基于OPC UA 的视频联动矿山报警监控系统研究与应用

李刚 卢华亮

（玉溪大红山矿业有限公司）

1 背景和现状

根据调研，多年来我国大多数矿山企业均已投入了多种安监设备对危险区段实时监控，主要分为两大类：一类是以瓦斯、CO、风速、温度、水仓水位、电流、机电设备馈电等传感器为主的数值型监测设备，它们测量的数据通过工业网络接入各车间的PLC 控制设备，一旦数值超限异常会触发报警；另一类是安装在井下及井上各关键区域的视频摄像头设备，它们通过专用网络接入视频服务器，在监控室可以调出任意摄像头通道画面实时查看。数值监测和视频监控两套系统各自独立，相互间无法关联交互，成为两个“信息孤岛”。比如PLC 数值监控系统虽然第一时间发出某区域CO 浓度超标的报警，但操作人员还需手动从视频服务器的上千路视频中逐层检索出对应场所的画面，才能确认现场情况并对人员发出警报。由于未实现视频画面的实时联动，每次人工手动对照要花费几秒到几十秒的操作时间，不仅增加了工作量，更延长了故障处理响应时间，埋下了严重的安全隐患。

另一个普遍存在的问题是，采矿各生产车间的数值型传感器往往是分散安装的，数据就地采集到各车间的主控PLC 中；但由于PLC 厂家和型号众多，各自支持的网络和协议不同，对报警数据的集中采集和传输造成极大困难。这就要求我们根据矿山企业的设备特点，对比分析研究，找到一种受多数PLC 厂家支持的标准化的工业网络通讯协议，并开发实现与现有PLC 设备间的通讯接口，打通数据高速公路的“最后一公里”，对既有PLC 系统“零入侵”和最小化改造，完成中心报警服务器的通讯采集和建设。如图1 所示，为采用OPC UA 工业网络标准，开发协议接口与多种主流PLC 的原生协议（Modbus、Melsec-Q等）实现对接，包括西门子S5 和S7 系列、倍福（Beckhoff）、施耐德（Schneider）、菲尼克斯（Phoenix）、罗克韦尔（AB）和三菱（Mitsubishi）等，通过高速工业互联网实时采集传感器报警数据到中心报警服务器。

图1 基于OPCUA 标准协议采集多厂商PLC 报警数据

2 意义、实施必要性

通过本文研究课题，将有效解决矿山数值报警传感设备的互联互通问题，在报警企业网络中建设“报警数据高速公路”，提升报警效率、降低事故发生的可能。将进一步弥补矿山生产企业常见的数据报警和视频监控之间的“数据鸿沟”，从根本上解决安全监控系统中的“信息孤岛”问题。粗略估计，数据报警时的视频检索时间，将从之前的平均15 秒左右，大幅缩减到视频联动后的1秒以内，从而显著提升事故预警和报警处理效率、有效避免安全事故；同时，预估能节省操作工人的监控工作量50 %以上，减员增效效果明显。

3 基于OPC UA 的视频联动矿山报警监控系统实现

3.1 基于OPC UA 消除“信息孤岛”，汇聚传感数据到报警中心

矿业安全报警监控系统的首要问题是将广泛安装在各生产场所的大量传感器信号实时采集起来并集中处理数据。其中包括但不限于甲烷传感器、CO 传感器、风速、温度、水仓水位、电流、负压等模拟量传感器，也包括机电设备开停、机电设备馈电状态、风门开关状态等开关量传感器。它们就像医生的听诊器，遍布于矿山各生产车间，时刻为安全“把脉”。

但是，由于不同生产区域采用的自动化PLC系统品牌多样、物理网络更是五花八门，经常遇见各个PLC 品牌之间不同的硬件或软件协议不通用的窘境。由于现实的原因，各个现场控制单元内的传感器数据无法互联互通，更无法统一汇聚到整个厂级的“报警数据中心”，各个“信息孤岛”孤立地存在，如图2 所示。这为中心报警监控平台开发造成极大困难。

图2 矿山报警监控系统“信息孤岛”示意图

为了解决信息孤岛问题，最重要的是在对原有各单元PLC 控制系统尽量少改造或不改造的前提下，实现网络系统和通讯协议的统一。本文根据前期企业调研的具体情况，采用最新工业物联网技术，以OPC UA 协议规范采用C#语言实现了一套通用的协议适配网关程序，通过它对接各厂商的PLC 系统，将厂商原生的私有协议转换为OPC UA 协议，为多厂商异构硬件数据双向交换架设了高速的通讯桥梁[1]。

OPC 全称是OLE（Object Linking and Embedding）for Process Control。为了便于自动化行业不同厂家的设备和应用程序能相互交换数据，定义了一个统一的接口函数，就是OPC 协议规范。经典的OPC 是基于Windows COM/DOM 技术，可以使用统一的方式去访问不同设备厂商的产品数据。经过数十年的发展，OPC 技术已工控领域数据交互的主流技术，受业界主流厂商支持。简单来说OPC 就是为了用于设备和软件之间交换数据的一套通用的协议。但是，其也有配置繁琐、不支持跨网段通讯、受限于Windows 无法跨平台等缺点。

