基于PoE技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在火力發(fā)電廠的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

國(guó)電泉州熱電有限公司 福建 泉州 362800

1 引言

我廠的生產(chǎn)區(qū)域視頻監(jiān)控系統(tǒng)早期隨基建一起設(shè)計(jì)施工,屬于模擬信號(hào)系統(tǒng)。受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,布置于生產(chǎn)區(qū)域的每一個(gè)前端攝像機(jī)都需要一條電源線供電和一根視頻線進(jìn)行信號(hào)傳輸,這樣產(chǎn)生了大量線纜,不僅施工難度大,而且視頻信號(hào)受傳輸距離的限制。這在現(xiàn)在看來(lái)是顯得非常臃腫龐大的。

隨著數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)的快速發(fā)展應(yīng)用,模擬量系統(tǒng)幾近被淘汰。交換機(jī)和光纜等設(shè)備的大量普及應(yīng)用,使得傳輸網(wǎng)絡(luò)的搭建變得更為簡(jiǎn)單。利用交換機(jī)能夠匯集現(xiàn)場(chǎng)多路攝像頭的視頻信號(hào),再通過(guò)光纖將信號(hào)遠(yuǎn)傳至中心機(jī)房,大大簡(jiǎn)化了視頻信號(hào)傳輸線纜,同時(shí)光纖能夠很方便的進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳送,不再受制于以太網(wǎng)線纜傳輸距離的問(wèn)題。

近幾年,以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)的誕生與普及,再一次為基于IP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的更廣泛應(yīng)用鋪平道路。PoE技術(shù)解決了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供電問(wèn)題,前端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如網(wǎng)絡(luò)攝像頭、無(wú)線AP等)通過(guò)一根網(wǎng)線即可為設(shè)備供電同時(shí)傳輸信號(hào)。在進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不再需要考慮前端設(shè)備的取電問(wèn)題,節(jié)省了大量電力電纜和布線施工成本。

2 PoE技術(shù)原理介紹

PoE(Power over Ethernet)技術(shù)即以太網(wǎng)供電技術(shù),也稱為基于局域網(wǎng)的供電技術(shù)(POL,Power over LAN)或有源以太網(wǎng)(Active Ethernet)。它是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)五類、六類線布線的基礎(chǔ)架構(gòu)不變的情況下,通過(guò)網(wǎng)線即可為基于IP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在傳輸信號(hào)的同時(shí)為設(shè)備提供所需的直流電源。IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)于2003年發(fā)布了IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn),并于2009年推出了IEEE802．3at標(biāo)準(zhǔn),為PoE技術(shù)安全可靠的應(yīng)用奠定了標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ),只要遵循該標(biāo)準(zhǔn),不同廠商之間設(shè)備的適配性問(wèn)題就能得以解決。

PoE系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成。一個(gè)是供電設(shè)備PSE(Power Sourcing E-quipment),為以太網(wǎng)終端設(shè)備供電,是整個(gè)PoE以太網(wǎng)供電過(guò)程的管理者;另一個(gè)是受電設(shè)備PD(Power Device),也稱客戶端設(shè)備或者負(fù)載。PSE設(shè)備主要是PoE交換機(jī),PD設(shè)備主要是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無(wú)線AP接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)電話等。PoE系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 PoE技術(shù)原理圖

標(biāo)準(zhǔn)的五類網(wǎng)線有四對(duì)雙絞線,其中有兩對(duì)空閑線、兩對(duì)信號(hào)線。IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)允許有兩種供電方式,一種是在4、5、7、8空閑線對(duì)上傳輸電流(模式A),并且規(guī)定,4、5為正極,7、8為負(fù)極。另一種供電是在1、2、3、6信號(hào)線上在傳輸信號(hào)的同時(shí)向受電設(shè)備傳輸電源(模式B),極性為任意,1、2為正極,3、6為負(fù)極或1、2為負(fù)極,3、6為正極,其中的一種供電極性。

