基于PLC的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究

孫艷

（東北大學(xué)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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?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)器將視頻信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號，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)，并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示和存儲。

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器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、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，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個千兆以太網(wǎng)端口和24個快速以太網(wǎng)端口，為網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容提供了靈活性。

視頻信號屬于模擬信號，本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)視頻轉(zhuǎn)換器將視頻模擬信號轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號，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)級視頻編碼器，可同時將模擬視頻轉(zhuǎn)換為三組MPEG4和MJPEG格式的視頻串流，同時確保網(wǎng)絡(luò)視頻的延遲率小于200 ms，保障了視頻信號的流暢性和實(shí)時性。視頻信號變成網(wǎng)絡(luò)信號之后，若要在監(jiān)控室內(nèi)直接觀看，還要進(jìn)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(luò)攝像頭的視頻流解碼轉(zhuǎn)為模擬視頻信號。模擬視頻信號可傳送到監(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。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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。視頻信號采用視頻編碼器進(jìn)行編碼，編碼后的信號送入網(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(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]。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(shè)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(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(shè)備的連接方式。其中，750-650的TXD端和外接設(shè)備的 RXD連接，750-650的 RXD端和外接設(shè)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(shè)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(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)線長度一般不超過100 m。交換機(jī)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(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。

圖5 PLC程序流程圖

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。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)測試與試驗(yàn)

經(jīng)過測試，系統(tǒng)能夠?qū)z像機(jī)采集到的視頻信號進(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)視頻信號的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時傳輸，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)、視頻信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸和實(shí)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(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)用價值及推廣性。

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