一種嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊，模塊包含控制芯片、外存儲單元、供電單元、背板總線通信接口及以太網通信接口。所述控制芯片負責所采集數據存儲解析與打包、Web服務器的搭建、以及在線更新固件或IP地址的實現，所述外存儲單元記錄通信故障信息，所述供電單元為板卡供電，所述背板總線通信接口和以太網通信接口負責與外部通信。模塊基于TCP/IP協議將所采集數據聯網上傳，方便工作人員在建站、運行的各階段實現對Profibus現場總線系統的調試和維護，為廠級分析、控制和決策提供數據依據。本發明不僅適用于電廠現場總線監控，可擴展應用于更多的總線監控領域。
【專利說明】
一種嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊
技術領域
[0001]本發明屬于電力監控技術領域，涉及一種應用于火電廠現場總線監控與診斷系統中的通信模塊，尤其適用于需要通過以太網進行遠程智能監控的現場通信模塊。
【背景技術】
[0002]現場總線是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。在現有的各種總線標準中，ProfibUS現場總線是一種適合于發電企業應用的現場總線標準，被我國運行火力電廠機組現場總線系統廣泛使用。
[0003]然而在總線相關設備的調試及運行過程中，會出現網絡斷線、短路、丟站、通信中斷等各種問題，現存的總線監控設備無法讓施工人員方便、高效地檢測出故障所在，只能在系統架設完畢后通過在上位機解析數據包判斷是否通信故障。且現場總線智能監控與診斷系統受限于通信模塊的帶載能力，每個通信模塊至多只能覆蓋2個總線網段，導致系統成本較高；當需要對通信模塊進行固件升級或更新IP地址時，往往需拆殼重燒寫程序，對就地機柜正常運行造成影響；底層數字化設備一旦更換設備型號，需要對該網段重新進行人工配點組態，占用技術人員時間進行重復性工作。
【發明內容】
[0004]為了克服現有的Profibus現場總線監控系統低網絡化、低智能化以及高成本，本發明提供一種嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊。在現場總線系統中采用該通信模塊可實現“一拖四”覆蓋4網段的總線監控與故障診斷，通過對Profibus總線系統各運行網段上的通信數據數據進行診斷、分析，快速準確地定位故障點，判斷產生故障的原因。在所述通信模塊的控制芯片內搭建Web服務器，發布網段所有站點狀態HTML頁面，使用戶無論是通過網線就地連接模塊還是在機房或移動終端遠程操作，都可通過普通瀏覽器瀏覽4網段實時信息;發布在線更新HTML頁面，當運行期間需要進行固件升級或更改IP地址時，可通過以太網連接電腦實現就地或遠程在線更新。在通信模塊內建立設備識別碼庫，對火電廠智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備識別碼歸類存儲，當網段上更換設備，可實現設備型號自動識別并通知上位機，實現自動配點。
[0005]本發明具體采用以下技術方案:
[0006]一種嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊，包括控制芯片、外存儲單元、供電單元、背板總線通信接口、以太網通信接口；其特征在于:
[0007]所述控制芯片分別與外存儲單元、供電單元、背板總線通信接口、以太網通信接口相連；
[0008]所述故障診斷通信模塊的背板總線通信接口通過背板RS485總線與4個分析模塊相連，每I個分析模塊串聯接入P r O f i b u S現場總線的某一對應網段中，接收分析模塊從Prof ibus總線采集的數據信息；
