工业控制系统与视频监控系统

1 引言 在工业控制系统的设计和实施过程中，经常会有一些场合(如过船闸门控制、垃圾处理控制等)除了用工业监控软件进行工艺流程数据监控外，还需要配置专业的视频监控系统，以使监控中心能够直观的、全面的掌握现场的实际情况，从而实现安全的远程控制功能。传统的做法一般是另外采用一套独立的模拟信号视频系统，如配置前端设备(含摄像机、镜头、云台、解码器等)、监视器和视频操作键盘;或者采用一套独立的数字信号视频系统，如配置前端设备、带视频采集卡的计算机、视频监控软件。由于视频系统与工控系统相互独立，往往在现场需要各自独立布线，监控中心也需两套监视和操作设备。但这两套系统的最终目标都是为了实现远程控制，所以操作用户希望能够在同一监控画面上同时看到实时数据和图像，以便及时根据现场情况进行快速操作，并减少多种设备的日常操作和维护工作量，即能够使工业控制系统和视频监控系统最大程度地融合。 本文综合运用工业控制和视频监控两种不同专业领域的最新技术，设计了一套完整的解决方案，可以在同一监控网络中同时传输数据、视频、控制信号，在同一计算机软件的同一画面中同时进行工情和视频监控，从而实现了工业控制系统与视频监控系统真正意义上的“两网合一”。 2 方案设计 工业以太网技术是目前工控领域的一个应用热点，常用的 PLC产品一般可以配置以太网通讯模块，同时常用的监控组态软件也都可以通过以太网与PLC通讯，并且一些功能强大的组态软件具备完整的编程环境，可以通过高级语言编程实现一般应用软件的功能。网络摄像机(或网络视频服务器)是目前视频监控领域的一项新技术，其实质是把来自CCD摄像机的视频信号采集后按照一定的压缩标准(如MPEG4、H.264等)转换为可在以太网上传输的数据包，每个网络摄像机(或网络视频服务器)具有不同的IP地址，网络上的计算机可通过TCP/IP协议连接该摄像机(或服务器)，并通过软件对数据包解压缩还原为实时图像。 本方案系统图如图1所示。采用SIEMENS S7-300 PLC进行现场设备控制，配置有CPU模块CPU314、以太网通讯模块CP343-1和各种I/O模块;视频监控前端设备为两套CCD摄像机、自动光圈变焦镜头、云台和解码器，网络数据处理采用二通道视频输入的网络视频服务器，它带有与解码器通讯的RS485端口和与摄像机连接的视频输入BNC端口，输出为可连接到以太网的RJ45端口;监控计算机采用高性能的工控机，其监控软件以GE Fanuc 公司的iFIX3.0作为开发平台，该组态软件支持ActiveX控件、VBA编程和各种通讯协议，功能非常强大;通讯网络采用100M以太网交换机，通过超五类双绞线连接计算机、PLC和视频服务器。本系统实现的关键是在以太网上同时传输视频信息和控制、数据信息，并在同一组态软件中实现工情监控和视频监控功能。 图1 工控系统与视频系统“两网合一”方案系统图 3 “两网合一”的具体实现 (1) PLC组态和编程 在SIMATIC STEP7中进行PLC硬件和网络组态，以太网模块的IP地址可设置为192.168.0.2，子网掩码为255.255.255.0。在DB块中建立与上位机通讯用的变量，包括BOOL、INT等数据类型。然后编制多个FC控制程序，通过MPI电缆下载到PLC中。 (2) 视频设备设置 视频设备主要有摄像机、镜头、云台、解码器和视频服务器。解码器通过标准电压信号控制云台上下左右动作和镜头的变焦、聚焦调节，它与视频服务器之间通过 RS485总线进行通讯，每个解码器要设置不同的通讯地址如1和2。视频服务器通过设置软件设定其IP地址、子网掩码等参数，如IP地址为 192.168.0.3，子网掩码为255.255.255.0，两路摄像机图像编号由插接的BNC端口决定为1或2。 (3) 监控软件的综合开发 监控软件开发同时考虑数据监控和视频监控功能，把工艺上相关的数据和图像放在同一个监控画面上，用户进行的操作包括对现场各种工业设备的控制和对云台、镜头的控制。在iFIX的Workspace中开发常规的工艺流程监控画面、报警处理、历史数据记录、报表查询打印、用户管理等功能，该部分开发在 iFIX 中比较容易实现，而视频监控功能的开发则是关键。 要在iFIX中实现实时图像监视，需要用到其ActiveX技术。视频服务器传输到计算机的视频信号是编码压缩后的数据包，其解压由软件完成，因而可把数据解压、图像还原、控制信息通讯等功能集成在一个ActiveX控件中，然后在iFIX中调用该控件即可。在iFIX画面中插入该控件实例 Video1和一个按钮BtnConnect，该按钮单击事件编程如下： Video1.connect “192.168.0.3”,1。用户点击该按钮，则控件显示视频服务器1#通道的图像。 对云台和镜头的控制是通过视频服务器向解码器发送通讯指令完成，目前市场有几种常用的协议格式，如Pelco-P、AB等，一般包括云台上下左右运动、云台手动/自动、镜头广角/近景、镜头聚焦远/近等指令。如云台上移功能可在对应按钮单击事件编程如下： 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，通过调用控件的方法、属性和事件，还可以根据需要增加视频录像、回放、抓拍图像、画面分割、图像质量调整等操作，从而使监控软件同时具备专业的数据监控和视频监控功能。 4 应用实例 以某垃圾运转码头自动化监控系统为例，该系统要求在监控画面上同时既可看到垃圾车到位状态、垃圾重量等信息，又能看到港机上垃圾车作业状况，从而准确地对进场处的道闸进行控制。采用上述“两网合一”方案，可设置多个摄像机观测垃圾车、运输船的实际状态，通过PLC采集现场信号并完成设备控制，监控计算机通过工业以太网连接PLC和视频服务器，取得了良好的效果。其“两网合一”监控系统软件画面如图2所示。画面左侧是工情流程监控部分，实时显示监测数据并实现远程工艺操作。画面右侧是视频监控部分，用户可通过实时图像看到现场的实际具体情况，还可进行图像移动/远近等操作。 图2 垃圾运转码头监控系统画面 5 结语 本文设计的工业控制系统和视频监控系统“两网合一”方案具有以下特点： (1) 是一个开放的系统，PLC站、视频监控点、监控计算机都可根据需要随时增减，系统扩展不需要结构改变; (2) 可以把视频服务器、视频前端设备和PLC控制站放置在现场，只要一根网线即可与监控中心的计算机连接，大大减少了布线; (3) 监控中心只需要一台计算机和一套监控软件即可实现全部监控功能，既便于操作又减少维护工作量; (4) 采用视频服务器比采用视频采集卡更能分散计算机数据处理的工作量，而且使控制和视频真正在同一网络传输，更适用于远程网络监控; (5) 如果需要集成有语音/音乐功能，还可以选用带有音频输入/输出接口的视频服务器，实现控制系统、视频系统、音频系统“三网合一”