論現代模擬與監控技術

董志軍

摘要：為什么要有模擬與監控技術，是由于社會的發展和現代化技術發展的需要，以及我國目前的生產和管理的現狀所決定的，因為管理人員和現場有著相當長的距離，近的幾百米，遠的有幾十公里甚至幾百公里，現場情況如何，管理層如何以最快速度知道，然后根據現場情況進行判斷，指揮，監控。這在現代管理體系中是萬萬不可缺少的，所以該技術稱為是我們現代管理的耳朵和眼睛是千真萬確的。隨著我國的自動化系統的不斷發展，模擬控制技術發展也方興未艾，廣泛應用于電力、環保、通訊、高速公路、航天、市政建設、糧油生產、港口、碼頭、煙草加工、工藝流程、系統自動化監控系統。在我國的基礎建設中發揮著越來越重要的作用?，F代模擬技術集控制、觀摩、模擬、操作、維護、監控于一體，技術集中于儀表、LED、LCD、PLC技術，計算機軟件系統、控制開關技術，塑料加工技術，鈑金成型技術等高新技術合成。使該產品和系統發展越來越快，因而有必要對模擬技術和監控技術進行詳細的論述和論證。

關鍵詞：現代模擬；監控

中圖分類號：TQ056 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）013-000-03

一、模擬技術的歷史背景

我國模擬技術始于1952年。主要是以畫板為主。用木板上刻畫一些圖案線條，手工制做一些刀閘、開關用于識別，從1958年起以上海繼電器廠為代表的老式燈泡式模擬屏開始起用，能進行不下位操作（即操作員可以通過安裝在操作臺中的鍵盤進行操作，在開發此項技術之前只能由操作員在屏前進行手動操作）。模擬屏采用插銷式，當時沒有阻燃材料，顏色以深墨綠為主，沒有計算機控制，靠人工鍵盤操作，基本沒有實時操作?，F場通過電話聯系。到了70年代以南京自動化研究所為代表的新一代遠程控制技術研制成功，為模擬控制技術奠定了技術基礎，但受基礎芯片的限制。當時只是莫斯電路，非常的不穩定，成本也非常的高。由于當時沒有LED技術，顯示器則以等離子片為主。受當時技術條件限制，成本也很高。但現代模擬技術的雛形已經出現。在各大電力系統已經開始廣泛應用，至八十年代初，由于中美關系的建立，我國初步開始改革開放，引進了計算機技術，LED技術以及可靠的電源制造技術，以上海新光顯示儀器廠為代表的模擬屏和南京自動化研究所的新一代遠程控制技術的開發，模擬屏開始真正發展，實現了操作員計算機控制不下位操作，模擬屏可以有觀摩，模擬，操作，維護等四大狀態。廣泛應用于電力、航空、水利、石油化工、供水、污水處理、高速公路系統，到了90年代開始有DLP技術，這套系統的心臟部分是美國TI公司生產的數字化微鏡裝置DMD把在硅基板上排列著的16微米小金屬鏡片以數字化電路控制其反射方向，再通過透鏡投射到屏幕上顯示出圖像。一個微鏡片和一個像素對應，得到整個畫面影像。DLP顯示方式沒有液晶板方式因偏光板而引起的光損耗，能得到高亮度、高精細度的畫面，作為反射型裝置，像素與像素間能更好的過渡因而成為市場佼佼者，缺點是燈泡壽命短，而且維護成本高。到了2000年代由于電子液晶面板的成本不斷降低。超窄邊液晶顯示屏的誕生改變了DLP一枝獨秀的局面。今后的模擬屏的發展方向到底如何，我認為應該以監控、觀摩、指揮、模擬、維護、操作于一體，充分發揮：儀器儀表、LED、LCD、DLP、計算機技術、塑料制作、鈑金制造于一體。充分發揮每個專業技術的特點，即經濟實用又美觀和現代，下面我分七個部分進行論證。

