基于树莓派开发板的回路测试装置及其测试方法与流程

1.本发明属于工业控制和回路信号诊断技术领域，具体涉及一种基于树莓派开发板的回路测试装置及其测试方法。


背景技术：

2.随着工业化和信息化的发展，工业控制、火电、核电，煤炭、石油、化工等领域的标准化建设中都采用分布控制系统(dcs)，dcs系统在各个领域使用的性能和要求各不相同，因此在dcs系统投入使用前，需要进行大量的现场测试工作，以确保dcs系统功能及性能能够满足各种控制领域的要求。
3.现有的dcs系统测试方式是根据测试规程，通过端接线测试或者信号发生器的i/o模块注入模拟量输入信号，查看i/o模块的输出信号。虽然这两种测试方式都能对dcs系统进行测试，但这种测试方法每次只能完成单通道的测试，不能够完整的测试设备连锁控制逻辑，尤其是核电站dcs系统的i/o规模基本上在10000点以上，如果需要全部测试需花费大量的人力、物力以及测试时间，操作繁琐且还容易引起人为因素的失误。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中dcs系统测试场景单一、操作繁琐、测试周期长、人力物力消耗大的缺陷，提供一种基于树莓派开发板的回路测试装置及其测试方法。
5.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
6.第一方面，本发明提供了一种基于树莓派开发板的回路测试装置，所述回路测试装置包括数字量输入信号采集模块、模拟量输入信号采集模块、模数转换模块、树莓派开发板模块、数模转换模块；
7.所述数字量输入信号采集模块用于接收分布控制系统发送的开关量控制信号；
8.所述模拟量输入信号采集模块用于接收所述分布控制系统发送的模拟量控制信号；
9.所述模数转换模块用于将所述模拟量控制信号转换为数字量控制信号；
10.所述树莓派开发板模块用于对就地设备进行建模，得到就地设备模型，基于所述开关量控制信号运行所述就地设备模型，并对所述就地设备模型采集到的所述数字量控制信号进行周期计算，以得到处理后的数字量控制信号；
11.所述数模转换模块用于将所述处理后的数字量控制信号转换为模拟量输出信号。
12.较佳地，所述回路测试装置还包括数字量输出信号发送模块、模拟量输出信号发送模块、光电隔离模块以及现场总线通讯接口模块；
13.所述数字量输出信号发送模块用于接收所述树莓派开发板模块中的所述就地设备模型的运行状态对应的开关量控制信号，并将所述开关量控制信号发送至所述分布控制系统；
14.所述模拟量输出信号发送模块用于接收所述模拟量输出信号，并将所述模拟量输出信号发送至所述分布控制系统；
15.所述光电隔离模块用于隔离输入信号和输出信号；
16.所述现场总线通讯接口模块用于实现所述分布控制系统与所述就地设备模型之间的通讯。
17.较佳地，所述就地设备包括电磁阀、气动阀、电动离心泵、功能开关柜、智能仪表、流量计和温度计中的至少一种。
18.较佳地，所述数字量输入信号采集模块包括数字输入信号通道，所述数字输入信号通道用于接收所述分布控制系统发送的所述开关量控制信号；
19.和/或，
20.所述模拟量输入信号采集模块包括模拟量输入信号通道，所述模拟量输入信号通道用于接收所述分布控制系统发送的所述模拟量控制信号。
21.较佳地，所述模拟量输出信号发送模块包括模拟量输出信号通道、热电阻信号输出通道中的至少一种；
22.所述模拟量输出信号通道用于接收所述就地设备模型的运行状态对应的电流信号或电压信号；所述热电阻信号输出通道用于接收所述就地设备模型的温度对应的电阻信号；
23.和/或，
24.所述数字量输出信号发送模块包括数字输出信号通道；
25.所述数字输出信号通道用于接收所述就地设备模型的运行状态对应的开关量控制信号。
26.较佳地，所述树莓派开发板模块包括存储单元；
27.所述存储单元用于存储所述就地设备模型。
28.较佳地，所述树莓派开发板模块还包括外接显示接口单元；
29.所述外接显示接口单元用于显示所述就地设备的运行状态以及所述回路测试过程。
30.较佳地，所述树莓派开发板模块还包括外接输入接口单元；
31.所述外接输入接口单元用于在回路测试过程中修改所述就地设备的参数以及切换不同的所述就地设备进行所述回路测试。
32.第二方面，本发明提供了一种基于树莓派开发板的回路测试方法，所述回路测试方法包括：
33.接收分布控制系统发送的开关量控制信号；
34.接收所述分布控制系统发送的模拟量控制信号，并对所述模拟量控制信号进行转换，以得到数字量控制信号；
35.对就地设备进行建模，得到就地设备模型，并基于所述开关量控制信号运行所述就地设备模型；