[0009]所述控制芯片通過背板總線通信接口輪詢向分析模塊發送取數據指令，來獲取由分析模塊返回的各網段站點設備的診斷數據、參數化數據(所述參數化數據就是底層設備(從站)向主站傳輸的一種數據類型，包括是否使能看門狗、最小響應時間、Ident_number等等)、配置數據、輸入數據、輸出數據信息，并將每個網段的數據信息分類動態存儲于控制芯片CCM內存中，利用指針實現控制芯片有限內存的動態分配；
[0010]在所述控制芯片中搭建Web服務器，所述控制芯片通過Web服務器發布每個網段中所有站點狀態的HTML頁面，用不同顏色標識不同站點運行狀態；
[0011 ]所述外存儲單元存儲所述通信模塊的IP地址；
[0012]所述控制芯片通過以太網通信接口與監控中心或智能移動終端相連；
[0013]所述供電單元提供控制芯片的直流電源。
[0014]本發明還進一步優選包括以下技術方案:
[0015]所述控制芯片向某一分析模塊發出的取數據指令累計5次沒有響應，沒有任何數據返回時，則診斷該網段的分析模塊“背板通信掉線”，置位背板總線通信標志位并通過以太網通信接口向監控中心及智能移動終端發送警告。
[0016]所述通信模塊通過從分析模塊獲取的數據信息來判斷每一網段中各站點設備狀態，當站點設備輸入、輸出數據交互正常，判斷該站點設備為“設備在線”狀態；當站點設備在所述通信模塊采集數據期間內沒有發生任何類型數據交互，則判斷該站點設備故障，處于“設備掉線”狀態；當站點設備曾經為“設備在線”狀態，而在隨后的設定時間內不再發生任何類型數據交互，判斷該站點設備為“曾經在線”狀態。
[0017]當發生“設備掉線”或“背板通信掉線”時，控制芯片將診斷信息通過以太網通信接口向監控中心或智能移動終端發送警告，并在所述外存儲單元中的SD存儲卡存儲發生故障時間與故障名稱實現就地備份。
[0018]當用戶通過監控中心或智能移動終端的瀏覽器發送數據查詢請求給所述通信模塊時，所述控制芯片通過移動指針位置讀取控制芯片CCM內存中數據，基于TCP/IP協議打包并通過以太網通信接口將數據上傳至監控中心或智能移動終端；用戶通過普通瀏覽器直觀瀏覽4網段實時信息。
[0019]所述供電單元包含DC-DC芯片和紐扣電池，DC-DC芯片完成電源電壓到芯片供電電壓的轉換，為板上主要工作芯片供電。紐扣電池為實時時鐘RTC芯片單獨供電，以保證斷電時仍可保存故障信息。
[0020]所述通信模塊每次啟動時，控制芯片首先從外存儲單元指定位置讀取該通信模塊的IP地址。當網段間IP地址發生沖突或其它原因需要修改IP地址時，用戶可在瀏覽器打開在線更新HTML頁面，在頁面的IP地址設置輸入框內輸入新地址并點擊確定，瀏覽器將該新的所輸入IP地址通過以太網接口傳輸至通信模塊，控制芯片將重新確定后的IP寫入其外存儲單元的指定位置，寫入成功后將返回成功信息至瀏覽器，并由控制芯片對所述通信模塊進行軟重啟，新的IP地址即可生效。
[0021]在控制芯片內存建立設備識別碼ID_RAM庫，對每一網段的站點設備(火電廠智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備)的識別碼Ident_num歸類存儲，當每一網段上更換站點設備時，所述通信模塊通過分析模塊采集由該站點設備自動發送的包含識別碼的報文，提取設備識別碼Ident_num與設備識別碼ID_RAM庫中的設備ID進行對比，對站點設備型號自動識別；同時通過Web服務器發送至用戶瀏覽器，在HTML頁面相應站點位置顯示站點設備信息。
[0022]本發明的有益效果是，自主研發高帶載能力的通信模塊，降低系統成本;將Web技術與設備的監測與現場總線故障診斷技術結合起來，在相應的硬件平臺和軟件系統的支持下，使傳統的監控設備轉變為具備了以TCP/IP為底層通信協議，Web技術為核心的基于互聯網的網絡控制設備；突破了監測及故障診斷原來相對封閉的概念框架，從而大幅提升對設備監測與故障診斷水平，方便工作人員在建站、運行的各階段實現對Profibus現場總線系統的調試和維護，為廠級分析、控制和決策提供數據依據。
【附圖說明】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0024]圖1是本發明在現場總線智能監控與診斷系統中的工作示意圖。
