數字化工業電視監控系統在化工園區中的應用

劉小紅

(華陸工程科技有限責任公司，西安 710065)

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數字化工業電視監控系統在化工園區中的應用

劉小紅

(華陸工程科技有限責任公司，西安 710065)

摘要：通過對數字化工業電視監控系統的信號采集、信號傳輸和后端存儲、管理和顯示環節的分析，提出了化工園區監控系統解決方案，該方案運用數據傳輸的環網技術、雙核心冗余備份以及數據在分控中心的分散存儲和總控中心的集中管理等方法，從而保證監控系統信號傳輸的可靠性和存儲管理的便利性。該解決方案說明： 數字化監控系統不僅能夠結合化工園區特點進行模塊化的分級監控管理，而且能夠結合化工裝置區工藝流程和DCS進行綜合信息管理。

關鍵詞：工業電視監控數字化分散存儲集中管理

1概述

隨著信息技術和管理水平的發展，工業電視監控系統經歷了幾個階段的發展，從傳統的模擬化系統發展到模擬與數字的結合，再到如今全數字化系統。數字化監控系統的全面應用是基于計算機技術、多媒體技術、數字圖像壓縮技術、數字存儲技術以及網絡應用技術的飛速發展，以其獨特的技術優勢占領了越來越大的市場。

數字化工業電視監控系統應用于化工園區，實現從前端攝像、信號傳輸、信號存儲到監控管理及顯示終端全程數字化。現場攝像機可實現遠端數字視頻信號采集；監控中心或各分控中心的存儲設備對前方采集數字信息進行存儲、管理、查詢和瀏覽，實現數字信號的分散存儲和集中管理；監控中心或各分控中心的顯示終端可監控現場畫面。

2系統組成

2.1信號的采集

數字攝像機是一種高度集成化的產品，可以看作1臺普通攝像機和1臺微型服務器的結合體，是完全數字化的產品，如圖1所示。

圖1　數字攝像機組成部分

數字攝像機從功能上可以劃分為攝像機和編碼兩大部分。

1) 攝像機部分。包含鏡頭、濾鏡、圖像傳感器等光學部件，主要完成圖像采集和光/電轉換工作，即將組成圖像的各種光信號轉化為電信號，同時還進行曝光控制、快門控制、白平衡調整、亮度色度調整以及背光補償等常見的圖像調整工作。

2) 編碼部分。包括圖像壓縮芯片、CPU及網絡接口等，主要負責將圖像進行壓縮并通過網絡進行傳輸，真正實現數字化。

數字攝像機捕捉畫質清晰，所捕捉的細節信息更全面，因而數字化監控系統具有更出色的視頻分析能力，為后期事件追溯和決策提供了可靠和安全的源數據。

2.2信號的傳輸

信號傳輸相當于電視監控系統的血脈。工業電視監控系統網絡采用與計算機辦公相對獨立的網絡，不占用辦公網絡帶寬，保證兩個系統傳輸無障礙。

視頻圖像經攝像機采集之后被直接數字化，并通過標準的網絡IP協議進行傳輸，從而能夠充分保證圖像的清晰度。同時，數字信號的傳輸介質主要以光纖為主，不受傳輸距離的影響。信號傳輸光纖和各層交換機將前端攝像機、各分控中心與總控中心之間連成一張網，視頻監控數據通過網絡光纖進行傳輸，滿足了化工園區視頻信號長距離傳輸的要求。

2.3信號的存儲

數字監控系統存儲設備采用網絡硬盤錄像機(NVR)，負責數據信號的存儲及回放，同時NVR可以成功地實現自動搜索攝像頭、自動修改IP地址、自動添加攝像頭、自動顯示監控畫面的新技術功能，解決數字系統在IP設置上的麻煩。通過NVR設備，組建1個以NVR設備為“節點”的分布式網絡，形成分布式多層結構網絡環境，有效降低中心節點的網絡傳輸和數據存儲壓力，為實現分散存儲、集中管理方案打好基礎。

2.4信號管理和顯示

視頻服務器(VM)和管理服務器(MS)是面向視頻監控系統的設備，是視頻監控系統整體解決方案中的重要組件，突破了傳統視頻管理服務器的瓶頸，主要功能有管理存儲設備、存儲資源和視頻數據，支持對系統所有存儲資源進行全方位的監控和管理，支持不間斷的視頻檢索、回放等業務，支持實時視頻流的轉分發、視頻歷史數據的點播。信號顯示采用視頻工作站或電視大屏幕。

3數字化系統解決方案

3.1系統結構

以某化工園區為例，結合化工園區建設規劃以及監控系統現場數據采集和后端數據管理的便利，將工業電視監控系統劃成4個監控分區： 氣化裝置區、空分裝置區、輸煤系統、罐區，系統結構如圖2所示。

