基于PLC的數據采集監控實驗系統研究

孫艷

（東北大學，遼寧 沈陽 110004）

隨著科技的發展，工業現場的數據類型越來越多樣化，除了傳統的模擬量數據、數字量數據之外還包括串行數據（RS232、RS85）、視頻數據和音頻數據等。除了數據類型的增多，數據量也在不斷增大，視頻數據的數據量就遠遠大于傳統的模擬量或者數字量，這就對數據采集系統提出了更高的要求。數據采集系統要能夠對各種不同類型的數據進行采集，還要有足夠大的數據帶寬適應大數據量的數據傳輸要求。PLC是工業現場常用的數據采集設備，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[1]。

數據協議統一化是數據采集必須考慮的一個問題。工業以太網作為一種特殊的網絡，直接面向生產過程和控制，肩負著工業生產運行一線測量與控制信息傳輸的特殊任務，并產生或引發物質或能量的運動和轉換[2]。工業以太網是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準，組建于上世紀70年代早期。Ethernet（以太網）是一種傳輸速率為 10 Mb/s的常用局域網（LAN）標準。將各種不同類型數據統一轉換為以太網標準進行傳輸，在統一數據格式的同時還可以保證數據傳輸速率，以太網交換機可以實現以太網通信的管理和數據的傳輸。PLC控制器端可以選擇以太網類型的控制器，數據端可以選擇模擬量數據采集功能模塊、數字量數據采集功能模塊、串行數據采集功能模塊，實現數據的采集和類型轉換。視頻數據可以使用以太網視頻服務器將視頻信號轉換為以太網信號，在數據采集系統內進行傳輸。在上位機監控系統方面，采用界面功能強大的CSharp進行設計，并對數據庫進行操作，實現數據的實時顯示和存儲。

1 系統結構

本系統的下位機數據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，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。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、數字量模塊及串口模塊，在處理串口數據時，通過控制程序可以將串口數據轉換成以太網數據進行傳輸。

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

視頻信號屬于模擬信號，本系統采用網絡視頻轉換器將視頻模擬信號轉換成以太網信號，實現了視頻與數據在同一條數據線路內同時傳輸。本系統采用VPort 451作為視頻轉換器，VPort 451是一款單路工業級視頻編碼器，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。視頻信號變成網絡信號之后，若要在監控室內直接觀看，還要進行視頻信號的解碼。本系統采用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視器、多路復用器和矩陣交換機。系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

2 硬件設計

系統硬件結構框圖如圖2所示，系統以網絡交換機為主要網絡設備，構成網絡管理和數據交換的控制器。視頻信號采用視頻編碼器進行編碼，編碼后的信號送入網絡交換機同其他數據一起進行網絡傳輸。視頻信號在交換機后經過視頻解碼器解碼即可直接通過監視器進行視頻信號顯示。

數據采集的核心器件是PLC。本系統PLC選用wago的以太網類型 PLC，型號為 750-842，帶有 10 M以太網接口，可直接和網絡交換機的以太網接口相連接，進行數據的傳輸。PLC掛接了6種不同功能類型的數據接口模塊，分別是模擬量輸入和輸出模塊、數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工況的數據采集需求[3]。

圖2 系統硬件結構框圖

2.1 模擬量、數字量模塊

系統中數據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。數字量輸入模塊選用750-430。750-430為8路數字量輸入模塊，自帶濾波功能，信號電壓范圍為直流15 V～30 V。數字量輸出模塊選用750-530。750-530為8路數字量輸出模塊。

圖3 數據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 絕緣監測模塊

2.3 視頻處理

視頻處理系統的連接前文已經描述，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芯網線連接交換機，為了保障視頻傳輸質量，網線長度一般不超過100 m。交換機接收到的視頻信號是經過編碼的數據，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視器進行視頻顯示。

3 軟件設計

系統軟件包括兩部分，一部分是上位機運行的監控程序，另一部分是運行于PLC內部的數據采集和以太網通信程序。上位機的監控程序采用CSharp作為編程語言，程序設計環境為Microsoft Visual Studio 2008。程序采用以太網的TCP/IP通信方式和PLC進行通信[4]。PLC內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，采集和發送數據。

3.1下位機PLC控制程序

PLC程序采用循環掃描的方式進行I/O端口的掃描，將采集到的數據存儲在PLC內部的數據寄存器內。在以太網通信方面，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送的控制命令，從而在數字/模擬量輸出模塊中輸出數字量和模擬量。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進行以太網通信，采集PLC內部數據，并在界面上進行顯示。上位機作為以太網通信的主端，負責管理以太網通信，向PLC開放專門的IP地址和端口號專門用于以太網通信。上位機控制程序還能夠響應操作者向PLC發送的控制命令，并在數字量輸出和模擬量輸出端口輸出控制命令。

4 系統測試與試驗

經過測試，系統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視器上進行顯示。上位機監控系統可以操作PLC的數字量、模擬量輸出端口，輸出數據；可以將PLC采集到的模擬量和數字量數據在監控系統上實時顯示。

本文提出了一種數據采集控制系統，該系統能夠采集多種不同類型數據，并將這些數據統一轉化為以太網數據格式進行傳輸。該數據采集系統可實現視頻信號的網絡化實時傳輸，滿足全方位的監控需求。本文實現了數據采集系統的結構設計、網絡構建、人機界面設計、PLC數據采集程序設計、視頻信號的網絡傳輸和實時顯示，可以滿足大多數工業現場數據采集的技術要求，并可以通過網絡交換機進行采集點的擴展，適合于集中或者分布式的數據采集需求，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：西北工業大學出版社，2009.

[2]王平，謝昊飛，肖瓊，等.工業以太網技術[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程序參數傳遞和同步顯示的實現[J].現代電子技術，2010（14）：64-66.