[0025]圖2是本發明嵌入式Webserver現場總線故障診斷通信模塊結構框圖。
[0026]圖3是本發明所搭建Web服務器站點狀態HTML頁面的實現流程圖。
[0027]圖4是本發明所搭建Web服務器在線更新HTML頁面的更新IP實現流程圖。
[0028]圖5是本發明實現設備型號自動識別功能流程圖。
[0029]其中:1-故障診斷通信模塊。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0031]圖1是本發明在現場總線智能監控與診斷系統中的工作示意圖。在圖1中，使用本發明的現場總線智能監控系統采用“一拖四”模式，故障診斷通信模塊作為系統的通信核心，保證了分析模塊所采集數據的儲存、上傳與展示。監控系統工作時，每個通信模塊至多串聯4個分析模塊為一組，每組模塊可覆蓋4路Profibus總線網段。分析模塊進行總線數據采集并通過RS485背板總線通信接口上傳至以本通信模塊;通信模塊將4路網段所有在線設備的診斷數據、參數化數據、配置數據、輸入數據、輸出數據等數據信息匯總并基于TCP/IP協議上傳，并通過搭建Web服務器聯網，設計HTML頁面從而以圖形化的方式通過以太網通信接口有效、迅速的傳輸至終端，包括電腦、手機瀏覽器等設備均可進行實時監控。在設備的安裝，系統的調試以及系統運行和維護各個環節，為安裝維護人員及生產設備的管控人員提供豐富詳細的系統診斷信息。
[0032]圖2是本發明嵌入式Webserver現場總線故障診斷通信模塊結構框圖。一種嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊I，包括控制芯片、外存儲單元、供電單元、背板總線通信接口、以太網通信接口；所述控制芯片分別與外存儲單元、供電單元、背板總線通信接口、以太網通信接口相連，控制板上資源;所述控制芯片通過背板總線通信接口輪詢向分析模塊發送取數據指令，來獲取由分析模塊返回的各網段設備的診斷數據、參數化數據、配置數據、輸入數據、輸出數據信息，并將每個網段的數據信息分類動態存儲于控制芯片CCM內存中，利用指針實現控制芯片有限內存的動態分配，當用戶通過瀏覽器發送數據請求給本發明時，所述控制芯片通過移動指針位置讀取數據，基于TCP/IP協議打包并通過以太網通信接口實現數據變位上傳。相比于普通存儲方式減少了控制芯片內存消耗，提高了運行速度，從而實現對4個網段所有站點的數據進行存儲與管理。所述控制芯片搭建Web服務器，發布網段所有站點狀態HTML頁面，用不同顏色標識不同站點運行狀態，使用戶無論是通過網線就地連接模塊還是在機房或移動終端遠程操作，都可通過普通瀏覽器直觀瀏覽4網段實時信息；發布在線更新HTML頁面，當運行期間需要進行固件升級或更改IP地址時，可通過以太網連接電腦實現就地或遠程在線更新程序，所述固件在線升級，用戶可在瀏覽器打開在線更新HTML頁面，通過選取目標hex文件，將文件通過以太網傳輸至本發明，由控制芯片在IAP模式下完成固件更新并軟重啟，實現升級;所述外存儲芯片包括EEPROM存儲器和SD卡；所述供電單元包含DC-DC芯片和紐扣電池，DC-DC芯片完成模塊輸入電源電壓到板上芯片供電電壓的轉換，紐扣電池為RTC供電，保證對故障發生時間的準確記錄。
[0033]圖3是本發明所搭建Web服務器站點狀態HTML頁面的實現流程圖。所述控制芯片中搭建Web服務器，當本發明從以太網接口接收到用戶數據請求時，由控制芯片判斷請求數據類型:靜態數據請求時控制芯片通過輪詢目標文件名將相應二進制文件返回至瀏覽器，HTML頁面所有靜態數據均采用單向鏈表方式，以二進制文件形式儲存于主控芯片CCM內存內；動態數據請求時從動態存儲空間內取得相應數據，以XML規則編寫文件并返回瀏覽器，實現站點狀態動態刷新顯示的功能。
