2.5 控制系统的监控画面设计
2.5.1 主要显示内容
集散控制系统通常都提供了大量的画面显示信息，这些信息可以以图形的形式，也可以以一览表的形式显示。对于每种类型的显示，可以从区域到单元、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。分层的结构使得画面系统化，在过程操作时，使操作员能从对全局的了解，向局部深化，在故障处理时有利于操作员从局部的故障处理，转向全局的处理。控制系统的显示画面大致可分为四层。
（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。在操作显示级，它以概貌显示画面出现，在趋势显示级，以区域趋势显示画面出现，其他级的情况可类推。例如，在区域趋势显示画面中，它所包含的变量数目可能与单元趋势显示画面中的相同，但由于它所包含的时间长，通常是由单元趋势显示画面经压缩数据得到。因此，虽然所含的变量数相同，也都在画面上具有相同的点数来显示趋势，但因为它的一个点可能是由单元趋势中相应变量的几个、几十个点经求最大、最小、平均或求初始变量而得到，所以，从时间的量来说，它含有的信息量还是比单元趋势显示画面的信息量要大。
画面的一览表、报警一览表等显示画面用于显示全局的画面名称、描述以及报警的点类型、报警的性质，报警时的数值等报警属性，它们也具有较大的信息量，因此，也属于区域显示的层次。
（2）单元显示。单元显示常被用于过程操作。对于操作显示来说，它以过程画面出现。过程画面以工艺流程图为蓝本，进行合理分割而成。管道颜色应尽可能与实际管道所涂颜色或者与管道内流体特征颜色相一致。例如，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。单元显示的信息量相对区域显示来说，要小一些，通过单元显示画面，在操作显示级，操作员可以了解过程检测点和控制回路的组成，监视过程运行情况并实施过程操作。
（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。在仪表面板图上，一般有仪表位号，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（用不同颜色的棒图并以与棒图同样颜色显示相对应的数据），报警状态，扫描时间等。由于它具有手（自）动状态显示、与模拟仪表有类似的面板，在习惯于模拟仪表操作的操作人员中，有较大的使用概率。
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。与单元趋势显示比较，组趋势显示的信息量少，这主要指一幅画面中，虽然可有8～10个组趋势显示画面，但每个组趋势显示画面最多只能3～4个变量，例如被控变量，本地和远程设定及输出值。而单元趋势显示通常有4～8个变量。另一个含义是对每个变量本身所记录的时间间隔可以相同，但单元趋势显示的总时间（或总的点数）要远远超过组趋势显示的总时间。有些系统也可以在组趋势显示画面中显示历史趋势，但其总的点数总是小于单元趋势显示时所提供的总点数。
（4）细目显示。在操作显示级，细目显示通常以点的形式出现。点可以是输入点，也可以是输出点，点也可以是功能模块，例如PID功能模块、累加器模块等。点的含义相当于一台仪表或一个功能模块。因此，在操作显示级，细目显示将包括该仪表的仪表面板、趋势画面，还包括该仪表的调整参数和非调整参数，以及用于调整的各种状态、标志的显示。总之，它包含了有关该仪表的所有信息。通过该画面，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组态工程师可以对有关参数进行调整，对非调整参数进行检查，并了解有关的状态和标志状态。在细目显示中的趋势图画面可以与组趋势显示画面中该点的趋势画面相同，但也可以不同，视组态时的设置情况决定。细目中的仪表面板图通常与组显示的仪表面板图中相应点的仪表面板画面相同。
2.5.2 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。不同的控制系统，可以有不同的方式显示过程的概貌。也有些控制系统没有设置概貌显示，但用户可以通过动态面面直接完成。
