工業(yè)控制系統與視頻監控系統“兩網(wǎng)合一”

　　1 引言

　　在工業(yè)控制系統的設計和實(shí)施過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )有一些場(chǎng)合（如過(guò)船閘門(mén)控制、垃圾處理控制等）除了用工業(yè)監控軟件進(jìn)行工藝流程數據監控外，還需要配置專(zhuān)業(yè)的視頻監控系統，以使監控中心能夠直觀(guān)的、全面的掌握現場(chǎng)的實(shí)際情況，從而實(shí)現安全的遠程控制功能。傳統的做法一般是另外采用一套獨立的模擬信號視頻系統，如配置前端設備（含攝像機、鏡頭、云臺、解碼器等）、監視器和視頻操作鍵盤(pán)；或者采用一套獨立的數字信號視頻系統，如配置前端設備、帶視頻采集卡的計算機、視頻監控軟件。由于視頻系統與工控系統相互獨立，往往在現場(chǎng)需要各自獨立布線(xiàn)，監控中心也需兩套監視和操作設備。但這兩套系統的最終目標都是為了實(shí)現遠程控制，所以操作用戶(hù)希望能夠在同一監控畫(huà)面上同時(shí)看到實(shí)時(shí)數據和圖像，以便及時(shí)根據現場(chǎng)情況進(jìn)行快速操作，并減少多種設備的日常操作和維護工作量，即能夠使工業(yè)控制系統和視頻監控系統最大程度地融合。

　　本文綜合運用工業(yè)控制和視頻監控兩種不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的最新技術(shù)，設計了一套完整的解決方案，可以在同一監控網(wǎng)絡(luò )中同時(shí)傳輸數據、視頻、控制信號，在同一計算機軟件的同一畫(huà)面中同時(shí)進(jìn)行工情和視頻監控，從而實(shí)現了工業(yè)控制系統與視頻監控系統真正意義上的“兩網(wǎng)合一”。

　　2 方案設計

　　工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是目前工控領(lǐng)域的一個(gè)應用熱點(diǎn)，常用的PLC產(chǎn)品一般可以配置以太網(wǎng)通訊模塊，同時(shí)常用的監控組態(tài)軟件也都可以通過(guò)以太網(wǎng)與PLC通訊，并且一些功能強大的組態(tài)軟件具備完整的編程環(huán)境，可以通過(guò)高級語(yǔ)言編程實(shí)現一般應用軟件的功能。網(wǎng)絡(luò )攝像機（或網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器）是目前視頻監控領(lǐng)域的一項新技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是把來(lái)自CCD攝像機的視頻信號采集后按照一定的壓縮標準（如MPEG4、H.264等）轉換為可在以太網(wǎng)上傳輸的數據包，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )攝像機（或網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器）具有不同的IP地址，網(wǎng)絡(luò )上的計算機可通過(guò)TCP/IP協(xié)議連接該攝像機（或服務(wù)器），并通過(guò)軟件對數據包解壓縮還原為實(shí)時(shí)圖像。

　　本方案系統圖如圖1所示。采用SIEMENS S7-300 PLC進(jìn)行現場(chǎng)設備控制，配置有CPU模塊CPU314、以太網(wǎng)通訊模塊CP343-1和各種I/O模塊；視頻監控前端設備為兩套CCD攝像機、自動(dòng)光圈變焦鏡頭、云臺和解碼器，網(wǎng)絡(luò )數據處理采用二通道視頻輸入的網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器，它帶有與解碼器通訊的RS485端口和與攝像機連接的視頻輸入BNC端口，輸出為可連接到以太網(wǎng)的RJ45端口；監控計算機采用高性能的工控機，其監控軟件以GE Fanuc 公司的iFIX3.0作為開(kāi)發(fā)平臺，該組態(tài)軟件支持ActiveX控件、VBA編程和各種通訊協(xié)議，功能非常強大；通訊網(wǎng)絡(luò )采用100M以太網(wǎng)交換機，通過(guò)超五類(lèi)雙絞線(xiàn)連接計算機、PLC和視頻服務(wù)器。本系統實(shí)現的關(guān)鍵是在以太網(wǎng)上同時(shí)傳輸視頻信息和控制、數據信息，并在同一組態(tài)軟件中實(shí)現工情監控和視頻監控功能。

　　圖1 工控系統與視頻系統“兩網(wǎng)合一”方案系統圖

　　3 “兩網(wǎng)合一”的具體實(shí)現

　?。?） PLC組態(tài)和編程

　　在SIMATIC STEP7中進(jìn)行PLC硬件和網(wǎng)絡(luò )組態(tài)，以太網(wǎng)模塊的IP地址可設置為192.168.0.2，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。在DB塊中建立與上位機通訊用的變量，包括BOOL、INT等數據類(lèi)型。然后編制多個(gè)FC控制程序，通過(guò)MPI電纜下載到PLC中。

　?。?） 視頻設備設置

　　視頻設備主要有攝像機、鏡頭、云臺、解碼器和視頻服務(wù)器。解碼器通過(guò)標準電壓信號控制云臺上下左右動(dòng)作和鏡頭的變焦、聚焦調節，它與視頻服務(wù)器之間通過(guò) RS485總線(xiàn)進(jìn)行通訊，每個(gè)解碼器要設置不同的通訊地址如1和2。視頻服務(wù)器通過(guò)設置軟件設定其IP地址、子網(wǎng)掩碼等參數，如IP地址為 192.168.0.3，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，兩路攝像機圖像編號由插接的BNC端口決定為1或2。

