专利名称：一种hart回路故障诊断仪及诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种工业控制技术，特别涉及一种HART回路故障诊断仪及诊断方法。
背景技术：
目前，基于HART现场总线协议的控制回路在工业控制系统中占有相当大的份额， 而且呈现出快速增长的趋势。这主要是由于HART回路既兼容了传统模拟控制回路的信号传输方式，又提供了许多现场总线协议特有的功能，例如对现场仪表的远程配置、故障诊断功能等等。然而考虑到工业现场环境的复杂性，HART回路在实际工作过程中可能出现各种故障而无法完成正常的检测和控制任务。造成回路故障的原因可能是某个部件(现场设备、控制器、电缆线等)失效，也可能是较强的电磁干扰导致某些部件无法正常工作等等。控制系统中的故障如果无法准确及时地被排除，那么就有可能影响到工业生产的安全性以及效率，从而造成一系列严重的后果。因此对系统用户而言，如何在故障发生的第一时间识别它，并且准确地排除它是十分重要的。一般情况下，现场工程师在对HART回路作故障诊断时往往会借助多种设备(数字万用表、校验仪、示波器等等)，并且结合自己的经验作判断。这样的诊断方式往往比较繁琐、缺乏便利性，而且诊断结果正确与否与工程师的经验有很大关系。工程师在判断上出现的问题很可能导致错误的诊断结果，从而无法及时地排除问题。

发明内容
本发明是针对现在工业控制系统使用环境复杂化导致HART现场总线协议的控制回路无法正常工作的问题，提出了一种HART回路故障诊断仪及诊断方法，能够对HART回路中可能出的各种故障进行诊断的便携式设备，从而帮助使用者提高HART回路故障诊断的便利性和准确性。本发明的技术方案为一种HART回路故障诊断仪，包括一台手持式设备、一个诊断模块和一个测试接口，诊断模块包括功能电路、通信接口、功能选择电路、微处理器单元、 供电单元，手持式设备与诊断模块中微处理器单元通过通讯接口进行实现数据传输，微处理器单元输入输出口接功能电路，微处理器单元输出控制信号到功能选择电路，功能电路通过功能选择电路接测试接口，测试接口在诊断过程中连接到HART回路中需要诊断的位置，供电单元为各个电路供电，功能电路包括HART通信主站电路、HART通信从站电路、恒压输出电路、恒流输出电路、直流电压测量电路、交流电压测量电路、直流电流测量电路、电阻值测量电路。一种HART回路故障诊断方法，包括HART回路故障诊断仪，将HART回路诊断仪与 HART回路中的至少一个组件相并联，或替代至少一个组件串联到HART回路中，实现对HART 回路及现场仪表的故障诊断，诊断模块内部的微处理器单元对通信接口上从手持式设备接收到的数据进行解析，控制功能选择电路中各个功能开关的通断并向各功能电路发送或接收数据，各功能电路通过功能选择电路对应的开关接HART回路测试点，实现HART回路各项故障的诊断，测试结果微处理器单元按照与手持式设备之间对于通信数据格式的约定整理为既定格式。所述HART回路故障诊断中回路连接诊断，首先将故障诊断仪代替现场设备接入回路，接通恒压输出电路通过恒流输出电路402输出0 22mA之间任意大小的电流信号， 在HART回路中DCS主站一侧观察接收到的电流，根据接收到的电流与诊断仪输出的电流是否一致诊断当前回路的连接情况及DCS主站的工作状态，然后将诊断仪配置为HART通信从站模式，让HART回路中HART主站向诊断仪发送HART通用及常用命令，根据HART主站能否接收到正确的响应报文判断HART主站的工作状态。所述HART回路故障诊断中电源端对接地点电压诊断，首先将现场设备从回路中断开，然后接通诊断仪的直流测量电路、交流电压测量电路依次测试电源+端与接地点、电源-端与接地点之间电压的大小和形式，如果测量得到的电压超出允许的范围，则认为回路中存在此项故障。所述HART回路故障诊断中现场设备工作状态及回路阻抗诊断，首先将诊断仪连接在现场设备输入电源+端与输入电源-端之间，将HART主站通信电路设置为固定电流输出Il=22mA，然后接通诊断仪的直流电压测量电路读取电源+端与电源-端之间当前的直流电压值VI，若Vl大于现场设备正常工作所需要的最小电压，认为现场设备的工作状态正常；反之认为现场设备无法正常工作，然后，再次将诊断仪的HART主站通信电路输出电流调低为I2=12mA，并再次读取电源+端与电源-端之间当前的直流电压值V2，在Vl大于正常工作所需最小电压的情况下，可以根据数据计算回路阻抗R_=- (V1-V2) / (11-12)，若阻抗小于230 Ω或大于600 Ω，认为回路阻抗不符合规范。