基于PoE技術的視頻監控系統在火力發電廠的設計與應用

國電泉州熱電有限公司 福建 泉州 362800

1 引言

我廠的生產區域視頻監控系統早期隨基建一起設計施工,屬于模擬信號系統。受制于當時的技術水平,布置于生產區域的每一個前端攝像機都需要一條電源線供電和一根視頻線進行信號傳輸,這樣產生了大量線纜,不僅施工難度大,而且視頻信號受傳輸距離的限制。這在現在看來是顯得非常臃腫龐大的。

隨著數字信號系統的快速發展應用,模擬量系統幾近被淘汰。交換機和光纜等設備的大量普及應用,使得傳輸網絡的搭建變得更為簡單。利用交換機能夠匯集現場多路攝像頭的視頻信號,再通過光纖將信號遠傳至中心機房,大大簡化了視頻信號傳輸線纜,同時光纖能夠很方便的進行遠距離的信號傳送,不再受制于以太網線纜傳輸距離的問題。

近幾年,以太網供電(PoE)技術的誕生與普及,再一次為基于IP的網絡設備的更廣泛應用鋪平道路。PoE技術解決了網絡設備的供電問題,前端網絡設備(如網絡攝像頭、無線AP等)通過一根網線即可為設備供電同時傳輸信號。在進行系統架構設計時,不再需要考慮前端設備的取電問題,節省了大量電力電纜和布線施工成本。

2 PoE技術原理介紹

PoE(Power over Ethernet)技術即以太網供電技術,也稱為基于局域網的供電技術(POL,Power over LAN)或有源以太網(Active Ethernet)。它是在現有的以太網五類、六類線布線的基礎架構不變的情況下,通過網線即可為基于IP的網絡設備在傳輸信號的同時為設備提供所需的直流電源。IEEE國際標準委員會于2003年發布了IEEE802．3af標準,并于2009年推出了IEEE802．3at標準,為PoE技術安全可靠的應用奠定了標準基礎,只要遵循該標準,不同廠商之間設備的適配性問題就能得以解決。

PoE系統由兩個部分組成。一個是供電設備PSE(Power Sourcing E-quipment),為以太網終端設備供電,是整個PoE以太網供電過程的管理者;另一個是受電設備PD(Power Device),也稱客戶端設備或者負載。PSE設備主要是PoE交換機,PD設備主要是網絡攝像機、無線AP接入點、網絡電話等。PoE系統原理如圖1所示。

圖1 PoE技術原理圖

標準的五類網線有四對雙絞線,其中有兩對空閑線、兩對信號線。IEEE802．3af標準允許有兩種供電方式,一種是在4、5、7、8空閑線對上傳輸電流(模式A),并且規定,4、5為正極,7、8為負極。另一種供電是在1、2、3、6信號線上在傳輸信號的同時向受電設備傳輸電源(模式B),極性為任意,1、2為正極,3、6為負極或1、2為負極,3、6為正極,其中的一種供電極性。

PoE系統的主要工作過程:

(1)檢測:在PSE為PD供電前,先輸出一個低電壓來檢測PD是否為符合標準規定的PD,通過檢測反饋電流,來判斷PD是否具有一個25kΩ的特性阻抗,若符合要求,則判斷為端口連接的是一個標準PD設備,才進行下一步操作。

(2)分級:當確認所連接的設備符合要求后,PSE會將輸出電壓進一步提高,來對受電設備進行分級,如果受電設備此時沒有回應分級確認電流,PSE默認將受電設備規為0級,為其提供15．4W的輸出功率(IEEE802．3at標準最高可支持30W的輸出功率)。

(3)供電:經過確認分級后,PSE會向受電設備輸出48V的直流電,并確認受電設備不超過15．4W的功率要求,當受電設備超載或短路后,PSE停止為其供電,再次進入檢測階段。

3 PoE技術在火力發電廠視頻監控系統組網中的優勢

火力發電廠設備復雜繁多,各類電纜交錯布置,現場網絡攝像機安裝位置特殊、布線難度大、信號傳輸易受電磁干擾等問題。利用基于PoE技術架構的IP網絡視頻監控系統能夠實現最大程度上的改善,它具有以下幾點優勢:

