石油化工装置中的电视监视系统设计

2015-04-06孔德琪

石油化工自动化 2015年4期

孔德琪

（中石化宁波工程有限公司，浙江宁波315103）

石油化工行业属于高危险性行业，石油化工装置大多具有高温高压、易燃易爆、有毒有害、强腐蚀性、生产连续等特点，一旦发生火灾或爆炸事故，往往会造成较大的伤亡和财产损失，因而石油化工装置对于安全管理的策略和要求一贯极为严格和苛刻。随着石油化工企业自动化控制水平的不断提高，电视监视系统作为日常生产过程中的监督检查和恶劣环境条件下的监视工具以及应急状态下的监视手段，正逐步应用于现代化的石油化工企业管理中，该系统作为石油化工装置的辅助管理手段，不仅能够提供人类不宜长期接触或者无法随意到达的位置（例如有毒有害区域）的实时视频信息，辅助工艺操作人员确定准确的仪表数据，而且还能与电子围栏系统、火灾报警系统、门禁系统等其他石油化工装置内的安防系统进行联动控制，前端探测器发出报警后第一时间提供报警区域的视频信息，为及时有效地消除警报提供最为可靠的依据，因而电视监视系统对于保障石油化工装置的正常生产及人员的人身安全起到越来越重要的作用。

1 电视监视系统的基本构成

电视监视系统又称为工业电视系统，其基本构成主要包含前端摄像设备、传输线路、图像显示和控制等四个部分。

1.1 前端摄像设备

一般包括摄像机、镜头、防护罩、云台、解码器等设备。会根据不同的工艺流程和生产操作的管理要求选择与环境特性相匹配的摄像设备，需考虑设备的防爆等级、防护等级等。电视监视系统摄像机一般应用电荷耦合器CCD（charge coupled device）摄像机，该类摄像机的工作原理是：当被监视物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大，因而选择合适的镜头与CCD的成像尺寸非常重要，这直接影响到末端显示系统上显示的被监视画面能否满足监视范围和图像细节的设计要求。

镜头的焦距、视场的大小的计算公式如下：

式中：f——镜头焦距；w——图像的宽度（被摄物体在CCD靶面上的成像宽度）；W——被摄物体宽度；L——被摄物体至镜头的距离；H——被摄物体的高度；h——图像高度（被摄物体在CCD靶面上的成像高度）视场（摄取场景）高度。

从式（1），（2）中可知，由于摄像机画面宽度和高度与显示系统画面宽度和高度一样，当L不变，H或w增大时，f变小；当H或w不变，L增大时，f增大。

因此，结合装置的布置特点和具体的监视要求，根据式（1），（2）选择合适的镜头和摄像机，直接关系到监视目标的成像质量，一般镜头焦距的选择由视场大小和镜头到监视目标的距离共同确定。当监视目标为固定目标时，宜采用定焦镜头；当需要监视全景并兼顾图像局部细节时，宜采用变焦镜头；当监视目标视距较大时，宜采用长焦镜头；当监视目标视距较小且视场角较大时，宜采用广角镜头。

1.2 传输线路

可以根据前端设备距离控制系统的远近分为无线传输和有线传输两部分。但由于石油化工装置框架及设备大多采用钢制材质，易对无线信号造成屏蔽，形成传输盲区，同时考虑到石油化工装置的安全要求很高，电视监视系统必须长期可靠运行，因而在石油化工装置电视监视系统设计过程中大多会采用可靠性相对较高的有线传输方式。

有线传输方式根据传输距离的不同，可以分为光纤传输（500 m以上）、同轴电缆传输（500 m以内）、计算机电缆传输（100 m以内）。

1.3 图像显示

基于不同等级监控室的要求，采用不同的显示方案，一般在现场级监控室采用LED显示器，在全厂性的监控室采用DLP或者PDP显示屏显示方案。

1.4 控制部分

一般分为模拟监视系统和数字监视系统，上述两种系统在石油化工装置内都有广泛的应用，在具体设计过程中需要综合参考电视监视系统规模、图像质量、项目特点等具体要求进行有针对性的选择。模拟监视系统和数字监视系统的主要对比见表1所列。

表1 模拟监视系统与数字监视系统比较

2 应用实例分析

2.1 系统结构分析

一套功能完善、运行可靠的电视监视系统在考虑工程投资的同时，不仅需满足装置建设初期的使用要求，符合装置生产管理的需要，也应为以后的系统升级扩容预留一定的扩展空间，并需保证电视监视系统的结构及配置与企业管理模式相互匹配。在考虑系统构成之前要充分了解和掌握装置的规模、投资概算情况以及业主的管理习惯，不能一味追求最先进、最高端的系统和技术。

对于典型化工装置而言，一般会有几个中心控制室和若干个现场机柜间构成化工装置的控制网络节点。因此，对于中心控制室、现场机柜间、外操室等单元内设置的电视监视系统规模及类型，要充分参考业主操作人员在该区域的人员构成，操作室及外操室内的核定人数、是否有人员值班、建构筑物内的具体布置等都是影响电视监视系统构成的重要因素。

2.2 前端摄像机配置分析

1）根据石油化工装置的特点，可能涉及的前端摄像机种类大致有如下几种：室内半球形摄像机、球形全景摄像机、枪式一体化防爆摄像机、枪式全天候摄像机以及内窥视高温摄像机。

