数字化工业电视监控系统在化工园区中的应用

刘小红

(华陆工程科技有限责任公司，西安 710065)



数字化工业电视监控系统在化工园区中的应用

刘小红

(华陆工程科技有限责任公司，西安 710065)

摘要：通过对数字化工业电视监控系统的信号采集、信号传输和后端存储、管理和显示环节的分析，提出了化工园区监控系统解决方案，该方案运用数据传输的环网技术、双核心冗余备份以及数据在分控中心的分散存储和总控中心的集中管理等方法，从而保证监控系统信号传输的可靠性和存储管理的便利性。该解决方案说明： 数字化监控系统不仅能够结合化工园区特点进行模块化的分级监控管理，而且能够结合化工装置区工艺流程和DCS进行综合信息管理。

关键词：工业电视监控数字化分散存储集中管理

1概述

随着信息技术和管理水平的发展，工业电视监控系统经历了几个阶段的发展，从传统的模拟化系统发展到模拟与数字的结合，再到如今全数字化系统。数字化监控系统的全面应用是基于计算机技术、多媒体技术、数字图像压缩技术、数字存储技术以及网络应用技术的飞速发展，以其独特的技术优势占领了越来越大的市场。

数字化工业电视监控系统应用于化工园区，实现从前端摄像、信号传输、信号存储到监控管理及显示终端全程数字化。现场摄像机可实现远端数字视频信号采集；监控中心或各分控中心的存储设备对前方采集数字信息进行存储、管理、查询和浏览，实现数字信号的分散存储和集中管理；监控中心或各分控中心的显示终端可监控现场画面。

2系统组成

2.1信号的采集

数字摄像机是一种高度集成化的产品，可以看作1台普通摄像机和1台微型服务器的结合体，是完全数字化的产品，如图1所示。

图1　数字摄像机组成部分

数字摄像机从功能上可以划分为摄像机和编码两大部分。

1) 摄像机部分。包含镜头、滤镜、图像传感器等光学部件，主要完成图像采集和光/电转换工作，即将组成图像的各种光信号转化为电信号，同时还进行曝光控制、快门控制、白平衡调整、亮度色度调整以及背光补偿等常见的图像调整工作。

2) 编码部分。包括图像压缩芯片、CPU及网络接口等，主要负责将图像进行压缩并通过网络进行传输，真正实现数字化。

数字摄像机捕捉画质清晰，所捕捉的细节信息更全面，因而数字化监控系统具有更出色的视频分析能力，为后期事件追溯和决策提供了可靠和安全的源数据。

2.2信号的传输

信号传输相当于电视监控系统的血脉。工业电视监控系统网络采用与计算机办公相对独立的网络，不占用办公网络带宽，保证两个系统传输无障碍。

视频图像经摄像机采集之后被直接数字化，并通过标准的网络IP协议进行传输，从而能够充分保证图像的清晰度。同时，数字信号的传输介质主要以光纤为主，不受传输距离的影响。信号传输光纤和各层交换机将前端摄像机、各分控中心与总控中心之间连成一张网，视频监控数据通过网络光纤进行传输，满足了化工园区视频信号长距离传输的要求。

2.3信号的存储

数字监控系统存储设备采用网络硬盘录像机(NVR)，负责数据信号的存储及回放，同时NVR可以成功地实现自动搜索摄像头、自动修改IP地址、自动添加摄像头、自动显示监控画面的新技术功能，解决数字系统在IP设置上的麻烦。通过NVR设备，组建1个以NVR设备为“节点”的分布式网络，形成分布式多层结构网络环境，有效降低中心节点的网络传输和数据存储压力，为实现分散存储、集中管理方案打好基础。

2.4信号管理和显示

视频服务器(VM)和管理服务器(MS)是面向视频监控系统的设备，是视频监控系统整体解决方案中的重要组件，突破了传统视频管理服务器的瓶颈，主要功能有管理存储设备、存储资源和视频数据，支持对系统所有存储资源进行全方位的监控和管理，支持不间断的视频检索、回放等业务，支持实时视频流的转分发、视频历史数据的点播。信号显示采用视频工作站或电视大屏幕。

