石油化工裝置中的電視監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計

孔德琪

（中石化寧波工程有限公司，浙江寧波315103）

石油化工行業(yè)屬于高危險性行業(yè)，石油化工裝置大多具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害、強腐蝕性、生產(chǎn)連續(xù)等特點，一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故，往往會造成較大的傷亡和財產(chǎn)損失，因而石油化工裝置對于安全管理的策略和要求一貫極為嚴(yán)格和苛刻。隨著石油化工企業(yè)自動化控制水平的不斷提高，電視監(jiān)視系統(tǒng)作為日常生產(chǎn)過程中的監(jiān)督檢查和惡劣環(huán)境條件下的監(jiān)視工具以及應(yīng)急狀態(tài)下的監(jiān)視手段，正逐步應(yīng)用于現(xiàn)代化的石油化工企業(yè)管理中，該系統(tǒng)作為石油化工裝置的輔助管理手段，不僅能夠提供人類不宜長期接觸或者無法隨意到達(dá)的位置（例如有毒有害區(qū)域）的實時視頻信息，輔助工藝操作人員確定準(zhǔn)確的儀表數(shù)據(jù)，而且還能與電子圍欄系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等其他石油化工裝置內(nèi)的安防系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動控制，前端探測器發(fā)出報警后第一時間提供報警區(qū)域的視頻信息，為及時有效地消除警報提供最為可靠的依據(jù)，因而電視監(jiān)視系統(tǒng)對于保障石油化工裝置的正常生產(chǎn)及人員的人身安全起到越來越重要的作用。

1 電視監(jiān)視系統(tǒng)的基本構(gòu)成

電視監(jiān)視系統(tǒng)又稱為工業(yè)電視系統(tǒng)，其基本構(gòu)成主要包含前端攝像設(shè)備、傳輸線路、圖像顯示和控制等四個部分。

1.1 前端攝像設(shè)備

一般包括攝像機、鏡頭、防護(hù)罩、云臺、解碼器等設(shè)備。會根據(jù)不同的工藝流程和生產(chǎn)操作的管理要求選擇與環(huán)境特性相匹配的攝像設(shè)備，需考慮設(shè)備的防爆等級、防護(hù)等級等。電視監(jiān)視系統(tǒng)攝像機一般應(yīng)用電荷耦合器CCD（charge coupled device）攝像機，該類攝像機的工作原理是：當(dāng)被監(jiān)視物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下，逐點外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號輸出。在相同的光學(xué)鏡頭下，成像尺寸越大，視場角越大，因而選擇合適的鏡頭與CCD的成像尺寸非常重要，這直接影響到末端顯示系統(tǒng)上顯示的被監(jiān)視畫面能否滿足監(jiān)視范圍和圖像細(xì)節(jié)的設(shè)計要求。

鏡頭的焦距、視場的大小的計算公式如下：

式中：f——鏡頭焦距；w——圖像的寬度（被攝物體在CCD靶面上的成像寬度）；W——被攝物體寬度；L——被攝物體至鏡頭的距離；H——被攝物體的高度；h——圖像高度（被攝物體在CCD靶面上的成像高度）視場（攝取場景）高度。

從式（1），（2）中可知，由于攝像機畫面寬度和高度與顯示系統(tǒng)畫面寬度和高度一樣，當(dāng)L不變，H或w增大時，f變小；當(dāng)H或w不變，L增大時，f增大。

因此，結(jié)合裝置的布置特點和具體的監(jiān)視要求，根據(jù)式（1），（2）選擇合適的鏡頭和攝像機，直接關(guān)系到監(jiān)視目標(biāo)的成像質(zhì)量，一般鏡頭焦距的選擇由視場大小和鏡頭到監(jiān)視目標(biāo)的距離共同確定。當(dāng)監(jiān)視目標(biāo)為固定目標(biāo)時，宜采用定焦鏡頭；當(dāng)需要監(jiān)視全景并兼顧圖像局部細(xì)節(jié)時，宜采用變焦鏡頭；當(dāng)監(jiān)視目標(biāo)視距較大時，宜采用長焦鏡頭；當(dāng)監(jiān)視目標(biāo)視距較小且視場角較大時，宜采用廣角鏡頭。

