面向智慧化港口要求的生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、面向智慧化港口要求的生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)白棟材 李娜 許童童 (信息中心 神華黃驊港務(wù)公司 河北省渤海新區(qū) 061113)摘 要: 針對港口煤炭裝卸的具體特點(diǎn),分析國內(nèi)煤炭港口智慧化建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動化工業(yè)控制從單體就地操作升級到工業(yè)數(shù)據(jù)中心、視頻監(jiān)控系統(tǒng)從模擬信號系統(tǒng)升級到IP數(shù)字智能監(jiān)控系統(tǒng)，闡述煤炭港口綜合監(jiān)控系統(tǒng)的更新?lián)Q代、系統(tǒng)特點(diǎn)及建設(shè)建議，提出面向智慧化港口要求的生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方案。通過以工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)、工業(yè)控制數(shù)據(jù)中心和綜合視頻監(jiān)控平臺為核心的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)面向智慧化港口的生產(chǎn)綜合監(jiān)控，提高黃驊港生產(chǎn)作業(yè)監(jiān)管水平，提升裝卸作業(yè)效率，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：智慧化港口

2、 綜合視頻監(jiān)控 工業(yè)控制數(shù)據(jù)中心 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)Design of integrated monitoring system for intelligent port requirementsBai Dongcai quzhaoming wangkai (Limited liability company Shenhua Huanghua Port, Hebei Cangzhou 061113)Abstract:According to the characteristics of coal handling port, based on the analysis of domestic coa

3、l port intelligent construction situation, this paper will combine industrial automation upgrade from a single operation on the spot to the industrial data center, upgrade the video surveillance system from analog system to digital IP intelligent monitoring system, to understand the coal port integr

4、ated monitoring system upgrading, the characteristics and system construction proposal, put forward the construction scheme of integrated production monitoring system for intelligent port requirements. This paper expounds the construction content in industrial Ethernet ring network, industrial contr

5、ol and data center integrated video monitoring platform as the core, to achieve the production of integrated monitoring oriented intelligent port, the port of Huanghua to improve production level of supervision, improve the handling efficiency, has obvious economic benefits.Keywords: Intelligent har

6、bor; integrated video surveillance; industrial control data center; industrial Ethernet ring network0.引言黃驊港是神華集團(tuán)煤炭運(yùn)輸?shù)暮诵墓?jié)點(diǎn)，在“北煤南運(yùn)”的國家能源運(yùn)輸鏈條上占據(jù)著重要的樞紐位置，關(guān)系著華東、華南地區(qū)經(jīng)濟(jì)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來港口裝卸作業(yè)自動化程度逐漸提高，視頻監(jiān)控、分布式工業(yè)控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，為黃驊港的安全穩(wěn)定運(yùn)行提高了重要保障。但不足之處也很明顯，港口生產(chǎn)運(yùn)營中的視頻監(jiān)控、PLC系統(tǒng)、工控監(jiān)控系統(tǒng)各自獨(dú)立，沒有有效的整合在一起，沒有發(fā)揮各系統(tǒng)對港口安全生產(chǎn)綜合保障作

7、用。相對于神華礦井地下生產(chǎn)作業(yè)，港口露天作業(yè)在技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)無人自動化操作、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，通過變電所之間組建工業(yè)環(huán)網(wǎng)無縫連接，完成智慧化港口建設(shè)。本文以神華集團(tuán)黃驊港生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)營為例，提出基于變電所千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，融合現(xiàn)場PLC系統(tǒng)、HMI組態(tài)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、管控系統(tǒng)的生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并接入神華辦公網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)黃驊港生產(chǎn)運(yùn)營的智慧化。1.生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展及演變1.1綜合監(jiān)控系統(tǒng)的三個階段（1）單體模擬監(jiān)控系統(tǒng)黃驊港視頻監(jiān)控初期只實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備（翻車機(jī)、堆料機(jī)、取料機(jī)、裝船機(jī)）的系統(tǒng)建設(shè)。各個單體設(shè)備視頻監(jiān)控獨(dú)立建設(shè)，為典型的以16路模擬硬盤錄像機(jī)為核心的模擬標(biāo)清監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由