3数字化系统解决方案

3.1系统结构

以某化工园区为例，结合化工园区建设规划以及监控系统现场数据采集和后端数据管理的便利，将工业电视监控系统划成4个监控分区： 气化装置区、空分装置区、输煤系统、罐区，系统结构如图2所示。

图2　化工园区监控系统示意

以上4个监控分区可作为监控子系统，相互独立，各分区的视频信号分别传送到各分区对应的分控中心，信号经存储设备进行现场存储管理，通过架设的光纤和交换机与总控中心通信，实现总控中心集中管理、各分控中心实时监视和分散存储的目的。

为保证整个系统的正常工作，系统供电采用UPS电源，各分区均设UPS电源，其用电负荷根据前端摄像机、后端存储设备和显示设备的容量计算，并结合断电持续时间确定负荷；系统的防雷和接地设计，不仅需考虑前端摄像机的防雷和接地，而且应考虑整个系统设备及信号传输防雷和接地；系统前端采集、信号传输和存储管理设备的具体设置作为重点内容将详细说明。

3.2前端摄像机设置

1) 摄像机选型。根据相关工艺流程的特性，化工区域防爆(气体防爆或粉尘防爆)、防腐以及其他特殊环境。数字高清云台一体化摄像机可将IP信号中的控制信号转换成RS-485信号送至云台，从而实现对前端云台的控制功能，通过平台客户端可进行水平、垂直转动，镜头变倍、调焦，雨刮、喷淋等控制。云台具有雨刮和喷淋功能，无外接线缆，负荷能力大于安装的设备质量总和。防爆区域内的摄像机，选用相应防爆等级的防爆一体化高清摄像机，含防爆护罩和云台，视频信号和控制信号采用光纤，经光纤收发器传送至各分控中心的光纤收发器接收端。

2) 摄像机点位布置。根据相关工艺流程和管理方案的特点，化工园区的摄像机布点比较灵活，监控点的确定依赖化工工艺流程。

a) 气化装置区设置27台摄像机，负责原煤储存与储备、气化、灰水处理、低温甲醇洗、净化、硫回收等主项装置设备的监视。

b) 空分装置区设置5台摄像机，负责空分压缩机厂房、空分罐区和空分主装置设备的监视。

c) 输煤系统设置17台摄像机，主要安装在输煤皮带机、破碎楼、备煤筒仓和卸煤间，保障在输煤系统出现问题时，能够及时发现故障点。

d) 罐区设置8台摄像机，主要安装在罐区周边。

3.3信号传输部分

系统采用核心层和接入层的拓扑结构，两层交换机均采用工业级交换机。接入层交换机具有上行光口和下行光口，上行光口采用千兆带宽传输，下行光口采用百兆带宽传输，核心层交换机采用千兆带宽传输。

1) 环网技术的接入层交换机。4个监控分区的摄像机信号，采用光纤收发器+单模光纤直接连接到各分控中心光纤收发器，经光纤收发器的光电转换后采用网络数据线缆连接至接入层交换机；现场摄像机电源由各分控中心内的UPS电源集中供电。各分控中心的接入层交换机采用环网技术组建监控传输网络，该模式由千兆环网远端接入交换机和千兆环网中心核心交换机组成。基于网络组网交换技术，每个分控中心配置1台千兆环网远端接入交换机，多台千兆环网远端接入交换机组成千兆传输网络，将高清视频传输至监控中心。接入层交换机采用2个千兆光电复用口、8个百兆光口、16个百兆电口，支持扩展模块带电热插拨。

2) 双冗余备份的核心层交换机。4个监控分区的接入层交换机，采用双单模光纤连接到总控中心的核心层交换机，其核心层交换机采用3个万兆XFP端口、16个千兆电口、32个千兆光口。总控中心核心交换机采用双核心冗余备份，2台核心交换机之间采用虚拟路由冗余协议(VRRP)实现负载均衡和双机热备。接入交换机分别引2条光纤到核心交换机，实现采用双链路接入到2台核心交换机，其中任意1台核心交换机和线路出现问题，都不会影响网络的畅通，为网络运行提供了更高的安全及可靠性，如图3所示。