(1)更簡便。對支持IEEE802．3af、IEEE802．3at標準的網絡設備,均可采用PoE技術為受電設備供電,無需另外敷設電源電纜,利用單根網線實現供電與通訊,可隨前端網絡設備隨意布置移動。對于特俗的現場環境,還能融合有線與無線的方式,非常簡便的進行布線施工。這些都對網絡系統的設計架構和系統的施工布置都大大進行了簡化。

(2)更經濟。采用網線直接供電,直接省去了電力電纜的設計和材料采購的成本費用,以及敷設電力電纜所需的配件材料費用,同時直接免去了電纜現場布線施工的人工成本,對系統維護來說,也一定程度上減少了運維成本。

(3)更穩定。PoE作為一項遠程供電技術,有相應的國際標準支撐和約束,具有一系列科學的電源管理體系和監測系統,能夠保證供電設備正常穩定的提供電源,也能保證受電設備處于最優的能耗狀態,延長設備使用壽命。同時,采用低壓直流供電能夠減少電磁干擾對網絡系統信號傳輸產生的影響,使得視頻信號更穩定、不易失真。

(4)更安全。PoE供電設備并非直接為受電設備提供電源,而是經過相應的檢測、分級后,確保受電設備符合標準后才進行供電。供電設備接口提供穩定可靠的48V直流電,相比于通過220VAC轉換為48 VDC的傳統供電模式,減少了電力線纜的布線密度,提高用電安全性。

4 基于PoE技術的視頻監控系統在火力發電廠的設計應用

我公司通過前期調研,結合電廠生產現場實際情況,最終確定了以PoE技術為基本架構的IP網絡視頻監控系統設計方案。并通過立項招標,對生產區域傳統的模擬量監控系統進行了升級改造。基于PoE技術的視頻監控系統拓撲圖如圖2所示。

該系統由前端IP網絡設備、交換機、服務器、解碼器等組成,通訊介質采用超五類以太網線和光纜,采用分布式集中管理的模式,通過權限設置,系統局域網內的任何一臺客戶端均可訪問本視頻監控系統,并根據所使用賬號的權限級別進行視頻實時預覽、錄像回放、控制、下載等操作。

該系統采用了華為研發的支持PoE供電的交換機,最高支持30w的功率輸出,對電廠現場特殊、復雜的環境條件采用有線與無線通訊融合的方式,通過單根超五類網線、無線網橋與前端的IP網絡設備進行通訊連接,可實現百兆帶寬的傳輸速率,同時節省了大量的材料和人工成本;通過PoE交換機對現場布置的所有前端網絡設備進行匯集,再通過光纜,將信號傳輸匯集至核心交換機,可實現千兆帶寬的速率傳送;整個系統布置有72盤位磁盤陣列存儲服務器,接入核心交換機用以存儲視頻數據,支持超過60天的視頻歷史數據存儲能力,支持擴展;該視頻監控系統配置了一臺雙路視頻服務器,用以管理整套視頻監控系統,同時配置了中心機房客戶端,實現人機交互;通過雙路視頻服務器背部的RJ45網口與生產系統辦公內網交換機專用網口進行連接,實現辦公區客戶端對視頻監控系統的訪問;通過8路高清解碼器對網絡視頻信號進行轉換實現高清視頻監控圖像上墻顯示。

目前,該套視頻監控系統已正常投入使用。通過客戶端,以web方式訪問視頻管理服務器,實現對視頻監控系統的管理和控制。監控系統的升級改造,加強了我廠對生產現場的有效監管,給機組檢修、日常維護工作的標準化作業及生產安全方面的管理提供了強有力的工具。

圖2 基于PoE技術的視頻監控系統拓撲圖

5 結束語

PoE技術的特點及優勢,決定了其在基于以太網的設備組網系統中的快速發展和廣泛應用,是當前網絡監控系統和安防系統的主流技術。隨著互聯網技術的發展和普及應用,新型網絡化、智能化產品設備的問世,傳統的火力發電廠運作模式已經不足以滿足時代進程的需求。在國家推行互聯網＋產業模式以來,各行各業都在積極探索適合自身發展的產業模式。各大火力發電集團也在努力尋求智能化、智慧化發電企業的轉型升級,構筑了智慧電廠發展框架體系,屆時將會有大量新型網絡化、智能化產品設備部署在各大生產現場,作為智慧電廠體系的接入層設備,為整個體系提供一雙“火眼金睛”。因此相信,未來PoE技術能夠更廣泛而深入的服務于智慧電廠的構建,助力火力發電企業轉型升級。