8、標(biāo)清模擬攝像機(jī)、光端機(jī)、同軸電纜、DVR（16路模擬硬盤錄像機(jī)）組成。前端模擬攝像機(jī)通過同軸電纜（長距離通過一對光端機(jī)）接入到單體設(shè)備操作間里的硬盤錄像機(jī)中。模擬監(jiān)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)非常明顯：一是模擬信號傳輸過程中，傳輸距離、轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)對視頻信號影響很大；二是傳輸介質(zhì)決定了傳輸距離不大于1.2公里，難以滿足長距離傳輸?shù)囊?；三是存儲空間有限，不具備冗余功能，長時間保存、多次刻錄會使畫面質(zhì)量嚴(yán)重下降；四是系統(tǒng)維護(hù)與擴(kuò)展非常復(fù)雜；五是報(bào)警聯(lián)動只能采用硬聯(lián)動，接線復(fù)雜繁瑣，工程上幾乎無法實(shí)施大規(guī)模的報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動。從這些分析來看，模擬監(jiān)控通常只能應(yīng)用于初級階段的港口運(yùn)營，對于多區(qū)域集控式管理、長距離遠(yuǎn)程操作、

9、前端設(shè)備規(guī)模大、高清圖像存儲量大的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，模擬監(jiān)控系統(tǒng)已左支右絀、顧此失彼。（2）IP數(shù)字智能監(jiān)控系統(tǒng)單體設(shè)備（翻車機(jī)、堆料機(jī)、取料機(jī)、裝船機(jī)）上DVR硬盤錄像機(jī)采用數(shù)字記錄技術(shù)，逐步替代傳統(tǒng)模擬硬盤錄像機(jī)。DVR數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)比較適合于單機(jī)本地監(jiān)控存儲為主，已經(jīng)具備了簡單IP網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可滿足少數(shù)網(wǎng)絡(luò)瀏覽需求的監(jiān)控環(huán)境，但是可處理的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)有限。DVR最大的貢獻(xiàn)在于將模擬視頻信號升級為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。隨著黃驊港生產(chǎn)設(shè)備增多，監(jiān)控規(guī)模成倍擴(kuò)大，流程日益復(fù)雜，無人化操作的推廣，集控中心的建設(shè)，DVR數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)缺點(diǎn)日益凸顯：一是可處理的視頻輸入有限，且不具備大規(guī)模的級聯(lián)能力；二是IP通信功能

10、較弱無法滿足大量視頻回看和實(shí)時觀看；三是數(shù)據(jù)存儲依然存在可靠性差，磁盤無RAID保護(hù)，視頻數(shù)據(jù)丟失無法恢復(fù)。（3）可視化綜合管控系統(tǒng)隨著監(jiān)控行業(yè)進(jìn)入高清時代，各個行業(yè)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)全面采用IP高清智能監(jiān)控系統(tǒng)，港口視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入全面數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化、高清智能化快速發(fā)展時代。可視化綜合管控系統(tǒng)帶來了巨大的變化：一是標(biāo)清40萬像素?cái)z像機(jī)升級為高清200萬或者300萬像素的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，解決了標(biāo)清攝像機(jī)常見的“看得見、但看不清”的問題；二是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)置Web服務(wù)器，并直接提供以太網(wǎng)端口，自身輸出數(shù)字視頻信號，同時自帶網(wǎng)管功能，增強(qiáng)了前端設(shè)備的維護(hù)性；三是海量數(shù)據(jù)存儲-網(wǎng)絡(luò)化使得傳統(tǒng)的本地

