摘 要： 实现了基于可编程逻辑控制器（PLC）、网络交换机、视频编码解码器的实验系统，将各种类型数据统一转换为以太网类型数据进行以太网传输。通过C#语言设计了监控程序，实时监控各路数据并可向PLC发送数据，控制继电器等设备。
关键词： 数据采集；PLC；以太网；监控系统；数据库
随着科技的发展，工业现场的数据类型越来越多样化，除了传统的模拟量数据、数字量数据之外还包括串行数据（RS232、RS85）、视频数据和音频数据等。除了数据类型的增多，数据量也在不断增大，视频数据的数据量就远远大于传统的模拟量或者数字量，这就对数据采集系统提出了更高的要求。数据采集系统要能够对各种不同类型的数据进行采集，还要有足够大的数据带宽适应大数据量的数据传输要求。PLC是工业现场常用的数据采集设备，PLC主要应用在汽车（占23%）、粮食加工（占16.4%）、化学/制药（占14.6）、金属/矿山（占11.5%）、纸浆/造纸（占11.3%）等行业[1]。
数据协议统一化是数据采集必须考虑的一个问题。工业以太网作为一种特殊的网络，直接面向生产过程和控制，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转换[2]。工业以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，组建于上世纪70年代早期。Ethernet（以太网）是一种传输速率为10 Mb/s的常用局域网（LAN）标准。将各种不同类型数据统一转换为以太网标准进行传输，在统一数据格式的同时还可以保证数据传输速率，以太网交换机可以实现以太网通信的管理和数据的传输。PLC控制器端可以选择以太网类型的控制器，数据端可以选择模拟量数据采集功能模块、数字量数据采集功能模块、串行数据采集功能模块，实现数据的采集和类型转换。视频数据可以使用以太网视频服务器将视频信号转换为以太网信号，在数据采集系统内进行传输。在上位机监控系统方面，采用界面功能强大的CSharp进行设计，并对数据库进行操作，实现数据的实时显示和存储。
1 系统结构
本系统的下位机数据采集终端采用可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）作为采集装置。PLC采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC采用24 V直流电作为电源，可选择挂载各种功能不同的功能模块，包括模拟量模块、数字量模块及串口模块，在处理串口数据时，通过控制程序可以将串口数据转换成以太网数据进行传输。
本系统采用导轨式网管型千兆以太网交换机构架以太网通信结构体系。网管型以太网交换机具有三层交换的功能，适用于构建大型局域网络，支持先进的管理和安全功能。为了满足不同工业应用的要求，本系统选择的交换机EDS-828采用了模块化设计，最高可达4个千兆以太网端口和24个快速以太网端口，为网络扩容提供了灵活性。
视频信号属于模拟信号，本系统采用网络视频转换器将视频模拟信号转换成以太网信号，实现了视频与数据在同一条数据线路内同时传输。本系统采用VPort 451作为视频转换器，VPort 451是一款单路工业级视频编码器，可同时将模拟视频转换为三组MPEG4和MJPEG格式的视频串流，同时确保网络视频的延迟率小于200 ms，保障了视频信号的流畅性和实时性。视频信号变成网络信号之后，若要在监控室内直接观看，还要进行视频信号的解码。本系统采用VPort D361作为视频解码器，可将来自于VPort系列视频编码器的H.264/MJPEG影片和网络摄像头的视频流解码转为模拟视频信号。模拟视频信号可传送到监视器、多路复用器和矩阵交换机。系统结构如图1所示。
2 硬件设计
系统硬件结构框图如图2所示，系统以网络交换机为主要网络设备，构成网络管理和数据交换的控制器。视频信号采用视频编码器进行编码，编码后的信号送入网络交换机同其他数据一起进行网络传输。视频信号在交换机后经过视频解码器解码即可直接通过监视器进行视频信号显示。
