论现代模拟与监控技术

董志军

摘要：为什么要有模拟与监控技术，是由于社会的发展和现代化技术发展的需要，以及我国目前的生产和管理的现状所决定的，因为管理人员和现场有着相当长的距离，近的几百米，远的有几十公里甚至几百公里，现场情况如何，管理层如何以最快速度知道，然后根据现场情况进行判断，指挥，监控。这在现代管理体系中是万万不可缺少的，所以该技术称为是我们现代管理的耳朵和眼睛是千真万确的。随着我国的自动化系统的不断发展，模拟控制技术发展也方兴未艾，广泛应用于电力、环保、通讯、高速公路、航天、市政建设、粮油生产、港口、码头、烟草加工、工艺流程、系统自动化监控系统。在我国的基础建设中发挥着越来越重要的作用。现代模拟技术集控制、观摩、模拟、操作、维护、监控于一体，技术集中于仪表、LED、LCD、PLC技术，计算机软件系统、控制开关技术，塑料加工技术，钣金成型技术等高新技术合成。使该产品和系统发展越来越快，因而有必要对模拟技术和监控技术进行详细的论述和论证。

关键词：现代模拟；监控

中图分类号：TQ056 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）013-000-03

一、模拟技术的历史背景

我国模拟技术始于1952年。主要是以画板为主。用木板上刻画一些图案线条，手工制做一些刀闸、开关用于识别，从1958年起以上海继电器厂为代表的老式灯泡式模拟屏开始起用，能进行不下位操作（即操作员可以通过安装在操作台中的键盘进行操作，在开发此项技术之前只能由操作员在屏前进行手动操作）。模拟屏采用插销式，当时没有阻燃材料，颜色以深墨绿为主，没有计算机控制，靠人工键盘操作，基本没有实时操作。现场通过电话联系。到了70年代以南京自动化研究所为代表的新一代远程控制技术研制成功，为模拟控制技术奠定了技术基础，但受基础芯片的限制。当时只是莫斯电路，非常的不稳定，成本也非常的高。由于当时没有LED技术，显示器则以等离子片为主。受当时技术条件限制，成本也很高。但现代模拟技术的雏形已经出现。在各大电力系统已经开始广泛应用，至八十年代初，由于中美关系的建立，我国初步开始改革开放，引进了计算机技术，LED技术以及可靠的电源制造技术，以上海新光显示仪器厂为代表的模拟屏和南京自动化研究所的新一代远程控制技术的开发，模拟屏开始真正发展，实现了操作员计算机控制不下位操作，模拟屏可以有观摩，模拟，操作，维护等四大状态。广泛应用于电力、航空、水利、石油化工、供水、污水处理、高速公路系统，到了90年代开始有DLP技术，这套系统的心脏部分是美国TI公司生产的数字化微镜装置DMD把在硅基板上排列着的16微米小金属镜片以数字化电路控制其反射方向，再通过透镜投射到屏幕上显示出图像。一个微镜片和一个像素对应，得到整个画面影像。DLP显示方式没有液晶板方式因偏光板而引起的光损耗，能得到高亮度、高精细度的画面，作为反射型装置，像素与像素间能更好的过渡因而成为市场佼佼者，缺点是灯泡寿命短，而且维护成本高。到了2000年代由于电子液晶面板的成本不断降低。超窄边液晶显示屏的诞生改变了DLP一枝独秀的局面。今后的模拟屏的发展方向到底如何，我认为应该以监控、观摩、指挥、模拟、维护、操作于一体，充分发挥：仪器仪表、LED、LCD、DLP、计算机技术、塑料制作、钣金制造于一体。充分发挥每个专业技术的特点，即经济实用又美观和现代，下面我分七个部分进行论证。

