CN106027351B - 一种嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块 - Google Patents

一种嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块，模块包含控制芯片、外存储单元、供电单元、背板总线通信接口及以太网通信接口。所述控制芯片负责所采集数据存储解析与打包、Web服务器的搭建、以及在线更新固件或IP地址的实现，所述外存储单元记录通信故障信息，所述供电单元为板卡供电，所述背板总线通信接口和以太网通信接口负责与外部通信。模块基于TCP/IP协议将所采集数据联网上传，方便工作人员在建站、运行的各阶段实现对Profibus现场总线系统的调试和维护，为厂级分析、控制和决策提供数据依据。本发明不仅适用于电厂现场总线监控，可扩展应用于更多的总线监控领域。

Description

一种嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块
技术领域
本发明属于电力监控技术领域，涉及一种应用于火电厂现场总线监控与诊断系统中的通信模块，尤其适用于需要通过以太网进行远程智能监控的现场通信模块。
背景技术
现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。在现有的各种总线标准中，Profibus现场总线是一种适合于发电企业应用的现场总线标准，被我国运行火力电厂机组现场总线系统广泛使用。
然而在总线相关设备的调试及运行过程中，会出现网络断线、短路、丢站、通信中断等各种问题，现存的总线监控设备无法让施工人员方便、高效地检测出故障所在，只能在系统架设完毕后通过在上位机解析数据包判断是否通信故障。且现场总线智能监控与诊断系统受限于通信模块的带载能力，每个通信模块至多只能覆盖2个总线网段，导致系统成本较高；当需要对通信模块进行固件升级或更新IP地址时，往往需拆壳重烧写程序，对就地机柜正常运行造成影响；底层数字化设备一旦更换设备型号，需要对该网段重新进行人工配点组态，占用技术人员时间进行重复性工作。
发明内容
为了克服现有的Profibus现场总线监控系统低网络化、低智能化以及高成本，本发明提供一种嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块。在现场总线系统中采用该通信模块可实现“一拖四”覆盖4网段的总线监控与故障诊断，通过对Profibus总线系统各运行网段上的通信数据数据进行诊断、分析，快速准确地定位故障点，判断产生故障的原因。在所述通信模块的控制芯片内搭建Web服务器，发布网段所有站点状态HTML页面，使用户无论是通过网线就地连接模块还是在机房或移动终端远程操作，都可通过普通浏览器浏览4网段实时信息；发布在线更新HTML页面，当运行期间需要进行固件升级或更改IP地址时，可通过以太网连接电脑实现就地或远程在线更新。在通信模块内建立设备识别码库，对火电厂智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备识别码归类存储，当网段上更换设备，可实现设备型号自动识别并通知上位机，实现自动配点。
本发明具体采用以下技术方案：
一种嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块，包括控制芯片、外存储单元、供电单元、背板总线通信接口、以太网通信接口；其特征在于：
所述控制芯片分别与外存储单元、供电单元、背板总线通信接口、以太网通信接口相连；
所述故障诊断通信模块的背板总线通信接口通过背板RS485总线与4个分析模块相连，每1个分析模块串联接入Profibus现场总线的某一对应网段中，接收分析模块从Profibus总线采集的数据信息；
所述控制芯片通过背板总线通信接口轮询向分析模块发送取数据指令，来获取由分析模块返回的各网段站点设备的诊断数据、参数化数据(所述参数化数据就是底层设备(从站)向主站传输的一种数据类型，包括是否使能看门狗、最小响应时间、Ident_number等等)、配置数据、输入数据、输出数据信息，并将每个网段的数据信息分类动态存储于控制芯片CCM内存中，利用指针实现控制芯片有限内存的动态分配；
在所述控制芯片中搭建Web服务器，所述控制芯片通过Web服务器发布每个网段中所有站点状态的HTML页面，用不同颜色标识不同站点运行状态；
所述外存储单元存储所述通信模块的IP地址；
所述控制芯片通过以太网通信接口与监控中心或智能移动终端相连；
所述供电单元提供控制芯片的直流电源。
本发明还进一步优选包括以下技术方案：
