电阻103串接在一起，形成4～20mA的电流环回路。

图2是单台仪表测试连接示意图，电源201、被测仪表202，负载电阻203形成串联回路，高精度万用表206并联到负载电阻203的两端用来测量负载电阻上的电压，负载电阻203在此起到采样电阻的作用，采集该电阻两端的信号可实现对环路电流的测量；PC上位机软件205发送HART命令，通过HART通信接口204转换后加载到负载电阻203的两端，将HART信号叠加到回路电流上，与被检仪表202进行通信。

图3是传统的批量测试系统的示意图，被检仪表301与传统测试装置302中的电源307、负载采样电阻309串联，形成了多个仪表回路，测试人员通过手动拨动机械开关308将采样电阻309两端的信号与测量用高精度万用表303、以及HART通信模块304接通，测试人员通过读取高精度万用表读数，将其记录在记录纸306上；HART通信在PC机上的软件305与被检仪表301之间进行，HART通信模块304作为他们之间的物理连接，通信的相关数据也通过测试人员读取上位机软件上的数据记录到记录纸306上。

图4是本发明自动巡回检测装置的系统示意图，主要分为3个部分：外接仪表部分401、自动测试装置402以及基于PC的上位机测试系统软件部分403。401主要是外接的被测试仪表，通过线缆与自动测试装置402连接；自动测试装置402由限流保护电路405、负载采样电阻406、电源模块407、模拟开关选通控制模块408、数字输出模块409、AD采集模块410、HART通信模块411、数字总线扩展接口413等组成。限流保护电路405、负载采样电阻406、与被检仪表401串联连接到电源模块407的24V输出上，形成二线制工业仪表回路，每台仪表均连接成图1所示的仪表回路。电源模块407的12V输出给自动测试装置402的内部各模块供电。安装有自动测试系统软件的PC机403通过数字接口与自动测试装置402的数字输出模块409、AD采集模块410、HART通信模块411连接。自动测试软件发出选通控制信号由数字输出模块409传输给多路模拟开关选通控制模块408，选通多个仪表回路中的一路信号，自动测试软件发出采集命令后，AD采集模块410负责将选通的一路信号进行AD采集，并通过PC的接口传送到自动测试软件，由软件对数据进行处理。自动测试软件还可以发出符合HART协议的HART命令，通过PC机的数字接口传送给HART通信模块411，该模块将数字信号转换成符合HART规范的FSK物理层信号叠加到回路负载电阻406上，从而与选通的仪表进行通讯。

图5是上位机软件的框架图，包含了数据采集、输出、显示、通信、存储等功能。上位机软件程序的数字输出511调用数字输出接口510对底层的数字输出硬件进行驱动，控制硬件选择指定仪表通道，数据采集508调用数据采集接口507对装置的AD转换部分进行驱动，对所选的通道进行数据转换与采集，将采集处理后的数据通过数据显示模块509显示，同时调用数据库接口505对采集的数据进行存储，保存到数据库506中。HART通信由HART应用层504发起，将组帧后的命令通过数据链路层503处理后驱动HART接口502向底层硬件系统发出通信命令，仪表接收到命令并响应，响应信息经过HART接口返回给上位机软件501，上位机软件HART数据链路层503对响应进行判断处理后交给HART应用层504，HART应用层504对响应报文进行解析处理，收到的数据通过数据显示模块509显示，通过数据库接口505进行数据存储。

图6软件系统仪表检测方法的主要流程图，启动软件后，步骤601参数设置模块对软硬件系统的各项参数进行设置，包括HART接口属性设置、数字输出模块和AD采集模块硬件的初始化、测试工程的相关信息的填写，并将这些信息记录入数据库。进入步骤602仪表扫描模块，对接入系统的仪表进行扫描，扫描完毕后进入循环检测部分。步骤603向硬件系统发送控制信号，经数字输出模块控制选通模块选择指定的通道，接着进入步骤604判断仪表类型，如果是HART智能仪表，步骤605向仪表发送HART命令，对仪表进行设置。步骤606对选通的通道进行采集。步骤607对AD采集以及HART通信返回来的数据进行处理并显示在界面上，步骤608将收集到的数据记录入数据库中。步骤609判断是否所有的仪表都已检测完毕，如果未完毕，则重复步骤603～608，直到所有的仪表检测完毕。步骤610判断是否所有的检测项目已经检测完毕，如未完毕，则重复步骤603～609，对下一检测项目进行检测。所有检测项目都完成后进入步骤611对数据进行分析处理和判断，步骤612将分析结果写入数据库。