11、錄像功能全部轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程服務(wù)器上來實(shí)現(xiàn)，海量視頻數(shù)據(jù)中心存儲已經(jīng)得到了實(shí)現(xiàn)，同時具備了更強(qiáng)的存儲、檢索和備份等功能；四是強(qiáng)大的中心控制-一套控制管理應(yīng)用平臺就可運(yùn)行整個監(jiān)控系統(tǒng)。平臺架構(gòu)圖圖2-1所示。圖2-1 平臺架構(gòu)圖1.2工業(yè)控制系統(tǒng)的兩個階段（1） 單機(jī)版Rsview 32和控制網(wǎng)黃驊港第一代工業(yè)控制PLC站硬件是羅克韋爾Rslogix5系列產(chǎn)品，PLC站軟件是羅克韋爾單機(jī)版Rsview 32。所有設(shè)備（翻車機(jī)、堆料機(jī)、取料機(jī)、堆料機(jī)）實(shí)現(xiàn)的是單機(jī)手動操作，操作人員通過對講機(jī)來指揮設(shè)備間聯(lián)動，設(shè)備間通信功能由繼電器觸點(diǎn)通過硬線電纜的連接實(shí)現(xiàn)。這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、維護(hù)性差、自動化程度低、操

12、作人員辛苦。第一代控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)PLC機(jī)架之間采用以同軸電纜、多模光纖為傳輸介質(zhì)的總線型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。機(jī)架間距離較近的ControlNet模塊通過同軸電纜相連接，機(jī)架間距離較遠(yuǎn)的ControlNet模塊通過同軸電纜-光電轉(zhuǎn)換模塊-多模光纖-光電轉(zhuǎn)換模塊-同軸電纜的方式相連接。由于其連接模式和通訊特點(diǎn)，該控制網(wǎng)絡(luò)存在著嚴(yán)重的安全隱患：一是主線同軸電纜或者光纖出現(xiàn)故障時會導(dǎo)致本線路所有遠(yuǎn)程CNB模塊與本地CNB模塊的通訊故障，影響面積太大，對生產(chǎn)造成較大的隱患；二是此通訊方式不利于在線監(jiān)測和分析故障，不能很好地檢測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，與以太網(wǎng)通訊的方式相比存在較多的局限性。（2）分布式FactoryTal

13、k和以太網(wǎng)組態(tài)軟件（Configuration Software）的出現(xiàn)徹底的改變了工業(yè)控制領(lǐng)域上位機(jī)生產(chǎn)綜合監(jiān)控平臺。為了適應(yīng)大型工廠的生產(chǎn)綜合監(jiān)控的要求，分布式上位監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。黃驊港采用了羅克韋爾FactoryTalk View企業(yè)級的解決方案，支持分布式服務(wù)器/多用戶應(yīng)用，允許統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施，提供了多層協(xié)作的框架結(jié)構(gòu)。RSLogix Architect:可用于創(chuàng)建代表控制系統(tǒng)的圖形頁面，可繪制出連接控制器的網(wǎng)絡(luò)，能夠高效的管理所有RSLogix 5000中控制器的相關(guān)文件。FactoryTalk View SE服務(wù)器:可用于存儲工業(yè)控制項(xiàng)目，并且為客戶機(jī)/工作站提供服務(wù)。Fac

14、toryTalk View SE工作站：工程師用于編輯工業(yè)控制項(xiàng)目。FactoryTalk View SE 客戶機(jī)：操作人員生產(chǎn)綜合監(jiān)控。FactoryTalk View Point：基于Web的上位機(jī)畫面，只可用于觀察生產(chǎn)畫面。RSlinx Classic：是一個完整的通信服務(wù)器，提供與生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備ControlLogix的完美連接。RSNetWorx：通過一個友好軟件界面，能夠迅速在網(wǎng)絡(luò)上定義、配置和瀏覽ControlNet或者DeviceNet網(wǎng)絡(luò)。FactoryTalk Transaction Manager:是一種運(yùn)行在服務(wù)器上的軟件應(yīng)用程序，它可以管理工廠控制系統(tǒng)與商業(yè)數(shù)據(jù)庫之間的