所述控制芯片向某一分析模块发出的取数据指令累计5次没有响应，没有任何数据返回时，则诊断该网段的分析模块“背板通信掉线”，置位背板总线通信标志位并通过以太网通信接口向监控中心及智能移动终端发送警告。
所述通信模块通过从分析模块获取的数据信息来判断每一网段中各站点设备状态，当站点设备输入、输出数据交互正常，判断该站点设备为“设备在线”状态；当站点设备在所述通信模块采集数据期间内没有发生任何类型数据交互，则判断该站点设备故障，处于“设备掉线”状态；当站点设备曾经为“设备在线”状态，而在随后的设定时间内不再发生任何类型数据交互，判断该站点设备为“曾经在线”状态。
当发生“设备掉线”或“背板通信掉线”时，控制芯片将诊断信息通过以太网通信接口向监控中心或智能移动终端发送警告，并在所述外存储单元中的SD存储卡存储发生故障时间与故障名称实现就地备份。
当用户通过监控中心或智能移动终端的浏览器发送数据查询请求给所述通信模块时，所述控制芯片通过移动指针位置读取控制芯片CCM内存中数据，基于TCP/IP协议打包并通过以太网通信接口将数据上传至监控中心或智能移动终端；用户通过普通浏览器直观浏览4网段实时信息。
所述供电单元包含DC-DC芯片和纽扣电池，DC-DC芯片完成电源电压到芯片供电电压的转换，为板上主要工作芯片供电。纽扣电池为实时时钟RTC芯片单独供电，以保证断电时仍可保存故障信息。
所述通信模块每次启动时，控制芯片首先从外存储单元指定位置读取该通信模块的IP地址。当网段间IP地址发生冲突或其它原因需要修改IP地址时，用户可在浏览器打开在线更新HTML页面，在页面的IP地址设置输入框内输入新地址并点击确定，浏览器将该新的所输入IP地址通过以太网接口传输至通信模块，控制芯片将重新确定后的IP写入其外存储单元的指定位置，写入成功后将返回成功信息至浏览器，并由控制芯片对所述通信模块进行软重启，新的IP地址即可生效。
在控制芯片内存建立设备识别码ID_RAM库，对每一网段的站点设备(火电厂智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备)的识别码Ident_num归类存储，当每一网段上更换站点设备时，所述通信模块通过分析模块采集由该站点设备自动发送的包含识别码的报文，提取设备识别码Ident_num与设备识别码ID_RAM库中的设备ID进行对比，对站点设备型号自动识别；同时通过Web服务器发送至用户浏览器，在HTML页面相应站点位置显示站点设备信息。
本发明的有益效果是，自主研发高带载能力的通信模块，降低系统成本；将Web技术与设备的监测与现场总线故障诊断技术结合起来，在相应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的监控设备转变为具备了以TCP/IP为底层通信协议，Web技术为核心的基于互联网的网络控制设备；突破了监测及故障诊断原来相对封闭的概念框架，从而大幅提升对设备监测与故障诊断水平，方便工作人员在建站、运行的各阶段实现对Profibus现场总线系统的调试和维护，为厂级分析、控制和决策提供数据依据。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明在现场总线智能监控与诊断系统中的工作示意图。
图2是本发明嵌入式WebServer现场总线故障诊断通信模块结构框图。
图3是本发明所搭建Web服务器站点状态HTML页面的实现流程图。
图4是本发明所搭建Web服务器在线更新HTML页面的更新IP实现流程图。
图5是本发明实现设备型号自动识别功能流程图。
其中：1-故障诊断通信模块。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是本发明在现场总线智能监控与诊断系统中的工作示意图。在图1中，使用本发明的现场总线智能监控系统采用“一拖四”模式，故障诊断通信模块作为系统的通信核心，保证了分析模块所采集数据的储存、上传与展示。监控系统工作时，每个通信模块至多串联4个分析模块为一组，每组模块可覆盖4路Profibus总线网段。分析模块进行总线数据采集并通过RS485背板总线通信接口上传至以本通信模块；通信模块将4路网段所有在线设备的诊断数据、参数化数据、配置数据、输入数据、输出数据等数据信息汇总并基于TCP/IP协议上传，并通过搭建Web服务器联网，设计HTML页面从而以图形化的方式通过以太网通信接口有效、迅速的传输至终端，包括电脑、手机浏览器等设备均可进行实时监控。在设备的安装，系统的调试以及系统运行和维护各个环节，为安装维护人员及生产设备的管控人员提供丰富详细的系统诊断信息。
