壓力儀表綜合標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

蔣 楠

（張家港市檢驗(yàn)檢測(cè)中心，江蘇 張家港 215600）

壓力儀表包括壓力數(shù)顯表、壓力變送器、壓力開關(guān)等諸多種類，具有電氣接口的壓力儀表具有信號(hào)輸入（開關(guān)量、4mA～20mA）和輸出（開關(guān)量、繼電器、4 mA～20mA）。壓力儀表在出廠人工標(biāo)定和測(cè)試的過程中，難以保證諸多壓力儀表實(shí)現(xiàn)同步的多通道標(biāo)定、多通道測(cè)試及出具對(duì)應(yīng)的測(cè)試記錄。傳統(tǒng)的數(shù)顯二次儀表難以實(shí)現(xiàn)靈活的通道配置，采用工控遠(yuǎn)端IO模塊和Modbus網(wǎng)關(guān)結(jié)合的方式，可以實(shí)現(xiàn)壓力綜合標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)的快速搭建。遠(yuǎn)端IO模塊支持?jǐn)?shù)字量輸入DI、數(shù)字量輸出DO、模擬量輸入AI、模擬量輸出AO。Modbus網(wǎng)關(guān)支持多主機(jī)訪問，將Modbus RTU串口協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Modbus TCP網(wǎng)口協(xié)議數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀表的冗余標(biāo)定和測(cè)試并進(jìn)行記錄[1]。

圖1 壓力綜合標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)硬件圖Fig.1 Hardware diagram of pressure integrated calibration test system

圖2 IP地址與撥碼值對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.2 Corresponding relationship between IP address and dial value

1 遠(yuǎn)端IO

1.1 主控制器

與壓力儀表配套設(shè)備 Modbus-TCP 網(wǎng)絡(luò)適配器支持標(biāo)準(zhǔn) Modbus-TCP 服務(wù)器通訊，以太網(wǎng)支持雙網(wǎng)口交換機(jī)級(jí)聯(lián)功能。設(shè)備支持5個(gè)客戶端同時(shí)訪問，支持01/02/03/04/05/06/15/16/23功能碼，支持 Modbus 應(yīng)用看門狗，支持過程數(shù)據(jù)輸入輸出之和最大為8192字節(jié)，支持的擴(kuò)展IO模塊數(shù)量為32個(gè)。模塊自帶診斷功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)控IO模塊通信狀態(tài)。LAN1/LAN2支持交換機(jī)級(jí)聯(lián)功能，10Mbps/100Mbps自適應(yīng)速率。硬件及接口：①網(wǎng)絡(luò)接口；②通訊配置接口；③模塊型號(hào)；④LED指示燈；⑤接線端子；⑥卡扣；⑦接地片；⑧線束固定；⑨現(xiàn)場(chǎng)電源；⑩內(nèi)部總線。接線時(shí)注意：在模塊內(nèi)部，兩個(gè)接線端子SV+已短接，兩個(gè)接線端子SV-已短接，兩個(gè)接線端子FV+已短接，兩個(gè)接線端子FV-已短接。外部只需要接入一路系統(tǒng)電源和一路現(xiàn)場(chǎng)電源。LED指示燈根據(jù)控制器配置的參數(shù)運(yùn)行，做出不同的狀態(tài)指示[2]。