概貌显示画面的显示方式有多种，不同的控制系统提供的显示方式也不相同。最简单的显示方式就是根据动态点画面制成的。根据字符大小、CRT的分辨率、显示信息的大小和多少，可以确定一幅概貌显示画面能提供的信息量或操作点的数量。通常，由控制系统制造商提供标准显示画面格式的有下列几种。
（1）工位号一览表方式。这种显示方式按仪表的工位号列出，整幅显示画面分为若干组，每组由若干工位号组成。正常值的工位号通常用绿色显示其工位号。当在正常值范围外时，工位号发生颜色的变化，如变成黄色或红色，并显示其超限的报警点类型，如低限，负偏差等。这种方式仅定性地显示过程变量。
有些控制系统采用类似工位号一览表形式来实现概貌显示。其方法是把过程分为若干单元，在概貌显示画面上显示各个单元的名称，采用类似于动态键的组态方法对各个单元框组态，则整个过程即可由调用相关单元框的单元过程画面来获得。
（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，以满量程为100％，棒的颜色在正常数值时显示绿色。当超过报警限值（低于低报警限或高于高报警限）时，棒的颜色改变，常为红色。为了使概貌显示画面包含较多的信息，棒图显示方式仅提供仪表的工位号及棒的相对长度。对于开关量一般用充满方块框表示开启泵、电机或者闭合电路等逻辑量为1的信号，用空方块框表示停止泵、电机或者电路断开等逻辑量为0的信号。对开关量除了提供方块框外，也显示相应仪表的工位号。棒图显示的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。设定值即为时间轴。概貌显示也可采用仪表工位号及数值显示的方法，其他显示方式有雷达图、直方图等。
2.5.3 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，它的显示方式有两种：一种是固定式；另一种是可移动式。固定式的画面固定，通常，一个工艺过程被分解为若干个固定式画面，各画面之间可以有重叠部分。对于工艺过程大而复杂的，采用分解成若干画面的过程单元，有利于操作。可移动式的画面是一个大画面，在屏幕上仅显示其中一部分，通常为四分之一。通过光标的移动，画面可以上、下、左、右移动，有利于对工艺全过程的了解，在工艺过程不太复杂且设备较少时可方便操作。由于大画面受画幅内存的限制，不可能无限扩大，因此，采用可移动式的显示方式在流程长，设备数量较多时也还需进行适当的分割。有些控制系统提供了画面放大的功能，允许用户对局部流程画面放大，这在过程显示画面屏幕较小，过程变量较多且密集显示时，以及操作员培训时特别有用。
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确定画面的分割和衔接。过程显示画面中动态点的位置、扫描周期应有利于工艺操作并与过程变化要求相适应。过程显示画面应根据制造厂商提供的过程显示图形符号绘制，管线颜色、设备颜色、颜色是否充满设备框、屏幕背景色等应与工艺人员共同讨论确定。明亮的暖色宜少选用，它容易引起操作员疲劳并造成事故发生。
据报道，冷色调具有镇静作用，有利于思想集中。因此，在绘制过程显示画面的时候，一定要正确选择。颜色应在整个系统中统一，如白色为数据显示等。画面的扫描频率，根据研究，最宜人的频率是66次/s。过程动态点的扫描周期应根据过程点的特性确定。
过程显示画面与半模拟盘相似，它既有设备图又有被测和被控变量的数据。通过下拉菜单、窗口技术、固定和动态键可以方便地更换显示画面或者开设窗口显示等。工艺过程的操作可以在该类画面完成。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。
2.5.4 仪表面板显示画面
仪表面板显示画面以仪表面板组的形式显示其运行状况。仪表面板格式通常由集散控制系统制造商提供。有些系统允许用户自定义格式。对不同类型的仪表（或功能模块）有不同的显示格式。仪表面板显示画面的显示格式通常采用棒图加数字显示相结合的方式，既具有直观地显示效果，又有读数精度高的优点，因此，深受操作人员的喜欢。仪表面板的边框，有些集散系统有，而有一些则没有。每幅画面可设置8～10个仪表面板显示，有一行或两行显示两种设置。每个仪表面板显示画面都包括仪表位号、仪表类型、量程范围、工程单位、所用的系统描述、各种开关、作用方式的状态等。所包含的显示棒数量与该仪表类型有关，棒的颜色与被测或被显示的量有关，在同一系统是统一的。数据的显示颜色也与相应的显示棒颜色一致。通常包含有一些标志，如就地或远程，手动或自动，串级或主控，报警或事件等。
