集散控制系统的操作和显示

集散控制系统的操作和显示第1页，共74页，2023年，2月20日，星期四根据工业生产过程的自动化水平不同，操作人员参与过程的程度和范围将有所不同。自动化水平越高，操作人员参与和介入的程度和范围越小。但无论何种生产过程，操作人员的参与与介入都是通过对生产过程数据信息的观察、监视和操纵来实现的。在集散控制系统中，这种参与通过两种途径进行:一种是仪表盘操作方式，主要用于采用单回路控制器、可编程逻辑控制器等模拟仪表盘的场合;另一种是CRT操作方式，它通过生产过程的集中监视和操作实现对生产过程的介入。与常规的仪表控制操作方式不同的是集散控制系统通过人机操作界面不仅可以实现一般的操作功能，而且还增加了其他功能，例如控制组态、画面组态等工程实现的功能和自诊断、报警等维护修理等功能。此外，画面方便的切换、参数改变的简单等性能也使集散控制系统的操作得到改善。第2页，共74页，2023年，2月20日，星期四主要内容集散控制系统的操作方式显示画面第3页，共74页，2023年，2月20日，星期四第一节集散控制系统的操作方式一、仪表盘操作方式集散控制系统的仪表盘操作指：过程控制站的部分操作在仪表盘进行，它通常包括盘装的单回路、多回路控制器、可编程逻辑控制器、模拟仪表后备和简易型操作终端的操作。第4页，共74页，2023年，2月20日，星期四1、仪表盘操作方式的特点仪表盘操作方式采用数字仪表安装在仪表盘，其外形与常规模拟仪表相似，但操作方式有下列特点:（1）显示和读数的精度提高，读数方便；（2）监视和操作与模拟仪表相似，有利于从模拟到数字的操作过渡；（3）组态工作由编程器或上位机完成；（4）有仪表位号或相应描述和工程单位的显示；第5页，共74页，2023年，2月20日，星期四（5）数据的改变采用按压增减键，变化的快慢可以根据按压的时间、按压的分档或者按压的压力进行调整;（6）控制方式切换可以采用切换按键或扳键实现;单回路和多回路控制器的面板显示数据可以用键切换，如第一测量值、设定值或输出值等，控制方式如手、自动、远程、就地设定等信息也有相应的字母显示。模拟仪表后备通过硬接线与控制装置连接，一旦分散过程控制装置故障时，切入模拟仪表后备。通常采用手、自动操作器作为模拟仪表后备，自动时由分散过程控制装置控制输出。手动时由仪表后备输出。后备可采用一对一，也可采用多路切换的方式。简易型操作终端通过键盘获得过程信息并进行操作。部分操作终端仅起监视功能，有些操作终端可起故障诊断或者组态用编程器作用。一般情况下，操作终端除了监视部分设备参数外还可进行设定值调整等操作。第6页，共74页，2023年，2月20日，星期四（7）具有通信功能，可由上位操作站提供设定值指令并可向上位操作站提供数据以便显示;（8）报警功能增强，通常用闪烁方式提示;可编程控制器装在盘面时，可通过相应通道用发光二极管来显示该通道的通或断的状态，它的电源、故障显示通常在CPU板的插件板面。（9）提供多级操作的最低级操作。在顺序控制或批量控制中，可通过可编程逻辑控制器进行操作，并在终端显示相应顺序进行的状态，如步骤、顺序条件状态等。第7页，共74页，2023年，2月20日，星期四2、单回路和多回路控制器的功能(1)输入信号处理对输入信号的处理包括信号电平转换、隔离、滤波、线性化、开方、温度和/或压力补偿、限幅、报警值检查、信号出错诊断等。