1.2 傳輸線路

可以根據(jù)前端設(shè)備距離控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)近分為無線傳輸和有線傳輸兩部分。但由于石油化工裝置框架及設(shè)備大多采用鋼制材質(zhì)，易對無線信號造成屏蔽，形成傳輸盲區(qū)，同時考慮到石油化工裝置的安全要求很高，電視監(jiān)視系統(tǒng)必須長期可靠運行，因而在石油化工裝置電視監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計過程中大多會采用可靠性相對較高的有線傳輸方式。

有線傳輸方式根據(jù)傳輸距離的不同，可以分為光纖傳輸（500 m以上）、同軸電纜傳輸（500 m以內(nèi)）、計算機電纜傳輸（100 m以內(nèi)）。

1.3 圖像顯示

基于不同等級監(jiān)控室的要求，采用不同的顯示方案，一般在現(xiàn)場級監(jiān)控室采用LED顯示器，在全廠性的監(jiān)控室采用DLP或者PDP顯示屏顯示方案。

1.4 控制部分

一般分為模擬監(jiān)視系統(tǒng)和數(shù)字監(jiān)視系統(tǒng)，上述兩種系統(tǒng)在石油化工裝置內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用，在具體設(shè)計過程中需要綜合參考電視監(jiān)視系統(tǒng)規(guī)模、圖像質(zhì)量、項目特點等具體要求進(jìn)行有針對性的選擇。模擬監(jiān)視系統(tǒng)和數(shù)字監(jiān)視系統(tǒng)的主要對比見表1所列。

表1 模擬監(jiān)視系統(tǒng)與數(shù)字監(jiān)視系統(tǒng)比較

2 應(yīng)用實例分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

一套功能完善、運行可靠的電視監(jiān)視系統(tǒng)在考慮工程投資的同時，不僅需滿足裝置建設(shè)初期的使用要求，符合裝置生產(chǎn)管理的需要，也應(yīng)為以后的系統(tǒng)升級擴(kuò)容預(yù)留一定的擴(kuò)展空間，并需保證電視監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及配置與企業(yè)管理模式相互匹配。在考慮系統(tǒng)構(gòu)成之前要充分了解和掌握裝置的規(guī)模、投資概算情況以及業(yè)主的管理習(xí)慣，不能一味追求最先進(jìn)、最高端的系統(tǒng)和技術(shù)。

對于典型化工裝置而言，一般會有幾個中心控制室和若干個現(xiàn)場機柜間構(gòu)成化工裝置的控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。因此，對于中心控制室、現(xiàn)場機柜間、外操室等單元內(nèi)設(shè)置的電視監(jiān)視系統(tǒng)規(guī)模及類型，要充分參考業(yè)主操作人員在該區(qū)域的人員構(gòu)成，操作室及外操室內(nèi)的核定人數(shù)、是否有人員值班、建構(gòu)筑物內(nèi)的具體布置等都是影響電視監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成的重要因素。

2.2 前端攝像機配置分析

1）根據(jù)石油化工裝置的特點，可能涉及的前端攝像機種類大致有如下幾種：室內(nèi)半球形攝像機、球形全景攝像機、槍式一體化防爆攝像機、槍式全天候攝像機以及內(nèi)窺視高溫攝像機。

2）在生產(chǎn)裝置區(qū)域，一般根據(jù)防爆區(qū)域劃分和環(huán)境防護(hù)要求設(shè)置槍式攝像機，主要用于監(jiān)視生產(chǎn)裝置的反應(yīng)器、壓縮機、重要的閥門及泵區(qū)、加熱爐、皮帶傳輸系統(tǒng)、汽包液位計、原料裝卸區(qū)域以及重要機械設(shè)備。