1）PWR電源指示燈（紅色）含義：

亮：系統(tǒng)電源供電正常。

滅：系統(tǒng)電源供電異常。

2）STAT 模塊狀態(tài)指示燈（紅色/綠色）含義：

紅色閃：2次，模塊異常已軟重啟。

綠色常亮：運(yùn)行模式。

綠色單閃：停止模式。

紅綠交替閃爍（2.5Hz）：當(dāng)前狀態(tài)為升級(jí)模式。

紅綠交替閃爍（10Hz）：正在進(jìn)行固件升級(jí)。

3）RUN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指示燈（綠色）含義：

亮：TCP 端口已連接。

滅：TCP 端口未連接。

閃爍：Modbus數(shù)據(jù)交換。

閃4次：點(diǎn)燈測(cè)試。

快閃（10Hz）：MAC地址非法。

4）ERR網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤指示燈（紅色）含義：

慢閃（2.5Hz）：LAN1和LAN2 Link-Down。

滅 ：LAN1 或 LAN2 Link-Up。

快閃（10Hz）：MAC 地址非法。

5）IRN IO 運(yùn)行指示燈（綠色）含義：

亮：IO 初始化正常。

滅：IO 初始化錯(cuò)誤。

6）IER IO 錯(cuò)誤指示燈（紅色）含義：

熄滅：IO通訊正常。

閃2次：IO通訊錯(cuò)誤。

7）Field Power 指示燈（紅色）含義：

亮：現(xiàn)場(chǎng)電源供電正常。

滅：現(xiàn)場(chǎng)電源供電異常。

1.2 通信配置

網(wǎng)絡(luò)接口有兩個(gè)狀態(tài)指示燈。Speed，網(wǎng)絡(luò)速度指示燈（綠色）。ON：100Mbps；OFF：10Mbps。Link/Act，Link 狀態(tài)指示、Active 活躍指示燈（橙色）。ON：Link UP；OFF：Link DOWN；Flash：Active。SHIELD：RJ45水晶頭屏蔽層接口?？刂破鳈C(jī)頭有撥碼開關(guān)、模塊復(fù)位按鈕和配置端口。Switch，撥碼開關(guān)，用于設(shè)置IP地址。當(dāng)撥碼值為0時(shí)，IP地址4 個(gè)字節(jié)采用默認(rèn)IP -192.168.1.100；當(dāng)撥碼值不為0時(shí)，IP地址最后一字節(jié)由撥碼值決定，前3個(gè)字節(jié)采用默認(rèn)192.168.1。Reset，模塊復(fù)位按鈕。長(zhǎng)按按鍵5 s以上，模塊所有參數(shù)將恢復(fù)到默認(rèn)值。當(dāng)按下Reset有效時(shí)，按鈕左上角會(huì)有一個(gè)綠色指示燈亮。Config，配置端口，標(biāo)準(zhǔn) Micro-USB 接口，用于配置設(shè)備參數(shù)、固件升級(jí)[3]。

圖3 網(wǎng)關(guān)配置上位機(jī)界面圖Fig.3 Interface diagram of gateway configuration upper computer

圖4 多主機(jī)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Multi host application structure diagram

2 Modbus網(wǎng)關(guān)

2.1 參數(shù)配置

壓力儀表標(biāo)定測(cè)試涉及到多通道的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，采用ZLAN5144J的 MQTT+JSON轉(zhuǎn)Modbus網(wǎng)關(guān)。支持以MQTT的方式連接云端服務(wù)器，支持可以界面化配置，自主采集Modbus儀表/645儀表的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為JSON格式上發(fā)云端服務(wù)器。支持100個(gè)左右的采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，它有可以作為普通的透?jìng)鞯拇诜?wù)器和Modbus網(wǎng)關(guān)在裝置中使用。RS232/485/422 3種類型串口，支持1個(gè)以太網(wǎng)接口。9 V～24V的寬電壓的高質(zhì)量電源設(shè)計(jì)提供了更好的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性，可配備的導(dǎo)軌安裝配件適合導(dǎo)軌安裝。它集成了Modbus TCP網(wǎng)關(guān)功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議轉(zhuǎn)化為Modbus TCP協(xié)議[4]。

