图形化地显示过程控制系统信息的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开一般涉及过程控制系统，并且更具体地，涉及用于图形化地显示过程控制 系统信息的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 过程控制系统（如同在化学、石油或其它过程中所使用的那些）通常包括一个或 多个过程控制器，其与一个或多个现场设备经由模拟、数字或组合的模拟/数字总线通信 地耦合。现场设备例如可以是阀、阀定位器、开关和发射器（例如，温度、压力和流速传感 器），其在诸如打开或关闭阀以及测量过程控制参数的过程中执行过程控制功能。过程控制 器接收表示现场设备做出的过程测量的信号，然后处理该信息以生成控制信号来完成控制 例程，从而做出其它过程控制决策，并发起过程控制系统警报。
[0003] 来自现场设备和/或控制器的信息通常通过数据高速路或通信网络可用于一个 或多个其它硬件设备，例如操作员工作站、个人计算机、数据中心、报告生成器、中央数据库 等。这种设备通常位于控制室内和/或相对于更严苛的工厂环境位于远程的其它位置。这 些硬件设备例如运行如下的应用：其使得操作员能够执行相对于过程控制系统的过程的多 种功能中的任一种，所述功能例如查看过程的当前状态，改变操作状态，改变过程控制例程 的设置，修改过程控制器和/或现场设备的操作，查看由现场设备和/或过程控制器生成的 警报，为了训练人员和/或评价过程而模拟过程的操作，等等。
[0004] 这些硬件设备通常包括一个或多个操作员界面显示器，用于显示关于控制系统、 控制系统中的设备的操作状态、条件和/或特性的有关信息，和/或与控制系统内的设备相 关联的过程参数。示例显示器包括：管线和仪表图（P&ID)，其表示过程控制系统中的设备 和其它组件；警报显示器，其接收和/或显示由控制器或过程控制系统内的设备生成的警 报；控制显示器，其表示控制器和过程控制系统中的其它设备的操作状态；诊断显示器，其 提供关于与过程控制系统中的组件相关联的关键参数的当前状态和/或历史值的详细信 白 AjVAjV ·> 匕、，O
【发明内容】
[0005] 公开了图形化地显示过程控制系统信息的系统和方法。一些示例性方法包括监控 过程控制系统中的过程变量，确定过程变量中第一过程变量的当前状态，并确定与所述第 一过程变量相关联的趋势。一些这种例子还包括生成表示与第一过程变量相关联的信息的 第一图形，所述信息包括第一过程变量的当前状态和第一过程变量的趋势。一些这种示例 性方法还包括经由显示器来呈现第一图形。
[0006] -些示例性指令当被执行时，使得机器至少监控过程控制系统中的过程变量，生 成表示与过程变量相关联的信息的图标，所述信息包括过程变量的当前状态和过程变量的 趋势，并经由显示器来呈现图标。
[0007] -些示例性装置包括处理器，其监控过程控制系统中的过程变量，并生成图标以 图形化地表示过程变量的当前状态和过程变量的计划状态。一些这种示例性装置还包括显 示器，用于经由操作员界面来呈现图标。
【附图说明】
[0008] 图1是示例性过程控制系统的示意性图示。
[0009] 图2示出了实现图1的示例性操作员站的示例性方式。
[0010] 图3示出了可用于实现图2的操作员站的操作员应用的示例性操作员界面。
[0011] 图4-17示出了示例性图标，用于表示与对应于图1的示例性过程控制系统中的组 件的过程变量相关联的条件、特性、趋势和/或其它信息。
[0012] 图18示出了图2的示例性操作员站所显示的示例性过程变量摘要窗格，其包括对 应于与图1的示例性过程控制系统的组件相关联的三个过程变量的示例性基本图形。
[0013] 图19示出了图18的示例性过程变量摘要窗格，其包括示例性中间级别图形以表 示比图18的示例性图形多的信息。
[0014] 图20示出了图18的示例性过程变量摘要窗格，其包括示例性详细图形以表示比 图19的示例性图形多的信息。
[0015] 图21以折叠（collapse)的形式示出了图18-20的示例性过程变量摘要窗格。
[0016] 图22-25示出了另一示例性过程变量摘要窗格，其包括类似于图18-21的示例性 过程变量摘要窗格的其它示例性的基本、中间级别以及详细的图形。
[0017] 图26示出了由图2的示例性操作员站所显示的示例性导航窗格，其包括与图1的 示例性过程控制系统的组件相关联的示例性导航按钮。
[0018] 图27示出了另一示例性导航窗格，其包括图26的示例性导航按钮。
[0019] 图28示出了另一示例性导航窗格，其包括图26和/或27的示例性导航按钮。
