基于光纖通信的水電廠工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張惠凱

（國(guó)能迪慶香格里拉發(fā)電有限公司，云南 香格里拉 674400）

0 引 言

隨著自動(dòng)化的發(fā)展和要求，某水電廠目前需要對(duì)其工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改造，以解決其無法遠(yuǎn)傳圖像，無法對(duì)大壩圖像和6 號(hào)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控等問題。某水電廠基于光纖通信的技術(shù)改造包括了大壩廣播系統(tǒng)建造、6 號(hào)機(jī)組工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)建造等項(xiàng)目[1-4]。本研究針對(duì)基于光纖通信的水電廠工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)改造內(nèi)容，具體實(shí)施、運(yùn)行方式和特點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 改造的主要內(nèi)容

改造后的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)充了一定數(shù)目的監(jiān)控點(diǎn)，包括廠房?jī)?nèi)的監(jiān)控點(diǎn)擴(kuò)充和大壩監(jiān)控點(diǎn)的擴(kuò)充，同時(shí)配套了大壩廣播系統(tǒng)的建設(shè)。由于大壩與廠房之間的距離長(zhǎng)達(dá)1 500 m，信息需要經(jīng)過云距離通信，為了保證信息傳輸?shù)募皶r(shí)性，選擇光纖通信進(jìn)行大壩和廠房工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息傳輸。改造后的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)框圖

1.1 基于光纖通信的大壩工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)改造

改造后的大壩工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地提供圖像和控制信息，確保水電廠運(yùn)行的安全性，同時(shí)可以和廠房工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，提高水電廠的運(yùn)行效率。

（1）主控系統(tǒng)。工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)的主控系統(tǒng)選擇矩陣切換主機(jī)AD2150-3205，其具備5 路輸出和32 路輸入，通信協(xié)議與廠房主機(jī)AD2052 一致，2個(gè)系統(tǒng)的連接通過美國(guó)生產(chǎn)的BCI 視音頻數(shù)字光端機(jī)（1 路視頻+2 路音頻+1 路數(shù)據(jù)）進(jìn)行操作，可以相互傳輸信號(hào)與圖像。基于操縱主控鍵盤即可切換全部的視頻圖像，還可以遠(yuǎn)程操縱雨刷、鏡頭或云臺(tái)。同時(shí)，系統(tǒng)搭配了錄像機(jī)，可以對(duì)9 路圖像進(jìn)行錄像，僅通過一臺(tái)畫面分割器就可以切割9 幅畫面。基于2臺(tái)34 英寸的液晶顯示器，可以同時(shí)調(diào)出10 幅監(jiān)控畫面，便于工作人員進(jìn)行監(jiān)控。與廠房工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)后，廠房工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)可以控制和調(diào)用大壩工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)里的任何一個(gè)畫面。

（2）分控系統(tǒng)。設(shè)置1 個(gè)分控臺(tái)在大壩處，再分別配置1 臺(tái)29 英寸液晶電視機(jī)和1 個(gè)分控鍵盤，通過操作分控鍵盤對(duì)各個(gè)攝像點(diǎn)進(jìn)行調(diào)控，完成對(duì)全部視頻圖像的切換和對(duì)鏡頭等部件的操縱任務(wù)。

（3）傳輸子系統(tǒng)。對(duì)于傳輸全部的控制信號(hào)和視頻信號(hào)，可以由傳輸子系統(tǒng)將其不失真地傳送到相應(yīng)的子系統(tǒng)或者中控室。這部分是基于光纖通信技術(shù)完成，傳輸部件包括控制電纜、雙屏蔽視頻電纜等。有一些攝像點(diǎn)距離中控室的距離較遠(yuǎn)，為保證其圖像的清晰，可以采用平衡傳輸設(shè)備進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)共有3 套這種設(shè)備，分別設(shè)置于大壩的3 個(gè)攝像點(diǎn)處。

（4）監(jiān)視子系統(tǒng)。監(jiān)視子系統(tǒng)由攝像機(jī)、鏡頭和云臺(tái)等設(shè)備組裝而成。中繼解碼盒可以用來接收由控制系統(tǒng)傳輸來的控制信號(hào)并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的解碼操作，最后輸出完成云臺(tái)的全方位自動(dòng)掃描運(yùn)行操作和鏡頭的變光操作等功能。云臺(tái)可以支持?jǐn)z像機(jī)和護(hù)照完成全方位的運(yùn)行。攝像機(jī)可以在多種環(huán)境下使用，還可以讓圖像全部傳輸?shù)街锌厥也⑦M(jìn)行相應(yīng)的處理。每個(gè)攝像點(diǎn)鏡頭和攝像機(jī)所配置的圖像都很清晰。把1/3英寸數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Process，DSP）電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）彩色攝像機(jī)F1-809C 安裝在大壩壩頂中孔、下游和上游處，鏡頭采用10 倍變焦T10Z0612M-CS，安裝2 臺(tái)日產(chǎn)1/2 英寸低照度黑白攝像機(jī)WAT-902H，10 倍變焦H10Z1218 鏡頭，而全球罩采用澳大利亞全天候全球罩ASW-14MPT。