3）對于設(shè)置在工藝裝置框架內(nèi)的攝像機或者是用于監(jiān)視主要閥門接口或者儀器儀表的攝像機，要對其位置布置、設(shè)置標(biāo)高等與相關(guān)專業(yè)的設(shè)計人員進(jìn)行充分的溝通，努力減少攝像機監(jiān)視區(qū)域內(nèi)（例如梁柱結(jié)構(gòu)或其他無關(guān)設(shè)備）的遮擋和干擾，為了達(dá)到上述目標(biāo)，筆者將幾種典型的攝像機鏡頭的有效可視范圍和角度在圖紙上先期模擬，結(jié)合需要監(jiān)視的目標(biāo)和監(jiān)視范圍內(nèi)的潛在遮擋物，選擇最優(yōu)化的攝像機設(shè)置位置，盡量使攝像機的監(jiān)視范圍最大化，減少監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的盲區(qū)。

4）在生產(chǎn)裝置的制高點或次高點設(shè)置球型全景攝像機，用于監(jiān)視整個裝置的全景。監(jiān)視裝置全景的攝像機數(shù)量沒有具體的要求，但根據(jù)以往的使用經(jīng)驗，一般采用帶云臺的球形全景攝像機，盡量采用廣角鏡頭，由于受到攝像機設(shè)置位置和角度的限制，云臺旋轉(zhuǎn)的最大水平角度和垂直角度始終無法滿足360°的全覆蓋，因而結(jié)合整個裝置區(qū)域的總圖宜在次高裝置的安裝平臺上設(shè)置一臺或多臺相同的全景攝像機，以實現(xiàn)對整個裝置區(qū)域的全面監(jiān)視覆蓋。

5）火炬燃燒情況的正常與否能夠直接反映裝置的生產(chǎn)情況，因而多數(shù)石油化工裝置會設(shè)置專用槍式攝像機監(jiān)視火炬的燃燒情況。

6）爐膛內(nèi)的燒嘴燃燒情況也是需要監(jiān)控的，針對此類需求設(shè)置防高溫內(nèi)窺式攝像機，在觀測過程中由于潛望管需要伸入到爐膛內(nèi)進(jìn)行監(jiān)視，為了保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)不被燒壞，該系統(tǒng)需配備風(fēng)冷保護(hù)系統(tǒng)、電動或氣動執(zhí)行系統(tǒng)及超溫報警裝置等以適應(yīng)苛刻的環(huán)境條件。

7）石油化工裝置的罐區(qū)也是電視監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)控的重點，一般會在罐區(qū)的四周或制高點設(shè)置槍式攝像機。根據(jù)規(guī)范要求，對于大型浮頂儲罐（單罐容積大于5×104m3），攝像機的設(shè)置宜能監(jiān)視到處于最高罐位一半位置的浮頂，且要與火災(zāi)報警系統(tǒng)聯(lián)動。由于浮頂罐的罐頂是人員的主要操作區(qū)域，而將攝像機設(shè)置在罐區(qū)四周或管廊上顯然無法滿足上述要求，因而針對以上情況，在罐區(qū)內(nèi)的照明燈塔上設(shè)置攝像機是一個不錯的選擇。

8）裝置區(qū)的出入口、裝置四周、主要人員通道、巡檢人員的巡檢路徑等均需納入電視監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)視范圍。對于出入口和裝置四周的區(qū)域主要以全天候槍式攝像機為主。對于多層的辦公樓而言，在一層的主要出入口設(shè)置槍式攝像機，在監(jiān)視對應(yīng)區(qū)域的同時起到一定的警告和威懾作用；在其他樓層為了室內(nèi)環(huán)境的美觀，攝像機多采用半球形帶云臺的攝像機，在電梯間、走廊等人員相對集中的區(qū)域設(shè)置，對于此類建構(gòu)筑物攝像機的布點需要綜合考慮最大監(jiān)視范圍和保護(hù)個人隱私兩個方面。