2）在生产装置区域，一般根据防爆区域划分和环境防护要求设置枪式摄像机，主要用于监视生产装置的反应器、压缩机、重要的阀门及泵区、加热炉、皮带传输系统、汽包液位计、原料装卸区域以及重要机械设备。

3）对于设置在工艺装置框架内的摄像机或者是用于监视主要阀门接口或者仪器仪表的摄像机，要对其位置布置、设置标高等与相关专业的设计人员进行充分的沟通，努力减少摄像机监视区域内（例如梁柱结构或其他无关设备）的遮挡和干扰，为了达到上述目标，笔者将几种典型的摄像机镜头的有效可视范围和角度在图纸上先期模拟，结合需要监视的目标和监视范围内的潜在遮挡物，选择最优化的摄像机设置位置，尽量使摄像机的监视范围最大化，减少监视区域内的盲区。

4）在生产装置的制高点或次高点设置球型全景摄像机，用于监视整个装置的全景。监视装置全景的摄像机数量没有具体的要求，但根据以往的使用经验，一般采用带云台的球形全景摄像机，尽量采用广角镜头，由于受到摄像机设置位置和角度的限制，云台旋转的最大水平角度和垂直角度始终无法满足360°的全覆盖，因而结合整个装置区域的总图宜在次高装置的安装平台上设置一台或多台相同的全景摄像机，以实现对整个装置区域的全面监视覆盖。

5）火炬燃烧情况的正常与否能够直接反映装置的生产情况，因而多数石油化工装置会设置专用枪式摄像机监视火炬的燃烧情况。

6）炉膛内的烧嘴燃烧情况也是需要监控的，针对此类需求设置防高温内窥式摄像机，在观测过程中由于潜望管需要伸入到炉膛内进行监视，为了保护光学系统不被烧坏，该系统需配备风冷保护系统、电动或气动执行系统及超温报警装置等以适应苛刻的环境条件。

7）石油化工装置的罐区也是电视监视系统监控的重点，一般会在罐区的四周或制高点设置枪式摄像机。根据规范要求，对于大型浮顶储罐（单罐容积大于5×104m3），摄像机的设置宜能监视到处于最高罐位一半位置的浮顶，且要与火灾报警系统联动。由于浮顶罐的罐顶是人员的主要操作区域，而将摄像机设置在罐区四周或管廊上显然无法满足上述要求，因而针对以上情况，在罐区内的照明灯塔上设置摄像机是一个不错的选择。

8）装置区的出入口、装置四周、主要人员通道、巡检人员的巡检路径等均需纳入电视监视系统的监视范围。对于出入口和装置四周的区域主要以全天候枪式摄像机为主。对于多层的办公楼而言，在一层的主要出入口设置枪式摄像机，在监视对应区域的同时起到一定的警告和威慑作用；在其他楼层为了室内环境的美观，摄像机多采用半球形带云台的摄像机，在电梯间、走廊等人员相对集中的区域设置，对于此类建构筑物摄像机的布点需要综合考虑最大监视范围和保护个人隐私两个方面。

2.3 控制显示系统配置分析

由于目前石油化工装置正面临装备大型化、系统成套化、地域分散化、控制集中化等特点，电视监视系统的控制显示系统也会随着装置的特点不同而改变控制显示配置。应用较多的配置方案多采用分布式架构，即在现场级监控室（例如现场机柜间、外操室等）设置用于给前端摄像机供电、信号接收、转换和传输的装置，根据业主管理习惯和实际使用要求灵活地选择增加、减少以及调整现场显示和控制设备。同时各现场级监控室将视频数据通过光纤直接上传至全厂级监控室并统一存储、显示和控制，发生紧急情况时，中心控制室能够第一时间显示各装置区域的实时画面，为科学合理的指挥调度提供有效的参考。该种配置方案不仅可以灵活地适应石油化工装置形式多样的管理需求，同时能够通过集中设置存储、显示和控制设备而达到对投资成本的有效控制，分布式配置拓扑结构如图1所示。前端摄像机的图像应当包含原始图像信息的监视记录和监视日期时间等数据，所有数据可以集中保存在硬盘录像机、磁盘矩阵或者视频服务器中，存储设备的数量和容量大小需要满足所有前端摄像机存放30天以上数据量的要求。

3 系统联动分析

电视监视系统作为石油化工装置有效的辅助管理手段，正在发挥着不可替代的作用，但是被动监视的系统模式不能适应日益复杂的生产工况和日渐提高的生产管理要求，因而在笔者参与的项目中，均将电视监视系统与火灾报警系统、门禁报警系统、周界报警系统、巡更系统以及各种仪表报警条件进行联动控制，通过设置不同的报警条件，一旦报警条件得到触发，报警区域附近的前端摄像机就会自动转向报警区域，主动监视报警区域，并将实时画面切换到指定的屏幕上，并对监视人员进行声光提醒。另外，通过对采集的视频数据进行实时分析，及时地对可疑事件（如物品移动或失窃、人体行为识别、遗留物识别、穿越警戒区域识别等）进行实时报警和视频检索，从而有效地提高监视效率。

4 结束语

电视监视系统的工程设计需要参考工艺装置的流程、设备布置等方面的信息，虽然系统投资不大，但是涉及到装置的正常生产和人身安全，只有根据不同监视目标的特点选择不同的设备，才能达到监控安全的效果，因而需要从工程设计之初的各个环节与业主和相关设计人员充分讨论沟通，使系统在保证石油化工装置安全和人员安全等方面起到越来越重要的作用。