1.2 基于光纖通信的大壩廣播系統(tǒng)建造

大壩廣播系統(tǒng)可以選取智能化緊急廣播設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)建設(shè)。設(shè)備可以安裝在大壩和廠房之間。控制部分可以由3 個(gè)分控室和1 個(gè)大壩中控室組成。中控室可以基于對(duì)3 個(gè)分控室的控制，進(jìn)而對(duì)所有喇叭進(jìn)行控制。而3 個(gè)分控室對(duì)大壩的控制策略可以采取就近控制。一共有1 個(gè)中控室，3 個(gè)分控室。各分控室與中控室可以基于無線話筒和座式話筒設(shè)備完成控制操作。

6 號(hào)機(jī)組工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)的建造在6 號(hào)機(jī)組處新增了10 個(gè)點(diǎn)，除了6 號(hào)機(jī)的主變和35 kV 的控制室、開關(guān)室的點(diǎn)外，其他點(diǎn)在6 號(hào)機(jī)的旁邊。廠房中控室和6 號(hào)機(jī)組相距1 km，因此需要利用光纖通信解決數(shù)據(jù)通信和圖像傳輸問題，于是采用4 芯多模光纖進(jìn)行連接。光端機(jī)分別采用了VT/1101M/VR1000、VT/VR1500WDN 和VT6010/VR6010。

在廠房的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，任何一個(gè)監(jiān)視器都可以隨意調(diào)控6 號(hào)機(jī)組的10 個(gè)監(jiān)視點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)切換所有的視頻圖像和遙控鏡頭、云臺(tái)任務(wù)，還可以基于任何一路進(jìn)行圖像遠(yuǎn)傳與數(shù)字硬盤錄像操作。

1.3 廠房工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)改造

在廠房的AD2052 矩陣切換主機(jī)處增加1 塊16路的輸入模塊，增加1 個(gè)19 寸的超級(jí)視頻圖形適配器（Super Video Graphics Adapter，SVGA）與一臺(tái)TRV5300 綜合影像處理器，并重新建造新的操作臺(tái)，全部的設(shè)備都集中布置在控制柜內(nèi)，顯得整潔美觀。

1.3.1 原有系統(tǒng)改造

（1）采用集成的KDS-1601 字符機(jī)代替舊版的56 個(gè)分散的漢字字符機(jī)，并調(diào)整主機(jī)的時(shí)間、字符。

（2）取消之前所用的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制前端電源并重新改造電源回路，采用自動(dòng)空氣開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)設(shè)備電源的控制。同時(shí)，基于總電源和分電源開關(guān)進(jìn)行分別控制操作，開關(guān)設(shè)置在控制柜內(nèi)，采用工業(yè)電視專用不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）作為設(shè)備電源。

（4）更換掉原本所有的接觸不好的視頻信號(hào)K接頭，并進(jìn)行焊接固定。

（5）為了避免室外攝像點(diǎn)遭到雷擊，采取美國(guó)生產(chǎn)的DTK-VSP/BNC-A 視頻防雷器，DTK-240-3CM 電源防雷器和DTK-1LVLP 數(shù)據(jù)防雷器增加防雷措施。

1.3.2 增加硬盤錄像及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能

工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)所搭配的TRV-5300 匯視綜合影像系統(tǒng)采用512 MB 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）、19 英寸SONY 液晶顯示器、Visionsoft digital Recorder 影像處理軟件、40 GB 硬盤、Windows 操作系統(tǒng)和超微半導(dǎo)體（Advanced Micro Devices，AMD）處理器進(jìn)行影像處理軟件設(shè)計(jì)，最高接收的視頻信號(hào)可達(dá)16 路，基于RS-232 口和視頻切換矩陣主機(jī)進(jìn)行傳輸通信，實(shí)現(xiàn)控制操作，并搭配有專用的1 kVA 的UPS。

基于TRV-5300 匯視綜合影像處理器，該系統(tǒng)可以處理多達(dá)16 臺(tái)的攝像機(jī)，原因是該系統(tǒng)的處理器具有時(shí)分處理技術(shù)等多款獨(dú)有功能，可以實(shí)現(xiàn)同步多功能操作。在操作員處理其他系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，攝像機(jī)影像仍不斷存儲(chǔ)于TRV-5300 內(nèi)置硬盤內(nèi)。

TRV-5300匯視綜合影像系統(tǒng)具有多款先進(jìn)功能，如根據(jù)移動(dòng)探測(cè)動(dòng)作搜索畫面、警報(bào)期間自動(dòng)錄影加速等，還可以基于10 Mb 以太網(wǎng)上傳相關(guān)數(shù)據(jù)影像，并顯示在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的不同工作站中，實(shí)現(xiàn)時(shí)間式收縮和報(bào)警記錄搜索等任務(wù)[5]。該系統(tǒng)可以與電廠管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS）局域網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)通過4 臺(tái)不同的計(jì)算機(jī)在電廠MIS 中運(yùn)行操作，根據(jù)用戶的級(jí)別選擇相應(yīng)匹配的圖像調(diào)控。開通電信網(wǎng)絡(luò)后，該系統(tǒng)可以在MIS 中實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)運(yùn)行操作。