2.3 控制顯示系統(tǒng)配置分析

由于目前石油化工裝置正面臨裝備大型化、系統(tǒng)成套化、地域分散化、控制集中化等特點，電視監(jiān)視系統(tǒng)的控制顯示系統(tǒng)也會隨著裝置的特點不同而改變控制顯示配置。應(yīng)用較多的配置方案多采用分布式架構(gòu)，即在現(xiàn)場級監(jiān)控室（例如現(xiàn)場機柜間、外操室等）設(shè)置用于給前端攝像機供電、信號接收、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)难b置，根據(jù)業(yè)主管理習(xí)慣和實際使用要求靈活地選擇增加、減少以及調(diào)整現(xiàn)場顯示和控制設(shè)備。同時各現(xiàn)場級監(jiān)控室將視頻數(shù)據(jù)通過光纖直接上傳至全廠級監(jiān)控室并統(tǒng)一存儲、顯示和控制，發(fā)生緊急情況時，中心控制室能夠第一時間顯示各裝置區(qū)域的實時畫面，為科學(xué)合理的指揮調(diào)度提供有效的參考。該種配置方案不僅可以靈活地適應(yīng)石油化工裝置形式多樣的管理需求，同時能夠通過集中設(shè)置存儲、顯示和控制設(shè)備而達(dá)到對投資成本的有效控制，分布式配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。前端攝像機的圖像應(yīng)當(dāng)包含原始圖像信息的監(jiān)視記錄和監(jiān)視日期時間等數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)可以集中保存在硬盤錄像機、磁盤矩陣或者視頻服務(wù)器中，存儲設(shè)備的數(shù)量和容量大小需要滿足所有前端攝像機存放30天以上數(shù)據(jù)量的要求。

3 系統(tǒng)聯(lián)動分析

電視監(jiān)視系統(tǒng)作為石油化工裝置有效的輔助管理手段，正在發(fā)揮著不可替代的作用，但是被動監(jiān)視的系統(tǒng)模式不能適應(yīng)日益復(fù)雜的生產(chǎn)工況和日漸提高的生產(chǎn)管理要求，因而在筆者參與的項目中，均將電視監(jiān)視系統(tǒng)與火災(zāi)報警系統(tǒng)、門禁報警系統(tǒng)、周界報警系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)以及各種儀表報警條件進(jìn)行聯(lián)動控制，通過設(shè)置不同的報警條件，一旦報警條件得到觸發(fā)，報警區(qū)域附近的前端攝像機就會自動轉(zhuǎn)向報警區(qū)域，主動監(jiān)視報警區(qū)域，并將實時畫面切換到指定的屏幕上，并對監(jiān)視人員進(jìn)行聲光提醒。另外，通過對采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，及時地對可疑事件（如物品移動或失竊、人體行為識別、遺留物識別、穿越警戒區(qū)域識別等）進(jìn)行實時報警和視頻檢索，從而有效地提高監(jiān)視效率。

4 結(jié)束語

電視監(jiān)視系統(tǒng)的工程設(shè)計需要參考工藝裝置的流程、設(shè)備布置等方面的信息，雖然系統(tǒng)投資不大，但是涉及到裝置的正常生產(chǎn)和人身安全，只有根據(jù)不同監(jiān)視目標(biāo)的特點選擇不同的設(shè)備，才能達(dá)到監(jiān)控安全的效果，因而需要從工程設(shè)計之初的各個環(huán)節(jié)與業(yè)主和相關(guān)設(shè)計人員充分討論溝通，使系統(tǒng)在保證石油化工裝置安全和人員安全等方面起到越來越重要的作用。

圖1 電視監(jiān)視系統(tǒng)分布式配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

［1］ 祁亞東，姜翠蘭，張昌軍，等.GB 50115—2009工業(yè)電視系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［2］ 經(jīng)建生，倪照鵬，馬恒，等.GB 50016—2006建筑設(shè)計防火規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2006.

［3］ 溫伯銀，趙濟(jì)安，邵民杰，等.GB/T 50314—2006智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計劃出版社，2006.

［4］ 于文訊，李佳，劉七一，等.SH/T 3153—2007石油化工企業(yè)電信設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國石化出版社，2007.

［5］ 徐永漢.SH/T 3028—2007石油化工裝置電信設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國石化出版社，2007.

［6］ 唐林.工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用探討［J］.天然氣與石油，2007，25（06）：69-73.