二、仪器仪表在模拟屏中的运用

在现代模拟屏中不但需要线条、符号、设备编号、公路走向、工艺流程、气象、地理位置等静态标志。更重要的是将各种各样的仪器仪表安装上去，既美观又直观，屏上不但能清楚的显示电流、电压、功率因数、温度、湿度、流量等数字显示，也可以设计成光带显示，根据光带的长短变色可以显示城市的交通状况（如城市高架道路上的交通引导指示屏），和港口、码头、水厂等液位显示。由于模拟屏的结构设计越来越丰富，可以使各种尺寸的仪器仪表可以放在屏上任何位置显示，大大丰富了模拟屏的内容功能，也使模拟屏的市场越来越大。由于现代计算机技术和软件技术的发展，各种仪器仪表既可以通过计算机端口输入也可通过模拟量输入，也可以进行实时输入（直接采集控制柜端数据输入），同时也可以将市场上的各种各样的开关，按钮装在屏上进行实时操作（不局限尺寸形状）使模拟屏真正的成为管理人员的眼睛。

三、现代显示技术在监控系统中的应用

现代显示技术的发展是迅猛的，特别是近二十年来高新技术的发展，各种技术的显示器百花齐放。如：LED显示技术、DLP显示技术、LCD显示技术、大大开扩了人们的视野。

1.LED显示系统

LED显示技术是基于硅晶片精密提炼和精密切割的集成技术，在中国源于70年代，应用于80年代，从简单的红绿双色到如今的全彩，由于蓝色硅晶片的诞生，使得LED的前景迅速发展，点间距越来越小，像素已从原先每平方米17222点像素发展到了今天的每平方米160000像素最高可达294000像素，并有继续增大趋势，LED显示屏也从原来的室外应用到室内，由于LED的普及，以及大量流水线的上马，价格也在不断的下降发展领域也在不断的扩大，除广告外也可用于室内灯光系统、室外路灯系统、室内显示系统等。由于LED寿命长，理论上平均无故障时间可达十万小时以上色彩艳丽是今后二十年内的发展趋势。优点是无拼缝，寿命长维修方便，缺点是像素达不到液晶LCD和DLP的水准，目前室内全彩成本较高，热量高。近年来，LED显示屏的关键控制技术随着超大规模集成电路（VLSI）的发展而日趋完善，EPLD、DSP以及FPGA已经得到广泛应用，一些厂商正在研发专用的LED控制集成电路。LED显示屏与LCD、PDP等同类平板显示屏产品比较，由于LED产品具有性能稳定、寿命较长、功耗较小以及价格低廉等优势，因此在各种实际应用中具有较强的市场竞争力，其市场前景十分广阔。

2.DLP系统

DLP（Digital Light Processing）心脏部分DMD（Digital micromirror Device）是DLP显示系统的的心脏部分，是美国TI公司生产的数字化微镜装置DMD。把在硅基板上排列的16微米小金属镜片，以数字化电路控制其反射方向，再通过透镜投射到屏幕显示出图像。一个微镜片和一个像素对应，得到整个画面影像。DLP显示方式没有液晶方式因偏光板尔引起的光损耗，能得到高亮度高精细度的画面，作为反射型装置，像素与像素之间能更好的连接过渡该投影显示屏具有高亮度、高分辨率、长寿命、窄拼缝及超薄屏等优越性能。专业的DLP投影显示屏采用最新开发的DDR，DMD芯片，适合视频和数据拼接墙的应用，采用超短焦光系统和一次光反射系统结构使箱体厚度明显减少。采用独创新开发的12BIT数字化色域控制技术（CSC），保证屏幕间色彩的高度一致，采用独创的12-bit三维高频脉动电路，提高亮度均匀性。采用亮度自动反馈校准功能，保证屏幕间亮度长期一致。超高对比度玻璃屏幕，屏幕平整无反光。采用屏幕无边框技术，屏间物理接缝可小于0.5毫米。可选配的输入板VC-B20KA，使输入信号分辨率达到1600*1200，同时可在省去外置多屏控制器的同时组建一个多屏拼接墙，可选配的输入板VC-B20KV，直接连接视频信号，与输入板VC-B20KA配合，可实现多屏视频拼接画面。优点是拼缝小尺寸大最大可达到每块150英寸，辐射小环保。缺点是光源寿命短维护成本高。