36.对所述就地设备模型采集到的所述数字量控制信号进行周期计算，以得到处理后的数字量控制信号；
37.将所述处理后的数字量控制信号转换为模拟量输出信号。
38.较佳地，所述回路测试方法还包括：
39.接收所述就地设备模型的运行状态对应的开关量控制信号；
40.将所述模拟量输出信号和所述开关量控制信号发送至所述分布控制系统。
41.本发明的积极进步效果在于：以工业版树莓派开发板为基础设计开发了dcs系统的回路测试装置，该回路测试装置采用具有成本低、结构简单的g语言程序开发环境开发的就地设备的就地设备模型对dcs系统发送的控制信号进行计算处理，并利用现场总线标准进行命令、处理结果的双向传输，能够快速获取dcs系统回路的测试结果；该回路测试装置中包括多个就地设备，实现了在回路测试过程快速切换不同的测试设备，仿真不同的测试场景，有利于测试人员节省大量的人力、物力以及测试周期。
附图说明
42.图1为本发明的实施例1提供的基于树莓派开发板的回路测试装置的示意图。
43.图2为本发明的实施例1提供的就地设备为离心泵的回路测试装置的示意图。
44.图3为本发明的实施例2提供的基于树莓派开发板的回路测试方法的流程示意图。
具体实施方式
45.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
46.实施例1
47.本实施例提供了一种基于树莓派开发板的回路测试装置，如图1所示，该回路测试装置100包括数字量输入信号采集模块11、模拟量输入信号采集模块12、模数转换模块13、树莓派开发板模块14、数模转换模块15以及分布控制系统10。
48.数字量输入信号采集模块11用于接收分布控制(dcs)系统发送的开关量控制信号。
49.在本实施例中，数字量输入信号采集模块11包括数字输入信号通道111，该数字输入信号通道111用于接收分布控制系统发送的开关量控制信号；具体地，dcs发出的开关量信号一般为闭合信号或者是断块信号，当dcs闭合时，数字量输入信号采集模块11将采集的开关量控制信号解读为1，而当dcs断开时，数字量输入信号采集模块11则将采集的开关量控制信号解读为0，将得到的“1”或“0”输入至树莓派开发板模块14中以控制就地设备的运行状态。
50.模拟量输入信号采集模块12用于接收分布控制系统发送的模拟量控制信号。
51.模数转换模块13用于将模拟量控制信号转换为数字量控制信号；
52.在本实施例中，模拟量输入信号采集模块12包括模拟量输入信号通道121，该模拟量输入信号通道121用于接收分布控制系统发送的模拟量控制信号；具体地，模拟量输入信号通道121接收到的dcs发送到现场的模拟量控制信号一般为4-20ma的电流信号、0-5v或0-10v的直流电压信号，但由于树莓派开发板模块14中的就地设备的输入为数字量信号且有一定的控制范围，因此需要对采集到的模拟量控制信号根据就地设备的控制范围进行二次标定。该模数转换模块13用于将二次标定后的模拟量控制信号按一定的时间间隔形成标准的数值，传递至树莓派开发板模块14进行周期计算。
53.作为可选的一种实施例，以输入的模拟量控制信号为4ma为例，对其进行二次标定后得到20％ma，再将转换得到20％ma输入到模数转换模块13中，转化得到对应的数值后输入至树莓派开发板模块14进行运算。
54.树莓派开发板模块14用于对就地设备进行建模，得到就地设备模型，并基于开关量控制信号运行就地设备模型，并对就地设备模型采集到的数字量控制信号进行周期计算，以得到处理后的数字量控制信号。
55.在本实施例中，树莓派开发板模块14作为整个回路测试装置的核心模块，基于g语言(图形程序语言)对就地设备进行建模，得到就地设备模型，并根据接收到的开关量控制信号运行就地设备模型并反馈就地设备模型的运行状态，同时实时计算就地设备模型采集到的数据，输出实时计算结果。
56.作为可选的一种实施例，树莓派开发板模块14还包括就地设备模型140、存储单元141、外接显示接口单元142以及外接输入接口单元143。
57.存储单元141用于存储就地设备模型；具体地，该存储单元采用flash存储器，与树莓派开发板模块14相连接，作为本实施例的回路测试装置中树莓派开发板模块14上的就地设备模型的存储设备，存储多种就地设备的模型，实现了随时切换不同的就地设备进行测试，便于测试人员操作。
58.外接显示接口单元142用于显示就地设备的运行状态以及回路测试过程；具体地，该外接显示接口单元与树莓派开发板模块14相连接，用于显示正在运行的就地设备的状态；本实施例采用外接一个显示器的方式，实现了实时获取就地设备的测试情况，便于测试人员操作。