PoE系統(tǒng)的主要工作過(guò)程:

(1)檢測(cè):在PSE為PD供電前,先輸出一個(gè)低電壓來(lái)檢測(cè)PD是否為符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PD,通過(guò)檢測(cè)反饋電流,來(lái)判斷PD是否具有一個(gè)25kΩ的特性阻抗,若符合要求,則判斷為端口連接的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PD設(shè)備,才進(jìn)行下一步操作。

(2)分級(jí):當(dāng)確認(rèn)所連接的設(shè)備符合要求后,PSE會(huì)將輸出電壓進(jìn)一步提高,來(lái)對(duì)受電設(shè)備進(jìn)行分級(jí),如果受電設(shè)備此時(shí)沒(méi)有回應(yīng)分級(jí)確認(rèn)電流,PSE默認(rèn)將受電設(shè)備規(guī)為0級(jí),為其提供15．4W的輸出功率(IEEE802．3at標(biāo)準(zhǔn)最高可支持30W的輸出功率)。

(3)供電:經(jīng)過(guò)確認(rèn)分級(jí)后,PSE會(huì)向受電設(shè)備輸出48V的直流電,并確認(rèn)受電設(shè)備不超過(guò)15．4W的功率要求,當(dāng)受電設(shè)備超載或短路后,PSE停止為其供電,再次進(jìn)入檢測(cè)階段。

3 PoE技術(shù)在火力發(fā)電廠視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)

火力發(fā)電廠設(shè)備復(fù)雜繁多,各類電纜交錯(cuò)布置,現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)安裝位置特殊、布線難度大、信號(hào)傳輸易受電磁干擾等問(wèn)題。利用基于PoE技術(shù)架構(gòu)的IP網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度上的改善,它具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

(1)更簡(jiǎn)便。對(duì)支持IEEE802．3af、IEEE802．3at標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,均可采用PoE技術(shù)為受電設(shè)備供電,無(wú)需另外敷設(shè)電源電纜,利用單根網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)供電與通訊,可隨前端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備隨意布置移動(dòng)。對(duì)于特俗的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,還能融合有線與無(wú)線的方式,非常簡(jiǎn)便的進(jìn)行布線施工。這些都對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)和系統(tǒng)的施工布置都大大進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

(2)更經(jīng)濟(jì)。采用網(wǎng)線直接供電,直接省去了電力電纜的設(shè)計(jì)和材料采購(gòu)的成本費(fèi)用,以及敷設(shè)電力電纜所需的配件材料費(fèi)用,同時(shí)直接免去了電纜現(xiàn)場(chǎng)布線施工的人工成本,對(duì)系統(tǒng)維護(hù)來(lái)說(shuō),也一定程度上減少了運(yùn)維成本。

(3)更穩(wěn)定。PoE作為一項(xiàng)遠(yuǎn)程供電技術(shù),有相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)支撐和約束,具有一系列科學(xué)的電源管理體系和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠保證供電設(shè)備正常穩(wěn)定的提供電源,也能保證受電設(shè)備處于最優(yōu)的能耗狀態(tài),延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。同時(shí),采用低壓直流供電能夠減少電磁干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信號(hào)傳輸產(chǎn)生的影響,使得視頻信號(hào)更穩(wěn)定、不易失真。

(4)更安全。PoE供電設(shè)備并非直接為受電設(shè)備提供電源,而是經(jīng)過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)、分級(jí)后,確保受電設(shè)備符合標(biāo)準(zhǔn)后才進(jìn)行供電。供電設(shè)備接口提供穩(wěn)定可靠的48V直流電,相比于通過(guò)220VAC轉(zhuǎn)換為48 VDC的傳統(tǒng)供電模式,減少了電力線纜的布線密度,提高用電安全性。

4 基于PoE技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在火力發(fā)電廠的設(shè)計(jì)應(yīng)用