15、生產(chǎn)信息交換。FactoryTalk Historian SE:通過使用現(xiàn)成的接口，它提供了與其它控制系統(tǒng)方便的連接，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)化生產(chǎn)過程。2.生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案黃驊港的智慧化港口生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)為建設(shè)變電所之間千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，以此為基礎(chǔ)建設(shè)自動化信息傳輸平臺，實(shí)現(xiàn)翻車機(jī)、堆料機(jī)、取料機(jī)、裝船機(jī)等主要生產(chǎn)作業(yè)場所的信息遠(yuǎn)程傳輸與共享集成，操作人員根據(jù)相關(guān)信息對各系統(tǒng)進(jìn)行操控，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)、管、控一體化，將現(xiàn)場的實(shí)時、歷史及綜合的數(shù)據(jù)形成生產(chǎn)調(diào)度信息，分析后為管理層提供決策依據(jù)?，F(xiàn)場設(shè)備主要包括：一期有3臺翻車機(jī)，堆場共計(jì)6個堆場設(shè)置66個垛位，4個裝船泊位。二期有6臺翻

16、車機(jī)，堆場共計(jì)6個堆場設(shè)置73個垛位，4個裝船泊位。三四期有6臺翻車機(jī)，建有筒倉48個，4個裝船泊位。四期堆場有3個堆場24個垛位、1個煤炭裝船泊位?，F(xiàn)按照智慧化港口要求進(jìn)行升級改造，實(shí)現(xiàn)功能如下：（1） 實(shí)現(xiàn)皮帶流程主要參數(shù)監(jiān)測；（2） 實(shí)現(xiàn)各控制開關(guān)柜及電量參數(shù)監(jiān)測；（3） 實(shí)現(xiàn)筒倉故障狀態(tài)及信息監(jiān)測，根據(jù)故障實(shí)現(xiàn)自動處理；（4） 組態(tài)生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)無人操作。（5） 實(shí)現(xiàn)港口關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵位置視頻監(jiān)控，并于現(xiàn)場故障信息聯(lián)網(wǎng)互動；（6） 無縫接入工業(yè)以太網(wǎng)，構(gòu)成智慧化港口系統(tǒng)的一部分，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。根據(jù)上述要求，智慧化港口采用羅克韋爾分布式FactoryTalk為核心，

17、完成皮帶、筒倉、變頻器等相關(guān)設(shè)備的監(jiān)測與控制功能；配置以太網(wǎng)攝像機(jī)作為視頻監(jiān)控點(diǎn)，完成港口生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備及關(guān)鍵位置工業(yè)視頻監(jiān)控。兩路千兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接安裝在現(xiàn)場變電所的千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，一路為PLC監(jiān)控系統(tǒng)傳輸用，另一路為視頻信息傳輸用。面向智慧港口要求的生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)總體方案如圖2-1所示。圖2-1 面向智慧港口要求的生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)總體方案3.生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的具體應(yīng)用3.1智能視頻分析（1）特定區(qū)域進(jìn)入檢測港口煤炭堆卸垛位是禁止人員進(jìn)入。特定區(qū)域進(jìn)入檢測功能可以實(shí)現(xiàn)對每個垛位進(jìn)行高清監(jiān)控。該功能啟用以后，是通過視頻畫面中是否有不同于背景的其他物體，來偵測垛位區(qū)域是否有人類存在或者移動進(jìn)入。

18、（2） 攝像機(jī)異常檢測一些有經(jīng)驗(yàn)的違法亂紀(jì)分子，首先會對攝像機(jī)搞破壞才會行動。影響攝像機(jī)工作的常見手段有：對鏡頭進(jìn)行故意遮擋；改變鏡頭方向；調(diào)整鏡頭焦距等。攝像機(jī)異常檢測功能則可以實(shí)現(xiàn)對常見異常的報(bào)警。（3） 設(shè)線穿越報(bào)警黃驊港煤炭碼頭有著近二十公里的沿海作業(yè)區(qū)域，偶有群眾趁著海水落潮之時翻越海岸護(hù)欄進(jìn)入沿海灘涂撿拾貝殼，存在著很大的安全隱患。故在沿岸視頻畫面中以沿岸護(hù)欄為警戒線，一旦監(jiān)控中有人翻越護(hù)欄，安保中心視頻綜合平臺自動發(fā)現(xiàn)并產(chǎn)生警報(bào)，提醒安保人員及時出警。（4）違規(guī)停車報(bào)警生產(chǎn)區(qū)域車輛必須停進(jìn)規(guī)定的停車位置，嚴(yán)禁亂停車干擾生產(chǎn)作業(yè)。視頻綜合系統(tǒng)具有違規(guī)抓拍技術(shù)，嵌有違規(guī)停車算法的智能

