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1 引言 在工業控制系統的設計和實施過程中，經常會有一些場合(如過船閘門控制、垃圾處理控制等)除了用工業監控軟件進行工藝流程數據監控外，還需要配置專業的視頻監控系統，以使監控中心能夠直觀的、全面的掌握現場的實際情況，從而實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;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，往往在現場需要各自獨立布線，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現遠程控制，所以操作用戶希望能夠在同一監控畫面上同時看到實時數據和圖像，以便及時根據現場情況進行快速操作，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。 本文綜合運用工業控制和視頻監控兩種不同專業領域的最新技術，設計了一套完整的解決方案，可以在同一監控網絡中同時傳輸數據、視頻、控制信號，在同一計算機軟件的同一畫面中同時進行工情和視頻監控，從而實現了工業控制系統與視頻監控系統真正意義上的“兩網合一”。 2 方案設計 工業以太網技術是目前工控領域的一個應用熱點，常用的PLC產品一般可以配置以太網通訊模塊，同時常用的監控組態軟件也都可以通過以太網與PLC通訊，并且一些功能強大的組態軟件具備完整的編程環境，可以通過高級語言編程實現一般應用軟件的功能。網絡攝像機(或網絡視頻服務器)是目前視頻監控領域的一項新技術，其實質是把來自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)轉換為可在以太網上傳輸的數據包，每個網絡攝像機(或網絡視頻服務器)具有不同的IP地址，網絡上的計算機可通過TCP/IP協議連接該攝像機(或服務器)，并通過軟件對數據包解壓縮還原為實時圖像。 本方案系統圖如圖1所示。采用SIEMENS S7-300 PLC進行現場設備控制，配置有CPU模塊CPU314、以太網通訊模塊CP343-1和各種I/O模塊;視頻監控前端設備為兩套CCD攝像機、自動光圈變焦鏡頭、云臺和解碼器，網絡數據處理采用二通道視頻輸入的網絡視頻服務器，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作為開發平臺，該組態軟件支持ActiveX控件、VBA編程和各種通訊協議，功能非常強大;通訊網絡采用100M以太網交換機，通過超五類雙絞線連接計算機、PLC和視頻服務器。本系統實現的關鍵是在以太網上同時傳輸視頻信息和控制、數據信息，并在同一組態軟件中實現工情監控和視頻監控功能。 圖1 工控系統與視頻系統“兩網合一”方案系統圖 3 “兩網合一”的具體實現 (1) PLC組態和編程 在SIMATIC STEP7中進行PLC硬件和網絡組態，以太網模塊的IP地址可設置為192.168.0.2，子網掩碼為255.255.255.0。在DB塊中建立與上位機通訊用的變量，包括BOOL、INT等數據類型。然后編制多個FC控制程序，通過MPI電纜下載到PLC中。 (2) 視頻設備設置 視頻設備主要有攝像機、鏡頭、云臺、解碼器和視頻服務器。解碼器通過標準電壓信號控制云臺上下左右動作和鏡頭的變焦、聚焦調節，它與視頻服務器之間通過 RS485總線進行通訊，每個解碼器要設置不同的通訊地址如1和2。視頻服務器通過設置軟件設定其IP地址、子網掩碼等參數，如IP地址為 192.168.0.3，子網掩碼為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。 (3) 監控軟件的綜合開發 監控軟件開發同時考慮數據監控和視頻監控功能，把工藝上相關的數據和圖像放在同一個監控畫面上，用戶進行的操作包括對現場各種工業設備的控制和對云臺、鏡頭的控制。在iFIX的Workspace中開發常規的工藝流程監控畫面、報警處理、歷史數據記錄、報表查詢打印、用戶管理等功能，該部分開發在 iFIX 中比較容易實現，而視頻監控功能的開發則是關鍵。 要在iFIX中實現實時圖像監視，需要用到其ActiveX技術。視頻服務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ActiveX控件中，然后在iFIX中調用該控件即可。在iFIX畫面中插入該控件實例 Video1和一個按鈕BtnConnect，該按鈕單擊事件編程如下： Video1.connect “192.168.0.3”,1。用戶點擊該按鈕，則控件顯示視頻服務器1#通道的圖像。 對云臺和鏡頭的控制是通過視頻服務器向解碼器發送通訊指令完成，目前市場有幾種常用的協議格式，如Pelco-P、AB等，一般包括云臺上下左右運動、云臺手動/自動、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、畫面分割、圖像質量調整等操作，從而使監控軟件同時具備專業的數據監控和視頻監控功能。 4 應用實例 以某垃圾運轉碼頭自動化監控系統為例，該系統要求在監控畫面上同時既可看到垃圾車到位狀態、垃圾重量等信息，又能看到港機上垃圾車作業狀況，從而準確地對進場處的道閘進行控制。采用上述“兩網合一”方案，可設置多個攝像機觀測垃圾車、運輸船的實際狀態，通過PLC采集現場信號并完成設備控制，監控計算機通過工業以太網連接PLC和視頻服務器，取得了良好的效果。其“兩網合一”監控系統軟件畫面如圖2所示。畫面左側是工情流程監控部分，實時顯示監測數據并實現遠程工藝操作。畫面右側是視頻監控部分，用戶可通過實時圖像看到現場的實際具體情況，還可進行圖像移動/遠近等操作。 圖2 垃圾運轉碼頭監控系統畫面 5 結語 本文設計的工業控制系統和視頻監控系統“兩網合一”方案具有以下特點： (1) 是一個開放的系統，PLC站、視頻監控點、監控計算機都可根據需要隨時增減，系統擴展不需要結構改變; (2) 可以把視頻服務器、視頻前端設備和PLC控制站放置在現場，只要一根網線即可與監控中心的計算機連接，大大減少了布線; (3) 監控中心只需要一臺計算機和一套監控軟件即可實現全部監控功能，既便于操作又減少維護工作量; (4) 采用視頻服務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絡傳輸，更適用于遠程網絡監控; (5) 如果需要集成有語音/音樂功能，還可以選用帶有音頻輸入/輸出接口的視頻服務器，實現控制系統、視頻系統、音頻系統“三網合一”。 |