图7为系统的数据传递过程。安装在PC机701上的检测软件704根据检测要求通过PC的数字线接口向检测装置702发送控制信号705；发送的数字控制信号由循环检测装置702上的数字输出模块解析并输出地址选择信号，控制选通电路部分选择指定通道；检测软件704向检测装置702发送HART命令706，并转发给被检仪表703，被检仪表响应信号708经由巡回检测装置702后传递给主机软件接收处710；检测软件704向检测装置702发送AD采集指令711，数据采集模块对仪表回路采样电阻上的电压信号进行AD变换，通过数字线接口将采集的数据712返回给PC端的软件进行采集处理，显示并记录入数据库。

实施例：图8、图9、图10是本发明的一个实施例的示意图。整个系统采用主从箱拓扑结构如图8，每个箱体内部采用模块化设计。

如图8是主从结构的硬件系统连接示意图，主箱801通过总线接口802、总线803与从箱804、807连接，扩展出多箱体拓扑结构，以检测更多的仪表。从箱804、807也可以接下一级的从箱808、809，以此类推。

图9是本发明的一个实施例的机械结构示意图，图示出了整个硬件系统的一种安装布置方式：箱体921内部通过横梁909、立柱916安装有数据采集板卡919、信号采样板917和923、选通控制及通信主板924以及电源模块901。他们之间的机械连接全部采用螺丝安装在箱体的梁上。数据采集板卡919采用中泰工控的USB7325BN数据采集卡，它同时包含了数据采集和数字输出的功能；电源模块901选用可输出24V和12V的开关电源模块T-50D。信号采样板分成两块相同的PCB板，包含有负载采样电阻和限流保护电路。选通控制及通信主板924包含了HART通信接口以及模拟开关选通控制电路。

他们之间的电气连接是这样的：电源模块901的输出通过双绞线连接到选通控制及通信主板924的接线端子903，给系统供电；选通控制及通信主板924的端子902，907分别与采样板917、923的电源接线端子双绞线连接，给仪表回路供电；选通控制及通信主板924的端子908与采集板卡的电源接口913连接，给该模块供电；选通控制及通信主板924的USB接口912与采集板卡的USB接口914用USB连接线连接进行数据通信；选通控制及通信主板924的另一个USB接口911通过USB连接线与PC连接，实现与上位机的通信；采集板卡的模拟输入口920与选通控制及通信主板924的接口925通过排线连接，数字输出口915通过排线与接口926连接；选通控制及通信主板924的接口904，906分别与采样板917，923的模拟输出信号接口连接；910为安装在选通控制及通信主板上的HART通信接口；905为与从箱连接的总线接口；918为与箱体外部多路转接板连接的接口，将外部仪表连入箱体；922为采样板上的采样电阻。

图10是本发明专利的一个实施例的系统框图，包含被检仪表部分1001，信号采样部分1002，多路选通控制与通信部分1003，数据采集与数字输出部分1004，系统供电模块1005，以及安装有自动测试软件的PC机1006。各部分采用独立的PCB设计制造，并安装固定在箱体的横梁和立柱上，各部分电源采用双绞线连接，信号传输采用排线连接，数据采集和HART通信采用USB总线连接，组成一个完整的系统。PC机1006软件设计实现了对多路通道的选通控制，模拟数据的采集，以及HART协议通信功能。被检仪表部分1001包含多台被检仪表1007，可以是任何普通4～20mA仪表或者HART智能仪表，与信号采样部分1002中限流保护电路1008，负载采样电阻1009一起串联组成仪表回路。采样电阻1009采用精密线绕电阻。

