面向智慧化港口要求的生产综合监控系统设计

1、精品面向智慧化港口要求的生产综合监控系统设计白栋材 李娜 许童童(信息中心 神华黄骅港务公司 河北省渤海新区 061113)摘 要 : 针对港口煤炭装卸的具体特点 ,分析国内煤炭港口智慧化建设现状的基 础上，结合自动化工业控制从单体就地操作升级到工业数据中心、 视频监控系统 从模拟信号系统升级到 IP 数字智能监控系统，阐述煤炭港口综合监控系统的更 新换代、系统特点及建设建议， 提出面向智慧化港口要求的生产综合监控系统建 设方案。通过以工业以太网环网、 工业控制数据中心和综合视频监控平台为核心 的建设，实现面向智慧化港口的生产综合监控，提高黄骅港生产作业监管水平， 提升装卸作业效率，产生显著的

2、经济效益。关键词 ：智慧化港口 综合视频监控 工业控制数据中心 工业以太环网Design of integrated monitoring system for intelligent port requirementsBai Dongcai quzhaoming wangkai(Limited liability company Shenhua Huanghua Port, Hebei Cangzhou061113)Abstract: According to the characteristics of coal handling port, based on the analysis o

3、f domestic coal port intelligent construction situation, this paper will combine industrial automation upgrade from a single operation on the spot to the industrial data center, upgradethe videosurveillance system from analog system to digital IP intelligent monitoring system, to understand the coal

4、 port integrated 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, indu

5、strial control 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: Int

6、elligent harbor; integrated video surveillance; industrial control data center; industrial Ethernet ring network0.引言黄骅港是神华集团煤炭运输的核心节点， 在“北煤南运” 的国家能源运输链 条上占据着重要的枢纽位置， 关系着华东、 华南地区经济的安全稳定运行。 近年 来港口装卸作业自动化程度逐渐提高， 视频监控、 分布式工业控制系统得到了广 泛应用，为黄骅港的安全稳定运行提高了重要保障。 但不足之处也很明显， 港口 生产运营中的视频监控、 PLC 系统、工控监控系统各自独立， 没有

7、有效的整合在 一起，没有发挥各系统对港口安全生产综合保障作用。 相对于神华矿井地下生产 作业，港口露天作业在技术上更容易实现无人自动化操作、 远程智能监控， 通过 变电所之间组建工业环网无缝连接，完成智慧化港口建设。本文以神华集团黄骅港生产作业运营为例，提出基于变电所千兆工业环网， 融合现场 PLC 系统、 HMI 组态、视频监控系统、管控系统的生产综合监控系统 设计方案，并接入神华办公网，实现黄骅港生产运营的智慧化。1. 生产综合监控系统的发展及演变1.1 综合监控系统的三个阶段（1）单体模拟监控系统黄骅港视频监控初期只实现了单体设备 （翻车机、堆料机、取料机、装船机） 的系统建设。各个单体

8、设备视频监控独立建设，为典型的以 16 路模拟硬盘录像 机为核心的模拟标清监控系统， 系统主要由标清模拟摄像机、 光端机、同轴电缆、 DVR （16 路模拟硬盘录像机）组成。前端模拟摄像机通过同轴电缆（长距离通 过一对光端机） 接入到单体设备操作间里的硬盘录像机中。 模拟监控系统的缺点 非常明显：一是模拟信号传输过程中， 传输距离、转换环节对视频信号影响很大； 二是传输介质决定了传输距离不大于 1.2 公里，难以满足长距离传输的要求； 三 是存储空间有限， 不具备冗余功能， 长时间保存、 多次刻录会使画面质量严重下 降；四是系统维护与扩展非常复杂； 五是报警联动只能采用硬联动， 接线复杂繁 琐

9、，工程上几乎无法实施大规模的报警系统联动。从这些分析来看， 模拟监控通常只能应用于初级阶段的港口运营， 对于多区 域集控式管理、 长距离远程操作、 前端设备规模大、 高清图像存储量大的视频监 控系统，模拟监控系统已左支右绌、顾此失彼。（2）IP 数字智能监控系统单体设备（翻车机、堆料机、取料机、装船机）上 DVR 硬盘录像机采用数 字记录技术，逐步替代传统模拟硬盘录像机。 DVR 数字监控系统比较适合于单 机本地监控存储为主，已经具备了简单 IP 网络通讯功能，可满足少数网络浏览 需求的监控环境，但是可处理的网络数据有限。 DVR 最大的贡献在于将模拟视 频信号升级为数字视频数据 1 。随着黄

10、骅港生产设备增多， 监控规模成倍扩大， 流程日益复杂， 无人化操作 的推广，集控中心的建设， DVR 数字监控系统缺点日益凸显：一是可处理的视 频输入有限，且不具备大规模的级联能力；二是 IP 通信功能较弱无法满足大量 视频回看和实时观看；三是数据存储依然存在可靠性差，磁盘无 RAID 保护，视 频数据丢失无法恢复。（3）可视化综合管控系统随着监控行业进入高清时代，各个行业的视频监控系统全面采用 IP 高清智 能监控系统，港口视频监控系统进入全面数字化、网络化、系统集成化、高清智 能化快速发展时代。可视化综合管控系统带来了巨大的变化：一是标清 40 万像素摄像机升级为高清200万或者300万像