(2)运算包括正、反向、算术和逻辑运算、超前与滞后补偿、纯滞后、预估补偿、PID运算及高级整定算法，有些单回路控制器还提供用户可编程的运算块，以便编制一些顺序控制和简单批处理程序。(3)显示包括用动圈式模拟表头、荧光柱或等离子柱的模拟显示和数字量显示、仪表位号及描述和工程单位的显示。此外，开关量的状态、故障报警以及控制方式的显示也属于显示功能。第8页，共74页，2023年，2月20日，星期四(4)组态通过组态功能，用户可以编制控制方案，实施相应的控制。数字显示仪表和单回路或多回路控制器的主要区别之一就是后者具有组态功能，它可以具有智能功能。组态通过编程器送入，采用外部插入编程器的优点是多台控制器可以合用一台编程器。缺点是编程时不方便。内装式控制器具有编程方便、直观的优点，在维修和开车时特别有用，但价格要相对高些。有些类型的控制器具有组态复制功能，如Foxboro公司的760、761系列单回路控制器，它可以把组态程序复制到非易失RAM中，可以大大方便组态工作。即只需改变仪表位号，工程单位、量程范围、报警值等数据即可，控制方案组态可不必重复进行。第9页，共74页，2023年，2月20日，星期四(5)过程操作当控制器切换在远程设定时，控制器作为分散过程控制装置使用，成为控制级的组成部分。当控制器切换在就地设定时，它将单独作为控制器与过程发生关系。这时的手动操作是除了控制阀上安装的手轮以外的最低级控制。有些控制器把远程设定位置称为计算机位置。(6)通信单回路和多回路控制器只有通过通信功能，才能成为真正的控制级。通信的数据包括各回路的输入和输出信号、状态信号以及来自上位机的设定值和状态切换信号等。因此，上位操作站对控制器主要起监控作用。(7)输出信号的处理输出信号的限幅、隔离，以及保护和屏蔽等处理。(8)模数和数模转换当采用模拟信号输入和输出时，需对模拟信号转换成数字信号，然后输入计算并输出，数模转换则把计算结果转换成模拟量。第10页，共74页，2023年，2月20日，星期四3、仪表后备和简易型操作终端的功能（1）仪表后备模拟式仪表作为集散控制系统的后备。通常是手、自动操作器。在手动时，由仪表内部提供可调整的模拟输出，自动时仪表把分散过程装置的输出接到执行器。正常时，只需把开关切入自动即可，只有在控制装置失效时，才切入手动，手动由仪表拨盘调整输出值。第11页，共74页，2023年，2月20日，星期四有些集散控制系统把这类仪表装在分散过程控制机架上，以便节约仪表盘的费用。在需要特别可靠运行的场合，仪表的后备是指一些过程检测点或控制回路同时送到仪表后备和分散过程控制装置。电流输入采用串联、电压输入采用并联，应注意的问题是仪表应浮空，尤其是电源负端接地时，多台仪表或控制装置如有多点接地时会影响显示值的正确性。而且，应考虑送出电流或电压的设备能忍受的负荷大小。输出部分的接线应该有切换系统，可以手动机械式、电子式或采用微处理器组成的切换系统，并应考虑断开的系统应有模拟负荷接入，以及无扰动切换的操作步骤。第12页，共74页，2023年，2月20日，星期四（2）简易型操作终端是指安装在仪表盘上的操作装置，可引申到台式的操作终端。与单回路或多回路控制器比较，还具有过程变量的显示(多点或单点切换)功能；不具有控制算法的运算功能，它与作为上位操作站的操作功能相类似，但通常无图形显示，功能比较简单。第13页，共74页，2023年，2月20日，星期四