据报道，控制系统的操作人员喜欢用仪表面板显示画面进行操作，而不喜欢采用具有全局监视功能的概貌显示画面。究其原因，主要是仪表面板显示画面与以前的模拟仪表面板的操作方式比较接近，它的设置又比过程显示画面整齐，而操作员对工艺过程较清楚，采用过程显示画面反而感到不及仪表面板显示画面方便。而概貌显示画面虽有大的信息量，但系统的操作还不能在该画面进行，所以，概貌显示画面用于过程操作也感不便。
近期推出的控制系统，如I/AS系统在仪表面板显示画面中允许组态组趋势显示画面，则操作时比采用操作点显示画面还要方便，由于它具有仪表面板的瞬时显示又具有组趋势显示的记录显示，因此，它为过程分析和操作带来方便。
2.5.5 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。对操作人员来讲，由于操作点显示画面供给他们操作的信息较少，因此，不常采用。
操作点显示画面除了包括各种组态和调整参数外，通常包含仪表的棒图以及趋势图。为了防止操作人员进入修改某些不允许他们调整的操作环境，通常对参数部分有安全保护措施。它可以是硬件密钥，也可以是软件密钥，如口令等。
通常操作点显示画面是最底层的画面，因此，一般不再提供可调用其他画面的功能。但提供返回到该画面的前一画面（原来显示的画面，因调用操作点显示画面而成为前一画面）的功能。
实际应用中，操作点显示画面仅在调整参数时使用。一般情况下，组态时的一些参数，如比例度、积分时间、微分时间、微分增益、滤波器时间常数等在组态时不做改动，采用系统的默认值。而在系统投运时才根据对象特性做调整，这样做，可以节约组态时间，及早投运。而投运和稳定操作后，操作点显示画面的使用率也明显下降。
2.5.6 趋势显示画面
趋势显示画面有二类：一类趋势显示画面的采样数据不进行处理；另一类则进行数据归档处理，例如取最大或最小等。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，常称为实时趋势显示。若在趋势显示画面上显示的一个数据点与一段时间内若干个采样数据有关，例如这段时间内各采样数据的最大值、最小值或者平均值等，则称为历史归档趋势显示。这段时间间隔称为归档时间或者浓缩时间，它必须是相应的变量采样时间的整数倍。实时趋势显示相当于模拟仪表的记录仪，但走纸速度较快，而历史归档趋势显示则相当于走纸速度慢几倍至几十倍的记录仪，其区别在于实时趋势显示的数据点是在离散的采样时间采集到的变量值，而记录仪是连续的变量数值的记录。历史归档趋势显示的数据点除了数据离散外，还进行了一些数据的处理。实时趋势显示转变为历史归档趋势显示的过程称为浓缩或归档过程。也可以对历史归档趋势显示进行再浓缩成为具有更多历史归档数据的趋势显示。
除了在时间分割上，趋势显示画面进行分层显示外，在变量数量上，趋势显示画面也进行了分层。最底层的显示是一个变量或一个内部仪表中变量的趋势显示画面，其上层是多个变量的趋势显示画面。变量数目的增加有利于了解变量之间的相互关系，通常，变量数可多达8～10个。此外，从画面的大小来分，最小的趋势显示画面约为整个屏幕画面的1/8～1/10。其画面大小也可为1/4～1/2。最大的画面是通过画面放大得到的，其大小可为整个屏幕画面的4倍。
为了存储数据，通常在控制系统中有专门的历史数据管理软件以及大容量的外存储器。常用硬磁盘作为大容量外存储器，近来也有采用光盘作为外存储器的。为了保存数据，常采用定期把大容量存储器的存储内容转存到U盘、移动硬盘的方法。历史数据的存取、管理和转存工作由历史数据管理软件完成。
对于实时趋势的数据，需根据画面上可显示的数据点数开设内存单元，例如对于整数、长整型数、实数、时间型数等按数据的类型开设不同数量的内存单元（对一个数据），然后通过当前数据指针的移动，逐个送入当前采样值，并冲掉原内存单元的数据，通过循环移动指针以及数据调用等管理软件和相应的数据显示（图形显示）软件来显示实时趋势。对于历史归档数据，需要对一个归档时间内的若干采样数据进行归档处理，并把处理后的数据存放在与归档时间的起始或终止时间相对应的内存单元。采用上述的相似方法即可显示历史归档数据或相应曲线。