59.外接输入接口单元143用于在回路测试过程中修改就地设备的参数以及切换不同的就地设备进行回路测试；具体地，该外接输入接口单元与树莓派开发板模块14相连接，提供usb外部输入设备接口，用于接入鼠标、键盘等便于操作的外部设备，在测试过程中通过外接显示器来修改正在测试的就地设备的参数或切换其他就地设备进行测试，使得测试简单快速且高效，便于测试人员操作。
60.作为可选的一种实施例，以就地设备为电动离心泵为例，如图2所示，电动离心泵接收到dcs系统的发出的启动指令，回路测试装置启动电动离心泵，同时反馈电动离心泵的运行状态至dcs系统。需要说明是就地设备不限于此处的电动离心泵，本实施例的就地设备包括但不限于通过g语言开发的电磁阀，气动阀，电动泵，气动泵，功能开关柜，智能仪表，流量计，温度计等，此处不作具体限定。
61.数模转换模块15用于将处理后的数字量控制信号转换为模拟量输出信号。
62.本实施例中，树莓派开发板模块14计算后的结果为数字量信号，需要将其通过数模转换模块15转换成模拟量控制信号通过模拟量输出信号发送模块传输至dcs系统。
63.作为可选的一种实施例，如图1所示，本实施例的回路测试装置还包括模拟量输出信号发送模块16、数字量输出信号发送模块17、光电隔离模块18、现场总线通讯接口模块19。
64.模拟量输出信号发送模块16用于接收模拟量输出信号，并将模拟量输出信号发送至分布控制系统。
65.本实施例中，模拟量输出信号发送模块16包括模拟量输出信号通道161和热电阻
信号输出通道162。该模拟量输出信号通道161用于接收就地设备模型的运行状态对应的电流信号或电压信号；该热电阻信号输出通道162用于接收就地设备模型的温度对应的电阻信号。
66.作为可选的一种实施例，当树莓派开发板模块14中的就地设备模型140开度(即模型输出)为80％时，就地设备模型会输出80的数值，将该数值输入至数模转换模块15中会得到4-20ma的电流信号，模拟量输出信号通道161接收该电流信号，再由模拟量输出信号发送模块16发送至dcs系统。
67.作为可选的一种实施例，当就地设备模型140的温度0为时，该热电阻信号输出通道162接收到就地设备模型输出的对应的数值，再通过数模转换模块15转换得到一个100ω的电阻信号，热电阻信号输出通道162接收该电阻信号，再由模拟量输出信号发送模块16发送至dcs系统。
68.数字量输出信号发送模块17用于接收树莓派开发板模块中的就地设备模型140的运行状态对应的开关量控制信号，并将开关量控制信号发送至分布控制系统。
69.本实施例中，数字量输出信号发送模块17包括数字输出信号通道171，该数字输出信号通道171用于接收就地设备模型的运行状态对应的开关量控制信号；具体地，当就地设备模型处于运行状态时，树莓派开发板模块14反馈一个闭合触点由数字量输出信号发送模块17发送至dcs，用于dcs检测就地设备运行情况；当就地设备模型处于停止状态时，树莓派开发板模块14反馈一个断开触点由数字量输出信号发送模块17发送至dcs，用于dcs检测就地设备模型运行情况。
70.光电隔离模块18用于隔离输入信号和输出信号。
71.本实施例中，光电隔离模块18用于实现输入输出间相互隔离，保证传输信号的电绝缘能力和抗干扰能力，增强回路测试装置的可靠性。
72.现场总线通讯接口模块19用于实现分布控制系统与就地设备模型之间的通讯。
73.本实施例中，现场总线通讯接口模块19用于实现dcs与就地设备模型进行通讯的接口；作为可选的一种实施例，现场总线接口模块，支持标准的modbus-tcp，profibus-dp，profinet以及ff总线协议，用于满足不同就地设备的通讯需求，实现就地设备模型的设备信息通过现场总线接口模块，传递至dcs系统，以及接收dcs系统通过现场总线下发的控制命令。
74.作为可选的一种实施例，以就地设备为电动离心泵为例，如图2所示，通过profibus(现场总线标准)通讯实时传递离心泵本体设备信息，便于测试人员快速获取回路的测试结果。
75.本实施例公开了一种基于树莓派开发板的回路测试装置，该回路测试装置采用树莓派开发板模块基于成本低、结构简单的g语言程序开发环境对多种就地设备进行建模，实现了在回路测试过程快速切换不同的测试设备，仿真不同的测试场景，有利于测试人员节省大量的人力、物力以及测试周期，同时利用现场总线标准进行命令、处理结果的双向传输，能够快速获取dcs系统回路的测试结果。
76.实施例2
77.本实施例提供了一种基于树莓派开发板的回路测试方法，该回路测试方法是基于实施例1所述的回路测试装置实现的，如图3所示，该回路测试方法包括以下步骤：
78.s1、接收分布控制系统发送的开关量控制信号。