4、单回路和多回路控制器的组态操作方式2种：通过编程器完成：外插和内装通过操作站进行编程编程或组态操作主要是指控制算法的编制：顺序控制、反馈控制，批量控制的功能算法。对于功能算法的软件块，编程或组态的工作是采用软连接的方法把相应算法连接起来，完成所需的功能。第14页，共74页，2023年，2月20日，星期四编程工作主要指程序执行先后次序的安排，执行有关步骤条件的确定等。因此，用于顺序控制和批量控制中。组态工作主要指已有若干类模块，通过模块的适当连接和配置来完成所需的功能，常用于连续和批量控制。对于实际的控制器，有些算法的编制称为组态，有些则称编程。例如，某控制器具有温度、压力补偿功能块，则在该功能块的相应端子连接流量(压差)、压力和温度的信号，其输出就得到经温度和压力补偿的流量信号，这种连接工作称为组态。有些控制器具有乘法、加法和开方等功能块，通过软连接完成温度和压力补偿工作也称为组态工作。而若是需要编制有关程序，如用Load，store等语句来完成上述工作，则称为编程工作。显然，采用编程的方法完成同样功能要有较强的技能。通常，单回路和多回路控制器制造商为了方便用户，大多采用提供组态的方法完成大部分或绝大部分常用控制功能，仅在顺序控制等场合，才需用户自行编程。第15页，共74页，2023年，2月20日，星期四组态工作通常用填表法。早期的方法采用选用功能算法号码，如01表示PID算法，然后，填入某槽号某端子作为输入等。这种方法类似于助记符和机器码。近年来推出的控制器大多已采用列出可供选择的项，然后，若选中某项作为输入，就按确认键。这种方法比较方便，与菜单式方法类似，它采用分叉树的结构，若某分叉无需更改，可直接转下一分叉，从而节约时间。单回路和多回路控制器的编程工作比可编程逻辑控制器要简单，但十分相似，有专用键表示装载或存入等语句，顺序条件也可根据比较语句的结果或触点、计时与计数器状态来确定。第16页，共74页，2023年，2月20日，星期四二、CRT操作方式