19、監(jiān)控?cái)z像機(jī)安裝在禁止車輛違停場所，對違規(guī)車輛現(xiàn)場進(jìn)行取證。如果有車輛在禁停區(qū)域停車時間超過特定時間，視頻綜合平臺就會發(fā)出報(bào)警，同時記錄違規(guī)時間、高清圖像。違規(guī)停車的證據(jù)可以在視頻綜合平臺中以統(tǒng)計(jì)報(bào)表的形式查詢，方法簡單、明了、直觀。（5） 自燃智能檢測煤炭從礦區(qū)通過鐵路線需耗時2472小時才能到達(dá)港口，在敞篷運(yùn)煤貨車運(yùn)輸過程中由于雨淋或?yàn)⑺?，氧化程度逐漸加深。而且煤炭運(yùn)輸?shù)竭_(dá)港口后會在堆場存放一周左右用于周轉(zhuǎn)。特別在夏季高溫天氣，港口煤垛受潮放出潤濕熱使內(nèi)部的溫度逐漸升高，引發(fā)自燃。綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以把堆場設(shè)置成警戒區(qū)域，一旦檢測到著火點(diǎn)或者煙霧，會以告警框的方式對著火點(diǎn)或者煙霧的范圍進(jìn)行標(biāo)識，

20、并且自動報(bào)警通知消防隊(duì)及時出警。3.2智能工控分析（1）實(shí)時歷史數(shù)據(jù)庫管理隨著港口生產(chǎn)規(guī)模的日益增大，生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理查詢系統(tǒng)顯得愈發(fā)重要。實(shí)時歷史數(shù)據(jù)庫需要保存歷史數(shù)據(jù)的現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量非常多，對大規(guī)模數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行高度壓縮，對數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性和存儲能力也有著較高的要求。黃驊港采用了工業(yè)實(shí)時歷史數(shù)據(jù)庫PI作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。歷史數(shù)據(jù)庫采集到數(shù)據(jù)時，首先對其進(jìn)行判斷，然后所有在限值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)都將被過濾掉，所有超越限值的數(shù)據(jù)都將通過特定壓縮算法壓縮后記錄。（2）工控畫面實(shí)時WEB發(fā)布黃驊港智能工控具有WEB發(fā)布功能，所有的報(bào)表、實(shí)時工控畫面、歷史報(bào)警查詢都通過FactoryTalk View Point

21、軟件進(jìn)行了發(fā)布，可以通過IE瀏覽器訪問發(fā)布后的網(wǎng)址進(jìn)行訪問及查詢。WEB發(fā)布功能幫助用戶分擔(dān)部分客戶端軟件的安裝和維護(hù)，使得用戶能隨時隨地了解實(shí)時作業(yè)情況。（3）工業(yè)環(huán)網(wǎng)鏈路保護(hù)黃驊港環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是在港口工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的最新研究成果。環(huán)網(wǎng)技術(shù)是用來進(jìn)行鏈路備份和網(wǎng)絡(luò)冗余的重要技術(shù)，具有強(qiáng)大的“自愈”性能，環(huán)網(wǎng)線路某處發(fā)生斷開故障，可保證在極短的時間內(nèi)自動恢復(fù)通訊。工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)不但在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面能夠滿足港口靈活多變的需求，更能安全可靠的將作業(yè)生產(chǎn)的信息傳輸?shù)秸{(diào)度室，也推進(jìn)了現(xiàn)場設(shè)備控制網(wǎng)、設(shè)備網(wǎng)升級至以太網(wǎng)，不僅節(jié)約了信息化建設(shè)的傳輸成本，還滿足了視頻綜合監(jiān)控系統(tǒng)的使用，