专利名称：两线制工业仪表的快速巡回检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型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。
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l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。
发明内容本实用新型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，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。[0007] 本实用新型的技术方案为一种两线制工业仪表的快速巡回检测装置，包括数个 被检仪表、自动测试装置、上位机，自动测试装置中限流保护电路、负载采样电阻、与每个被 检仪表串联连接到自动测试装置中电源模块的24V正负端子上形成的数个二线制工业仪 表回路，自动测试装置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 通信模块以及总线扩展接口 ，上位机通过数字接口分别与自动测试装置中数字输出模块、 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，模拟开关 选通控制模块选通回路信号经过AD采集模块将采集信号送入上位机，上位机发出命令给 HART通信模块，HART通信模块将数字信号转换后通过模拟开关选通控制模块叠加到回路 负载采样电阻上，各个模块电源端接所述电源模块。 所述的HART通信接口包括数字接口模块，输入滤波模块，调制解调模块，输出整 形模块，电压调整模块，实现HART物理层的连接；数字接口传送过来的数字信号，经调制解 调模块，输出整形模块转换为符合HART物理层规范的Bel1202正弦信号叠加到4 20mA模 拟回路中；从回路中返回的HART信号经过输入滤波模块，调制解调模块转换为数字信号， 由数字接口模块与上位机通信。 所述的AD采集模块包含了电源调整，信号处理，AD转换，光电隔离，USB通信接口 ， 模拟开关选通控制模块包含译码器、多路模拟开关等，配合数字输出模块输出的地址信号， 实现模拟开关通道选择。 所述自动测试装置可包括数个子系统，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，子系统间通过总线扩展接口连接，构成主从结构系统。 本实用新型的有益效果在于本实用新型两线制工业仪表的快速巡回检测装置， 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。
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是本实用新型两线制工业仪表的快速巡回检测装置结构示意图； 图5是本实用新型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6是本实用新型快速巡回检测检测装置实施例的机械结构示意图； 图7是本实用新型两线制工业仪表的快速巡回检测装置的一个实施例的主箱框
4[0019] 图8是本实用新型两线制工业仪表的快速巡回检测装置一个实施例的从箱框图。
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是本实用新型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。外接的被测试 仪表404，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、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404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l所示的仪表回路，该回路提供了检测的信号源。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、AD采集模块、HART通信模块连接。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信。自动测试装置402还可以通过总线数字接口 413 扩展从箱412，为更多的仪表进行测试。 数字输出模块输出的地址信号给模拟开关选通控制模块实现通道选择。 数据采集模块包含了电源调整，信号处理，AD转换，光电隔离，USB通信接口 。上位 机发出采集命令后，数据采集模块对所选通道的4 20mA回路中的采样电阻电压进行信号 调理，AD转换及与上位机的数字通信，将采集结果传递给上位机软件； HART通信模块包括数字接口模块，调制解调模块，输入滤波模块，输出整形模块， 电压调整模块。该模块实现HART物理层的连接，通过该接口将上位机与被检仪表回路联系 起来，数字接口传送过来的数字信号，经调制解调模块，输出整形模块转换为符合HART物理层规范的Bel1202正弦信号叠加到4 20mA模拟回路中；从回路中返回的HART信号经 过输入滤波模块，调制解调模块转换为数字信号，由数字接口模块与上位机通信，从而实现 了上位机与仪表的双向通信。 安装在PC机上的自动检测软件，包含了对底层硬件的驱动控制，巡回检测功能以 及HART数据链路层、应用层的实现。 本实用新型可通过总线数字接口 413分离为多个子系统，每个子系统包含独立的 电源模块、负载采样电阻模块、通道选择模块等，子系统间通过总线连接，如图5所示主从 结构的硬件系统连接示意图，构成网络化的硬件系统，实现对更多仪表的检测。主箱501通 过总线接口 502、总线503与从箱504、507连接，扩展出多箱体拓扑结构，以检测更多的仪 表。从箱504、507也可以接下一级的从箱508、509，以此类推。 图6、图7、图8是本实用新型的一个实施例的示意图。整个系统采用主从箱拓扑 结构，每个箱体内部采用模块化设计。 图6是本实用新型的一个实施例的机械结构示意图，图示出了整个装置的一种安 装布置方式箱体621内部通过横梁609、立柱616安装有数据采集板卡619、信号采样板 617和623、选通控制及通信主板624以及电源模块601。