集散控制系统中的CRT操作方式：通过操作站的CRT、触摸屏幕、鼠标或球标、键盘等设备或者语音等输入设备对生产过程进行操作以及系统、控制组态和维护的操作。第17页，共74页，2023年，2月20日，星期四1、CRT操作方式的特点（1）信息量大一个操作站可组态的过程画面是几十幅到几百幅，每幅画面允许动态更新的数据点多达几百个。（2）显示方式多样化一个过程变量既可以在过程画面、仪表面板画面、点画面、CRT屏幕、打印机显示；可显示瞬时值、历史趋势；可以用数字、棒图、颜色变化等方式显示。第18页，共74页，2023年，2月20日，星期四（3）操作方便容易CRT的操作包括画面调用、目标选择、数据更改等过程操作及组态操作和维护操作。采用CRT操作方式时，系统提供了操作方法：画面调用键盘、鼠标、球标和触摸屏等设备完成;数据更改直接键入数字确认或按增减键或增增、减减键来完成或直接用手形图形符号的位置改变来完成;目标选择目标名键人并确认或有关画面上目标的选中开关量的更改按压反转键或按动态键、开关键等来实施;组态方案更改时，无需改变外部的硬接线，可以实施高级控制方案，完成某些计算指标的运算等方面;维护的方便体现在系统的自诊断功能及故障显示等方面。第19页，共74页，2023年，2月20日，星期四（4）报警功能增强对报警信号发生先后次序的分辨功能增强；报警显示功能的增强；报警信号的类型和数量也有明显增加。（5）操作透明度提高操作人员对生产过程的了解更透彻（6）备用方式简单由于采用数据通信，接线简单。第20页，共74页，2023年，2月20日，星期四2、对人机接口的要求在CRT操作方式中的人机接口装置是操作站及其外部设备。对它们的要求主要有环境要求输入特性图形特性第21页，共74页，2023年，2月20日，星期四（1）环境要求人机接口设备对环境条件的要求。尘埃、腐蚀性、电磁场及温度和湿度。有关的还有耐冲击和震动的特性。对供电的要求供电电压等级、类型和容量，供电方式，冗余配置等。对互联设备的通信距离的限制人机接口设备和与它互联设备的配置位置、通信方式、信号输送方式等。（2）输入特性是操作员对数据输入的需要而提出的。涉及输入设备的类型、设备对输入的响应的类型。输入特性的改善使操作员的操作内容和方式发生根本变化。操作员只需要监视、监督和决策。与此相对应的输入设备和响应也发生了很大的变化。早期的键盘输入设备代之以鼠标、球标和触摸屏幕。鼠标和球标有机械式(包括机械和光学机械式)及光电式。触摸屏幕有电阻式、电容式、表面声波式、压电式及红外扫描式。这些输人设备与系统的软件配合，使操作员的操作变得简单和方便。第22页，共74页，2023年，2月20日，星期四（3）图形特性包括与人类工程学有关的图形的色彩、闪烁、显示的分辨率、显示的内存级的编制，以及就地的数据存储和处理能力。例如菜单的数量、过程画面的数量、屏幕的更新速率等。采用图形用户界面(GUI)、图形处理器(GP）和图形缓冲器(GB)，使人机接口的图形特性得到极大的提高。人机接口的性能取决于所选用的硬件设备和软件系统。采用多任务操作系统、关系数据库、高速数据查询语言以及窗口技术，使得操作人员可以很方便地监视和操作生产过程的运行，使得控制工程师可以方便地组态和编程，使维护工程师能及时发现故障并正确处理。第23页，共74页，2023年，2月20日，星期四