　?。?） 監控軟件的綜合開(kāi)發(fā)

　　監控軟件開(kāi)發(fā)同時(shí)考慮數據監控和視頻監控功能，把工藝上相關(guān)的數據和圖像放在同一個(gè)監控畫(huà)面上，用戶(hù)進(jìn)行的操作包括對現場(chǎng)各種工業(yè)設備的控制和對云臺、鏡頭的控制。在iFIX的Workspace中開(kāi)發(fā)常規的工藝流程監控畫(huà)面、報警處理、歷史數據記錄、報表查詢(xún)打印、用戶(hù)管理等功能，該部分開(kāi)發(fā)在 iFIX中比較容易實(shí)現，而視頻監控功能的開(kāi)發(fā)則是關(guān)鍵。

　　要在iFIX中實(shí)現實(shí)時(shí)圖像監視，需要用到其ActiveX技術(shù)。視頻服務(wù)器傳輸到計算機的視頻信號是編碼壓縮后的數據包，其解壓由軟件完成，因而可把數據解壓、圖像還原、控制信息通訊等功能集成在一個(gè)ActiveX控件中，然后在iFIX中調用該控件即可。在iFIX畫(huà)面中插入該控件實(shí)例Video1和一個(gè)按鈕BtnConnect，該按鈕單擊事件編程如下： Video1.connect “192.168.0.3”，1。用戶(hù)點(diǎn)擊該按鈕，則控件顯示視頻服務(wù)器1#通道的圖像。

　　對云臺和鏡頭的控制是通過(guò)視頻服務(wù)器向解碼器發(fā)送通訊指令完成，目前市場(chǎng)有幾種常用的協(xié)議格式，如Pelco-P、AB等，一般包括云臺上下左右運動(dòng)、云臺手動(dòng)/自動(dòng)、鏡頭廣角/近景、鏡頭聚焦遠/近等指令。如云臺上移功能可在對應按鈕單擊事件編程如下：

　　Dim command（2） As Byte

　　Command（0）= Val（“H80”）

　　Command（1）= Val（“H00”）

　　Video1.SetupUart 0， 2400， 8， 1， Asc（“O”）

　　Video1.WriteUart 0， command， 2

　　另外，通過(guò)調用控件的方法、屬性和事件，還可以根據需要增加視頻錄像、回放、抓拍圖像、畫(huà)面分割、圖像質(zhì)量調整等操作，從而使監控軟件同時(shí)具備專(zhuān)業(yè)的數據監控和視頻監控功能。

　　4 應用實(shí)例

　　以某垃圾運轉碼頭自動(dòng)化監控系統為例，該系統要求在監控畫(huà)面上同時(shí)既可看到垃圾車(chē)到位狀態(tài)、垃圾重量等信息，又能看到港機上垃圾車(chē)作業(yè)狀況，從而準確地對進(jìn)場(chǎng)處的道閘進(jìn)行控制。采用上述“兩網(wǎng)合一”方案，可設置多個(gè)攝像機觀(guān)測垃圾車(chē)、運輸船的實(shí)際狀態(tài)，通過(guò)PLC采集現場(chǎng)信號并完成設備控制，監控計算機通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接PLC和視頻服務(wù)器，取得了良好的效果。其“兩網(wǎng)合一”監控系統軟件畫(huà)面如圖2所示。畫(huà)面左側是工情流程監控部分，實(shí)時(shí)顯示監測數據并實(shí)現遠程工藝操作。畫(huà)面右側是視頻監控部分，用戶(hù)可通過(guò)實(shí)時(shí)圖像看到現場(chǎng)的實(shí)際具體情況，還可進(jìn)行圖像移動(dòng)/遠近等操作。

　　圖2 垃圾運轉碼頭監控系統畫(huà)面

　　5 結語(yǔ)

　　本文設計的工業(yè)控制系統和視頻監控系統“兩網(wǎng)合一”方案具有以下特點(diǎn)：

　?。?） 是一個(gè)開(kāi)放的系統，PLC站、視頻監控點(diǎn)、監控計算機都可根據需要隨時(shí)增減，系統擴展不需要結構改變；

　?。?） 可以把視頻服務(wù)器、視頻前端設備和PLC控制站放置在現場(chǎng)，只要一根網(wǎng)線(xiàn)即可與監控中心的計算機連接，大大減少了布線(xiàn)；

　?。?） 監控中心只需要一臺計算機和一套監控軟件即可實(shí)現全部監控功能，既便于操作又減少維護工作量；

　?。?） 采用視頻服務(wù)器比采用視頻采集卡更能分散計算機數據處理的工作量，而且使控制和視頻真正在同一網(wǎng)絡(luò )傳輸，更適用于遠程網(wǎng)絡(luò )監控；

　?。?） 如果需要集成有語(yǔ)音/音樂(lè )功能，還可以選用帶有音頻輸入/輸出接口的視頻服務(wù)器，實(shí)現控制系統、視頻系統、音頻系統“三網(wǎng)合一”