79.本实施例中，dcs(分布控制)系统发出的开关量控制信号一般为闭合信号或者是断块信号，当dcs系统闭合时，数字量输入信号采集模块11将采集的开关量控制信号解读为1，而当dcs系统断开时，数字量输入信号采集模块11则将采集的开关量控制信号解读为0，将得到的“1”或“0”输入至树莓派开发板模块14中以控制就地设备的运行状态。
80.s2、接收分布控制系统发送的模拟量控制信号，并对模拟量控制信号进行转换，以得到数字量控制信号。
81.本实施例中，dcs发送到现场的模拟量控制信号一般为4-20ma的电流信号、0-5v或0-10v的直流电压信号，但由于树莓派开发板模块14中的就地设备模型的输入为数字量信号且有一定的控制范围，因此需要对采集到的模拟量控制信号根据就地设备模型的控制范围进行二次标定，并通过模数转换模块13按一定的时间间隔转换成标准的数值。
82.作为可选的一种实施例，以输入的模拟量控制信号为4ma为例，对其进行二次标定后得到20％ma，再将转换得到20％ma输入到模数转换模块13中，转化得到对应的数值后输入至树莓派开发板模块14进行运算。
83.s3、对就地设备进行建模，得到就地设备模型，并基于开关量控制信号运行就地设备模型。
84.在本实施例中，树莓派开发板模块14作为实施例1的回路测试装置的核心模块，基于g语言(图形程序语言)对就地设备进行建模，得到就地设备模型，并根据接收到的开关量控制信号运行就地设备模型。
85.作为可选的一种实施例，就地设备包括但不限于在树莓派开发板模块中通过g语言开发的电磁阀，气动阀，电动泵，气动泵，功能开关柜，智能仪表，流量计，温度计等，此处不作具体限定。
86.s4、对就地设备模型采集到的数字量控制信号进行周期计算，以得到处理后的数字量控制信号。
87.s5、将处理后的数字量控制信号转换为模拟量输出信号。
88.本实施例中，根据树莓派开发板14中的就地设备模型140的不同的运行状态，输出其对应的不同的数值，将得到的数值输入至数模转换模块15，得到不同的模拟量输出信号。
89.作为可选的一种实施例，当树莓派开发板模块14中的就地设备模型140的模型开度(即模型输出)为80％时，就地设备模型会输出80的数值，将该数值输入至数模转换器模块15中会得到4-20ma的电流信号。
90.作为可选作为可选的一种实施例，当就地设备模型140的温度0为时，该热电阻信号输出通道162接收到就地设备模型输出的对应的数值，再通过数模转换器模块15转换得到一个100ω的电阻信号。
91.作为可选的一种实施例，本实施例的回路测试方法还包括：
92.s6、接收就地设备模型的运行状态对应的开关量控制信号。
93.s7、将模拟量输出信号和开关量控制信号发送至分布控制系统。
94.本实施例中，通过模拟量输出信号发送模块16和数字量输出信号发送模块17将得到的模拟量输出信号和开关量控制信号发送至dcs系统。
95.作为可选的一种实施例，将树莓派开发板模块14中的就地设备模型140的模型开
度为80％时输出的数值转换得到的4-20ma的电流信号通过模拟量输出信号发送模块16发送至dcs系统。
96.作为可选的一种实施例，将就地设备模型140的温度0为时输出的对应数值转换得到的100ω的电阻信号通过模拟量输出信号发送模块16发送至dcs系统。
97.作为可选的一种实施例，当就地设备模型140处于运行状态时，树莓派开发板模块14反馈一个闭合触点由数字量输出信号发送模块17发送至dcs系统，用于dcs检测就地设备运行情况；当就地设备模型140处于停止状态时，树莓派开发板模块14反馈一个断开触点由数字量输出信号发送模块17发送至dcs系统，用于dcs检测就地设备模型运行情况。
98.作为可选的一种实施例，该回路测试方法通过现场总线通讯接口模块19实现dcs系统与就地设备模型140之间的通讯；具体地，现场总线接口模块，支持标准的modbus-tcp，profibus-dp，profinet以及ff总线协议，用于满足不同就地设备的通讯需求，实现就地设备模型的设备信息通过现场总线接口模块，传递至dcs系统，以及接收dcs系统通过现场总线下发的控制命令。
99.本实施例公开了一种基于树莓派开发板的回路测试方法，该回路测试方法通过接收dcs系统发出的开关量控制信号和模拟量控制信号，并将其输入至树莓派开发板模块中进行周期计算，得到处理后的模拟量输出信号以及树莓派开发板中就地设备运行状态对应的开关量控制信号，最后将模拟量输出信号以及开关量控制信号反馈发送至dcs系统。该测试方法能够快速获取dcs系统的回路测试结果，且操作便捷，测试周期短，节省了大量的人力和物力。
100.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。