11、素的网络摄像机，解决了标清摄像机常见的“看得见、 但看不清”的问题；二是网络摄像机内置 Web服务器，并直接提供以太网端口， 自身输出数字视频信号，同时自带网管功能，增强了前端设备的维护性；三是海 量数据存储-网络化使得传统的本地录像功能全部转移到远程服务器上来实现， 海量视频数据中心存储已经得到了实现， 同时具备了更强的存储、检索和备份等 功能；四是强大的中心控制-一套控制管理应用平台就可运行整个监控系统。平台架构图图2-1所示。一一厂Ir吒背皿尸仙应用层皱件平台（服跆辭、终端、网络、存储）软件平台（操作系统、数捌库*中间件、垂础应用框梨）视顾醴控| W|丽门|医可懺效考核|阿 |网智盜控图

12、2-1平台架构图1.2工业控制系统的两个阶段（1）单机版Rsview 32和控制网黄骅港第一代工业控制PLC站硬件是罗克韦尔Rslogix5系列产品，PLC站 软件是罗克韦尔单机版 Rsview 32 。所有设备（翻车机、堆料机、取料机、堆料 机）实现的是单机手动操作， 操作人员通过对讲机来指挥设备间联动， 设备间通 信功能由继电器触点通过硬线电缆的连接实现。 这样的系统设计复杂、 维护性差、 自动化程度低、操作人员辛苦。第一代控制系统网络结构 PLC 机架之间采用以同轴电缆、多模光纤为传输 介质的总线型网络架构。 机架间距离较近的 ControlNet 模块通过同轴电缆相连 接，机架间距离较

13、远的 ControlNet 模块通过同轴电缆 - 光电转换模块 - 多模光纤 - 光电转换模块 - 同轴电缆的方式相连接。 由于其连接模式和通讯特点， 该控制网 络存在着严重的安全隐患： 一是主线同轴电缆或者光纤出现故障时会导致本线路 所有远程 CNB 模块与本地 CNB 模块的通讯故障，影响面积太大，对生产造成 较大的隐患； 二是此通讯方式不利于在线监测和分析故障， 不能很好地检测网络 运行状态，与以太网通讯的方式相比存在较多的局限性。（2 ）分布式 FactoryTalk 和以太网组态软件（ Configuration Software ）的出现彻底的改变了工业控制领域 上位机生产综合监控

14、平台。 为了适应大型工厂的生产综合监控的要求， 分布式上 位监控系统应运而生。黄骅港采用了罗克韦尔 FactoryTalk View 企业级的解决 方案，支持分布式服务器 / 多用户应用，允许统一规划、分步实施，提供了多层 协作的框架结构。RSLogix Architect: 可用于创建代表控制系统的图形页面，可绘制出连接控 制器的网络，能够高效的管理所有 RSLogix 5000 中控制器的相关文件。FactoryTalk View SE服务器:可用于存储工业控制项目，并且为客户机 /工 作站提供服务。FactoryTalk View SE 工作站：工程师用于编辑工业控制项目。Factory

15、Talk View SE 客户机：操作人员生产综合监控。FactoryTalk View Point ：基于 Web 的上位机画面，只可用于观察生产画面。RSlinx Classic ：是一 个完整的通信 服务器，提供与 生产现场设备ControlLogix 的完美连接。RSNetWorx ：通过一个友好软件界面，能够迅速在网络上定义、配置和浏览 ControlNet 或者 DeviceNet 网络。FactoryTalk Transaction Manager: 是一种运行在服务器上的软件应用程 序，它可以管理工厂控制系统与商业数据库之间的生产信息交换。FactoryTalk Histori

16、an SE: 通过使用现成的接口，它提供了与其它控制系统 方便的连接，通过对历史数据的分析，优化生产过程。2. 生产综合监控系统设计方案黄骅港的智慧化港口生产综合监控系统为建设变电所之间千兆工业以太环 网，以此为基础建设自动化信息传输平台，实现翻车机、堆料机、取料机、装船 机等主要生产作业场所的信息远程传输与共享集成， 操作人员根据相关信息对各 系统进行操控，从而实现远程监、管、控一体化，将现场的实时、历史及综合的 数据形成生产调度信息，分析后为管理层提供决策依据。现场设备主要包括：一期有 3台翻车机，堆场共计 6 个堆场设置 66 个垛位，4 个装船泊位。二期有 6台翻车机，堆场共计 6 个