所述HART回路故障诊断中输出模拟电流精度诊断，诊断时首先将现场设备的输入电源-端从回路中断开，并将诊断仪的HART主站通信电路并联在现场设备的电源+_两端，诊断仪的直流电压测量电路并联测试电阻Rtest两端后接现场设备的输入电源-端和接地端，然后，诊断仪的HART主站通信电路设置4mA固定电流输出，同时诊断仪的直流电压测量电路采集测试电阻两端的电压并转换为现场设备输出的模拟电流，从而比较判断其精度。所述HART回路故障诊断中电源噪声诊断，诊断仪的交流电压测量电路通过滤波器组接现场设备输入电源+端与电源-端，滤波器组包括不同通带频率的滤波器，通过滤波器的选通，交流电压测量电路测量经过不同频段滤波的现场设备输入交流电压的大小，判断电源噪声。所述HART回路故障诊断中短路诊断，首先关闭HART回路中系统电源，然后将诊断仪的电阻值测量电路依次接入测量现场设备输入电源+端与输入电源-端、输入电源+端与接地点、输入电源-端与接地点之间的电阻值，从而判断三者之间是否存在短路现象。所述HART回路故障诊断中现场设备HART通信故障诊断，首先将现场设备从回路中取下连接到诊断仪两端，然后诊断仪的HART主站通信电路向现场设备发送一条固定电流命令，然后诊断仪的直流电压测量电路采集通信电阻R。。m两端的电压，判断输出电流是否正确以及现场设备是否应答了该报文，若现场设备的输出电流不变化且没有应答该报文， 那么认为其接收通道存在故障；若现场设备的输出电流变化而没有应答该报文，那么认为其发送通道存在故障；若现场设备的输出电流变化且应答该报文，那么认为其通信不存在故障，此时可以将现场设备设置为阵发模式并重新接入原回路。所述HART回路故障诊断中系统电源诊断，将HART回路中系统电源从回路中断开， 诊断仪的恒压输出电路取而代之为现场设备供电，观察此时回路中原有的故障是否消除， 若故障消除，说明回路中原有的故障是由系统电源造成的。本发明的有益效果在于本发明HART回路故障诊断仪及诊断方法，用于帮助现场工程师准确及时地检测和诊断HART回路中出现的故障，该设备提供了 HART回路诊断所需要的各项功能，能够指导工程师按步骤进行诊断操作并且提供诊断结论，提高HART回路故障诊断的便利性和准确性，其优势是其他设备无法媲美的。


图1为典型HART回路示意图2为本发明HART回路故障诊断仪结构示意图3为本发明HART回路故障诊断仪中诊断模块结构示意图4为本发明HART回路故障诊断仪中回路连接诊断功能示意图5为本发明HART回路故障诊断仪中电源端对接地点电压诊断功能示意图6为本发明HART回路故障诊断仪中现场设备工作状态及回路阻抗诊断功能示意
图7为本发明HART回路故障诊断仪中输出模拟电流精度诊断功能示意图； 图8为本发明HART回路故障诊断仪中电源噪声诊断功能示意图； 图9为本发明HART回路故障诊断仪中短路诊断功能示意图； 图10为本发明HART回路故障诊断仪中现场设备HART通信故障诊断功能示意图； 图11为本发明HART回路故障诊断仪中系统电源诊断功能示意图。
具体实施例方式如图1所示典型HART回路示意图，其中包括了系统电源101、现场设备102、250Ω 电阻103通过连接导线108串联，DCS系统主站104 (主要包含模拟量1/0105和控制器 106)、HART通信主站107和250 Ω电阻103并联，现场设备102接地点109。图2是本发明的总体结构示意图。本发明由一台手持式设备201、一个诊断模块 202和一个测试接口 203组成。手持式设备201和诊断模块202之间通过有线或无线的通信方式实现数据传输。测试接口 203在诊断过程中连接到HART回路中不同的位置。手持式设备带有通信接口和人机界面。通信接口用于实现手持式设备与测试模块之间的数据传输。人机界面使得用户能够对测试诊断仪进行操作，并且查看测试和诊断的结论以及一些中间信息。手持式设备需要安装用于实现测试和诊断功能的上位机软件。该软件一方面引导使用者完成相关操作，另一方面在诊断过程中还需要根据获得的信息以及自身的诊断判据生成诊断结论。图3是本发明中诊断模块部分的结构示意图，该模块由HART通信主站电路301、 HART通信从站电路302、恒压输出电路303、恒流输出电路304、直流电压测量电路305、交流电压测量电路306、直流电流测量电路307、电阻值测量电路308、滤波电路309、功能选择电路310、(与手持式设备之间的)通信接口 311、微处理器单元312、供电单元313构成。其中