3、组态操作集散控制系统的组态操作包括分散过程控制装置和操作站的组态，可引申到现场智能变送器、一体化安装的带控制器的执行机构的组态和上位管理站的组态。组态操作包括系统组态、控制组态、画面组态和操作组态等。第24页，共74页，2023年，2月20日，星期四（1）系统组态根据己有的集散控制系统，确定各设备的可寻址的标志号、各设备之间的连接关系、所包含的软件环境以及相应操作系统。包括硬件和软件操作软件的组态工作包括对有关设备送入相应的操作系统和软件、用软件的方式描述各设备之间的连接关系和安装位置等。第25页，共74页，2023年，2月20日，星期四（2）控制组态确定各分散过程控制装置的输入输出通道特性、建立数据库，确定控制方案和实施手段等。采用内部仪表(功能模块)的软连接来实现。可以用图形或文字的方式表示它们的连接关系，各模块的内部参数可以直接输入或填表输入。第26页，共74页，2023年，2月20日，星期四

（3）画面组态画面组态包括操作站、简易型操作终端、工程师站以及上位管理站的用户画面的组织、画面的生成、数据点的确定、调用画面的手段等。操作站、管理站、工程师站以及简易型操作终端的画面组态。

第27页，共74页，2023年，2月20日，星期四过程画面组态主要由静态画面、动态画面及画面合成等内容组成。静态画面：带控制点的工艺流程图。动态画面：确定动态显示点的位置、显示格式、尺寸大小、颜色变化等。画面合成：上述两类画面的合成、画面的调用方案确定、窗口画面的位置确定等。集散控制系统制造商通常提供图形元素，让组态工程师可以选用并绘制。为了正确反映工艺过程，静态画面的绘制应逼真地复现工艺设备。图形元素库的元素也可由用户自定义。目前，国内用户采用引进的集散控制系统时，常采用自定义的图形元素库完成部分汉字的成形工作。第28页，共74页，2023年，2月20日，星期四画面组态有两种方式：图形编辑字符编辑显示过程变量和操纵变量的变化，需要确定动态点：显示位置颜色显示格式单位刷新方式周期刷新、例外报告方式第29页，共74页，2023年，2月20日，星期四动态键和静态键：动态键（软键）：在不同的画面时有不同的调用效果。设置方法：集散控制系统的键盘或CRT屏幕边的键盘上有若干硬件的按键。采用软件组态的方法，在画面上绘制并定义了若干动态键。第30页，共74页，2023年，2月20日，星期四静态键（固定键）：用于调用画面，所调画面与当前显示的画面无关。设置方法：硬件键盘软件的方法第31页，共74页，2023年，2月20日，星期四静态键与动态键的区别：按下静态键，调出与该键相关的画面，与当前显示画面可以无关。动态键则是根据当前画面，调出与该动态键定义的画面。对不同的画面，按同一个动态键，调出的画面是不同的。而静态键的按动，不论现在显示什么画面。调出的画面是固定的。第32页，共74页，2023年，2月20日，星期四调用画面全部调用和部分调用全部调用画面：新的画面覆盖原画面；部分调用画面：采用窗口技术，在固定的窗口位置显示。动态点的仪表面板画面，趋势画面或者调整画面。第33页，共74页，2023年，2月20日，星期四报警点画面调用：报警点画面调用是指某一变量达到报警限值时，画面自动切入报警点所在的画面。变量：测量值、设定值或输出值数值：绝对值、偏差(测量与设定之差)、或者变化率。报警点的画面调用一般采用自动切换：相关画面、报警的文字信息、报警一览表。第34页，共74页，2023年，2月20日，星期四（4）操作组态操作组态用于对多台操作站的分工、外部打印机的分工及管理等的组织工作。操作台冗余：通常多台CRT并行显示和操作。有些工艺过程，因开、停车时操作较复杂，需有多名操作人员操。第35页，共74页，2023年，2月20日，星期四第二节显示画面一、显示画面的分层结构二、概貌显示画面三、过程显示画面四、仪表面板显示画面五、操作点显示画面六、趋势显示画面七、报警显示画面八、电子表格九、系统显示画面十、显示画面的动态效果第36页，共74页，2023年，2月20日，星期四一、显示画面的分层结构有效地进行管理和操作，操作站的显示画面是分层次的。过程显示的分级和分层结构。区域到单元、到组、到细目进行逐层的细分，从而了解过程的全局、局部直到各细节。第37页，共74页，2023年，2月20日，星期四5-8标准过程显示的分级和分层结构第38页，共74页，2023年，2月20日，星期四（1）区域显示区域显示是最上层的显示，在每幅区域显示画面中包含的过程变量的信息量最多。操作显示级：概貌显示画面趋势显示级：区域趋势显示画面第39页，共74页，2023年，2月20日，星期四第40页，共74页，2023年，2月20日，星期四（2）单元显示用于过程操作过程画面以工艺流程图为蓝本，进行合理分割而成。通常用绿色表示水流体，用蓝色表示空气，用红色表示蒸汽等过程中的设备应按一定比例的位置设置，可以全部或部分充填颜色。第41页，共74页，2023年，2月20日，星期四制粉系统图

第42页，共74页，2023年，2月20日，星期四汽水循环系统图第43页，共74页，2023年，2月20日，星期四（3）组显示在操作显示级、组显示通常以仪表面板图的形式出现。仪表面板图可以一行或二行排列，每行4~5台仪表面板，对于一行排列的可达8~10台仪表面板。仪表面板图以模拟仪表为参照，但通常不画出有关按键和开关，仅直接显示棒图与数字显示。仪表位号，仪表描述，棒图及各棒图的刻度单位，棒图显示相对应的数据、报警状态，扫描时间等。组趋势显示与组显示的仪表面板画面相对应，用于显示被测、被控变量，设定值和输出值等模拟量的变化趋势。第44页，共74页，2023年，2月20日，星期四第45页，共74页，2023年，2月20日，星期四第46页，共74页，2023年，2月20日，星期四（4）细目显示在操作显示级，细目显示通常以点的形式出现。点的含义相当于一台仪表或一个功能模块。操作员可以改变控制方式，手自动切换，调整设定值或手动输出值，也可以进行开关控制的切换，手自动输入或输出的切换等。第47页，共74页，2023年，2月20日，星期四第48页，共74页，2023年，2月20日，星期四二、概貌显示画面概貌显示画面仅用于显示过程中各被测和被控变量的数值，它可以用绝对值，也可以用与设定值的偏差，或者时间变化率表示。（1）工位号一览表方式（2）棒图方式第49页，共74页，2023年，2月20日，星期四5-9工位号一览示例第50页，共74页，2023年，2月20日，星期四概貌显示画面