二、儀器儀表在模擬屏中的運用

在現代模擬屏中不但需要線條、符號、設備編號、公路走向、工藝流程、氣象、地理位置等靜態標志。更重要的是將各種各樣的儀器儀表安裝上去，既美觀又直觀，屏上不但能清楚的顯示電流、電壓、功率因數、溫度、濕度、流量等數字顯示，也可以設計成光帶顯示，根據光帶的長短變色可以顯示城市的交通狀況（如城市高架道路上的交通引導指示屏），和港口、碼頭、水廠等液位顯示。由于模擬屏的結構設計越來越豐富，可以使各種尺寸的儀器儀表可以放在屏上任何位置顯示，大大豐富了模擬屏的內容功能，也使模擬屏的市場越來越大。由于現代計算機技術和軟件技術的發展，各種儀器儀表既可以通過計算機端口輸入也可通過模擬量輸入，也可以進行實時輸入（直接采集控制柜端數據輸入），同時也可以將市場上的各種各樣的開關，按鈕裝在屏上進行實時操作（不局限尺寸形狀）使模擬屏真正的成為管理人員的眼睛。

三、現代顯示技術在監控系統中的應用

現代顯示技術的發展是迅猛的，特別是近二十年來高新技術的發展，各種技術的顯示器百花齊放。如：LED顯示技術、DLP顯示技術、LCD顯示技術、大大開擴了人們的視野。

1.LED顯示系統

LED顯示技術是基于硅晶片精密提煉和精密切割的集成技術，在中國源于70年代，應用于80年代，從簡單的紅綠雙色到如今的全彩，由于藍色硅晶片的誕生，使得LED的前景迅速發展，點間距越來越小，像素已從原先每平方米17222點像素發展到了今天的每平方米160000像素最高可達294000像素，并有繼續增大趨勢，LED顯示屏也從原來的室外應用到室內，由于LED的普及，以及大量流水線的上馬，價格也在不斷的下降發展領域也在不斷的擴大，除廣告外也可用于室內燈光系統、室外路燈系統、室內顯示系統等。由于LED壽命長，理論上平均無故障時間可達十萬小時以上色彩艷麗是今后二十年內的發展趨勢。優點是無拼縫，壽命長維修方便，缺點是像素達不到液晶LCD和DLP的水準，目前室內全彩成本較高，熱量高。近年來，LED顯示屏的關鍵控制技術隨著超大規模集成電路（VLSI）的發展而日趨完善，EPLD、DSP以及FPGA已經得到廣泛應用，一些廠商正在研發專用的LED控制集成電路。LED顯示屏與LCD、PDP等同類平板顯示屏產品比較，由于LED產品具有性能穩定、壽命較長、功耗較小以及價格低廉等優勢，因此在各種實際應用中具有較強的市場競爭力，其市場前景十分廣闊。

2.DLP系統

DLP（Digital Light Processing）心臟部分DMD（Digital micromirror Device）是DLP顯示系統的的心臟部分，是美國TI公司生產的數字化微鏡裝置DMD。把在硅基板上排列的16微米小金屬鏡片，以數字化電路控制其反射方向，再通過透鏡投射到屏幕顯示出圖像。一個微鏡片和一個像素對應，得到整個畫面影像。DLP顯示方式沒有液晶方式因偏光板爾引起的光損耗，能得到高亮度高精細度的畫面，作為反射型裝置，像素與像素之間能更好的連接過渡該投影顯示屏具有高亮度、高分辨率、長壽命、窄拼縫及超薄屏等優越性能。專業的DLP投影顯示屏采用最新開發的DDR，DMD芯片，適合視頻和數據拼接墻的應用，采用超短焦光系統和一次光反射系統結構使箱體厚度明顯減少。采用獨創新開發的12BIT數字化色域控制技術（CSC），保證屏幕間色彩的高度一致，采用獨創的12-bit三維高頻脈動電路，提高亮度均勻性。采用亮度自動反饋校準功能，保證屏幕間亮度長期一致。超高對比度玻璃屏幕，屏幕平整無反光。采用屏幕無邊框技術，屏間物理接縫可小于0.5毫米?？蛇x配的輸入板VC-B20KA，使輸入信號分辨率達到1600*1200，同時可在省去外置多屏控制器的同時組建一個多屏拼接墻，可選配的輸入板VC-B20KV，直接連接視頻信號，與輸入板VC-B20KA配合，可實現多屏視頻拼接畫面。優點是拼縫小尺寸大最大可達到每塊150英寸，輻射小環保。缺點是光源壽命短維護成本高。