数据采集的核心器件是PLC。本系统PLC选用wago的以太网类型PLC，型号为750-842，带有10 M以太网接口，可直接和网络交换机的以太网接口相连接，进行数据的传输。PLC挂接了6种不同功能类型的数据接口模块，分别是模拟量输入和输出模块、数字量输入和输出模块、RS232、RS485通信模块。这些模块可满足大多数工况的数据采集需求[3]。
2.1 模拟量、数字量模块
系统中数据采集功能模块的选择如下：模拟量输入模块选择750-457。750-457是输入范围为直流-10 C~10 V的模拟量采集模块，具有12位的分辨率。750-457和外接设备（传感器）连接时，1、2、3、4号引脚均为模拟量输入模块的正电压输入端，5、6引脚为GND，连接外接设备的负电压输入端。外接设备的电压输入不可超过750-457的测量范围，如图3所示。模拟量输出模块选择750-557，其电压输出范围为-10 V~10 V。其电路连接方法同750-457。数字量输入模块选用750-430。750-430为8路数字量输入模块，自带滤波功能，信号电压范围为直流15 V~30 V。数字量输出模块选用750-530。750-530为8路数字量输出模块。
2.3 视频处理
视频处理系统的连接前文已经描述，摄像机一般为PAL格式的摄像机，通过同轴电缆及视频端子与视频编码器VPort 451相连，VPort 451通过8芯网线连接交换机，为了保障视频传输质量，网线长度一般不超过100 m。交换机接收到的视频信号是经过编码的数据，连接视频解码器VportD361可将已编码的视频信号进行解码，解码后可直接连接监视器进行视频显示。
3 软件设计
系统软件包括两部分，一部分是上位机运行的监控程序，另一部分是运行于PLC内部的数据采集和以太网通信程序。上位机的监控程序采用CSharp作为编程语言，程序设计环境为Microsoft Visual Studio 2008。程序采用以太网的TCP/IP通信方式和PLC进行通信[4]。PLC内运行的程序功能包括两部分，一是和上位机进行通信，二是负责对I/O端口进行控制，采集和发送数据。
3.1 下位机PLC控制程序
PLC程序采用循环扫描的方式进行I/O端口的扫描，将采集到的数据存储在PLC内部的数据寄存器内。在以太网通信方面，采用TCP/IP通信模式，PLC作为通信从端。PLC程序能够接收上位机发送的控制命令，从而在数字/模拟量输出模块中输出数字量和模拟量。程序的流程图如图5所示。
3.2 上位机程序
上位机控制程序采用CSharp语言编写，基于framwork3.0平台。上位机控制程序的功能是和PLC进行以太网通信，采集PLC内部数据，并在界面上进行显示。上位机作为以太网通信的主端，负责管理以太网通信，向PLC开放专门的IP地址和端口号专门用于以太网通信。上位机控制程序还能够响应操作者向PLC发送的控制命令，并在数字量输出和模拟量输出端口输出控制命令。
4 系统测试与试验
经过测试，系统能够将摄像机采集到的视频信号进行转换，并通过解码器解码后在监视器上进行显示。上位机监控系统可以操作PLC的数字量、模拟量输出端口，输出数据；可以将PLC采集到的模拟量和数字量数据在监控系统上实时显示。
本文提出了一种数据采集控制系统，该系统能够采集多种不同类型数据，并将这些数据统一转化为以太网数据格式进行传输。该数据采集系统可实现视频信号的网络化实时传输，满足全方位的监控需求。本文实现了数据采集系统的结构设计、网络构建、人机界面设计、PLC数据采集程序设计、视频信号的网络传输和实时显示，可以满足大多数工业现场数据采集的技术要求，并可以通过网络交换机进行采集点的扩展，适合于集中或者分布式的数据采集需求，具有良好的实用价值及推广性。
参考文献
[1] 殷兴光．PLC应用与实践[M]．西安：西北工业大学出版社，2009．
[2] 王平，谢昊飞，肖琼，等.工业以太网技术[M].北京：科学出版社，2007.
[3] 叶建平，郑萍，李涛，等.基于模块化的大综合PLC实验平台的研究与设计[J]．电子技术应用，2012（7）：87-90．
[4] 刘辉，常婉纶.基于C#的Winform程序参数传递和同步显示的实现[J].现代电子技术，2010（14）：64-66.