[0034]當用戶從PC機或智能終端瀏覽器訪問該模塊IP地址時，模塊收到請求頁面指令。通信模塊首先判斷當前指令所請求URL是否有效，若有效，判斷是否動態數據請求，當所申請數據為圖片、菜單欄等靜態數據時，根據文件名輪詢單向鏈表查找包含該內容的數據文件并返回，若所申請數據為設備在線信息、設備運行狀態信息等動態實時更新數據，則先進行通信狀態初步判斷，通信正常則從CCM_RAM讀取所請求網段的所有設備信息，返回數據，所述控制芯片向分析模塊發出的取數據指令累計5次沒有響應時，S卩4個網段均沒有任何數據返回，則診斷該網段的分析模塊“背板通信掉線”，置位背板總線通信標志位并通過以太網通信接口向上位機發送警告，在頁面以警示語突出顯示，關閉連接。
[0035]所述通信模塊通過從分析模塊獲取的交互數據來判斷各站點設備狀態，當輸入、輸出數據交互正常，判斷該站點為“設備在線”狀態；當站點在本發明采集數據期間內沒有發生任何類型數據交互，則判斷該站點設備故障，處于“設備掉線”狀態；當站點曾經為“設備在線”狀態，一定設定時間內不再發生任何類型數據交互，判斷該站點設備為“曾經在線”狀態;上述所有通信異常情況發生時，控制芯片將診斷信息通過以太網通信接口向上位機發送警告，并在所述SD存儲卡中存儲發生故障時間與故障名稱實現就地備份。
[0036]圖4是本發明所搭建Web服務器在線更新HTML頁面的更新IP實現流程圖。所述控制芯片每次啟動時首先從EEPROM指定位置讀取本發明的IP地址，當網段內IP地址發生沖突或其它原因需要修改IP地址時，用戶可在瀏覽器打開在線更新HTML頁面，在IP地址設置輸入框內輸入新地址并點擊確定，瀏覽器將所輸入IP地址通過以太網接口傳輸至本發明的通信模塊，控制芯片將IP寫入其EEPROM指定位置，并通過對指定位置的重讀對比判斷是否寫入成功，將返回成功或失敗信息至瀏覽器。設置成功后由控制芯片對本發明進行軟重啟，新的IP地址即可生效。
[0037]圖5是本發明實現設備型號自動識別功能流程圖。所述控制芯片內存建立設備識別碼ID_RAM庫，對火電廠智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備的識別碼Ident_num歸類存儲，當網段上更換設備時，本發明可通過采集由設備自動發送的包含識別碼的報文，提取設備識別碼Ident_num與庫中ID進行對比，實現設備型號自動識別，識別成功后將設備廠商、設備型號和設備狀態通知上位機，幫助上位機實現自動配點；同時通過Web服務器發送至用戶瀏覽器，在HTML頁面相應站點位置顯示站點設備信息。當ID_RAM庫中未找到設備識別碼Ident_num，通知用戶添加新設備，完成在線更新ID_RAM庫程序。
[0038]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊，所述通信模塊包含控制芯片，其特征在于: 所述控制芯片負責采集Profibus現場總線多個網段的數據信息，并將數據信息通過背板總線通信接口和以太網通信接口上傳至上位機。2.—種嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊，包括控制芯片、外存儲單元、供電單元、背板總線通信接口、以太網通信接口；其特征在于: 所述控制芯片分別與外存儲單元、供電單元、背板總線通信接口、以太網通信接口相連； 所述故障診斷通信模塊的背板總線通信接口通過背板RS485總線與4個分析模塊相連，每I個分析模塊串聯接入Prof ibus現場總線的某一對應網段中，接收分析模塊從Prof i bus總線采集的數據信息； 所述控制芯片通過背板總線通信接口輪詢向分析模塊發送取數據指令，來獲取由分析模塊返回的各網段站點設備的診斷數據、參數化數據、配置數據、輸入數據、輸出數據信息，并將每個網段的數據信息分類動態存儲于控制芯片CCM內存中，利用指針實現控制芯片有限內存的動態分配； 在所述控制芯片中搭建Web服務器，所述控制芯片通過Web服務器發布每個網段中所有站點狀態的HTML頁面，用不同顏色標識不同站點運行狀態； 所述外存儲單元存儲所述通信模塊的IP地址； 所述控制芯片通過以太網通信接口與監控中心或智能移動終端相連； 所述供電單元提供控制芯片的直流電源。