3.LCD顯示器系統

近年來LCD液晶顯示器發展迅速，隨著工業級超窄邊顯示器的出現，以及液晶面板的成本降低給LCD在工業模擬系統中的運用提供了很有利的條件，拼縫尺寸從原先的7.6毫米降低到如今的5.5毫米，雖然比DLP顯示器略寬但他的拼接靈活性，色彩鮮艷程度，長壽命，成本低等條件方面仍勝DLP一籌，尺寸也從原先的42英寸發展到了現在的60英寸，過去由于內部結構和元器件自身公差問題，造成了每臺顯示器在出廠后都存在個體上的微小差異，單獨使用不會發現拼在一起使用就會表現出色差大等問題，現在有了專業校正技術配合顏色傳感器，從而能保持顯示器的色彩、亮度輸出的一致性。無論是新安裝的拼接顯示器還是使用多年而產生色彩一致性下降的拼接屏都能使用此系統讓畫面持久展現，缺點是相同尺寸下LCD的熱量要高于DLP，顯示器面板的輻射也要略大于DLP，拼縫比DLP略大。

四、現代管理技術的運用

隨著計算機技術和軟件技術的發展與應用，使模擬應用技術更加強大，操作更加完善，目前新一代的模擬控制系統充分發揮了微軟64位window7操作系統用戶界面美觀、運行速度快、系統穩定性好、多線程及搶占式多任務的各項特點，使模擬屏的控制系統整體上了一個新的臺階。 該軟件共設有觀摩、模擬、操作、和維護四個狀態，分別可用于瀏覽設備運行狀態、培訓新調度員、調度員不下位操作及技術人員維護修改系統數據庫。其中進入操作和維護狀態必須正確輸入相對應的管理員密碼，以保證系統的可靠運行。同時調度員的每項操作均會由系統自動將日期、時間、對象、操作人等關鍵數據保存至系統，以備隨時調閱及打印。系統軟件所有的操作都是基于圖形界面，調度員可在線路圖上及時形象的操作，系統最多可同時打開十張圖、每張圖都可全屏滾動，圖形尺寸不限，這使得調度員的視野將更開闊，能同時觀察到多個相關場站的設備狀態。軟件還提供了掛牌警示功能，用戶可在圖形的任意位置掛上接地、有人操作等警示牌，警示牌的圖案樣式還可隨時自定義編輯修改。軟件內含串口和網絡接口模塊，可以和各種遠動上位機相連，接受實時信息并在模擬屏上顯示，響應時間小于2秒。

而DLP、LED、LCD的控制技術則變得更加的強大，從計算機網絡中獲取信息，也可以直接從高清攝像機中解碼讀取數據，現代大屏控制器軟件功能更加豐富強大，主要有以下幾點功能：

★視頻采集采用逐行掃描掃描方式使視頻分辨率真正達到1920*1080*24BIT*25FPS，視頻傳輸采用PCI-E總線架構來代替傳統速度較低的PCI總線，并且用特殊的算法進行補償，使視頻采用的分辨率高、圖像清晰、邊緣與線條無抖動。

★視頻窗口分別以窗口的形式在投影墻上任意位置放大、縮小、平鋪、靜止、跨屏移動等，所以視頻信號均可放大至全屏顯示。并且視頻窗口與視頻窗口之間能多路（控制器所配視頻采集器總路數）任意共屏、疊加畫中畫。從而滿足更加靈活多樣的組合顯示方式。

★控制器顯示卡采用PCI-E架構，從而實現在控制器本機能流暢播放DVD、高清視頻、動畫、矢量地圖、衛星云圖等課件。從而解決早期控制器對于對于這些課件本機無法播放或者播放速度卡頓，而通過RGB采集速度慢分辨率達不到要求的弊端。

★Pmedia200控制管理軟件包括系統軟件，應用軟件、接口軟件等，實現多用戶管理、窗口管理、運行模式管理、信號源管理、投影機控制、預案管理等功能，且所有操作都能在遠程控制界面上完成。

★系統具有窗口預設功能并能執行顯示預先編輯的預案?？梢灶A先設定各種信號源窗（所有信號種類）的組合、排列的方案并保存，實現任意信號源窗口模式組合的定義、編輯，定時顯示畫面以及自動顯示某些畫面：可以預先設定多種顯示模式并隨時調用。

