工業(yè)大屏系統(tǒng)的研究與應用

摘要：文章研究了工業(yè)場景下中央控制室大屏系統(tǒng)的設計與應用。闡述了大屏系統(tǒng)的設計需求、架構原理、視頻輸入源類型、關鍵設備和信息展示方式，分析了其優(yōu)勢，并深入探討了設計要點。所提方案已在實際工程項目中成功應用，顯著提升了信息展示和交互能力，可為后續(xù)工業(yè)大屏系統(tǒng)設計提供參考。

關鍵詞：工業(yè)大屏系統(tǒng)；中央控制室；視頻拼接控制器；交互設計；信息展示

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）02-0097-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

隨著精益生產(chǎn)理念的深入和科技的不斷進步，高效的生產(chǎn)過程監(jiān)控與管理已成為工業(yè)領域的關鍵需求。中央控制室的大屏系統(tǒng)作為重要的信息展示與交互平臺，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著至關重要的作用。它能夠集成展示各類生產(chǎn)信息，幫助操作人員快速掌握生產(chǎn)全貌，提高決策效率，保障生產(chǎn)安全。本文以實際工程案例為基礎，詳細研究了工業(yè)中央控制室大屏系統(tǒng)的需求，分析其架構、組成和功能，為工業(yè)大屏系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供實踐指導。

1 大屏系統(tǒng)概述

在工業(yè)生產(chǎn)中，中央控制室的大屏系統(tǒng)通過接收控制系統(tǒng)和工業(yè)電視等多個系統(tǒng)的信號，實現(xiàn)信息的集中展示，并提供操作人員交互的平臺。大屏系統(tǒng)有助于操作人員及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況，優(yōu)化決策，從而提升生產(chǎn)效率和安全性。例如，當某個生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)參數(shù)異常時，大屏系統(tǒng)能夠立即顯示相關信息，操作人員可以提前調(diào)整操作。大屏系統(tǒng)通過快速呈現(xiàn)生產(chǎn)過程概況，實現(xiàn)信息共享，促進生產(chǎn)協(xié)作。

2 大屏系統(tǒng)要求

工業(yè)控制系統(tǒng)中央控制室的大屏系統(tǒng)應滿足以下要求：

1） 與控制系統(tǒng)二層通信連接，但不能影響控制系統(tǒng)的實時運行性及監(jiān)控操作。

2） 配置一臺畫面主機，顯示工廠當前整體運行狀況及主要工段的過程和設備狀態(tài)。

3） 能夠顯示各工段共40余臺操作員站的工藝過程模擬圖、重要報警、狀態(tài)和關鍵參數(shù)。

4） 基于工業(yè)電視系統(tǒng)，顯示不少于9路的重要現(xiàn)場視頻監(jiān)控。

5） 提供基于運行班組需求的靈活應用。

6） 具備一定的視頻信號擴展能力。

7） 大屏幕之間實現(xiàn)無縫連接，畫面平滑過渡。

3 大屏系統(tǒng)架構圖

大屏系統(tǒng)的架構設計基于信息的集中處理與再分配。各個視頻信號源通過視頻拼接控制器匯聚，再分配至大屏顯示。系統(tǒng)主要包括操作員站、畫面主機、可視化圖形工作站、工業(yè)電視系統(tǒng)接口、視頻拼接控制器和大屏顯示設備等。考慮到中央控制室的靜音需求，各類主機和拼接控制器通常布置在機柜間的機柜內(nèi)，中央控制室僅放置顯示器、鍵鼠及大屏幕等人機接口設備。具體架構如圖1所示。

4 視頻輸入源分析

4.1 操作員站

操作員站是工業(yè)控制系統(tǒng)與操作人員交互的界面，用于監(jiān)視和操作生產(chǎn)過程，也可用于組態(tài)配置[1]。操作員站可為視頻拼接控制器提供實時的工藝畫面。

4.2 畫面主機

畫面主機專用于大屏顯示，提供全廠總貌畫面、綜合畫面和工藝監(jiān)視畫面，但不具備控制功能。

4.3 工業(yè)電視系統(tǒng)

工業(yè)電視系統(tǒng)提供關鍵區(qū)域的視頻信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程、關鍵設備及人員活動的實時監(jiān)控，為操作人員提供直觀的視覺反饋。視頻信號通過解碼器傳輸至視頻拼接控制器。

4.4 可視化圖形工作站

可視化圖形工作站采用實時渲染技術，展示關鍵設備的三維動態(tài)模型和定制化信息。工作站配合可視化服務器，通過標準工業(yè)通信協(xié)議（如OPC） ，從控制系統(tǒng)中獲取實時數(shù)據(jù)，為視頻拼接控制器提供視頻源。

5 大屏系統(tǒng)組成

大屏系統(tǒng)由視頻源發(fā)出設備、傳輸線纜、視頻拼接控制器、大屏維護管理站及大屏顯示設備組成。

5.1 視頻源發(fā)出設備

視頻源發(fā)出設備主要包括操作員站、畫面主機和可視化圖形工作站。這些設備通常采用多屏顯卡技術，實現(xiàn)多視頻源的輸出。例如，操作員站配置了四口顯卡，其中三個端口通過KVM延長器連接至中央控制室的顯示器和鍵鼠，用于工藝監(jiān)控；另一個端口配置為克隆模式[2]，可將任意工藝畫面復制輸出至大屏，實現(xiàn)信息的共享與交互。