17、堆场设置 73 个垛位，4 个装船泊位。三四期有 6 台翻车机，建有筒仓 48 个， 4 个装船泊位。四期堆场有 3 个堆场 24 个垛位、 1 个煤炭装船泊位。现按照智慧化港口要求进行升级改造，实现功能如下：（1）实现皮带流程主要参数监测；（2）实现各控制开关柜及电量参数监测；（3）实现筒仓故障状态及信息监测，根据故障实现自动处理；（4）组态生产综合监控系统人机界面，实现无人操作。（5）实现港口关键设备、关键位置视频监控，并于现场故障信息联网互动；（6）无缝接入工业以太网，构成智慧化港口系统的一部分，实现远程监测 与控制。根据上述要求，智慧化港口采用罗克韦尔分布式FactoryTalk为核心

18、，完成皮带、筒仓、变频器等相关设备的监测与控制功能；配置以太网摄像机作为视频 监控点，完成港口生产的关键设备及关键位置工业视频监控。两路千兆工业网络 连接安装在现场变电所的千兆环网交换机，一路为PLC监控系统传输用，另一路为视频信息传输用2。面向智慧港口要求的生产综合监控系统总体方案如图 2-1所示。翻车机 l千廻网1 工控堆料机一电气柜一PLC站一亠二爲一 允换机取料机 一装船机 卜 筒仓集群4斗皮带及转接塔一人 界机 血工控数屮业制据心千兆网频据心视数4全港 生产 指挥 屮心控制管理 应用平台图2-1面向智慧港口要求的生产综合监控系统总体方案3. 生产综合监控系统的具体应用3.1智能视频分

19、析（1）特定区域进入检测港口煤炭堆卸垛位是禁止人员进入。 特定区域进入检测功能可以实现对每个 垛位进行高清监控。 该功能启用以后， 是通过视频画面中是否有不同于背景的其 他物体，来侦测垛位区域是否有人类存在或者移动进入。（2）摄像机异常检测一些有经验的违法乱纪分子， 首先会对摄像机搞破坏才会行动。 影响摄像机 工作的常见手段有：对镜头进行故意遮挡；改变镜头方向；调整镜头焦距等。摄 像机异常检测功能则可以实现对常见异常的报警。（3）设线穿越报警黄骅港煤炭码头有着近二十公里的沿海作业区域， 偶有群众趁着海水落潮之 时翻越海岸护栏进入沿海滩涂捡拾贝壳， 存在着很大的安全隐患。 故在沿岸视频 画面中以

20、沿岸护栏为警戒线， 一旦监控中有人翻越护栏， 安保中心视频综合平台 自动发现并产生警报，提醒安保人员及时出警。（4）违规停车报警生产区域车辆必须停进规定的停车位置， 严禁乱停车干扰生产作业。 视频综 合系统具有违规抓拍技术， 嵌有违规停车算法的智能监控摄像机安装在禁止车辆 违停场所， 对违规车辆现场进行取证。 如果有车辆在禁停区域停车时间超过特定 时间，视频综合平台就会发出报警，同时记录违规时间、高清图像。违规停车的 证据可以在视频综合平台中以统计报表的形式查询，方法简单、明了、直观。（5）自燃智能检测煤炭从矿区通过铁路线需耗时 2472小时才能到达港口，在敞篷运煤货 车运输过程中由于雨淋或洒

21、水，氧化程度逐渐加深。而且煤炭运输到达港口后 会在堆场存放一周左右用于周转。特别在夏季高温天气，港口煤垛受潮放出润 湿热使内部的温度逐渐升高，引发自燃。综合监控系统可以把堆场设置成警戒 区域，一旦检测到着火点或者烟雾，会以告警框的方式对着火点或者烟雾的范 围进行标识，并且自动报警通知消防队及时出警。3.2 智能工控分析（1）实时历史数据库管理随着港口生产规模的日益增大，生产数据管理查询系统显得愈发重要。实 时历史数据库需要保存历史数据的现场监测点数量非常多，对大规模数据能够 进行高度压缩，对数据采集的实时性和存储能力也有着较高的要求。黄骅港采 用了工业实时历史数据库 PI 作为系统的数据库。

22、历史数据库采集到数据时， 首 先对其进行判断，然后所有在限值范围内的数据都将被过滤掉，所有超越限值 的数据都将通过特定压缩算法压缩后记录。（2 ）工控画面实时 WEB 发布黄骅港智能工控具有 WEB 发布功能，所有的报表、实时工控画面、历史 报警查询都通过 FactoryTalk View Point 软件进行了发布， 可以通过 IE 浏览器 访问发布后的网址进行访问及查询。 WEB 发布功能帮助用户分担部分客户端软 件的安装和维护，使得用户能随时随地了解实时作业情况。（3）工业环网链路保护黄骅港环形工业以太网技术是在港口工业以太网技术的基础上发展而来的 最新研究成果。环网技术是用来进行链路备份和网络冗余的重要技术，具有强 大的“自愈”性能，环网线路某处发生断开故障，可保证在极短的时间内自动 恢复通讯。工业以太网环网不但在网络结构方面能够满足港口灵活多变的需求， 更能安全可靠的将作业生产的信息传输到调度室，也推进了现场设备控制网、 设备网升级至以太网，不仅节约了信息化建设的传输成本，还满足了视频综合 监控系统的使用，提高了