★操作者可在任意位置打開多個活動窗口顯示不同的輸入信號，所有的窗口能在整個大屏幕投影墻上任意移動、放大、縮小、同時具有足夠的響應速度。

★大屏幕控制管理軟件除了安裝在控制系統的計算機上外還可以安裝在用戶工作站上。網絡的任意用戶安裝控制軟件后即可成為一臺控制終端，既可管理大屏幕也可同時報被調用顯示。

★網絡抓屏通過優化算法。來達到一個比較快的速度，Word、PPT、圖片（不低于2048*1536）、及一些動畫效果均能流暢播放，視頻窗口內容能正常顯示，速度達到基本流暢。能夠對UNIX，LUNIX等操作系統跨平臺操作，并正常顯示無亂碼并保持流暢速度。能自動偵測需要被抓的計算機名稱、IP地址等信息，方便用戶操作。

★網絡上的工作站信號經過以太網以數據進入控制，無論計算機運行軟件是何種分辨率，大屏可以做到自動適應并以等分辨率顯示，與顯示墻的分辨率無關。網絡信號窗口可任意放大縮小或顯示網絡信號的指定區域。

★大屏幕管理軟件能統一管理矩陣、投影儀等周邊產品，且添加設備簡單操作方便，調用不同的信號包括RGB采集、視頻采集、RGB直通、視頻直通、網絡信號能一步操作完成?？梢源蜷_關閉投影機，可以觸發定時事件。事件包括：調用預案，開關投影儀等。

★控制系統支持網絡分控和多用戶操作，用戶既可用單一的鼠標或鍵盤對大屏幕進行操作，通過軟件設置操作員也可以利用各自工作站的鼠標鍵盤控制大屏幕系統，進行各項遠程操作，實現交互式的遠程控制。

五、現代監控技術

由于經濟的日益發展，人民生活水平的不斷提高，日常的企業生產、居民生活對電力能源提出了更高的的要求，圖像監控技術在企業系統中的應用在逐步展開：這一技術可在現場無人值守時對現場進行監控，監控系統對現場防水、防火、防盜、防止事故的發生以及事后的查證有著重要的作用，主要設備有攝像機、視頻監視器，編碼器、畫面分控器等設備，系統方案主要有以下幾種：

1.監控與通訊

監控方式：由調度或監控中心統一監視控制，適用于變電所數量不多，分布比較集中的電力局；由若干個監控中心分別監控變電所，再將圖像上傳至局中心大樓的方式，三級結構，適用于變電所較多，分布較廣的地區；監控中心與MIS網終端應有一定的優先級，一般來說，監控中心優先控制和操作，MIS終端只能用于監視和切換畫面，兩者不能有沖突。通訊與傳輸方式。圖像視頻信號的傳輸途徑有多種：一點多址小微波，音頻電纜擴頻傳輸通訊，光纖2M數據口傳輸、電話電纜傳輸等方式。從實際應用來看，光纖傳輸效果最好。用電話線傳輸圖像容易產生斷續卡頓現象，不利于現場觀察防火、防盜現象，但觀察靜態事物尚可使用。圖像監控系統的分布與通訊通道的布置有著密切的關系，有以下幾種方式：變電所與監控中心有直接的通訊鏈接，變電所與局中心大樓有直接的光纖鏈接，監控中心再與局方中心大樓有通訊連接，兩種情況考慮的方案應用有所不同。信息傳輸同常采用TCP/IP和網絡組波的技術，最大技術的利用了網絡的傳輸性能和網絡帶寬，避免了網絡的擁塞。

2.硬件壓縮、軟件解壓

用一個軟件就能解決所有的解壓縮問題，且升級換代容易，降低了成本，MIS網上的計算機只要安裝了相應的軟件并授權，就能成為一功能齊全的監控主機，但穩定性較硬件方式為差，同一監控中心的變電所之間兼容性差；硬件址縮、硬件解壓的方式：穩定性好，若采用一對多解碼器。成本較低，但兼容性差：若采用一對一編解碼 器，只要總體設計原理相同，不受產品限制.但主站的控制軟件也不具備 兼容性。且監控中心的解碼設備數量繁多，若監控中心的通訊通過調度中心轉發，則電力大樓的硬件設備也很多.且需要兩套編解碼設備，上網需要兩次壓縮解壓縮。