由于显示屏幕的分辨率是有限的，在一幅趋势显示画面上可显示的点数也就有限。为了以同样的采样时间或者归档时间显示出来在显示画面上的趋势变化，有些控制系统提供了可以把时间轴移动的功能。时间轴的移动有无级移动和有级移动两种。无级移动指时间轴的移动量可为原显示画面中两个相邻显示点间时间（可为采样时间或归档时间）的整倍数。有级移动则按系统提供的时间轴移动量进行时间轴的移动，通常是半幅画面的移动。由于存储的容量有限，因此，可移动的量也是有限的。可移动的量可以固定也可以组态输入，对不同的集散控制系统有不同的方式，如系统本身已提供固定的显示点数，则无需输入，且软件也可相对简单。
趋势显示画面中不同的变量常用不同的颜色显示，并有相应的显示范围刻度和时间轴。与时间轴移动来改变显示窗口相类似，对每一个变量的显示范围也允许用户改变，以便了解变量变化的细节，提高显示精度。有些集散控制系统没有此功能，它的显示范围与该变量的量程范围一致。
趋势显示画面除了显示变量的变化趋势，还允许操作人员了解画面上某一时刻的变量数值。有些集散控制系统提供这种定位功能，它是通过光标定位在某一时刻，从而显示相应的变量值的。当光标定位在曲线的末端，显示的数值就是当前时刻的采样值或经归档处理的数值。采用这种定位功能可以方便地了解变化曲线的最大、最小或其他数值，从而有利于对过程的分析和研究。
批量控制时，需要把该批处理的整个过程记录下来。通常，可采用历史归档处理的办法，用历史归档趋势显示进行记录，然后，定期地把存在外存储器的历史归档数据转存到软磁盘保存起来。也有些集散控制系统采用专用的批量趋势显示画面。
趋势显示画面的组态需单独完成。它需要外存储器和相应的历史模件管理软件支持。主要包括分散过程控制装置的网络和节点（站）的地址（即定位），需记录的变量位号、描述（指在显示画面上的文字描述），采样时间或归档时间，总点数、变量显示的范围和工程单位，显示数据的小数点位数等。对历史归档趋势显示还需送入原始趋势显示的变量位号或标志号等信息。
多个变量同时在一幅画面上显示趋势曲线时，会出现趋势曲线的重叠，为此，除了采用显示范围的更改外，也可采用选择某一变量趋势曲线的消隐处理方法。通过该变量趋势曲线的消隐，使被重叠的变量趋势曲线显示出来。消隐处理可以采用动态键通过组态定义需消隐的变量号。
2.5.7 报警显示画面
报警显示是十分重要的显示。在过程控制系统中，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。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进程本身的信号、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-3.69％或高于103.69％则认为信号出错。
除了区域的报警显示外，过程控制系统也提供单元级的报警显示，它与操作分工有关，由于大量的报警信息对于某一局部过程的操作人员来说是不必要的，而且区分它们也需时间，因此，出现了单元报警显示。它可以是报警信号器的形式，但大多数采用一览表的形式显示出来。在这些显示中，筛选出与该操作人员所管理的过程有关的报警信息，并显示出来，这对于加快事故处理无疑是有利的。
报警显示的另一种形式是在含有该报警变量的显示画面进行报警显示。这种显示画面可以是过程画面、仪表面板画面、操作点显示画面和趋势显示画面。报警的显示方式采用闪烁、改变颜色、声响等。
为了在当前显示的画面下了解报警发生的情况，除了通过手动调用报警显示画面外，过程控制系统多数提供了两种报警显示方式。最常用的方式是在各显示画面上方提供一行报警显示行。其显示内容与报警一览表显示内容一致，而发生的时间是最近的报警时间。另一种方式是系统自动切入有该变量的画面（由组态决定，通常为过程显示画面），或者在报警键板上显示报警灯亮，用手动按下该键（有报警灯亮的键）来切入相应画面。