[0020] 图29示出了图28的示例性导航窗格的另一视图。
[0021] 图30示出了图3的示例性操作员界面。
[0022] 图31A-31B示出了在导航到图30中所显示的示例性过程单元的加热器模块之后 图3和/或30的示例性操作员界面的更详细的视图。
[0023] 图32示出了在将过程变量摘要窗格的基本图形扩展到中间级别图形之后图31B 的示例性侧边栏。
[0024] 图33示出了图2的示例性操作员站所显示的示例性事件历史表。
[0025] 图34A-34B是表示用于实现图1和/或2的示例性操作员站104的示例性机器可 读指令的流程图。
[0026] 图35是示例性处理器平台的示意性图示，所述处理器平台可用于和/或被编程为 执行图34A-34B的示例性过程和/或更一般地，实现图1和/或2的示例性操作站。
【具体实施方式】
[0027] 在过程工业中的许多工厂表示数以亿计美元的资本投资。在工厂中达到投资的预 期回报严重取决于一致地达到作为工厂设计的基础的生产目标。在工厂中最终负责每时每 刻的操作的人员是工厂操作员。操作员确保在所有处理条件下一个或多个处理区域中的正 确的工厂操作。操作员负责改变区域生产率以达到计划的生产目标。为了满足计划的目标， 操作员监视过程操作并进行调整以维持正确的操作条件和预定的生产水平。为了成功地执 行操作员的功能，操作员必须彻底理解过程及其物理布局。为了达到这个理解水平，工厂操 作员通常对于他们监督的过程具有多年的经验。
[0028] 操作员的操作范围随着过程复杂性、每个过程区域内的设备件数以及过程控制系 统所提供的自动化程度而变化。操作员通常经由包括一个或多个监视器或显示器设备以 呈现图形界面的操作员站或工作站通过控制系统软件应用与过程接合。典型地，控制系统 软件被设计为高度可定制和可配置的（以制定的过程以及过程如何被图形化地表示的形 式），因为大部分工厂具有不同的过程、过程配置、工厂组织以及需求集合。事实上，控制系 统供应厂经常在市场上售卖他们的软件作为高度可定制和/或可配置的，因为这些特征对 于跨不同领域的潜在顾客的广大市场是有吸引力的，而供应商不必向每个领域特质提供软 件和/或设计的说明解释。另外，由于图形界面可以被按偏好裁剪，并且能将对应于特定过 程操作的功能放置在焦点中心，所以可定制和可配置的控制系统对于操作员和其他工厂人 员（本文统称为操作员）是有吸引力的。
[0029] 然而，对于工厂操作而言完全可配置的用户界面会存在微小但可能重要的缺点。 首先，用户可配置界面以用户知道什么对于他们是好的，或者用技术的说法，操作员拥有元 表征能力（metarepresentational competence)这一概念为前提。然而，最近的研究已经 表明这并不一定就是真的。例如，研究已显示人们对于他们解析和使用当任务无关现实性 实际上减缓任务性能时更"逼真"的复杂视觉显示的能力展示了错误的信念。另外，这种对 现实性的偏好不仅局限于空间现实性（例如，具有3D视角的"逼真的"图形显示器），而且 还起因于时间现实性（例如，即时重放和实时更新显示）。此外，其它研究表明具有低空间 能力的个人可能尤其倾向于这些错误的想法。
[0030] 用户可配置界面所呈现的第二个挑战是用户经常低估其他人解释他们的特质的 用户界面配置和编码方案的难度。在过程控制设置中，工厂操作通常涉及若干在多个显示 器处以及多个显示器之间一起工作的操作员。在这种设置中，一些研究显示操作员可能低 估当他们叫其他人来协助时对于其他人从他们的个人用户界面配置提取信息有多难，以及 他们自己提取信息有多难。此外，寻求其他操作员协助的情形可能出现在面对关键问题时， 此时快速准确理解工厂状态信息是最重要的。
[0031] 用户可配置界面所呈现的涉及关于误解的期望现实性的上述第一点的第三个困 难在于现实的显示器提供的表面细节符合对过程的新手水平的理解，但是没能支持过程的 专家水平的功能理解。例如，在"现实的"管线和仪表图（P&ID)显示器（例如，模仿工厂工 程图的显示器）中的实时更新（时间上现实的）不支持任务相关时间趋势的提取。而是，这 种显示器强制操作员依靠跨时间的显示器数据的精神整合或依靠跨分别提供的表、图和/ 或趋势窗口的显示器数据空间整合。也就是，当操作员受限于过程变量的当前状态（例如， 实时更新的任意对应警报的当前值和指示）时，操作员可能错过改变参数值和/或未能识 别与随时间改变的值相关联的趋势。另外，提供参数的实时值并不能向对应的设定点或目 标值提供关系的明确指示，例如参数是低还是高，参数值和设定点之间差别多大，和/或值 之间的差别多显著（例如，大差别是表示参数接近警报限制还是表示参数的正常操作状态 内的值的宽范围）。即使提供了在参数值旁边的设定点值，参数的条件和/或状态的这些指 示符中的每一个仍需要脑力和/或操作员的计算，和/或需要操作员打开新窗口和/或导 航到不同的屏幕，以及深度钻研和/或筛选大量数据来在空间分散的杂乱布局而不是一致 的紧凑组织的布局中定位期望的信息。依赖于操作员脑力的系统倾向于出错，并且经由不 同屏幕、弹窗、面板等以其它形式提供信息的系统不能有效地快速回顾和比较相关信息和/ 或将上下文中的一条信息与在屏幕上显示的其它信息进行关联。因此，许多已知的过程控 制系统导致缓慢和/或易于出错的问题检测和识别。
