1 引言

在工業(yè)控制系統(tǒng)的設計和實施過程中，經(jīng)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(yè)監(jiān)控軟件進行工藝流程數(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)場的實際情況，從而實現(xiàn)安全的遠程控制功能。傳統(tǒng)的做法一般是另外采用一套獨立的模擬信號視頻系統(tǒng)，如配置前端設備(含攝像機、鏡頭、云臺、解碼器等)、監(jiān)視器和視頻操作鍵盤;或者采用一套獨立的數(shù)字信號視頻系統(tǒng)，如配置前端設備、帶視頻采集卡的計算機、視頻監(jiān)控軟件。由于視頻系統(tǒng)與工控系統(tǒng)相互獨立，往往在現(xiàn)場需要各自獨立布線，監(jiān)控中心也需兩套監(jiān)視和操作設備。但這兩套系統(tǒng)的最終目標都是為了實現(xiàn)遠程控制，所以操作用戶希望能夠在同一監(jiān)控畫面上同時看到實時數(shù)據(jù)和圖像，以便及時根據(jù)現(xiàn)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(yè)控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)最大程度地融合。

本文綜合運用工業(yè)控制和視頻監(jiān)控兩種不同專業(yè)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(jiān)控網(wǎng)絡中同時傳輸數(shù)據(jù)、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(jiān)控，從而實現(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 方案設計

工業(yè)以太網(wǎng)技術是目前工控領域的一個應用熱點，常用的 PLC產(chǎn)品一般可以配置以太網(wǎng)通訊模塊，同時常用的監(jiān)控組態(tài)軟件也都可以通過以太網(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，可以通過高級語言編程實現(xiàn)一般應用軟件的功能。網(wǎng)絡攝像機(或網(wǎng)絡視頻服務器)是目前視頻監(jiān)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(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，每個網(wǎng)絡攝像機(或網(wǎng)絡視頻服務器)具有不同的IP地址，網(wǎng)絡上的計算機可通過TCP/IP協(xié)議連接該攝像機(或服務器)，并通過軟件對數(shù)據(jù)包解壓縮還原為實時圖像。

本方案系統(tǒng)圖如圖1所示。采用SIEMENS S7-300 PLC進行現(xiàn)場設備控制，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(jiān)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(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理采用二通道視頻輸入的網(wǎng)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(wǎng)的RJ45端口;監(jiān)控計算機采用高性能的工控機，其監(jiān)控軟件以GE Fanuc 公司的iFIX3.0作為開發(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)絡采用100M以太網(wǎng)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(tǒng)實現(xiàn)的關鍵是在以太網(wǎng)上同時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”的具體實現(xiàn)

(1) PLC組態(tài)和編程

在SIMATIC STEP7中進行PLC硬件和網(wǎng)絡組態(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(shù)據(jù)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(jié)，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(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圖像編號由插接的BNC端口決定為1或2。

(3) 監(jiān)控軟件的綜合開發(fā)

監(jiān)控軟件開發(fā)同時考慮數(shù)據(jù)監(jiān)控和視頻監(jiān)控功能，把工藝上相關的數(shù)據(jù)和圖像放在同一個監(jiān)控畫面上，用戶進行的操作包括對現(xiàn)場各種工業(yè)設備的控制和對云臺、鏡頭的控制。在iFIX的Workspace中開發(fā)常規(guī)的工藝流程監(jiān)控畫面、報警處理、歷史數(shù)據(jù)記錄、報表查詢打印、用戶管理等功能，該部分開發(fā)在 iFIX 中比較容易實現(xiàn)，而視頻監(jiān)控功能的開發(fā)則是關鍵。

要在iFIX中實現(xiàn)實時圖像監(jiān)視，需要用到其ActiveX技術。視頻服務器傳輸?shù)接嬎銠C的視頻信號是編碼壓縮后的數(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(fā)送通訊指令完成，目前市場有幾種常用的協(xié)議格式，如Pelco-P、AB等，一般包括云臺上下左右運動、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(jù)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(jiān)控軟件同時具備專業(yè)的數(shù)據(jù)監(jiān)控和視頻監(jiān)控功能。

4 應用實例

以某垃圾運轉碼頭自動化監(jiān)控系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)要求在監(jiān)控畫面上同時既可看到垃圾車到位狀態(tài)、垃圾重量等信息，又能看到港機上垃圾車作業(yè)狀況，從而準確地對進場處的道閘進行控制。采用上述“兩網(wǎng)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(tài)，通過PLC采集現(xiàn)場信號并完成設備控制，監(jiān)控計算機通過工業(yè)以太網(wǎng)連接PLC和視頻服務器，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。畫面左側是工情流程監(jiān)控部分，實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)并實現(xiàn)遠程工藝操作。畫面右側是視頻監(jiān)控部分，用戶可通過實時圖像看到現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)畫面

5 結語

本文設計的工業(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：

(1) 是一個開放的系統(tǒng)，PLC站、視頻監(jiān)控點、監(jiān)控計算機都可根據(jù)需要隨時增減，系統(tǒng)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(xiàn)場，只要一根網(wǎng)線即可與監(jiān)控中心的計算機連接，大大減少了布線;

(3) 監(jiān)控中心只需要一臺計算機和一套監(jiān)控軟件即可實現(xiàn)全部監(jiān)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(shù)據(jù)處理的工作量，而且使控制和視頻真正在同一網(wǎng)絡傳輸，更適用于遠程網(wǎng)絡監(jiān)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(xiàn)控制系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)“三網(wǎng)合一”