3.LCD显示器系统

近年来LCD液晶显示器发展迅速，随着工业级超窄边显示器的出现，以及液晶面板的成本降低给LCD在工业模拟系统中的运用提供了很有利的条件，拼缝尺寸从原先的7.6毫米降低到如今的5.5毫米，虽然比DLP显示器略宽但他的拼接灵活性，色彩鲜艳程度，长寿命，成本低等条件方面仍胜DLP一筹，尺寸也从原先的42英寸发展到了现在的60英寸，过去由于内部结构和元器件自身公差问题，造成了每台显示器在出厂后都存在个体上的微小差异，单独使用不会发现拼在一起使用就会表现出色差大等问题，现在有了专业校正技术配合颜色传感器，从而能保持显示器的色彩、亮度输出的一致性。无论是新安装的拼接显示器还是使用多年而产生色彩一致性下降的拼接屏都能使用此系统让画面持久展现，缺点是相同尺寸下LCD的热量要高于DLP，显示器面板的辐射也要略大于DLP，拼缝比DLP略大。

四、现代管理技术的运用

随着计算机技术和软件技术的发展与应用，使模拟应用技术更加强大，操作更加完善，目前新一代的模拟控制系统充分发挥了微软64位window7操作系统用户界面美观、运行速度快、系统稳定性好、多线程及抢占式多任务的各项特点，使模拟屏的控制系统整体上了一个新的台阶。 该软件共设有观摩、模拟、操作、和维护四个状态，分别可用于浏览设备运行状态、培训新调度员、调度员不下位操作及技术人员维护修改系统数据库。其中进入操作和维护状态必须正确输入相对应的管理员密码，以保证系统的可靠运行。同时调度员的每项操作均会由系统自动将日期、时间、对象、操作人等关键数据保存至系统，以备随时调阅及打印。系统软件所有的操作都是基于图形界面，调度员可在线路图上及时形象的操作，系统最多可同时打开十张图、每张图都可全屏滚动，图形尺寸不限，这使得调度员的视野将更开阔，能同时观察到多个相关场站的设备状态。软件还提供了挂牌警示功能，用户可在图形的任意位置挂上接地、有人操作等警示牌，警示牌的图案样式还可随时自定义编辑修改。软件内含串口和网络接口模块，可以和各种远动上位机相连，接受实时信息并在模拟屏上显示，响应时间小于2秒。

而DLP、LED、LCD的控制技术则变得更加的强大，从计算机网络中获取信息，也可以直接从高清摄像机中解码读取数据，现代大屏控制器软件功能更加丰富强大，主要有以下几点功能：

★视频采集采用逐行扫描扫描方式使视频分辨率真正达到1920*1080*24BIT*25FPS，视频传输采用PCI-E总线架构来代替传统速度较低的PCI总线，并且用特殊的算法进行补偿，使视频采用的分辨率高、图像清晰、边缘与线条无抖动。

★视频窗口分别以窗口的形式在投影墙上任意位置放大、缩小、平铺、静止、跨屏移动等，所以视频信号均可放大至全屏显示。并且视频窗口与视频窗口之间能多路（控制器所配视频采集器总路数）任意共屏、叠加画中画。从而满足更加灵活多样的组合显示方式。

★控制器显示卡采用PCI-E架构，从而实现在控制器本机能流畅播放DVD、高清视频、动画、矢量地图、卫星云图等课件。从而解决早期控制器对于对于这些课件本机无法播放或者播放速度卡顿，而通过RGB采集速度慢分辨率达不到要求的弊端。

★Pmedia200控制管理软件包括系统软件，应用软件、接口软件等，实现多用户管理、窗口管理、运行模式管理、信号源管理、投影机控制、预案管理等功能，且所有操作都能在远程控制界面上完成。

★系统具有窗口预设功能并能执行显示预先编辑的预案。可以预先设定各种信号源窗（所有信号种类）的组合、排列的方案并保存，实现任意信号源窗口模式组合的定义、编辑，定时显示画面以及自动显示某些画面：可以预先设定多种显示模式并随时调用。

★操作者可在任意位置打开多个活动窗口显示不同的输入信号，所有的窗口能在整个大屏幕投影墙上任意移动、放大、缩小、同时具有足够的响应速度。

★大屏幕控制管理软件除了安装在控制系统的计算机上外还可以安装在用户工作站上。网络的任意用户安装控制软件后即可成为一台控制终端，既可管理大屏幕也可同时报被调用显示。