系統(tǒng)的安全級(jí)別一共劃分為3 級(jí)，第1 級(jí)由系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)，可以執(zhí)行系統(tǒng)刪除記錄等操作；第2級(jí)由系統(tǒng)操作員負(fù)責(zé)，無法執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)定，但可以執(zhí)行其他與系統(tǒng)管理員相同的操作；第3 級(jí)由操作員負(fù)責(zé)，執(zhí)行錄像和記錄等任務(wù)。

1.3.3 基于光纖通信的廠房與大壩工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)水電廠廠房的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)和大壩的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)操作后，可以通過鍵盤在廠房操作臺(tái)上調(diào)控大壩的每一幅畫面，同時(shí)可以調(diào)用2 幅畫面，并且可以網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳與硬盤錄像大壩各攝像點(diǎn)圖像。這2 個(gè)系統(tǒng)之間的通信基于光纖通信技術(shù)完成。

工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)配置了1 臺(tái)多媒體計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上有2 個(gè)RS-232 口可以和廠房、大壩的視頻矩陣切換主機(jī)相連，圖形管理軟件選擇天網(wǎng)系統(tǒng)NTK2000C，其具有多畫面控制等功能。通過這臺(tái)計(jì)算機(jī)，可以調(diào)控廠房與大壩工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)任何一個(gè)攝像點(diǎn)到中控室所有監(jiān)視器上。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于光纖通信改造后的某水電廠工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)如圖2 所示，其具有下列特點(diǎn)。

圖2 某水電廠工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)

（1）合理分配資源。只有在重要的設(shè)備區(qū)才配置攝像點(diǎn)，降低系統(tǒng)建設(shè)成本。在中控室里選擇用大型矩陣主機(jī)AD2052；而大壩和廠房的相距距離較遠(yuǎn)，可以采用小型矩陣主機(jī)AD2150。另外，6 號(hào)機(jī)組可以基于矩陣主機(jī)AD2052 增加輸入視頻通道，基于光纖傳輸技術(shù)將視頻信號(hào)傳輸至廠房矩陣主機(jī)，這樣傳輸?shù)膱D像清晰可靠。

（2）提升圖像質(zhì)量。為了更加靈活地使用多種傳輸介質(zhì)提升圖像質(zhì)量，可以使用距離視頻信號(hào)100 m 的攝像點(diǎn)，而對(duì)于距離100 ～500 m 的攝像點(diǎn)，則采用雙絞線加平衡傳輸設(shè)備完成圖像的傳輸任務(wù)，超過500 m 的攝像點(diǎn)的圖像傳輸任務(wù)，則基于光纖通信技術(shù)來完成，選用美國(guó)制造的高性能光端機(jī)。

（4）攝像可遠(yuǎn)傳。基于功能強(qiáng)大的硬盤錄像機(jī)，該系統(tǒng)的所有攝像點(diǎn)都可以基于數(shù)字化硬盤錄像網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)傳。

（5）自主選擇配置方案。基于現(xiàn)場(chǎng)情況的不同，可以自主選擇配置方案，例如各類攝像機(jī)、云臺(tái)等。攝像機(jī)包括1/2 和1/3 英寸的攝像機(jī)，黑白與彩色攝像機(jī)，低照度和高照度攝像機(jī)，鏡頭包括6 倍和10倍定焦、變焦鏡頭，云臺(tái)包括室內(nèi)室外和一體化的云臺(tái)，閘室的攝像點(diǎn)采取的是一體化球形水平360°云臺(tái)，可以大大降低運(yùn)維成本。

（6）廣泛運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)。基于矩陣視頻切換主機(jī)對(duì)廠房與大壩中控室內(nèi)的影像進(jìn)行圖像切換，在中控室中，可以基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)大壩、廠房工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)操作。

（7）防雷擊特性。為了避免遭受雷擊損耗，對(duì)于室外攝像點(diǎn)，系統(tǒng)都分別安裝了電源、數(shù)據(jù)、視頻防雷器。

3 結(jié) 論

基于光纖通信技術(shù)對(duì)某水電廠工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行重新改造后，可以對(duì)廠房設(shè)備和大壩，6 號(hào)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，全部的圖像都可以進(jìn)行硬盤錄像和網(wǎng)上遠(yuǎn)距離傳輸操作，還可以查閱歷史的圖像記錄。基于文章提出的方案，改造后的系統(tǒng)成本耗費(fèi)低、效益高，設(shè)備可以更加高安全化運(yùn)行，故障出現(xiàn)頻率大幅度下降。大壩工業(yè)電視及廣播系統(tǒng)建成后，可以大大降低人工的運(yùn)維成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提高整個(gè)水電廠的運(yùn)行效率。