HART主站通信电路301实现HART通信协议主站的物理层；HART从站通信电路302实现HART通信协议从站的物理层。这两部分电路的核心都是符合HART物理层规范的调制解调芯片，可以共用一部分电路。恒压输出电路303和恒流输出电路304在诊断过程中可以根据需要输出恒定的电压或电流。可以采用与诊断模块内部电源隔离的设计方式，提高使用的安全性和容错性。直流电压测量电路305、交流电压测量电路306、直流电流测量电路307、电阻值测量电路308在诊断过程中用于测量各种电学量。这些电路也可以根据需要共用一部分电路。功能选择电路310包含了一些电平控制的开关元件，可以根据不同的诊断需求在各种通信、输出、测量电路之间进行切换组合再连接到测试接口上。通信接口 311需要与手持式设备的通信接口对应，从而实现两者之间的数据传输。微处理单元312是整个诊断模块的核心。微处理器上运行的嵌入式软件需要实现以下功能对通信接口 311上接收到的数据进行解析，并根据解析得到的数据控制功能选择电路310中各个开关的通断；配合通信、测量、输出部分的硬件电路实现相应的功能；按照与手持式设备之间对于通信数据格式的约定，将需要发送的信息整理成既定的格式。供电单元313主要包括电池及一些电压转换电路，作用是为诊断模块内的各种电子器件提供合适的电能。图4是本发明实现回路连接诊断功能的示意图。首先将故障诊断仪401代替现场设备403接入回路，并通过其内部的恒流输出电路402输出(0 22) mA之间任意大小的电流信号。在DCS主站404 —侧观察接收到的电流，根据接收到的电流与诊断仪输出的电流是否一致诊断当前回路的连接情况及DCS主站404的工作状态。然后将诊断仪401配置为HART从机模式，让HART主站405向诊断仪401发送若干条HART通用及常用命令，根据 HART主站405能否接收到正确的响应报文判断HART主站405的工作状态。图5是本发明实现电源端对接地点电压诊断功能的示意图。首先将现场设备501 从回路中断开。然后利用诊断仪502的直流测量电路503、交流电压测量电路504依次测试 +端505与接地点506、-端507与接地点506之间电压的大小和形式。如果测量得到的电压超出允许的范围，则认为回路中存在此项故障。图6是本发明实现现场设备工作状态及回路阻抗诊断功能的示意图。首先将诊断仪601连接在现场设备602输入电源+端603与输入电源-604之间，利用其HART主站通信电路605设置现场设备602为固定电流输出(Il=22mA)。然后利用诊断仪601的直流电压测量电路606读取+端603与-端604之间当前的直流电压值VI。若Vl大于现场设备602正常工作所需要的最小电压，认为现场设备602的工作状态正常；反之认为现场设备602无法正常工作。然后，再次利用诊断仪601的HART主站通信电路605调低现场设备602的输出电流(I2=12mA)，并再次读取+端603与-端604之间当前的直流电压值V2。 在Vl大于现场设备602正常工作所需最小电压的情况下，可以根据以上数据计算回路阻抗 Rloop=-(V1-V2)/(11-12) 0若阻抗小于230 Ω或大于600 Ω，认为回路阻抗不符合规范。
图7是本发明实现输出模拟电流精度诊断功能的示意图。诊断时首先将现场设备701的输入电源-端702从回路中断开，并将诊断仪703的HART主站通信电路并联在现场设备701的电源+-两端，诊断仪703的直流电压测量电路705并联采集测试电阻Rtest (100 Ω ) 706两端后接现场设备701的输入电源-端和接地端。然后，利用诊断仪703的 HART主站通信电路704将现场设备701设置为4mA固定电流输出，同时利用诊断仪703的直流电压测量电路705采集测试电阻Rtest (100 Ω ) 706两端的电压并转换为现场设备701 输出的模拟电流，从而判断其精度。可以固定不同的电流值，分别测试这些情况下的模拟电流精度。图8是本发明实现电源噪声诊断功能的示意图。分析现场设备801接收到的噪声时，利用诊断仪802的交流电压测量电路803分多次测量现场设备801输入电源+端805 与输入电源-端806之间的交流电压大小。被测电压每次进入交流测量电路803之前先通过一个滤波器804。