图3　监控网络拓扑结构示意

3) 接入层与核心层之间经光纤通信，采用双单模铠装光纤，满足核心层交换机双冗余备份要求。

3.4后端存储和管理

为保证系统的稳定性及存储管理、控制管理的合理性，采用分散式存储、集中管理的设计，即在各分控中心进行分散存储，在总控中心进行集中管理。数据都存储在各分控中心的NVR，避免一旦存储服务器出现问题，导致整个数据可能全部丢失的情况，且只有总控中心需要查看预览和回放数据时，才需要连接NVR，对网络带宽和交换机交换能力的要求相对较低，从而降低了整个项目的成本。

1) 设备配置。整个化工园区的工业电视监控系统配置见表1所列。

表1　摄像机对应硬盘数量

2) 信号管理。在总控中心设置3台服务器，分别为视频服务器，管理服务器和数据备份服务器，并安装视频管理软件，实现图像存储、转发及高级视频分析所需的算法计算，每台服务器配置2块千兆网卡，1个接入管理显示工作站，另外1个接入存储设备，保证数据不互相影响。

3.5后端显示

后端显示主要为分控中心显示和总控中心显示。各分控中心采用视频工作站，总控中心采用视频工作站和大屏幕。

各分控中心通过客户端电脑和控制键盘对现场摄像机和云台进行控制，实现对前端采集画面的选择切换，对云台和电动镜头的全方位控制(包括变焦、聚焦、自动水平转动、垂直转动、自动光圈、镜头速度等)，对防护罩的雨刷及辅助照明灯、解码器预置位的操作控制。各分控中心对现场设备有高等级的控制管理权限，总控中心可对画面进行远程调用和共享。同时，在分控中心的DCS操作站，配置相关操作软件并授予控制管理权限，可对工业电视监控系统现场画面调用。

总控中心的大屏幕显示采用液晶投影LCD(liquid crystal display)或者数字光学处理器DLP(digital light processor)。大屏幕不仅应用于工业电视监控系统信号显示，同时可将DCS信号进行显示，在大屏幕显示内容上可将DCS的过程控制与其相对应的视频监控画面进行同步，将化工园区的工艺流程、过程控制和视频监控的结合，更有利于提高生产管理的工作效率，便于操作和管理，特别是指挥和处理突发事件。

4数字化工业电视监控系统特点

1) 工业电视监控采用数字化系统具有以下优点：

a) 系统扩展性。当系统规模扩大需要增加监控点时，只需要增加监控点到装置区光纤配线架的光纤即可，节约了大量的装置区到操作室之间的电缆及电缆施工的费用，减少了重复投资。

b) 系统安全性。各监控点分散存储，同时大容量监控存储空间可确保视频信息的长时间保存，为长时间录像查询提供硬件保障。高稳定性设备可实现7×24h的连续工作时间，大幅降低故障率，缩短了故障维护时间，提高了系统使用率，降低了系统维护成本。

c) 系统稳定性。环网技术和双核心冗余备份，保证数据传输的稳定性以及数据传输的多路径，省去汇聚层交换机，直接连到核心层交换机，提高组网和实际施工的便利和灵活性，对于化工园区的改扩建工程很有帮助。

2) 数字化工业电视监视系统也有以下不足：

a) 系统存储空间占用增大，为了保证采集到高清视频信号的高清回放，并满足信号的存储周期、存储空间的需求提高。

b) 系统投资费用相对较高，从其前端视频信号采集，到信号存储和管理投入的费用都将增加，但是随着数字技术的发展以及市场发展的需求，系统投资也将会越来越经济。

5结束语

数字化工业电视监控系统作为化工园区重要的信息管理系统，充分结合工艺流程管理，对提高化工园区管理的智能化水平、运营维护管理水平及运营管理人员工作效率等起到重要作用。文中的解决方案从采集、传输、存储、管理和显示等环节均采用全数字化，满足了系统的网络化和智能化要求，并具有易扩展性、易管理性和易操作性，同时由于数字化工业电视监视系统的开放协议，可与化工园区DCS、火灾报警系统、安防系统和周界入侵报警系统等实现通信，为今后化工园区内各管理系统之间的信息平台统一化管理做好坚实的准备。

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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

作者简介：刘小红，毕业于长安大学交通信息工程及控制专业，获硕士学位，现工作于华陆工程科技有限责任公司电控室，任工程师。

中图分类号：TP274

文献标志码：B

文章编号：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。