圖2　化工園區監控系統示意

以上4個監控分區可作為監控子系統，相互獨立，各分區的視頻信號分別傳送到各分區對應的分控中心，信號經存儲設備進行現場存儲管理，通過架設的光纖和交換機與總控中心通信，實現總控中心集中管理、各分控中心實時監視和分散存儲的目的。

為保證整個系統的正常工作，系統供電采用UPS電源，各分區均設UPS電源，其用電負荷根據前端攝像機、后端存儲設備和顯示設備的容量計算，并結合斷電持續時間確定負荷；系統的防雷和接地設計，不僅需考慮前端攝像機的防雷和接地，而且應考慮整個系統設備及信號傳輸防雷和接地；系統前端采集、信號傳輸和存儲管理設備的具體設置作為重點內容將詳細說明。

3.2前端攝像機設置

1) 攝像機選型。根據相關工藝流程的特性，化工區域防爆(氣體防爆或粉塵防爆)、防腐以及其他特殊環境。數字高清云臺一體化攝像機可將IP信號中的控制信號轉換成RS-485信號送至云臺，從而實現對前端云臺的控制功能，通過平臺客戶端可進行水平、垂直轉動，鏡頭變倍、調焦，雨刮、噴淋等控制。云臺具有雨刮和噴淋功能，無外接線纜，負荷能力大于安裝的設備質量總和。防爆區域內的攝像機，選用相應防爆等級的防爆一體化高清攝像機，含防爆護罩和云臺，視頻信號和控制信號采用光纖，經光纖收發器傳送至各分控中心的光纖收發器接收端。

2) 攝像機點位布置。根據相關工藝流程和管理方案的特點，化工園區的攝像機布點比較靈活，監控點的確定依賴化工工藝流程。

a) 氣化裝置區設置27臺攝像機，負責原煤儲存與儲備、氣化、灰水處理、低溫甲醇洗、凈化、硫回收等主項裝置設備的監視。

b) 空分裝置區設置5臺攝像機，負責空分壓縮機廠房、空分罐區和空分主裝置設備的監視。

c) 輸煤系統設置17臺攝像機，主要安裝在輸煤皮帶機、破碎樓、備煤筒倉和卸煤間，保障在輸煤系統出現問題時，能夠及時發現故障點。

d) 罐區設置8臺攝像機，主要安裝在罐區周邊。

3.3信號傳輸部分

系統采用核心層和接入層的拓撲結構，兩層交換機均采用工業級交換機。接入層交換機具有上行光口和下行光口，上行光口采用千兆帶寬傳輸，下行光口采用百兆帶寬傳輸，核心層交換機采用千兆帶寬傳輸。

1) 環網技術的接入層交換機。4個監控分區的攝像機信號，采用光纖收發器+單模光纖直接連接到各分控中心光纖收發器，經光纖收發器的光電轉換后采用網絡數據線纜連接至接入層交換機；現場攝像機電源由各分控中心內的UPS電源集中供電。各分控中心的接入層交換機采用環網技術組建監控傳輸網絡，該模式由千兆環網遠端接入交換機和千兆環網中心核心交換機組成。基于網絡組網交換技術，每個分控中心配置1臺千兆環網遠端接入交換機，多臺千兆環網遠端接入交換機組成千兆傳輸網絡，將高清視頻傳輸至監控中心。接入層交換機采用2個千兆光電復用口、8個百兆光口、16個百兆電口，支持擴展模塊帶電熱插撥。

2) 雙冗余備份的核心層交換機。4個監控分區的接入層交換機，采用雙單模光纖連接到總控中心的核心層交換機，其核心層交換機采用3個萬兆XFP端口、16個千兆電口、32個千兆光口。總控中心核心交換機采用雙核心冗余備份，2臺核心交換機之間采用虛擬路由冗余協議(VRRP)實現負載均衡和雙機熱備。接入交換機分別引2條光纖到核心交換機，實現采用雙鏈路接入到2臺核心交換機，其中任意1臺核心交換機和線路出現問題，都不會影響網絡的暢通，為網絡運行提供了更高的安全及可靠性，如圖3所示。

圖3　監控網絡拓撲結構示意

3) 接入層與核心層之間經光纖通信，采用雙單模鎧裝光纖，滿足核心層交換機雙冗余備份要求。

3.4后端存儲和管理

為保證系統的穩定性及存儲管理、控制管理的合理性，采用分散式存儲、集中管理的設計，即在各分控中心進行分散存儲，在總控中心進行集中管理。數據都存儲在各分控中心的NVR，避免一旦存儲服務器出現問題，導致整個數據可能全部丟失的情況，且只有總控中心需要查看預覽和回放數據時，才需要連接NVR，對網絡帶寬和交換機交換能力的要求相對較低，從而降低了整個項目的成本。