2.2 多主機(jī)應(yīng)用

除了上述基本配置，可以使用多主機(jī)讀取功能，啟用后讓轉(zhuǎn)化協(xié)議為Modbus TCP的設(shè)備具有存儲(chǔ)型Modbus網(wǎng)關(guān)功能，否則為非存儲(chǔ)型Modbus網(wǎng)關(guān)；如果轉(zhuǎn)化協(xié)議為無，一般可以讓用戶自定義的RS485協(xié)議也具有多個(gè)主機(jī)同時(shí)訪問的串口設(shè)備的功能，這在純粹的RS485網(wǎng)絡(luò)中是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槎鄠€(gè)主站同時(shí)發(fā)送會(huì)在RS485總線上產(chǎn)生沖突。串口服務(wù)器的多主機(jī)可以對(duì)RS485總線進(jìn)行“協(xié)調(diào)”，從而達(dá)到多主機(jī)訪問的目的[5,6]。

3 系統(tǒng)集成

擬 采 用 CT-121F（16通 道 DI）、CT-222F（16通 道DO）、CT-3238（8通道 AI）和 CT-4234（4通道 AO）進(jìn)行集成。分別以壓力變送器和壓力開關(guān)為例，簡(jiǎn)述綜合標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)的集成過程。壓力變送器在兩線制24V供電情況下，針對(duì)壓力值進(jìn)行4mA～20mA電流輸出，在正確連接壓力源的情況下，需要進(jìn)行電流輸出通道標(biāo)定和測(cè)試。首先，給基座發(fā)送命令控制CT-3238（8通道AI），采集待標(biāo)定壓力變送器固定輸出4mA和20mA點(diǎn)的電流值，并將其寫入壓力變送器表頭，完成電流輸出通道的標(biāo)定；調(diào)整連接壓力源的大小至0%、25%、50%、75%、100%并用CT-3238（8通道AI）記錄對(duì)應(yīng)的電流值，并計(jì)算出正行程和返行程的相對(duì)誤差值。8通道的AI即可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)壓力變送器的同步測(cè)試，常見壓力變送器的硬件接口是與MCU連接的TTL電平UART，需要進(jìn)行UART的TTL電平和RS485電平轉(zhuǎn)換。由于傳統(tǒng)的RS485從機(jī)只能供一個(gè)主機(jī)進(jìn)行訪問和連接，如果進(jìn)行批量出廠標(biāo)定和批量產(chǎn)品測(cè)試兩項(xiàng)工作，需要兩個(gè)部門進(jìn)行，相當(dāng)于多個(gè)主機(jī)訪問操作一個(gè)從機(jī)，應(yīng)用Modbus網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)上述功能，將多個(gè)Modbus網(wǎng)關(guān)配置不同的IP地址，相同的網(wǎng)段，這樣后續(xù)多臺(tái)壓力變送器儀表都可以通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接。壓力開關(guān)的標(biāo)定測(cè)試過程類似，將壓力源調(diào)整至壓力開關(guān)動(dòng)作閾值，并進(jìn)行壓力開關(guān)的限值標(biāo)定，通過基座發(fā)送命令至CT-121F（16通道DI），則可以實(shí)現(xiàn)16路壓力開關(guān)的同步測(cè)試，壓力開關(guān)的輸出有干接點(diǎn)輸出和繼電器輸出兩種方式，針對(duì)性地調(diào)整DI的接線方式即可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的采集[7]。

4 結(jié)論

本文闡述了應(yīng)用遠(yuǎn)端IO和Modbus網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)多個(gè)壓力儀表的同步出廠標(biāo)定和產(chǎn)品測(cè)試。通過集成遠(yuǎn)端IO基座和擴(kuò)展數(shù)字量和模擬量板卡，實(shí)現(xiàn)壓力變送器和壓力開關(guān)的出廠標(biāo)定和產(chǎn)品測(cè)試。應(yīng)用Modbus網(wǎng)關(guān)解決了單臺(tái)RS485從機(jī)無法被多臺(tái)主機(jī)訪問的問題，實(shí)現(xiàn)了壓力儀表標(biāo)定測(cè)試的冗余記錄功能。經(jīng)應(yīng)用測(cè)試，所研發(fā)的壓力儀表綜合標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)壓力儀表批量標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，減少了現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)保證了測(cè)試的準(zhǔn)確性。