[0032] 起源于先前挑战的用户可配置界面的第四可能缺点在于：如果给定了选择，用户 很可能使得可配置显示过度复杂。通过配置显示器为期望偏好的重要维度，操作员能够并 且研究已经表明很可能使P&ID显示器会充满变量，每个变量跨界面逐单元分散在不同位 置，并且以仅对操作员明显的原理进行色彩编码。本文所公开的教导提供了制造商的系统、 方法和物品，以通过编码突显特性、条件、趋势和/或简单图形中能够一致地在用户界面中 使用和/或分组到显示器内单个位置以使得操作员快速评估个体参数的状态和它们彼此 如何相关以进行评估以及操作过程的整体状态的其它信息，减轻这些障碍中的一些。更具 体地，本文所公开的教导使得能够将过程变量趋势图形被图形封装到图标符号，其中图标 设计使得所述趋势（以及相关信息）的任务相关方面与其在图标的视觉属性的编码中的突 显匹配。以这种方式，因为偏差在图标设计的突显中被突出，所以操作员能够前摄地监控受 控过程，并在偏差条件旅行警报之前认出从正常操作条件的偏差。
[0033] 图1是可以实施本公开的教导的示例性过程控制系统100的示意性图示。图1的 示例性过程控制系统100包括一个或多个过程控制器（其中的一个用附图标记102表示）， 一个或多个操作员站（其中的一个用附图标记104表示），以及一个或多个应用站或工作站 (其中的一个用附图标记106表示）。示例性过程控制器102、示例性操作员站104以及示 例性工作站106经由总线和/或局域网（LAN) 108 (其通常被称为区域控制网（ACN)通信地 耦合。
[0034] 图1的示例性操作员站104允许操作员、工程师和/或其它工厂人员（本文称作 操作员）查看和/或操作一个或多个操作员显示屏和/或应用，其使得操作员能够在各个 显示器和/或表示示例性过程控制系统100的一个或多个组件（例如，过程地点、过程区 域、过程单元、设备模块、控制模块等）的图（例如，P&ID)之间导航，并确定对应于被显示 的示例性过程控制系统100的组件的过程变量的当前和计划状态。另外，如下文详细描述 的，操作员应用还使得操作员能够评估和视觉化与关联于示例性过程控制系统100的对应 组件的过程变量相关联的其它条件、特性和/或信息。下文结合图2描述了实现图1的示 例性操作员站104的示例性方式。下文结合图3和图30-32描述了用于实现示例性操作员 站104的示例性操作员显示应用。
[0035] 示例性操作员站104包括和/或实现操作员界面（例如，图3的示例性操作员界 面300)以图形化地显示表示示例性过程控制系统100的一个或多个组件的过程图（例如 P&ID)。操作员界面还生成图形和/或图标符号（本文称为图标），其以视觉直观的方式简 明地表示各种条件、特性、趋势信息和/或对应于与表示所显示的组件的元素相关联的过 程变量的其它信息。例如，在一些例子中，图标可以表明过程变量的当前状态、过程变量的 计划状态、过程变量的对应趋势、过程变量的变化方向、过程变量的变化率、过程变量相对 于设定点的相对位置（例如，设定点之上、之下或附近）、过程变量从设定点相对于过程变 量的值的操作范围的相对偏差、过程变量相对于警报限制的相对距离、或者过程变量的实 际值、设定点和/或警报限制等其它信息中的任意一个，这将在后文详细描述。在一些例子 中，过程变量的上述特性或属性中的至少一些可以视觉映射在图标的图形性质内，同时其 它特性或属性不直接以视觉方式进行映射而是根据对应图标推理认知。
[0036] 在一些例子中，操作员界面提供导航窗格以使得操作员能够快速评估所显示的组 件与示例性过程控制系统100中的其它组件的关系，和/或导航到有兴趣经由操作员界面 被显示的示例性过程控制系统的任意其它组件。此外，在一些例子中，示例性操作员站104 的操作员界面提供过程变量摘要窗格，其可以成组显示与对应于示例性过程控制系统100 的一个或多个所显示的组件的过程变量相关联的图形，以便于进行比较。另外，过程变量摘 要窗格可以按照操作员的期望以变化水平的细节来显示图形以表明更多或更少信息。