为了应对标准化和跨平台的趋势，OPC 基金会近些年推出了全新的标准OPC UA，为制造现场到企业资源技术系统间传输原始数据和历史数据提供了一个优秀的方案。它可以连接更多的设备，独立于微软、UNIX 或其他操作系统，能成为连接企业级计算机与嵌入式自动化的桥梁；它还加强了数据授权保护手段，可通过用户鉴权、签名和加密传输等方式保护数据安全，能有效避免矿山生产数据泄露的危险。如图3 所示，为企业存在的多厂商PLC、DCS、智能仪表设备，在使用OPC 协议前后数据传输模型的变化示意图。可以看出，左图中繁杂的私有协议（彩色箭头）通讯，被单一的OPC UA 协议通讯栈（黑色箭头）替代，极大降低了应用集成的难度；同时保留了私有协议的实时性,典型的OPC UA 数据交互延时均在百毫秒级别。

图3 多厂商异构硬件使用OPC 前后数据交互模型

得益于OPC UA 独立于制造商，应用可以统一用它通信，开发者可以用不同编程语言对它开发。基于主流的C++和C#语言，业界也积累了丰富的开发资源，OPC 基金会网站上也有大量的开发示例、类库和文档，降低了开发难度和项目开发风险。

最终借助OPC UA 开发适配程序，能够将矿山企业传感报警信息统一集中到报警中心，如图4所示，为进一步与视频画面联动奠定基础。

图4 消除“信息孤岛”实现矿山数据高速互联

3.2 基于视频行业标准进行二次开发，为矿山报警平台赋能视频资源

矿山企业另一大类安监手段为全天候视频监控,它是由现场监控摄像头采集厂区所有关键区域的实时现场视频画面。随着视频监控行业发展,绝大多数企业均以建设了集中式的视频监控云平台,如海康威视的iWork-Safety 企业安监管理平台、Infovision 智慧矿山平台等，借助物联网技术对全厂摄像头整合、管理并存储历史视频数据。但是这些平台是自成体系的，且与前述的传感报警PLC 数据是相互隔离的，无法直接将视频画面与结构化数据在单一应用中整合。为解决这一问题，海康（Hikvision）和大华（Dahua）公司不断开放自己的平台，提供了符合视频行业标准（ONVIF、GB/T28181、GA/T1400、JT/T808 等）的软件开发工具（Soft Develop Kit），为第三方应用视频融合赋能[2]。如图5 示为海康平台视频开放SDK 功能示意图。本项目使用C#语言开发客户端接入，实现报警画面的实时预览、历史回放、云台控制等，使矿山生产安全监控单一系统中的视频联动报警成为可能。

图5 海康Infovision 视频融合赋能平台SDK 功能框图

3.3 基于预置在线规则库，联动传感数据和视频画面实现综合预警

传感数据与监控画面，这两大类报警数据源，前者为结构化数据，后者为流媒体视觉数据，二者在采集、存储、分析、报警各方面的处理方式都各不相同。因此，一直以来两者之间无法进行信息数据有效整合，由于技术等原因，连同一矿区同一事件所引起的传感报警和监控画面，都没能有效地实现报警联动。例如，实际处理突发事故时，传感报警平台收到某个瓦斯浓度超高的紧急报警，需要操作工人手动查询传感器所在安装具体区域，再按照事发地点从视频管理云平台的树状层级中一级级查找出所需视频画面，才能进一步地报警确认和处理。这样一个十几秒到几十秒的操作时间，对很多重特大事故预警是不可容忍的；同时繁琐的手工操作也会增加操作工工作量，容易造成视频漏查、不查等问题，成为很多生产安全事故的严重隐患。

本文在打通两类数据交互的基础上，着力研究解决两类报警的实时联动综合预警问题。采用在报警系统中预置“在线规则库”[3]，首先梳理出所有报警点所在传感器的位置信息库，以及所有摄像头安装场所的位置信息库；再基于“同一场所的传感器和摄像头应建立关联”的原则，将基于地点的关联信息插入到规则库中；然后基于矿山煤炭企业的业务特点和经验，进一步增加业务关联信息到规则库中，例如，生产的上（下）游环节传感报警有可能需要及时查看下（上）游的视频画面，或者换种说法，如果发电机组缺相故障传感器报警，就需要尽快调出井下关键矿道的视频，检查照明、生产是否受影响是否有潜在危险。

视频联动报警平台在运行时，会加载这些预置好的“实时规则库”。当采集的某一个传感实时数据发生预警，除了在画面上进行颜色闪烁、发声发光等传统报警外，还将快速检索在线“实时规则库”，查找是否有匹配的规则；匹配命中后，根据规则内容，系统获知一个或多个相关的监控摄像头ID 号；在一秒钟以内，调用视频平台SDK 完成所需监控画面的实时预览，并能对画面3D 放大、云台控制及查看回放等。整个过程如图7 中所示。

此外，视频联动报警平台，还具备“规则编辑器”功能，以供矿山企业用户对“在线规则库”中的规则维护完善，如添加、修改、删除、显示、保存等功能，方便用户操作，并增强系统的可扩展性和易用性。

4 结论

（1）本文针对玉溪大红山矿业有限公司的实际生产状况，通过理论论证与现场测验，基于OPC UA 协议使用C#语言开发AB/SIEMENS 等常见品牌PLC 和智能传感器的接入网关程序，实现传感器报警数据统一采集到报警数据中心；使用C#语言开发基于ONVIF 标准的客户端接入，实现报警画面的实时预览、历史回放、云台控制等；

（2）成功设计并编写出一套易用可扩展的矿山视频联动在线“规则系统”，数据报警时能够自动跳转到关联监控画面，完成报警系统与视频的联动，实现矿山生产设备的传感器报警与视频监控的高度统一，形成多维度的矿山安全报警综合研判体系。