图2是本发明嵌入式WebServer现场总线故障诊断通信模块结构框图。一种嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块1，包括控制芯片、外存储单元、供电单元、背板总线通信接口、以太网通信接口；所述控制芯片分别与外存储单元、供电单元、背板总线通信接口、以太网通信接口相连，控制板上资源；所述控制芯片通过背板总线通信接口轮询向分析模块发送取数据指令，来获取由分析模块返回的各网段设备的诊断数据、参数化数据、配置数据、输入数据、输出数据信息，并将每个网段的数据信息分类动态存储于控制芯片CCM内存中，利用指针实现控制芯片有限内存的动态分配，当用户通过浏览器发送数据请求给本发明时，所述控制芯片通过移动指针位置读取数据，基于TCP/IP协议打包并通过以太网通信接口实现数据变位上传。相比于普通存储方式减少了控制芯片内存消耗，提高了运行速度，从而实现对4个网段所有站点的数据进行存储与管理。所述控制芯片搭建Web服务器，发布网段所有站点状态HTML页面，用不同颜色标识不同站点运行状态，使用户无论是通过网线就地连接模块还是在机房或移动终端远程操作，都可通过普通浏览器直观浏览4网段实时信息；发布在线更新HTML页面，当运行期间需要进行固件升级或更改IP地址时，可通过以太网连接电脑实现就地或远程在线更新程序，所述固件在线升级，用户可在浏览器打开在线更新HTML页面，通过选取目标hex文件，将文件通过以太网传输至本发明，由控制芯片在IAP模式下完成固件更新并软重启，实现升级；所述外存储芯片包括EEPROM存储器和SD卡；所述供电单元包含DC-DC芯片和纽扣电池，DC-DC芯片完成模块输入电源电压到板上芯片供电电压的转换，纽扣电池为RTC供电，保证对故障发生时间的准确记录。
图3是本发明所搭建Web服务器站点状态HTML页面的实现流程图。所述控制芯片中搭建Web服务器，当本发明从以太网接口接收到用户数据请求时，由控制芯片判断请求数据类型：静态数据请求时控制芯片通过轮询目标文件名将相应二进制文件返回至浏览器，HTML页面所有静态数据均采用单向链表方式，以二进制文件形式储存于主控芯片CCM内存内；动态数据请求时从动态存储空间内取得相应数据，以XML规则编写文件并返回浏览器，实现站点状态动态刷新显示的功能。
当用户从PC机或智能终端浏览器访问该模块IP地址时，模块收到请求页面指令。通信模块首先判断当前指令所请求URL是否有效，若有效，判断是否动态数据请求，当所申请数据为图片、菜单栏等静态数据时，根据文件名轮询单向链表查找包含该内容的数据文件并返回，若所申请数据为设备在线信息、设备运行状态信息等动态实时更新数据，则先进行通信状态初步判断，通信正常则从CCM_RAM读取所请求网段的所有设备信息，返回数据，所述控制芯片向分析模块发出的取数据指令累计5次没有响应时，即4个网段均没有任何数据返回，则诊断该网段的分析模块“背板通信掉线”，置位背板总线通信标志位并通过以太网通信接口向上位机发送警告，在页面以警示语突出显示，关闭连接。
所述通信模块通过从分析模块获取的交互数据来判断各站点设备状态，当输入、输出数据交互正常，判断该站点为“设备在线”状态；当站点在本发明采集数据期间内没有发生任何类型数据交互，则判断该站点设备故障，处于“设备掉线”状态；当站点曾经为“设备在线”状态，一定设定时间内不再发生任何类型数据交互，判断该站点设备为“曾经在线”状态；上述所有通信异常情况发生时，控制芯片将诊断信息通过以太网通信接口向上位机发送警告，并在所述SD存储卡中存储发生故障时间与故障名称实现就地备份。
图4是本发明所搭建Web服务器在线更新HTML页面的更新IP实现流程图。所述控制芯片每次启动时首先从EEPROM指定位置读取本发明的IP地址，当网段内IP地址发生冲突或其它原因需要修改IP地址时，用户可在浏览器打开在线更新HTML页面，在IP地址设置输入框内输入新地址并点击确定，浏览器将所输入IP地址通过以太网接口传输至本发明的通信模块，控制芯片将IP写入其EEPROM指定位置，并通过对指定位置的重读对比判断是否写入成功，将返回成功或失败信息至浏览器。设置成功后由控制芯片对本发明进行软重启，新的IP地址即可生效。
图5是本发明实现设备型号自动识别功能流程图。所述控制芯片内存建立设备识别码ID_RAM库，对火电厂智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备的识别码Ident_num归类存储，当网段上更换设备时，本发明可通过采集由设备自动发送的包含识别码的报文，提取设备识别码Ident_num与库中ID进行对比，实现设备型号自动识别，识别成功后将设备厂商、设备型号和设备状态通知上位机，帮助上位机实现自动配点；同时通过Web服务器发送至用户浏览器，在HTML页面相应站点位置显示站点设备信息。当ID_RAM库中未找到设备识别码Ident_num，通知用户添加新设备，完成在线更新ID_RAM库程序。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块，包括控制芯片、外存储单元、供电单元、背板总线通信接口、以太网通信接口；其特征在于：
