摘  要： 實(shí)現(xiàn)了基于可編程邏輯控制器（PLC）,、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、視頻編碼解碼器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，將各種類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)類型數(shù)據(jù)進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸,。通過C#語言設(shè)計(jì)了監(jiān)控程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控各路數(shù)據(jù)并可向PLC發(fā)送數(shù)據(jù),，控制繼電器等設(shè)備。
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集,；PLC,；以太網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng),；數(shù)據(jù)庫(kù)

　隨著科技的發(fā)展,，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的模擬量或者數(shù)字量,，這就對(duì)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?qū)Ω鞣N不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，還要有足夠大的數(shù)據(jù)帶寬適應(yīng)大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸要求,。PLC是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備,，PLC主要應(yīng)用在汽車（占23%）、糧食加工（占16.4%）,、化學(xué)/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(gè)問題,。工業(yè)以太網(wǎng)作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過程和控制,，肩負(fù)著工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行一線測(cè)量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?wù),，并產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)換[2]。工業(yè)以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，組建于上世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn),。將各種不同類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式的同時(shí)還可以保證數(shù)據(jù)傳輸速率,，以太網(wǎng)交換機(jī)可以實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和類型轉(zhuǎn)換,。視頻數(shù)據(jù)可以使用以太網(wǎng)視頻服務(wù)器將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號(hào),，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行傳輸。在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方面,，采用界面功能強(qiáng)大的CSharp進(jìn)行設(shè)計(jì),，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ),。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　本系統(tǒng)的下位機(jī)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(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序,，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,、順序控制、定時(shí),、計(jì)數(shù)與算術(shù)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(jī)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(shí),，通過控制程序可以將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。
　本系統(tǒng)采用導(dǎo)軌式網(wǎng)管型千兆以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)架以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)體系,。網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機(jī)具有三層交換的功能,，適用于構(gòu)建大型局域網(wǎng)絡(luò)，支持先進(jìn)的管理和安全功能,。為了滿足不同工業(yè)應(yīng)用的要求,，本系統(tǒng)選擇的交換機(jī)EDS-828采用了模塊化設(shè)計(jì)，最高可達(dá)4個(gè)千兆以太網(wǎng)端口和24個(gè)快速以太網(wǎng)端口,，為網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容提供了靈活性,。
　視頻信號(hào)屬于模擬信號(hào),，本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)視頻轉(zhuǎn)換器將視頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了視頻與數(shù)據(jù)在同一條數(shù)據(jù)線路內(nèi)同時(shí)傳輸,。本系統(tǒng)采用VPort 451作為視頻轉(zhuǎn)換器,，VPort 451是一款單路工業(yè)級(jí)視頻編碼器，可同時(shí)將模擬視頻轉(zhuǎn)換為三組MPEG4和MJPEG格式的視頻串流,，同時(shí)確保網(wǎng)絡(luò)視頻的延遲率小于200 ms,，保障了視頻信號(hào)的流暢性和實(shí)時(shí)性。視頻信號(hào)變成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)之后,，若要在監(jiān)控室內(nèi)直接觀看,，還要進(jìn)行視頻信號(hào)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(luò)攝像頭的視頻流解碼轉(zhuǎn)為模擬視頻信號(hào),。模擬視頻信號(hào)可傳送到監(jiān)視器、多路復(fù)用器和矩陣交換機(jī),。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

2 硬件設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)交換的控制器。視頻信號(hào)采用視頻編碼器進(jìn)行編碼,，編碼后的信號(hào)送入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)同其他數(shù)據(jù)一起進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸,。視頻信號(hào)在交換機(jī)后經(jīng)過視頻解碼器解碼即可直接通過監(jiān)視器進(jìn)行視頻信號(hào)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(hào)為750-842，帶有10 M以太網(wǎng)接口,，可直接和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的以太網(wǎng)接口相連接,，進(jìn)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]。
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(shè)備（傳感器）連接時(shí),，1、2、3,、4號(hào)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(shè)備的負(fù)電壓輸入端,。外接設(shè)備的電壓輸入不可超過750-457的測(cè)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(hào)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,。

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(jī)一般為PAL格式的攝像機(jī)，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(jī),，為了保障視頻傳輸質(zhì)量，網(wǎng)線長(zhǎng)度一般不超過100 m,。交換機(jī)接收到的視頻信號(hào)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(hào)進(jìn)行解碼，解碼后可直接連接監(jiān)視器進(jìn)行視頻顯示,。
3 軟件設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)軟件包括兩部分,，一部分是上位機(jī)運(yùn)行的監(jiān)控程序，另一部分是運(yùn)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(jī)的監(jiān)控程序采用CSharp作為編程語言,，程序設(shè)計(jì)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(jìn)行通信[4],。PLC內(nèi)運(yùn)行的程序功能包括兩部分,，一是和上位機(jī)進(jìn)行通信，二是負(fù)責(zé)對(duì)I/O端口進(jìn)行控制,，采集和發(fā)送數(shù)據(jù),。
3.1 下位機(jī)PLC控制程序
　PLC程序采用循環(huán)掃描的方式進(jìn)行I/O端口的掃描，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)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。

3.2 上位機(jī)程序
　上位機(jī)控制程序采用CSharp語言編寫,，基于framwork3.0平臺(tái),。上位機(jī)控制程序的功能是和PLC進(jìn)行以太網(wǎng)通信，采集PLC內(nèi)部數(shù)據(jù),，并在界面上進(jìn)行顯示,。上位機(jī)作為以太網(wǎng)通信的主端，負(fù)責(zé)管理以太網(wǎng)通信,，向PLC開放專門的IP地址和端口號(hào)專門用于以太網(wǎng)通信,。上位機(jī)控制程序還能夠響應(yīng)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(cè)試與試驗(yàn)
　經(jīng)過測(cè)試,，系統(tǒng)能夠?qū)z像機(jī)采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過解碼器解碼后在監(jiān)視器上進(jìn)行顯示,。上位機(jī)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(shí)時(shí)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(zhuǎn)化為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)傳輸,，滿足全方位的監(jiān)控需求,。本文實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,、人機(jī)界面設(shè)計(jì),、PLC數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)、視頻信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和實(shí)時(shí)顯示,，可以滿足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)要求,，并可以通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行采集點(diǎn)的擴(kuò)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(shí)用價(jià)值及推廣性,。
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