工業(yè)控制系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

在工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)有一些場(chǎng)合(如過(guò)船閘門控制、垃圾處理控制等)除了用工業(yè)監(jiān)控軟件進(jìn)行工藝流程數(shù)據(jù)監(jiān)控外，還需要配置專業(yè)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以使監(jiān)控中心能夠直觀的、全面的掌握現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，從而實(shí)現(xiàn)安全的遠(yuǎn)程控制功能。傳統(tǒng)的做法一般是另外采用一套獨(dú)立的模擬信號(hào)視頻系統(tǒng)，如配置前端設(shè)備(含攝像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)、解碼器等)、監(jiān)視器和視頻操作鍵盤;或者采用一套獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)視頻系統(tǒng)，如配置前端設(shè)備、帶視頻采集卡的計(jì)算機(jī)、視頻監(jiān)控軟件。由于視頻系統(tǒng)與工控系統(tǒng)相互獨(dú)立，往往在現(xiàn)場(chǎng)需要各自獨(dú)立布線，監(jiān)控中心也需兩套監(jiān)視和操作設(shè)備。但這兩套系統(tǒng)的最終目標(biāo)都是為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，所以操作用戶希望能夠在同一監(jiān)控畫面上同時(shí)看到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖像，以便及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行快速操作，并減少多種設(shè)備的日常操作和維護(hù)工作量，即能夠使工業(yè)控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)最大程度地融合。

本文綜合運(yùn)用工業(yè)控制和視頻監(jiān)控兩種不同專業(yè)領(lǐng)域的最新技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套完整的解決方案，可以在同一監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、視頻、控制信號(hào)，在同一計(jì)算機(jī)軟件的同一畫面中同時(shí)進(jìn)行工情和視頻監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)真正意義上的“兩網(wǎng)合一”。

2 方案設(shè)計(jì)

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是目前工控領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)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(jiān)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(qiáng)大的組態(tài)軟件具備完整的編程環(huán)境，可以通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)一般應(yīng)用軟件的功能。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(或網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器)是目前視頻監(jiān)控領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是把來(lái)自CCD攝像機(jī)的視頻信號(hào)采集后按照一定的壓縮標(biāo)準(zhǔn)(如MPEG4、H.264等)轉(zhuǎn)換為可在以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(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(jì)算機(jī)可通過(guò)TCP/IP協(xié)議連接該攝像機(jī)(或服務(wù)器)，并通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)包解壓縮還原為實(shí)時(shí)圖像。

本方案系統(tǒng)圖如圖1所示。采用SIEMENS S7-300 PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(jiān)控前端設(shè)備為兩套CCD攝像機(jī)、自動(dòng)光圈變焦鏡頭、云臺(tái)和解碼器，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(jī)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(jiān)控計(jì)算機(jī)采用高性能的工控機(jī)，其監(jiān)控軟件以GE Fanuc 公司的iFIX3.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(qiáng)大;通訊網(wǎng)絡(luò)采用100M以太網(wǎng)交換機(jī)，通過(guò)超五類雙絞線連接計(jì)算機(jī)、PLC和視頻服務(wù)器。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是在以太網(wǎng)上同時(shí)傳輸視頻信息和控制、數(shù)據(jù)信息，并在同一組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)工情監(jiān)控和視頻監(jiān)控功能。

圖1 工控系統(tǒng)與視頻系統(tǒng)“兩網(wǎng)合一”方案系統(tǒng)圖

3 “兩網(wǎng)合一”的具體實(shí)現(xiàn)

(1) 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(shè)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(jī)通訊用的變量，包括BOOL、INT等數(shù)據(jù)類型。然后編制多個(gè)FC控制程序，通過(guò)MPI電纜下載到PLC中。

(2) 視頻設(shè)備設(shè)置

視頻設(shè)備主要有攝像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)、解碼器和視頻服務(wù)器。解碼器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)控制云臺(tái)上下左右動(dòng)作和鏡頭的變焦、聚焦調(diào)節(jié)，它與視頻服務(wù)器之間通過(guò) RS485總線進(jìn)行通訊，每個(gè)解碼器要設(shè)置不同的通訊地址如1和2。視頻服務(wù)器通過(guò)設(shè)置軟件設(shè)定其IP地址、子網(wǎng)掩碼等參數(shù)，如IP地址為 192.168.0.3，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，兩路攝像機(jī)圖像編號(hào)由插接的BNC端口決定為1或2。