由于诊断仪802内部有各种通带频率不同的滤波器804，通过测量经过不同频段滤波的现场设备输入交流电压的大小，可以掌握现场设备801接收到的噪声情况。分析系统电源807产生噪声的操作流程基本相同，只是此时诊断仪需要连接在系统电源807的+输出端808与-输出端809之间。图9是本发明实现短路诊断功能的示意图。首先关闭系统电源901，然后利用诊断仪902的电阻值测量电路903依次测量现场设备904输入电源+端905与输入电源-端 906、输入电源+端905与接地点907、输入电源-端906与接地点907之间的电阻值，从而判断三者之间是否存在短路现象。图10是本发明实现现场设备HART通信故障诊断功能的示意图。首先将现场设备 1001从回路中取下连接到诊断仪1002两端。然后利用诊断仪1002的HART主站通信电路 1003向现场设备1001发送一条固定电流命令，然后利用诊断仪1002的直流电压测量电路 1004采集通信电阻R。。m1005两端的电压(间接反映了现场设备1001的输出电流)，判断输出电流是否正确以及现场设备1001是否应答了该报文。若现场设备1001的输出电流不变化且没有应答该报文，那么认为其接收通道存在故障；若现场设备1001的输出电流变化而没有应答该报文，那么认为其发送通道存在故障；若现场设备1001的输出电流变化且应答该报文，那么认为其通信不存在故障，此时可以将现场设备1001设置为阵发模式并重新接入原回路，诊断回路中的HART主站是否存在故障。图11是本发明实现系统电源诊断功能的示意图。将系统电源1101从回路中断开， 利用诊断仪1102的恒压输出电路1103取而代之为现场设备1104供电。观察此时回路中原有的故障是否消除。若故障消除，说明回路中原有的故障是由系统电源1101造成的。手持式设备选用惠普iPAQ112掌上电脑，中文WinCE操作系统，带有蓝牙通信接口。诊断模块是自主研发的，其中的核心元器件及芯片包括一片AMIS A5191 HART调制解调模块(HART通信主站和从站电路共用);一个MORNSUN IA0512KS-1W隔离稳压输出模块 (恒压输出电路中采用)；一片AD421模数转换芯片(恒流电路中采用)；一片AD7799数模转换芯片(测量电路中采用);一块由重庆金瓯公司生产的蓝牙通信模块(通信接口中采用);一片Freescale MC9S12E64 16位微处理器(微处理器单元采用)；一组6V、10000mA/h可充电电池(供电单元采用)。测试接口采用一副带有香蕉插头的万用表表棒。
权利要求
1.一种HART回路故障诊断仪，其特征在于，包括一台手持式设备、一个诊断模块和一个测试接口，诊断模块包括功能电路、通信接口、功能选择电路、微处理器单元、供电单元， 手持式设备与诊断模块中微处理器单元通过通信接口进行实现数据传输，微处理器单元输入输出口接功能电路，微处理器单元输出控制信号到功能选择电路，功能电路通过功能选择电路接测试接口，测试接口在诊断过程中连接到HART回路中需要诊断的位置，供电单元为各个电路供电，功能电路包括HART通信主站电路、HART通信从站电路、恒压输出电路、恒流输出电路、直流电压测量电路、交流电压测量电路、直流电流测量电路、电阻值测量电路。
2.—种HART回路故障诊断方法，包括HART回路故障诊断仪，其特征在于，将将HART回路诊断仪与HART回路中的至少一个组件相并联，或替代至少一个组件串联到HART回路中， 实现对HART回路及现场仪表的故障诊断，HART回路故障诊断仪内部的微处理器单元对通信接口上从手持式设备接收到的数据进行解析，控制功能选择电路中各个功能开关的通断并向各功能电路发送或接收数据，各功能电路通过功能选择电路对应的开关接HART回路测试点，实现HART回路各项故障的诊断，测试结果微处理器单元按照与手持式设备之间对于通信数据格式的约定整理为既定格式。
3.根据权利要求2所述HART回路故障诊断方法，其特征在于，所述HART回路故障诊断中回路连接诊断，首先将故障诊断仪代替现场设备接入回路，接通恒压输出电路通过恒流输出电路输出0 22mA之间任意大小的电流信号，在HART回路中DCS主站一侧观察接收到的电流，根据接收到的电流与诊断仪输出的电流是否一致诊断当前回路的连接情况及 DCS主站的工作状态，然后将诊断仪配置为HART通信从站模式，让HART回路中HART主站向诊断仪发送HART通用及常用命令，根据HART主站能否接收到正确的响应报文判断HART主站的工作状态。
