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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。 |
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