(3) 監(jiān)控軟件的綜合開(kāi)發(fā)

監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)同時(shí)考慮數(shù)據(jù)監(jiān)控和視頻監(jiān)控功能，把工藝上相關(guān)的數(shù)據(jù)和圖像放在同一個(gè)監(jiān)控畫面上，用戶進(jìn)行的操作包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種工業(yè)設(shè)備的控制和對(duì)云臺(tái)、鏡頭的控制。在iFIX的Workspace中開(kāi)發(fā)常規(guī)的工藝流程監(jiān)控畫面、報(bào)警處理、歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表查詢打印、用戶管理等功能，該部分開(kāi)發(fā)在 iFIX 中比較容易實(shí)現(xiàn)，而視頻監(jiān)控功能的開(kāi)發(fā)則是關(guān)鍵。

要在iFIX中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像監(jiān)視，需要用到其ActiveX技術(shù)。視頻服務(wù)器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的視頻信號(hào)是編碼壓縮后的數(shù)據(jù)包，其解壓由軟件完成，因而可把數(shù)據(jù)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(diào)用該控件即可。在iFIX畫面中插入該控件實(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。用戶點(diǎn)擊該按鈕，則控件顯示視頻服務(wù)器1#通道的圖像。

對(duì)云臺(tái)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(tái)上下左右運(yùn)動(dòng)、云臺(tái)手動(dòng)/自動(dòng)、鏡頭廣角/近景、鏡頭聚焦遠(yuǎn)/近等指令。如云臺(tái)上移功能可在對(duì)應(yīng)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(diào)用控件的方法、屬性和事件，還可以根據(jù)需要增加視頻錄像、回放、抓拍圖像、畫面分割、圖像質(zhì)量調(diào)整等操作，從而使監(jiān)控軟件同時(shí)具備專業(yè)的數(shù)據(jù)監(jiān)控和視頻監(jiān)控功能。

4 應(yīng)用實(shí)例

以某垃圾運(yùn)轉(zhuǎn)碼頭自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)要求在監(jiān)控畫面上同時(shí)既可看到垃圾車到位狀態(tài)、垃圾重量等信息，又能看到港機(jī)上垃圾車作業(yè)狀況，從而準(zhǔn)確地對(duì)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(shè)置多個(gè)攝像機(jī)觀測(cè)垃圾車、運(yùn)輸船的實(shí)際狀態(tài)，通過(guò)PLC采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)并完成設(shè)備控制，監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(jiān)控系統(tǒng)軟件畫面如圖2所示。畫面左側(cè)是工情流程監(jiān)控部分，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程工藝操作。畫面右側(cè)是視頻監(jiān)控部分，用戶可通過(guò)實(shí)時(shí)圖像看到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際具體情況，還可進(jìn)行圖像移動(dòng)/遠(yuǎn)近等操作。

圖2 垃圾運(yùn)轉(zhuǎn)碼頭監(jiān)控系統(tǒng)畫面

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)“兩網(wǎng)合一”方案具有以下特點(diǎn)：

(1) 是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，PLC站、視頻監(jiān)控點(diǎn)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)都可根據(jù)需要隨時(shí)增減，系統(tǒng)擴(kuò)展不需要結(jié)構(gòu)改變;

(2) 可以把視頻服務(wù)器、視頻前端設(shè)備和PLC控制站放置在現(xiàn)場(chǎng)，只要一根網(wǎng)線即可與監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)連接，大大減少了布線;

(3) 監(jiān)控中心只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一套監(jiān)控軟件即可實(shí)現(xiàn)全部監(jiān)控功能，既便于操作又減少維護(hù)工作量;

(4) 采用視頻服務(wù)器比采用視頻采集卡更能分散計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)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(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控;

(5) 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(xiàn)控制系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)“三網(wǎng)合一”