3.控制界面操作

主站軟件在控制云臺方面的操作有兩種方式：一是界面提供專業的控制面板，用鼠標點擊相應的方向進行控制；二是在圖形界面上引導云臺的方向，鼠標滑向那個方向云臺就向相應的方向移動。后一種方式對于監控人員來說，非常方便易于操作，可以在電子地圖上直接用鼠標雙擊獲得遠程終端的圖像和對應攝像機的切換權與控制權。地圖可完全模擬相應變電所環境，方便工作人員尋找攝像機和快速切換。

4.無線攝像機和無線對講設備

采用無線攝像機和無線對講設備，當變電所所有人巡視或操作時隨身攜帶以便于遠方監視，防止走錯間隔和誤操作。為今后變電所單人操作監控的運行方式做好了技術儲備。無線攝像機體積小，且通常鏡頭和發射天線均包含在機身內，發射功率小傳輸距離近，大多接受范圍在100米內，因此無線接收器必須配置在適當位置，以保障信號的暢通。無線攝像機可做成頭盔便攜式或手提式，由實踐得知頭盔式便攜攝像機在運行人員走動時經常會產生較大幅度的晃動無法快速對焦，而手提式的結構可視角度大，輕巧便利，比較切合單人操作攝像的需求。

六、現代制造技術的運用

近年來由于機械和基礎工業的發展，高性能機床、模具、甚至3D打印機的出現，使各種機械定位更加精確，制作更加精細。手段越來越豐富?？蚣芗瓤梢凿X合金制作也可以鐵板鈑金加工。屏面可以計算機刻制、3D打印或直接用模具注塑而成?？梢愿鶕鞣N用戶的需求量身定制，深受用戶歡迎。

七、模擬系統標準的應用

由于模擬屏的運用越來越廣泛，產業鏈越來越長，制造商越來越多，就產生了市場良莠不齊的現象，各種標準五花八門給企業、市場和制造商帶來了混亂，因而國家在1992由國家能源部起頭制定了中華人民共和國電力行業標準?！峨娏φ{度模擬屏通用條件》（DL411-91），標準規定了調度模擬屏（包括元器件，模擬屏符號）的技術要求、試驗方法、檢測規則等。成為各工業部門模擬屏的設計、制造、測試、儲運的標準，規范了全國的生產標準和要求，后來國家又對LED、DLP、LCD等產品進行了強制性的3C認證，使市場更加規范，安全。給用戶和制造商帶來了極大的便利。

八、綜合監控模擬屏在沈陽卷煙廠能源監控中心的應用

沈陽卷煙廠是典型的集模擬、監控、觀摩、指揮、維護于一體的綜合模擬屏系統，長13米、高3.5米，左半部分放置九塊42英寸液晶顯示器組成的監控電視墻，能夠清晰地監控到變壓器和變電室的情況，上方的LED顯示屏能清晰地顯示年月日等時間信息和安全運行天數，LED顯示器中的漢字內容能隨時的進行更改，及時反映當天的領導參觀狀況，非常靈活。在LED顯示器之下，占模擬屏絕大部分面積區域的靜態顯示部分，展示了廠區的高壓及低壓配電柜的布局、設備編號、設備符號、線路走向，運行情況。及時反映了整個廠區的電力系統運行狀態，如變壓器的溫度、電流、電壓、功率的實時狀態。光字牌能及時反饋變壓器的狀態及時報警，如超溫報警、跳閘狀況、斷線狀況等，整個模擬屏布局合理，充分反映了沈陽卷煙廠整個供電系統的運行狀況，對于供電事故的防范與監控起著很重要的作用，沈陽卷煙廠的綜合模擬屏的應用是集其他煙廠的優點，結合本廠的實際情況精心設計而成，既有LCD監控部分又有馬賽克模擬屏電力控制部分及LED顯示系統，既經濟又美觀，功能較齊全，制造成本相對較低，應該是個比較成功的典范。

九、結論

綜上所述，模擬和監控技術是企業管理的好幫手，主要有以下六大優點：能有效防范電力事故的發生；能自動記錄事故發生時的狀況，對事故發生后的調查有著重大的幫助；能合理的調配和管理能源；能監控主要設備的運行狀況；能合理的指揮現場；能幫助和促進企業的技術進步。

因此，只有將模擬技術與監控技術集于一體，充分發揮各自的優勢。利用現代網絡技術和計算機技術的特點，不斷創新。才能真正發揮模擬監控系統，順風耳、千里眼的作用，使企業始終在受控中運行。