3.根據權利要求2所述的嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊;其特征在于: 所述控制芯片向某一分析模塊發出的取數據指令累計5次沒有響應，沒有任何數據返回時，則診斷該網段的分析模塊“背板通信掉線”，置位背板總線通信標志位并通過以太網通信接口向監控中心及智能移動終端發送警告。4.根據權利要求3所述的嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊;其特征在于: 所述通信模塊通過從分析模塊獲取的數據信息來判斷每一網段中各站點設備狀態，當站點設備輸入、輸出數據交互正常，判斷該站點設備為“設備在線”狀態；當站點設備在所述通信模塊采集數據期間內沒有發生任何類型數據交互，則判斷該站點設備故障，處于“設備掉線”狀態；當站點設備曾經為“設備在線”狀態，而在隨后的設定時間內不再發生任何類型數據交互，判斷該站點設備為“曾經在線”狀態。5.根據權利要求4所述的嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊;其特征在于: 當發生“設備掉線”或“背板通信掉線”時，控制芯片將診斷信息通過以太網通信接口向監控中心或智能移動終端發送警告，并在所述外存儲單元中存儲發生故障時間與故障名稱實現就地備份。6.根據權利要求2所述的嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊;其特征在于: 當用戶通過監控中心或智能移動終端的瀏覽器發送數據查詢請求給所述通信模塊時，所述控制芯片通過移動指針位置讀取控制芯片CCM內存中數據，基于TCP/IP協議打包并通過以太網通信接口將數據上傳至監控中心或智能移動終端；用戶通過普通瀏覽器直觀瀏覽4網段實時信息。7.根據權利要求2所述的嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊;其特征在于:所述供電單元包含DC-DC芯片和紐扣電池，DC-DC芯片完成電源電壓到芯片供電電壓的轉換，為板上主要工作芯片供電。紐扣電池為實時時鐘RTC芯片單獨供電，以保證斷電時仍可保存故障信息。8.根據權利要求3所述的嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊;其特征在于: 所述通信模塊每次啟動時，控制芯片首先從外存儲單元指定位置讀取該通信模塊的IP地址，當網段間IP地址發生沖突或其它原因需要修改IP地址時，用戶可在瀏覽器打開在線更新HTML頁面，在頁面的IP地址設置輸入框內輸入新地址并點擊確定，瀏覽器將該新的IP地址通過以太網接口傳輸至通信模塊，控制芯片將重新確定后的新的IP地址寫入其外存儲單元的指定位置，寫入成功后將返回成功信息至瀏覽器，并由控制芯片對所述通信模塊進行軟重啟，新的IP地址即可生效。9.根據權利要求2所述的嵌入式Web服務器現場總線故障診斷通信模塊;其特征在于: 在控制芯片內存建立設備識別碼I D_RAM庫，對每一網段的站點設備的識別碼I den t_num歸類存儲，所述站點設備包括火電廠智能化儀器儀表、控制器、執行機構；當每一網段上更換站點設備時，所述通信模塊通過分析模塊采集由該站點設備自動發送的包含識別碼的報文，提取設備識別碼Ident_num與設備識別碼ID_RAM庫中的設備ID進行對比，對站點設備型號自動識別；同時通過Web服務器發送至用戶瀏覽器，在HTML頁面相應站點位置顯示站點設備信息。
【文檔編號】H04L12/40GK106027351SQ201610531777
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】仇曉偉, 趙尊全, 陳熙, 李志強
【申請人】北京華電天仁電力控制技術有限公司