壓力儀表綜合標定測試系統的研究與實現

蔣 楠

（張家港市檢驗檢測中心，江蘇 張家港 215600）

壓力儀表包括壓力數顯表、壓力變送器、壓力開關等諸多種類，具有電氣接口的壓力儀表具有信號輸入（開關量、4mA～20mA）和輸出（開關量、繼電器、4 mA～20mA）。壓力儀表在出廠人工標定和測試的過程中，難以保證諸多壓力儀表實現同步的多通道標定、多通道測試及出具對應的測試記錄。傳統的數顯二次儀表難以實現靈活的通道配置，采用工控遠端IO模塊和Modbus網關結合的方式，可以實現壓力綜合標定測試系統的快速搭建。遠端IO模塊支持數字量輸入DI、數字量輸出DO、模擬量輸入AI、模擬量輸出AO。Modbus網關支持多主機訪問，將Modbus RTU串口協議數據轉換為Modbus TCP網口協議數據，實現多臺儀表的冗余標定和測試并進行記錄[1]。

圖1 壓力綜合標定測試系統硬件圖Fig.1 Hardware diagram of pressure integrated calibration test system

圖2 IP地址與撥碼值對應關系圖Fig.2 Corresponding relationship between IP address and dial value

1 遠端IO

1.1 主控制器

與壓力儀表配套設備 Modbus-TCP 網絡適配器支持標準 Modbus-TCP 服務器通訊，以太網支持雙網口交換機級聯功能。設備支持5個客戶端同時訪問，支持01/02/03/04/05/06/15/16/23功能碼，支持 Modbus 應用看門狗，支持過程數據輸入輸出之和最大為8192字節，支持的擴展IO模塊數量為32個。模塊自帶診斷功能，可實時監控IO模塊通信狀態。LAN1/LAN2支持交換機級聯功能，10Mbps/100Mbps自適應速率。硬件及接口：①網絡接口；②通訊配置接口；③模塊型號；④LED指示燈；⑤接線端子；⑥卡扣；⑦接地片；⑧線束固定；⑨現場電源；⑩內部總線。接線時注意：在模塊內部，兩個接線端子SV+已短接，兩個接線端子SV-已短接，兩個接線端子FV+已短接，兩個接線端子FV-已短接。外部只需要接入一路系統電源和一路現場電源。LED指示燈根據控制器配置的參數運行，做出不同的狀態指示[2]。

1）PWR電源指示燈（紅色）含義：

亮：系統電源供電正常。

滅：系統電源供電異常。

2）STAT 模塊狀態指示燈（紅色/綠色）含義：

紅色閃：2次，模塊異常已軟重啟。

綠色常亮：運行模式。

綠色單閃：停止模式。

紅綠交替閃爍（2.5Hz）：當前狀態為升級模式。

紅綠交替閃爍（10Hz）：正在進行固件升級。

3）RUN網絡運行指示燈（綠色）含義：

亮：TCP 端口已連接。

滅：TCP 端口未連接。

閃爍：Modbus數據交換。

閃4次：點燈測試。

快閃（10Hz）：MAC地址非法。

4）ERR網絡錯誤指示燈（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 運行指示燈（綠色）含義：

亮：IO 初始化正常。

滅：IO 初始化錯誤。

6）IER IO 錯誤指示燈（紅色）含義：

熄滅：IO通訊正常。

閃2次：IO通訊錯誤。

7）Field Power 指示燈（紅色）含義：

亮：現場電源供電正常。

滅：現場電源供電異常。

1.2 通信配置

網絡接口有兩個狀態指示燈。Speed，網絡速度指示燈（綠色）。ON：100Mbps；OFF：10Mbps。Link/Act，Link 狀態指示、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。控制器機頭有撥碼開關、模塊復位按鈕和配置端口。Switch，撥碼開關，用于設置IP地址。當撥碼值為0時，IP地址4 個字節采用默認IP -192.168.1.100；當撥碼值不為0時，IP地址最后一字節由撥碼值決定，前3個字節采用默認192.168.1。Reset，模塊復位按鈕。長按按鍵5 s以上，模塊所有參數將恢復到默認值。當按下Reset有效時，按鈕左上角會有一個綠色指示燈亮。Config，配置端口，標準 Micro-USB 接口，用于配置設備參數、固件升級[3]。