4.根据权利要求2所述HART回路故障诊断方法，其特征在于，所述HART回路故障诊断中电源端对接地点电压诊断，首先将现场设备从回路中断开，然后接通诊断仪的直流测量电路、交流电压测量电路依次测试电源+端与接地点、电源-端与接地点之间电压的大小和形式，如果测量得到的电压超出允许的范围，则认为回路中存在此项故障。
5.根据权利要求2所述HART回路故障诊断方法，其特征在于，所述HART回路故障诊断中现场设备工作状态及回路阻抗诊断，首先将诊断仪连接在现场设备输入电源+端与输入电源-端之间，将HART主站通信电路设置为固定电流输出I l=22mA，然后接通诊断仪的直流电压测量电路，读取电源+端与电源-端之间当前的直流电压值VI，若Vl大于现场设备正常工作所需要的最小电压，认为现场设备的工作状态正常；反之认为现场设备无法正常工作，然后，再次将诊断仪的HART主站通信电路输出电流调低为I2=12mA，并再次读取电源+ 端与电源-端之间当前的直流电压值V2，在Vl大于正常工作所需最小电压的情况下，可以根据数据计算回路阻抗Rrap=- (V1-V2) / (11-12)，若阻抗小于230 Ω或大于600 Ω，认为回路阻抗不符合规范。
6.根据权利要求2所述HART回路故障诊断方法，其特征在于，所述HART回路故障诊断中输出模拟电流精度诊断，诊断时首先将现场设备的输入电源-端从回路中断开，并将诊断仪的HART主站通信电路并联在现场设备的电源+_两端，诊断仪的直流电压测量电路并联测试电阻I^test两端后接现场设备的输入电源-端和接地端，然后，诊断仪的HART主站通信电路设置4mA固定电流输出，同时诊断仪的直流电压测量电路采集测试电阻两端的电压并转换为现场设备输出的模拟电流，从而比较判断其精度。
7.根据权利要求2所述HART回路故障诊断方法，其特征在于，所述HART回路故障诊断中电源噪声诊断，诊断仪的交流电压测量电路通过滤波器组接现场设备输入电源+端与电源-端，滤波器组包括不同通带频率的滤波器，通过滤波器的选通，交流电压测量电路测量经过不同频段滤波的现场设备输入交流电压的大小，判断电源噪声。
8.根据权利要求2所述HART回路故障诊断方法，其特征在于，所述HART回路故障诊断中短路诊断，首先关闭HART回路中系统电源，然后将诊断仪的电阻值测量电路依次接入测量现场设备输入电源+端与输入电源-端、输入电源+端与接地点、输入电源-端与接地点之间的电阻值，从而判断三者之间是否存在短路现象。
9.根据权利要求2所述HART回路故障诊断方法，其特征在于，所述HART回路故障诊断中现场设备HART通信故障诊断，首先将现场设备从回路中取下连接到诊断仪两端，然后诊断仪的HART主站通信电路向现场设备发送一条固定电流命令，然后诊断仪的直流电压测量电路采集通信电阻R。。m两端的电压，判断输出电流是否正确以及现场设备是否应答了该报文，若现场设备的输出电流不变化且没有应答该报文，那么认为其接收通道存在故障；若现场设备的输出电流变化而没有应答该报文，那么认为其发送通道存在故障；若现场设备的输出电流变化且应答该报文，那么认为其通信不存在故障，此时可以将现场设备设置为阵发模式并重新接入原回路。
10.根据权利要求2所述HART回路故障诊断方法，其特征在于，所述HART回路故障诊断中系统电源诊断，将HART回路中系统电源从回路中断开，诊断仪的恒压输出电路取而代之为现场设备供电，观察此时回路中原有的故障是否消除，若故障消除，说明回路中原有的故障是由系统电源造成的。
全文摘要
本发明涉及一种HART回路故障诊断仪及诊断方法，将HART回路诊断仪与HART回路中的一个或多个组件相并联，或替代一个或多个组件串联到HART回路中，实现对HART回路及现场仪表的故障诊断。微处理器单元对通信接口上从手持式设备接收到的数据进行解析，控制功能选择电路中各个功能开关的通断并向各功能电路发送或接收数据，各功能电路通过功能选择电路对应的开关接HART回路测试点，实现HART回路各项故障的诊断，测试结果微处理器单元按照与手持式设备之间对于通信数据格式的约定整理为既定格式。该设备提供了HART回路诊断所需要的各项功能，能够指导工程师按步骤进行诊断操作并且提供诊断结论，提高HART回路故障诊断的便利性和准确性。
文档编号G01R31/02GK102288849SQ201110178028
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者翁思健 申请人:上海工业自动化仪表研究院