报警的处理操作有确认和消声操作，大多数过程控制系统采用不同的按键完成这些操作，小型系统也有合为一个按键的。当报警信号较多时，采用逐行确认报警将浪费时间，因此，有些控制系统还设置了整个页面的报警确认键。消声操作用于消除声响，不管是一个变量报警，还是多个变量报警，对选中的报警变量，按下消声按键即可消除声响。
确认操作是先用光标选中正在报警的变量（闪烁显示），按下确认键，则闪烁显示成为平光显示。应该指出，闪烁的部分通常是标志报警类型的符号或星号等，而报警变量的工位号、描述等部分在报警时显示颜色发生变化，通常是红色。确认操作并未消除报警发生的条件，它仅表示操作人员已经知道了该报警。只有当报警发生条件不满足时，变量的显示颜色才会改变成正常颜色，如绿色、白色等。而在报警一览表内，则会出现回复到正常时的一些信息，包括工位号和报警消除发生的时间等，而且显示色也会成为正常色，通过报警发生和报警消除的时间比较，可以了解报警的持续时间。
为了减少报警工况的发生，通常在报警尚未发生前，提供警告信号。此外，为了防止误操作，对通过CRT的各种操作作为事件记录，以便了解操作情况，因此，一些控制系统提供了事件一览表。一览表包括警告的信息和操作信息。
一个变量的报警信号通常通过与该变量有关的一些标志位的变化来反映。这些标志位包括报警与未报警，确认与未确认和报警类型等。通过这些标志位去触发相应的显示单元中的有关位，使之闪烁、变色等。
报警和事件一览表通常提供多幅页面的显示。当提供的页面显示全部被使用后，新的报警和事件将冲掉最早的记录。因此，定期打印报警和事件一览表可以防止这类事情发生所造成的失去记录的影响。
2.5.8 电子表格
电子表格是一个可以执行行和列的运算处理，允许操作人员、工程师和管理人员送入数据或利用生产过程数据组成的图形显示表格。它可以用来进行生产管理例如进行物料平衡计算、能量平衡计算、成本核算等。可以提供用户所需的图形数据显示例如用棒图、直方图、百分圆图等。
电子表格具有常用的电子表格的各种功能，它包括对表格单元内容的编辑、增删、复制和传送，它允许对电子表格内公式的锁定和存储，能够方便地更改标志和数据，进行重新计算，它还允许用户输入数据组成电子表格单元的内容。通过有关命令，电子表格能够被打印出来。
电子表格接受各种算术的、逻辑的运算，它也能完成一些商用函数的运算，例如净现值和贷付函数等。它能同时允许多个窗口来显示不同的电子表格，并有灵活的报表格式，包括页号、题号、脚注、行距等。几个电子表格可以同步处理，一个电子表格的输出可以是另一个电子表格的输入，因此，当一个电子表格的数据改变时，它会自动改变另一个电子表格中的该数据。
电子表格通过用户组态完成格式和内容的设置、内容行可以是公式、数据或者另一电子表格的输出或表格单元的地址。通常通过菜单的方式，可以方便地完成组态工作。
电子表格常与历史数据库同时工作，电子表格接受历史数据库的数据，通过统计计算把结果显示出来，也可再送回历史数据库存储。电子表格显示的图形对于分析生产过程，例如能量、物料利用率、成本和单耗等性能都有很重要的意义。
2.5.9 系统显示画面
系统显示画面包括系统连接显示画面和系统维护显示画面。系统连接显示画面指所使用的控制系统是怎样组成的。一种方法是采用连接图的形式，它表明系统中各硬件设备之间的连接关系；另一种方法是采用树状结构的形式，它表明某设备有哪些外围设备与它相连接。例如，分散过程控制装置有几块模拟输入卡件、几块模拟输出卡件等。系统维护显示画面常与系统连接显示画面合并，例如，采用树状结构的系统连接显示面面，常在相应设备旁显示该设备的运行状态。采用连接图形式的系统连接显示画面上，常采用表示该设备的颜色变化来反映该设备的运行状态。常用的颜色变化是不正常状态为红色。也有些系统采用颜色的充满表示不正常状态。
系统维护显示画面和报警一览表相类似，它采用一览表形式显示系统中设备的不正常状态。与报警显示一览表的区别是系统维护一览表没有确认的功能，它常有系统故障的发生和恢复时间及系统故障的一些信息显示。从中，可以计算有关设备的MTTR及MTBF等数据。
在一些控制系统中，系统的连接显示画面还提供了所含软件的有关特性和硬件的有关特性。有些硬件的特性可以通过软件来组态改变。如连接的接口数、接口地址等。但大多数系统则由硬件实施，如通过开关、跨接片等来完成地址分配。