圖3 網關配置上位機界面圖Fig.3 Interface diagram of gateway configuration upper computer

圖4 多主機應用結構圖Fig.4 Multi host application structure diagram

2 Modbus網關

2.1 參數配置

壓力儀表標定測試涉及到多通道的數據處理和轉換，采用ZLAN5144J的 MQTT+JSON轉Modbus網關。支持以MQTT的方式連接云端服務器，支持可以界面化配置，自主采集Modbus儀表/645儀表的數據，轉化為JSON格式上發云端服務器。支持100個左右的采集數據點，它有可以作為普通的透傳的串口服務器和Modbus網關在裝置中使用。RS232/485/422 3種類型串口，支持1個以太網接口。9 V～24V的寬電壓的高質量電源設計提供了更好的工業環境適應性，可配備的導軌安裝配件適合導軌安裝。它集成了Modbus TCP網關功能，可以方便地實現Modbus RTU協議轉化為Modbus TCP協議[4]。

2.2 多主機應用

除了上述基本配置，可以使用多主機讀取功能，啟用后讓轉化協議為Modbus TCP的設備具有存儲型Modbus網關功能，否則為非存儲型Modbus網關；如果轉化協議為無，一般可以讓用戶自定義的RS485協議也具有多個主機同時訪問的串口設備的功能，這在純粹的RS485網絡中是無法實現的，因為多個主站同時發送會在RS485總線上產生沖突。串口服務器的多主機可以對RS485總線進行“協調”，從而達到多主機訪問的目的[5,6]。

3 系統集成

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）進行集成。分別以壓力變送器和壓力開關為例，簡述綜合標定測試系統的集成過程。壓力變送器在兩線制24V供電情況下，針對壓力值進行4mA～20mA電流輸出，在正確連接壓力源的情況下，需要進行電流輸出通道標定和測試。首先，給基座發送命令控制CT-3238（8通道AI），采集待標定壓力變送器固定輸出4mA和20mA點的電流值，并將其寫入壓力變送器表頭，完成電流輸出通道的標定；調整連接壓力源的大小至0%、25%、50%、75%、100%并用CT-3238（8通道AI）記錄對應的電流值，并計算出正行程和返行程的相對誤差值。8通道的AI即可以實現8個壓力變送器的同步測試，常見壓力變送器的硬件接口是與MCU連接的TTL電平UART，需要進行UART的TTL電平和RS485電平轉換。由于傳統的RS485從機只能供一個主機進行訪問和連接，如果進行批量出廠標定和批量產品測試兩項工作，需要兩個部門進行，相當于多個主機訪問操作一個從機，應用Modbus網關可以實現上述功能，將多個Modbus網關配置不同的IP地址，相同的網段，這樣后續多臺壓力變送器儀表都可以通過交換機實現穩定連接。壓力開關的標定測試過程類似，將壓力源調整至壓力開關動作閾值，并進行壓力開關的限值標定，通過基座發送命令至CT-121F（16通道DI），則可以實現16路壓力開關的同步測試，壓力開關的輸出有干接點輸出和繼電器輸出兩種方式，針對性地調整DI的接線方式即可以實現動作的采集[7]。

4 結論

本文闡述了應用遠端IO和Modbus網關實現多個壓力儀表的同步出廠標定和產品測試。通過集成遠端IO基座和擴展數字量和模擬量板卡，實現壓力變送器和壓力開關的出廠標定和產品測試。應用Modbus網關解決了單臺RS485從機無法被多臺主機訪問的問題，實現了壓力儀表標定測試的冗余記錄功能。經應用測試，所研發的壓力儀表綜合標定測試系統可以穩定可靠地實現壓力儀表批量標定，實現生產自動化，減少了現場計量的勞動強度，同時保證了測試的準確性。