孫艷

（東北大學，遼寧 沈陽 110004）

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)類型越來越多樣化，除了傳統(tǒng)的模擬量數(shù)據(jù)、數(shù)字量數(shù)據(jù)之外還包括串行數(shù)據(jù)（RS232、RS85）、視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)等。除了數(shù)據(jù)類型的增多，數(shù)據(jù)量也在不斷增大，視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量就遠遠大于傳統(tǒng)的模擬量或者數(shù)字量，這就對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了更高的要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要能夠對各種不同類型的數(shù)據(jù)進行采集，還要有足夠大的數(shù)據(jù)帶寬適應大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸要求。PLC是工業(yè)現(xiàn)場常用的數(shù)據(jù)采集設備，PLC主要應用在汽車（占23%）、糧食加工（占 16.4%）、化學/制藥（占 14.6）、金 屬/礦山 （占 11.5%）、紙漿/造紙（占 11.3%）等行業(yè)[1]。

數(shù)據(jù)協(xié)議統(tǒng)一化是數(shù)據(jù)采集必須考慮的一個問題。工業(yè)以太網(wǎng)作為一種特殊的網(wǎng)絡，直接面向生產(chǎn)過程和控制，肩負著工業(yè)生產(chǎn)運行一線測量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿眨a(chǎn)生或引發(fā)物質或能量的運動和轉換[2]。工業(yè)以太網(wǎng)是當今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準，組建于上世紀70年代早期。Ethernet（以太網(wǎng)）是一種傳輸速率為 10 Mb/s的常用局域網(wǎng)（LAN）標準。將各種不同類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉換為以太網(wǎng)標準進行傳輸，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式的同時還可以保證數(shù)據(jù)傳輸速率，以太網(wǎng)交換機可以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信的管理和數(shù)據(jù)的傳輸。PLC控制器端可以選擇以太網(wǎng)類型的控制器，數(shù)據(jù)端可以選擇模擬量數(shù)據(jù)采集功能模塊、數(shù)字量數(shù)據(jù)采集功能模塊、串行數(shù)據(jù)采集功能模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和類型轉換。視頻數(shù)據(jù)可以使用以太網(wǎng)視頻服務器將視頻信號轉換為以太網(wǎng)信號，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)進行傳輸。在上位機監(jiān)控系統(tǒng)方面，采用界面功能強大的CSharp進行設計，并對數(shù)據(jù)庫進行操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲。

1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)的下位機數(shù)據(jù)采集終端采用可編程邏輯控制器 PLC（Programmable Logic Controller）作為采集裝置。PLC采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC采用24 V直流電作為電源，可選擇掛載各種功能不同的功能模塊，包括模擬量模塊、數(shù)字量模塊及串口模塊，在處理串口數(shù)據(jù)時，通過控制程序可以將串口數(shù)據(jù)轉換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行傳輸。

本系統(tǒng)采用導軌式網(wǎng)管型千兆以太網(wǎng)交換機構架以太網(wǎng)通信結構體系。網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機具有三層交換的功能，適用于構建大型局域網(wǎng)絡，支持先進的管理和安全功能。為了滿足不同工業(yè)應用的要求，本系統(tǒng)選擇的交換機EDS-828采用了模塊化設計，最高可達4個千兆以太網(wǎng)端口和24個快速以太網(wǎng)端口，為網(wǎng)絡擴容提供了靈活性。

視頻信號屬于模擬信號，本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡視頻轉換器將視頻模擬信號轉換成以太網(wǎng)信號，實現(xiàn)了視頻與數(shù)據(jù)在同一條數(shù)據(jù)線路內(nèi)同時傳輸。本系統(tǒng)采用VPort 451作為視頻轉換器，VPort 451是一款單路工業(yè)級視頻編碼器，可同時將模擬視頻轉換為三組MPEG4和MJPEG格式的視頻串流，同時確保網(wǎng)絡視頻的延遲率小于200 ms，保障了視頻信號的流暢性和實時性。視頻信號變成網(wǎng)絡信號之后，若要在監(jiān)控室內(nèi)直接觀看，還要進行視頻信號的解碼。本系統(tǒng)采用VPort D361作為視頻解碼器，可將來自于VPort系列視頻編碼器的H.264/MJPEG影片和網(wǎng)絡攝像頭的視頻流解碼轉為模擬視頻信號。模擬視頻信號可傳送到監(jiān)視器、多路復用器和矩陣交換機。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2所示，系統(tǒng)以網(wǎng)絡交換機為主要網(wǎng)絡設備，構成網(wǎng)絡管理和數(shù)據(jù)交換的控制器。視頻信號采用視頻編碼器進行編碼，編碼后的信號送入網(wǎng)絡交換機同其他數(shù)據(jù)一起進行網(wǎng)絡傳輸。視頻信號在交換機后經(jīng)過視頻解碼器解碼即可直接通過監(jiān)視器進行視頻信號顯示。

數(shù)據(jù)采集的核心器件是PLC。本系統(tǒng)PLC選用wago的以太網(wǎng)類型 PLC，型號為 750-842，帶有 10 M以太網(wǎng)接口，可直接和網(wǎng)絡交換機的以太網(wǎng)接口相連接，進行數(shù)據(jù)的傳輸。PLC掛接了6種不同功能類型的數(shù)據(jù)接口模塊，分別是模擬量輸入和輸出模塊、數(shù)字量輸入和輸出模塊、RS232、RS485通信模塊。這些模塊可滿足大多數(shù)工況的數(shù)據(jù)采集需求[3]。