所述控制芯片分别与外存储单元、供电单元、背板总线通信接口、以太网通信接口相连；
所述故障诊断通信模块的背板总线通信接口通过背板RS485总线与4个分析模块相连，每1个分析模块串联接入Profibus现场总线的某一对应网段中，接收分析模块从Profibus总线采集的数据信息；
所述控制芯片通过背板总线通信接口轮询向分析模块发送取数据指令，来获取由分析模块返回的各网段站点设备的诊断数据、参数化数据、配置数据、输入数据、输出数据信息，并将每个网段的数据信息分类动态存储于控制芯片CCM内存中，利用指针实现控制芯片有限内存的动态分配；
搭建Web服务器，所述控制芯片通过Web服务器发布每个网段中所有站点状态的HTML页面，用不同颜色标识不同站点运行状态；
所述外存储单元存储所述通信模块的IP地址；
所述控制芯片通过以太网通信接口与监控中心或智能移动终端相连；
所述供电单元提供控制芯片的直流电源。
2.根据权利要求1所述的嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块；其特征在于：
所述控制芯片向某一分析模块发出的取数据指令累计5次没有响应，没有任何数据返回时，则诊断该网段的分析模块“背板通信掉线”，置位背板总线通信标志位并通过以太网通信接口向监控中心及智能移动终端发送警告。
3.根据权利要求2所述的嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块；其特征在于：
所述通信模块通过从分析模块获取的数据信息来判断每一网段中各站点设备状态，当站点设备输入、输出数据交互正常，判断该站点设备为“设备在线”状态；当站点设备在所述通信模块采集数据期间内没有发生任何类型数据交互，则判断该站点设备故障，处于“设备掉线”状态；当站点设备曾经为“设备在线”状态，而在随后的设定时间内不再发生任何类型数据交互，判断该站点设备为“曾经在线”状态。
4.根据权利要求3所述的嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块；其特征在于：
当发生“设备掉线”或“背板通信掉线”时，控制芯片将诊断信息通过以太网通信接口向监控中心或智能移动终端发送警告，并在所述外存储单元中存储发生故障时间与故障名称实现就地备份。
5.根据权利要求1所述的嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块；其特征在于：
当用户通过监控中心或智能移动终端的浏览器发送数据查询请求给所述通信模块时，所述控制芯片通过移动指针位置读取控制芯片CCM内存中数据，基于TCP/IP协议打包并通过以太网通信接口将数据上传至监控中心或智能移动终端；用户通过普通浏览器直观浏览4网段实时信息。
6.根据权利要求1所述的嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块；其特征在于：所述供电单元包含DC-DC芯片和纽扣电池，DC-DC芯片完成电源电压到芯片供电电压的转换，为板上主要工作芯片供电；纽扣电池为实时时钟RTC芯片单独供电，以保证断电时仍可保存故障信息。
7.根据权利要求2所述的嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块；其特征在于：
所述通信模块每次启动时，控制芯片首先从外存储单元指定位置读取该通信模块的IP地址，当网段间IP地址发生冲突或其它原因需要修改IP地址时，用户可在浏览器打开在线更新HTML页面，在页面的IP地址设置输入框内输入新地址并点击确定，浏览器将该新的IP地址通过以太网接口传输至通信模块，控制芯片将重新确定后的新的IP地址写入其外存储单元的指定位置，写入成功后将返回成功信息至浏览器，并由控制芯片对所述通信模块进行软重启，新的IP地址即可生效。
8.根据权利要求1所述的嵌入式Web服务器现场总线故障诊断通信模块；其特征在于：
在控制芯片内存建立设备识别码ID_RAM库，对每一网段的站点设备的识别码Ident_num归类存储，所述站点设备包括火电厂智能化仪器仪表、控制器、执行机构；当每一网段上更换站点设备时，所述通信模块通过分析模块采集由该站点设备自动发送的包含识别码的报文，提取设备识别码Ident_num与设备识别码ID_RAM库中的设备ID进行对比，对站点设备型号自动识别；同时通过Web服务器发送至用户浏览器，在HTML页面相应站点位置显示站点设备信息。
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