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619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601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624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601的输出通过电源线连接到选通控制 及通信主板624的接线端子603，给系统供电；选通控制及通信主板624的端子602,607分 别与采样板617、623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 624的端子608与采集板卡的电源接口 613连接；选通控制及通信主板624的USB接口 612 与采集板卡的USB接口 614用USB连接线连接；选通控制及通信主板624的另一个USB接 口 611通过USB连接线与PC连接；采集板卡的模拟输入口 620与选通控制及通信主板624 的接口 625通过排线连接，数字输出口 615通过排线与接口 626连接；选通控制及通信主板 624的接口 604， 606分别与采样板617， 623的模拟输出信号接口连接；610为安装在选通控 制及通信主板上的HART通信接；605为与从箱连接的总线接口 ；618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；622为采样板上的采样电阻。以上是主箱的安装布 置，从箱的安装布置与主箱基本相同，减少了数据采集板卡619以及其与选通控制及通信 主板624之间的电源连接和数据线连接。 图7是本实用新型专利的一个实施例主箱的系统框图，包含被检仪表部分701，信 号采样部分702，多路选通控制通信部分703，数据采集部分704，系统供电模块705，以及安 装有自动测试软件的PC机706。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706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701包含多台被检仪表707， 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702中限流保护电路 708，负载采样电阻709 —起串联组成仪表回路。采样电阻709采用精密线绕电阻。
6[0033] 多路选通控制与通信部分703中，HART通信模块719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；USB HUB模块720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704和HART通信接口 719连 接，实现HART通信和USB数据采集；数据采集卡704的数字输出经光电隔离715隔离后控制 多路选通控制部分；多路模拟开关712选用Maxim的MAX306EWI，译码器714选用CD4514B。 模拟开关712、译码器714和跳线713配合可以选择最多256路中的一路。电源模块705的 12V输出给多路选通控制与通信部分703中的各模块供电，经电源隔离模块717隔离后给数 据采集板卡704供电，上电断电控制模块718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。711、716等则对采集的信号进行处理。 主箱还提供两个总线扩展接口接口 721，方便扩展从箱。 图8是本专利的一个实施例从箱的系统框图，与主箱中的布置基本相同，包含被 检仪表部分801，信号采样部分802，多路选通控制通信部分803，回路供电模块814。从箱 中的各功能模块12V供电通过扩展接口 812与主箱的连接取得，同时该接口 812还传送数 据采集板卡704经隔离后的数字选通信号，其他部分的连接和功能与主箱中的类似，从箱 也提供两个总线接口 821，扩展下一级从箱。
权利要求一种两线制工业仪表的快速巡回检测装置，包括数个被检仪表、自动测试装置、上位机，自动测试装置中限流保护电路、负载采样电阻、与每个被检仪表串联连接到自动测试装置中电源模块的24V正负端子上形成的数个二线制工业仪表回路，其特征在于，自动测试装置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通信模块以及总线扩展接口，上位机通过数字接口分别与自动测试装置中数字输出模块、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，模拟开关选通控制模块选通回路信号经过AD采集模块将采集信号送入上位机，上位机发出命令给HART通信模块，HART通信模块将数字信号转换后通过模拟开关选通控制模块叠加到回路负载采样电阻上，各个模块电源端接所述电源模块。
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，所述的 HART通信接口包括数字接口模块，输入滤波模块，调制解调模块，输出整形模块，电压调整 模块，实现HART物理层的连接；数字接口传送过来的数字信号，经调制解调模块，输出整形 模块转换为符合HART物理层规范的Bel1202正弦信号叠加到4 20mA模拟回路中；从回 路中返回的HART信号经过输入滤波模块，调制解调模块转换为数字信号，由数字接口模块 与上位机通信。
3. 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，所述的 AD采集模块包含了电源调整，信号处理，AD转换，光电隔离，USB通信接口 ，模拟开关选通控 制模块包含译码器、多路模拟开关等，配合数字输出模块输出的地址信号，实现模拟开关通 道选择。
4. 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 动测试装置可包括数个子系统，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，子系统间通过总线扩展接口连接，构成主从结构系统。
专利摘要本实用新型涉及一种两线制工业仪表的快速巡回检测装置，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。
文档编号G01R31/00GK201497780SQ200920075898
公开日2010年6月2日 申请日期2009年8月6日 优先权日2009年8月6日
发明者姜祥真, 操永波, 陈俊杰 申请人:上海工业自动化仪表研究所