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖

2.1 模擬量、數(shù)字量模塊

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集功能模塊的選擇如下：模擬量輸入模塊選擇750-457。750-457是輸入范圍為直流-10 C～10 V的模擬量采集模塊，具有12位的分辨率。750-457和外接設備（傳感器）連接時，1、2、3、4號引腳均為模擬量輸入模塊的正電壓輸入端，5、6引腳為GND，連接外接設備的負電壓輸入端。外接設備的電壓輸入不可超過750-457的測量范圍，如圖3所示。模擬量輸出模塊選擇750-557，其電壓輸出范圍為-10 V～10 V。其電路連接方法同750-457。數(shù)字量輸入模塊選用750-430。750-430為8路數(shù)字量輸入模塊，自帶濾波功能，信號電壓范圍為直流15 V～30 V。數(shù)字量輸出模塊選用750-530。750-530為8路數(shù)字量輸出模塊。

圖3 數(shù)據(jù)采集部分功能模塊電氣連接圖

2.2 串行接口模塊

串行接口模塊包括RS232類型通信模塊和RS485類型通信模塊。RS232類型通信模塊選用750-650，RS485類型通信模塊選用750-653。如圖4所示為RS232類型的通信模塊和外接設備的連接方式。其中，750-650的TXD端和外接設備的 RXD連接，750-650的 RXD端和外接設備的TXD連接，兩者的COMMON端連接。750-653的連接按照兩線制RS485的連接方式，即750-653的 data+連接外接設備的data+連接，兩者的data-連接。

圖4 絕緣監(jiān)測模塊

2.3 視頻處理

視頻處理系統(tǒng)的連接前文已經(jīng)描述，攝像機一般為PAL格式的攝像機，通過同軸電纜及視頻端子與視頻編碼器VPort 451相連，VPort 451通過8芯網(wǎng)線連接交換機，為了保障視頻傳輸質量，網(wǎng)線長度一般不超過100 m。交換機接收到的視頻信號是經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)，連接視頻解碼器VportD361可將已編碼的視頻信號進行解碼，解碼后可直接連接監(jiān)視器進行視頻顯示。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件包括兩部分，一部分是上位機運行的監(jiān)控程序，另一部分是運行于PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集和以太網(wǎng)通信程序。上位機的監(jiān)控程序采用CSharp作為編程語言，程序設計環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2008。程序采用以太網(wǎng)的TCP/IP通信方式和PLC進行通信[4]。PLC內(nèi)運行的程序功能包括兩部分，一是和上位機進行通信，二是負責對I/O端口進行控制，采集和發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.1下位機PLC控制程序

PLC程序采用循環(huán)掃描的方式進行I/O端口的掃描，將采集到的數(shù)據(jù)存儲在PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。在以太網(wǎng)通信方面，采用TCP/IP通信模式，PLC作為通信從端。PLC程序能夠接收上位機發(fā)送的控制命令，從而在數(shù)字/模擬量輸出模塊中輸出數(shù)字量和模擬量。程序的流程圖如圖5所示。

圖5 PLC程序流程圖

3.2上位機程序

上位機控制程序采用CSharp語言編寫，基于framwork3.0平臺。上位機控制程序的功能是和PLC進行以太網(wǎng)通信，采集PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，并在界面上進行顯示。上位機作為以太網(wǎng)通信的主端，負責管理以太網(wǎng)通信，向PLC開放專門的IP地址和端口號專門用于以太網(wǎng)通信。上位機控制程序還能夠響應操作者向PLC發(fā)送的控制命令，并在數(shù)字量輸出和模擬量輸出端口輸出控制命令。

4 系統(tǒng)測試與試驗

經(jīng)過測試，系統(tǒng)能夠將攝像機采集到的視頻信號進行轉換，并通過解碼器解碼后在監(jiān)視器上進行顯示。上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以操作PLC的數(shù)字量、模擬量輸出端口，輸出數(shù)據(jù)；可以將PLC采集到的模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)在監(jiān)控系統(tǒng)上實時顯示。

本文提出了一種數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠采集多種不同類型數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉化為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式進行傳輸。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實現(xiàn)視頻信號的網(wǎng)絡化實時傳輸，滿足全方位的監(jiān)控需求。本文實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構設計、網(wǎng)絡構建、人機界面設計、PLC數(shù)據(jù)采集程序設計、視頻信號的網(wǎng)絡傳輸和實時顯示，可以滿足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的技術要求，并可以通過網(wǎng)絡交換機進行采集點的擴展，適合于集中或者分布式的數(shù)據(jù)采集需求，具有良好的實用價值及推廣性。

[1]殷興光.PLC應用與實踐[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2009.

[2]王平，謝昊飛，肖瓊，等.工業(yè)以太網(wǎng)技術[M].北京：科學出版社，2007.

[3]葉建平，鄭萍，李濤，等.基于模塊化的大綜合 PLC實驗平臺的研究與設計[J].電子技術應用，2012（7）：87-90.

[4]劉輝，常婉綸.基于C#的Winform程序參數(shù)傳遞和同步顯示的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2010（14）：64-66.