第51页，共74页，2023年，2月20日，星期四（2）棒图方式棒图方式有两种显示方式：一种方式是对模拟量采用棒图显示其数值，棒图中数量的大小由棒的长度来反映，颜色表示故障；另一种方式是用一个时间轴，模拟量在该时间段内有若干个采样值，如果其值超过设定值，则向上，如不足，则向下，其偏差的大小是向上或向下的棒的长度。第52页，共74页，2023年，2月20日，星期四第53页，共74页，2023年，2月20日，星期四三、过程显示画面过程显示画面是由用户过程决定的显示画面，它的显示方式：固定式、可移动式。画面放大的功能过程显示画面应根据工艺流程经工艺人员和自控人员讨论后决定画面的分割和衔接。第54页，共74页，2023年，2月20日，星期四第55页，共74页，2023年，2月20日，星期四过程显示画面具有下列特性:（1）有利于对工艺过程及其流程的了解;（2）有利于了解控制方案和检测、控制点的设置;（3）有利于了解设备和参数的关联情况;（4）信息量通常比较大;（5）调整参数、观察参数变化后的响应不够直观;（6）容易造成技术上的秘密外泄。第56页，共74页，2023年，2月20日，星期四四、仪表面板显示画面以仪表面板组的形式显示其运行状况。通常采用棒图加数字显示相结合的方式，既具有直观的显示效果，又有读数精度高的优点。第57页，共74页，2023年，2月20日，星期四仪表面板显示画面

第58页，共74页，2023年，2月20日，星期四五、操作点显示画面操作点显示画面是仪表的细目显示画面。用于模拟量的连续控制、顺序控制或者批量控制。操作点显示画面提供改变控制操作的深层次参数的功能，这些参数包括原始组态数据及过程中刷新的动态数据。操作点显示画面常被控制工程师使用，它用于调整参数时可看到当前数据，也可看到变化趋势，且调整参数比较方便。第59页，共74页，2023年，2月20日，星期四六、趋势显示画面实时趋势显示对于每一个采样时刻的采集数据都显示在趋势显示画面的趋势显示历史归档趋势显示若在趋势显示画面上的一个显示点与一段时间内若干个采样数据有关，例如是这段时间内各采样数据的最大值、最小值或者平均值等趋势显示画面有二类：显示画面的采样数据不进行处理进行数据归档处理第60页，共74页，2023年，2月20日，星期四第61页，共74页，2023年，2月20日，星期四时间范围前翻半页后翻半页当前显示在数据库中位置本页时间本页描述时间轴时间轴指示时间显示全部曲线消隐全部曲线趋势曲线显示画面

第62页，共74页，2023年，2月20日，星期四第63页，共74页，2023年，2月20日，星期四七、报警显示画面

报警显示是十分重要的显示。在集散控制系统中，报警显示采用多种方法多种层次实现。报警信号器显示是从模拟仪表的闪光报警器转化而来。它的显示画面和闪光报警器类似，采用多个方框块表示报警点，当某一变量的绝对值、偏差或者变化率达到报警限值时，与该变量相对应的方框就发生报警信号，报警信号包括闪烁、颜色变化及声响信号。当按下确认按键后，闪烁成为常亮、颜色变为红色或黄色(事件发生时)，声响停止，有些系统对声响有专门的消铃按键。在显示画面中各方框内标有变量名、位号、报警类型等信息。报警一览表显示是集散控制系统常采用的报警显示画面，它的最上面一行报警信息是最新发生的报警信息，随着行数增加(或显示页数的增加)，报警信息发生的时间越早。第64页，共74页，2023年，2月20日，星期四每一行表示一个报警信息，对于不同类型的输入或输出信号，以及功能块提供的报警信号(如大于、等于或小于某值)，可以有不同的显示方式和内容。但大致应包括报警变量的工位号、描述、报警类型、当前报警时的数值、报警限的数值、报警发生的时间、报警是否被确认等。为了区别第一故障的报警源，对于报警发生的时间显示通常要求较高，多数集散控制系统可以提供的分辨率为毫秒级。报警的信息包括来自过程本身的信号、经计算后的信号以及经自诊断发现的信号，一旦这些信号达到组态或者系统规定的限值，它就会被显示出来。组态的限值信号可以通过组态改变。例如，被测变量的上、下限报警值。系统规定的限值是不允许改变的。例如，信号在量程范围外，低于-