1) 設備配置。整個化工園區的工業電視監控系統配置見表1所列。

表1　攝像機對應硬盤數量

2) 信號管理。在總控中心設置3臺服務器，分別為視頻服務器，管理服務器和數據備份服務器，并安裝視頻管理軟件，實現圖像存儲、轉發及高級視頻分析所需的算法計算，每臺服務器配置2塊千兆網卡，1個接入管理顯示工作站，另外1個接入存儲設備，保證數據不互相影響。

3.5后端顯示

后端顯示主要為分控中心顯示和總控中心顯示。各分控中心采用視頻工作站，總控中心采用視頻工作站和大屏幕。

各分控中心通過客戶端電腦和控制鍵盤對現場攝像機和云臺進行控制，實現對前端采集畫面的選擇切換，對云臺和電動鏡頭的全方位控制(包括變焦、聚焦、自動水平轉動、垂直轉動、自動光圈、鏡頭速度等)，對防護罩的雨刷及輔助照明燈、解碼器預置位的操作控制。各分控中心對現場設備有高等級的控制管理權限，總控中心可對畫面進行遠程調用和共享。同時，在分控中心的DCS操作站，配置相關操作軟件并授予控制管理權限，可對工業電視監控系統現場畫面調用。

總控中心的大屏幕顯示采用液晶投影LCD(liquid crystal display)或者數字光學處理器DLP(digital light processor)。大屏幕不僅應用于工業電視監控系統信號顯示，同時可將DCS信號進行顯示，在大屏幕顯示內容上可將DCS的過程控制與其相對應的視頻監控畫面進行同步，將化工園區的工藝流程、過程控制和視頻監控的結合，更有利于提高生產管理的工作效率，便于操作和管理，特別是指揮和處理突發事件。

4數字化工業電視監控系統特點

1) 工業電視監控采用數字化系統具有以下優點：

a) 系統擴展性。當系統規模擴大需要增加監控點時，只需要增加監控點到裝置區光纖配線架的光纖即可，節約了大量的裝置區到操作室之間的電纜及電纜施工的費用，減少了重復投資。

b) 系統安全性。各監控點分散存儲，同時大容量監控存儲空間可確保視頻信息的長時間保存，為長時間錄像查詢提供硬件保障。高穩定性設備可實現7×24h的連續工作時間，大幅降低故障率，縮短了故障維護時間，提高了系統使用率，降低了系統維護成本。

c) 系統穩定性。環網技術和雙核心冗余備份，保證數據傳輸的穩定性以及數據傳輸的多路徑，省去匯聚層交換機，直接連到核心層交換機，提高組網和實際施工的便利和靈活性，對于化工園區的改擴建工程很有幫助。

2) 數字化工業電視監視系統也有以下不足：

a) 系統存儲空間占用增大，為了保證采集到高清視頻信號的高清回放，并滿足信號的存儲周期、存儲空間的需求提高。

b) 系統投資費用相對較高，從其前端視頻信號采集，到信號存儲和管理投入的費用都將增加，但是隨著數字技術的發展以及市場發展的需求，系統投資也將會越來越經濟。

5結束語

數字化工業電視監控系統作為化工園區重要的信息管理系統，充分結合工藝流程管理，對提高化工園區管理的智能化水平、運營維護管理水平及運營管理人員工作效率等起到重要作用。文中的解決方案從采集、傳輸、存儲、管理和顯示等環節均采用全數字化，滿足了系統的網絡化和智能化要求，并具有易擴展性、易管理性和易操作性，同時由于數字化工業電視監視系統的開放協議，可與化工園區DCS、火災報警系統、安防系統和周界入侵報警系統等實現通信，為今后化工園區內各管理系統之間的信息平臺統一化管理做好堅實的準備。

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Application of Digital Industrial Television Monitoring System in Chemical Industry Park

Liu Xiaohong

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China )

Abstracts： Solution of digital industrial television monitoring system in chemical industry park is proposed by analyzing signal collection, transmission, back-end storage, management and display step. The design plan uses technology of ring network, dual core redundancy in data transmission, data distributed storage and centralized management to ensure reliability of transmission and convenience of storage. The scheme indicates digital television monitoring system is not only modular classifying supervised with feature of chemical industry park, but also integrated information management combining with unit area process and DCS on chemical plant.

Key words:industrial video surveillance system; digital; distributed storage; centralize management

作者簡介：劉小紅，畢業于長安大學交通信息工程及控制專業，獲碩士學位，現工作于華陸工程科技有限責任公司電控室，任工程師。

中圖分類號：TP274

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0046-04

稿件收到日期： 2016-02-18，修改稿收到日期： 2016-04-08。