我公司通過(guò)前期調(diào)研,結(jié)合電廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,最終確定了以PoE技術(shù)為基本架構(gòu)的IP網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。并通過(guò)立項(xiàng)招標(biāo),對(duì)生產(chǎn)區(qū)域傳統(tǒng)的模擬量監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。基于PoE技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

該系統(tǒng)由前端IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、交換機(jī)、服務(wù)器、解碼器等組成,通訊介質(zhì)采用超五類以太網(wǎng)線和光纜,采用分布式集中管理的模式,通過(guò)權(quán)限設(shè)置,系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺(tái)客戶端均可訪問(wèn)本視頻監(jiān)控系統(tǒng),并根據(jù)所使用賬號(hào)的權(quán)限級(jí)別進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽、錄像回放、控制、下載等操作。

該系統(tǒng)采用了華為研發(fā)的支持PoE供電的交換機(jī),最高支持30w的功率輸出,對(duì)電廠現(xiàn)場(chǎng)特殊、復(fù)雜的環(huán)境條件采用有線與無(wú)線通訊融合的方式,通過(guò)單根超五類網(wǎng)線、無(wú)線網(wǎng)橋與前端的IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行通訊連接,可實(shí)現(xiàn)百兆帶寬的傳輸速率,同時(shí)節(jié)省了大量的材料和人工成本;通過(guò)PoE交換機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布置的所有前端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行匯集,再通過(guò)光纜,將信號(hào)傳輸匯集至核心交換機(jī),可實(shí)現(xiàn)千兆帶寬的速率傳送;整個(gè)系統(tǒng)布置有72盤(pán)位磁盤(pán)陣列存儲(chǔ)服務(wù)器,接入核心交換機(jī)用以存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù),支持超過(guò)60天的視頻歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力,支持?jǐn)U展;該視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置了一臺(tái)雙路視頻服務(wù)器,用以管理整套視頻監(jiān)控系統(tǒng),同時(shí)配置了中心機(jī)房客戶端,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;通過(guò)雙路視頻服務(wù)器背部的RJ45網(wǎng)口與生產(chǎn)系統(tǒng)辦公內(nèi)網(wǎng)交換機(jī)專用網(wǎng)口進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)辦公區(qū)客戶端對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的訪問(wèn);通過(guò)8路高清解碼器對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控圖像上墻顯示。

目前,該套視頻監(jiān)控系統(tǒng)已正常投入使用。通過(guò)客戶端,以web方式訪問(wèn)視頻管理服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的管理和控制。監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造,加強(qiáng)了我廠對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的有效監(jiān)管,給機(jī)組檢修、日常維護(hù)工作的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)及生產(chǎn)安全方面的管理提供了強(qiáng)有力的工具。

圖2 基于PoE技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

5 結(jié)束語(yǔ)

PoE技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì),決定了其在基于以太網(wǎng)的設(shè)備組網(wǎng)系統(tǒng)中的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)和安防系統(tǒng)的主流技術(shù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用,新型網(wǎng)絡(luò)化、智能化產(chǎn)品設(shè)備的問(wèn)世,傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠運(yùn)作模式已經(jīng)不足以滿足時(shí)代進(jìn)程的需求。在國(guó)家推行互聯(lián)網(wǎng)＋產(chǎn)業(yè)模式以來(lái),各行各業(yè)都在積極探索適合自身發(fā)展的產(chǎn)業(yè)模式。各大火力發(fā)電集團(tuán)也在努力尋求智能化、智慧化發(fā)電企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),構(gòu)筑了智慧電廠發(fā)展框架體系,屆時(shí)將會(huì)有大量新型網(wǎng)絡(luò)化、智能化產(chǎn)品設(shè)備部署在各大生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),作為智慧電廠體系的接入層設(shè)備,為整個(gè)體系提供一雙“火眼金睛”。因此相信,未來(lái)PoE技術(shù)能夠更廣泛而深入的服務(wù)于智慧電廠的構(gòu)建,助力火力發(fā)電企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。