多路选通控制与通信部分1003中，HART通信模块1019采用上海工业自动化仪表研究所的TJ-3型隔离式USB-HART通信接口；USB HUB模块1020选用的是AU9254A21，USB HUB入口与PC连接，利用其中的两个USB输出口分别与数据采集卡1004和HART通信接口1019连接，实现HART通信和USB数据采集；多路模拟开关1012选用Maxim的MAX306EWI，译码器1014选用CD4514B。模拟开关1012、译码器1014和跳线1013配合可以选择最多256路中的一路。电源模块1005的12V输出给多路选通控制与通信部分1003中的各模块供电，经电源隔离模块1017隔离后给数据采集板卡1004供电，上电断电控制模块1018控制12V和24V电源上电断电的顺序，以保护内部芯片。经过控制的24V电源给仪表回路供电。1011、1016等则对采集的信号进行处理。软件系统1006是基于PC的上位机自动测试系统软件。

Claims (5)

1、一种两线制工业仪表的快速巡回检测装置，包括由限流保护电路、负载采样电阻、与被检仪表串联连接到电源模块的24V输出上形成的数个二线制工业仪表回路，其特征在于，还包括模拟开关选通控制模块、数字输出模块、AD采集模块、HART通信模块、扩展接口模块以及上位机，上位机通过数子接口分别与数字输出模块、AD采集模块、HART通信模块连接，上位机输出信号通过数字输出模块到模拟开关选通控制模块，用于选通二线制工业仪表回路中的一路，上位机输出信号到AD采集模块，进行信号采集，AD采集模块将选通回路信号送入上位机，上位机发出符合HART协议的HART命令给HART通信模块，HART通信模块将数字信号转换成符合HART规范的FSK物理层信号叠加到回路负载采样电阻，用于与选通仪表进行通信，所述电源模块同时各个模块供电。

2、根据权利要求1所述的两线制工业仪表的快速巡回检测装置，其特征在于，所述自动测试装置可采用主从结构，由数个子系统组成，每个子系统包含独立的电源模块，负载采样电阻模块，通道选择模块，子系统之间通过总线数字接口相连接组成总线网络。

3、一种两线制工业仪表的快速巡回检测方法，包括两线制工业仪表的快速巡回检测装置，检测方法包括以下步骤：

1)启动上位机软件，上位机内参数设置模块对装置的各项参数进行设置，包括HART接口属性设置、数字输出模块和AD采集模块硬件的初始化、测试工程的相关信息的填写，并将以上信息记录入数据库；

2)上位机内仪表扫描模块运行，对接入检测装置的仪表进行扫描，扫描完毕后进入循环检测部分；

3)上位机向检测装置发送控制信号，经数字输出模块输出地址选择信号给模拟开关选通控制模块选择指定的通道，接着进入仪表类型判断，如果是HART智能仪表，上位机通过HART通信模块及模拟开关选通控制模块向仪表发送HART命令，对仪表进行设置；

4)上位机通过AD采集模块对选通的通道进行数据采集，通过HART通信模块收取HART通信返回的数据，上位机处理数据并显示数据，同时将数据记录到数据库中；

5)巡检所有仪表是否已检测完毕，如没有完毕，重复步骤3)和4)，直到所有的仪表检测完毕；

6)判断是否所有的检测项目已经检测完毕，如未完毕，对下一检测项目进行检测，则重复步骤3)、4)、5)，直到所有检测项目完成；

7)所有检测项目都完成后对数据进行分析处理和判断，将分析结果写入数据库。

4、根据权利要求3所述的两线制工业仪表的快速巡回检测方法，其特征在于，所述步骤4)中上位机选通指定通道并对该通道进行数据采集，数据采集模块对仪表回路采样电阻上的电压信号进行AD变换，通过数字线接口将采集的数据返回给上位机端的软件进行采集处理，显示并记录入数据库。

5、根据权利要求3所述的两线制工业仪表的快速巡回检测方法，其特征在于，所述上位机发送HART命令通过HART通信模块进行信号转换，转换后的信号经过模拟开关选通控制模块后发送给被检仪表，被检仪表响应信号再经过模拟开关选通控制模块及HART通信模块转换后被上位机接收并处理。

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