5.2 視頻拼接控制器

視頻拼接控制器是大屏系統(tǒng)的核心設備，負責接收多路視頻信號，經(jīng)過處理后輸出至顯示設備。設計時需確保其尺寸符合標準機柜尺寸，并盡量統(tǒng)一各設備間的接口，減少轉(zhuǎn)換設備，提高通信可靠性。本方案優(yōu)先選用支持4K分辨率的HDMI 1.4輸入端口和光纖輸出端口，并預留20%以上的接口擴展能力。

5.3 大屏維護管理站

大屏維護管理站通過網(wǎng)絡與視頻拼接控制器連接，利用其強大的視頻處理能力，對輸入信號進行拼接、開窗、漫游等操作。維護管理站還可以對大屏系統(tǒng)進行配置，如亮度、色彩調(diào)節(jié)，診斷和場景輪巡設置，滿足用戶的多樣化需求。

5.4 大屏顯示設備

大屏顯示設備采用小間距LED屏，具有無縫拼接、高亮度、高對比度和高分辨率等優(yōu)點[3]，適合工業(yè)現(xiàn)場關鍵參數(shù)的顯示。根據(jù)人機工程學要求，大屏幕布置在中央控制室前方，確保操作員視覺舒適。大屏幕布局示意如圖2所示。

5.5 視頻傳輸線纜

視頻傳輸線纜對系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要。工業(yè)環(huán)境中電磁干擾較強，采用HDMI光纖線和光纜傳輸視頻信號，具有傳輸距離長、抗干擾能力強的特點[4]，確保信號穩(wěn)定傳輸。

5.6 KVM 延長器

KVM延長器用于連接主機與遠程的顯示器和鍵鼠，分為發(fā)送端和接收端，通過光纜連接。在工業(yè)控制場景中，為保證操作員站的高可用性，建議采用獨立的KVM延長器，避免使用基于IP的KVM系統(tǒng)[5]，減少網(wǎng)絡故障對操作員站的影響。

6 大屏系統(tǒng)展示的信息

大屏系統(tǒng)主要展示以下信息：

1） 工藝監(jiān)控畫面：來自操作員站，可將關鍵畫面、趨勢、報警等信息投放至大屏。

2） 總貌與綜合畫面：來自畫面主機，全面展示整體運行狀態(tài)和關鍵綜合信息。

3） 視頻監(jiān)控畫面：來自工業(yè)電視系統(tǒng)，提供工業(yè)現(xiàn)場的實時視頻。

4） 三維可視化展示：來自可視化圖形工作站，呈現(xiàn)關鍵設備的三維模型和定制化信息。

5） 臨時宣傳內(nèi)容：來自大屏維護管理站，可播放宣傳視頻、標語等。

通過合理分區(qū)，大屏系統(tǒng)可在同一屏幕上清晰呈現(xiàn)不同類型的畫面，互不干擾，并支持快速切換和投放，提高信息傳達的效率。

7 優(yōu)勢分析

本方案基于工業(yè)現(xiàn)場的實際需求，具有以下優(yōu)勢：

1） 降低噪音：所有主機均放置于機柜間，減少中央控制室的噪音干擾。

2） 無縫拼接顯示：采用小間距LED屏，拼縫小于0.1mm，顯示效果優(yōu)異，維護成本低[6]。

3） 高可靠性：統(tǒng)一設計通信線纜和接口，采用HDMI光纖線和光纜傳輸視頻信號，提升了長距離傳輸和抗干擾能力，確保信號穩(wěn)定。

4） 增強交互性：每個操作員站均可投屏，提升了操作人員與大屏系統(tǒng)的交互效率。

5） 豐富的可視化內(nèi)容：可視化圖形工作站提供了多維度的人機瀏覽方式，增強了信息展示效果。

8 結論與展望

本文基于工業(yè)場景和實際需求，設計了一套高效的中央控制室大屏系統(tǒng)，提升了操作員站的投屏能力和系統(tǒng)的交互性，通信接口的統(tǒng)一設計提高了系統(tǒng)可靠性。該方案已成功應用于實際工程項目中。未來，工業(yè)中央控制室大屏系統(tǒng)將進一步與分散控制系統(tǒng)深度融合，采用新興的顯示技術、大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術，實現(xiàn)更高效的信息投放和互動機制，提供更豐富的多維度信息展示，助力工業(yè)生產(chǎn)的高效、安全和智能化發(fā)展。

參考文獻：

[1] HG/T 20573-2012 分散型控制系統(tǒng)工程設計規(guī)范

[2] 畢嗣民，程江濤，謝振華，等.多屏顯示的研究與應用[J].儀器儀表用戶，2011，18（6）：69-72.

[3] 張仁明. 大屏顯示系統(tǒng)主流方案分析[J]. 廣播電視網(wǎng)絡，2023，30（4）：93-95.

[4] 陶曉臻，張云霄，于海波.幾種H DMI傳輸方式的分析比較[J].電子世界，2020（16）：47-48.

[5] 劉世飛，蔣小兵，李凌寒.KVM技術演進及其在電力調(diào)度系統(tǒng)中的應用[J].河南電力，2021（S1）：60-64.

[6] 鐘鐵軍，李江山.小間距LED屏幕在廣電監(jiān)管業(yè)務中的應用設計[J].智能建筑電氣技術，2024，18（5）：110-113.

【通聯(lián)編輯：梁書】