[0037] 图1的示例性工作站106可以配置为应用站，以执行一个或多个信息技术应用、用 户交互应用和/或通信应用。例如，工作站106可以配置为执行初始过程控制相关应用，而 另一应用站（未示出）可以配置为执行初始通信应用，其使得过程控制系统100能够与其 它设备或系统利用任何期望的通信介质（例如，无线、硬接线等）和协议（例如，HTTP、S0AP 等）进行通信。可以利用一个或多个工作站和/或任意其它适当的计算机系统和/或处理 系统来实现图1的示例性操作员站104和示例性工作站106。例如，可以利用单处理器个人 计算机、单或多处理器工作站等来实现操作员站104和/或工作站106。
[0038] 可以利用任意期望的通信介质和协议来实现图1的示例性LAN 108。例如，示例性 LAN 108可以基于硬接线和/或无线以太网通信方案。然而，如本领域普通技术人员可以容 易理解的，可以使用任意其它适当的通信介质和/或协议。此外，虽然在图1中示出了单个 LAN 108,但可以使用多于一个LAN和/或其它替代的通信硬件来提供图1的示例性系统之 间的冗余的通信路径。
[0039] 经由数据总线116和输入/输出（I/O)网关118,图1的示例性控制器102耦合 到多个智能现场设备110、112和114。智能现场设备110、112和114可以是现场总线兼容 阀、致动器、传感器等，在这种情况下，智能现场设备110、112和114经由数据总线116利 用已知的基础现场总线协议进行通信。当然，可以替代地使用其他类型的智能现场设备和 通信协议。例如，智能现场设备110、112和114相反可以是经由数据总线116利用已知的 Profibus和HART通信协议进行通信的Profibus和/或HART兼容设备。额外的I/O设备 (类似于和/或等同于I/O网关118)可以耦合到控制器102以使得智能现场设备的额外分 组（其可以是基础现场总线设备、HART设备等）能够与控制器102进行通信。
[0040] 除了示例性智能现场设备110、112和114外，一个或多个非智能现场设备120和 122可以通信地耦合到示例性控制器102上。图1的示例性非智能现场设备120和122例 如可以是传统的4-20毫安（mA)或0-24伏特直流电（VDC)设备，其经由各自的硬接线链路 与控制器102进行通信。
[0041 ]图 1 的不例性控制器 102 例如可以是 Fisher-Rosemount Systems, Inc. (Emerson Process Management的公司）售卖的DeltaV?控制器。然而，替代地可以使用任意其它控 制器。此外，虽然在图1中仅示出了一个控制器102,但任意期望类型和/或组合类型的额 外的控制器和/或过程控制平台可以耦合到LAN 108。在任意情况下，示例性控制器102执 行与过程控制系统100相关联的一个或多个过程控制例程，其由操作员利用操作员站104 生成并被下载到和/或实例化到控制器102中。
[0042] 虽然图1示出了示例性过程控制系统100,其中可以有利地采用在下文中详细描 述的用于控制呈现给过程控制系统操作员的信息的方法和装置，但本领域普通技术人员将 容易地理解本文所描述的用于控制呈现给操作员的信息的所述方法、系统和装置在期望时 可以有利地用于比图1的图示例子更复杂或更不复杂的其它过程工厂和/或过程控制系统 中（例如，具有多于一个控制器，跨多于一个地理位置等）。
[0043] 图2示出了实现图1的示例性操作员站104的示例性方式。虽然相对于操作员站 104提供了以下描述，但还可以使用实现示例性操作员站104的示例性方式以实现图1的示 例性工作站106。图2的示例性操作员站104包括至少一个可编程处理器200。图2的示 例性处理器200执行存在于处理器200的主存储器202中的编码指令（例如，在随机存取 存储器（RAM)中和/或只读存储器（ROM)中）。处理器200可以是任意类型的处理单元，例 如处理器核心、处理器和/或微控制器。处理器200可以执行操作系统204、操作员显示模 块206、操作员应用208以及操作员界面210等。示例性操作系统204是来自Microsoft" 的操作系统。图2的示例性主存储器202可以通过处理器200和/或在其中实现，和/或 可以是一个或多个存储器和/或操作地耦合到处理器200的存储器设备。
[0044] 为了允许操作员与示例性处理器200交互。图2的示例性操作员站104包括任意 类型的显示器212。示例性显示器212包括但不限于，计算机监视器、计算机屏幕、电视机、 移动设备（例如，智能电话、Blackbe