★网络抓屏通过优化算法。来达到一个比较快的速度，Word、PPT、图片（不低于2048*1536）、及一些动画效果均能流畅播放，视频窗口内容能正常显示，速度达到基本流畅。能够对UNIX，LUNIX等操作系统跨平台操作，并正常显示无乱码并保持流畅速度。能自动侦测需要被抓的计算机名称、IP地址等信息，方便用户操作。

★网络上的工作站信号经过以太网以数据进入控制，无论计算机运行软件是何种分辨率，大屏可以做到自动适应并以等分辨率显示，与显示墙的分辨率无关。网络信号窗口可任意放大缩小或显示网络信号的指定区域。

★大屏幕管理软件能统一管理矩阵、投影仪等周边产品，且添加设备简单操作方便，调用不同的信号包括RGB采集、视频采集、RGB直通、视频直通、网络信号能一步操作完成。可以打开关闭投影机，可以触发定时事件。事件包括：调用预案，开关投影仪等。

★控制系统支持网络分控和多用户操作，用户既可用单一的鼠标或键盘对大屏幕进行操作，通过软件设置操作员也可以利用各自工作站的鼠标键盘控制大屏幕系统，进行各项远程操作，实现交互式的远程控制。

五、现代监控技术

由于经济的日益发展，人民生活水平的不断提高，日常的企业生产、居民生活对电力能源提出了更高的的要求，图像监控技术在企业系统中的应用在逐步展开：这一技术可在现场无人值守时对现场进行监控，监控系统对现场防水、防火、防盗、防止事故的发生以及事后的查证有着重要的作用，主要设备有摄像机、视频监视器，编码器、画面分控器等设备，系统方案主要有以下几种：

1.监控与通讯

监控方式：由调度或监控中心统一监视控制，适用于变电所数量不多，分布比较集中的电力局；由若干个监控中心分别监控变电所，再将图像上传至局中心大楼的方式，三级结构，适用于变电所较多，分布较广的地区；监控中心与MIS网终端应有一定的优先级，一般来说，监控中心优先控制和操作，MIS终端只能用于监视和切换画面，两者不能有冲突。通讯与传输方式。图像视频信号的传输途径有多种：一点多址小微波，音频电缆扩频传输通讯，光纤2M数据口传输、电话电缆传输等方式。从实际应用来看，光纤传输效果最好。用电话线传输图像容易产生断续卡顿现象，不利于现场观察防火、防盗现象，但观察静态事物尚可使用。图像监控系统的分布与通讯通道的布置有着密切的关系，有以下几种方式：变电所与监控中心有直接的通讯链接，变电所与局中心大楼有直接的光纤链接，监控中心再与局方中心大楼有通讯连接，两种情况考虑的方案应用有所不同。信息传输同常采用TCP/IP和网络组波的技术，最大技术的利用了网络的传输性能和网络带宽，避免了网络的拥塞。

2.硬件压缩、软件解压

用一个软件就能解决所有的解压缩问题，且升级换代容易，降低了成本，MIS网上的计算机只要安装了相应的软件并授权，就能成为一功能齐全的监控主机，但稳定性较硬件方式为差，同一监控中心的变电所之间兼容性差；硬件址缩、硬件解压的方式：稳定性好，若采用一对多解码器。成本较低，但兼容性差：若采用一对一编解码 器，只要总体设计原理相同，不受产品限制.但主站的控制软件也不具备 兼容性。且监控中心的解码设备数量繁多，若监控中心的通讯通过调度中心转发，则电力大楼的硬件设备也很多.且需要两套编解码设备，上网需要两次压缩解压缩。

3.控制界面操作

主站软件在控制云台方面的操作有两种方式：一是界面提供专业的控制面板，用鼠标点击相应的方向进行控制；二是在图形界面上引导云台的方向，鼠标滑向那个方向云台就向相应的方向移动。后一种方式对于监控人员来说，非常方便易于操作，可以在电子地图上直接用鼠标双击获得远程终端的图像和对应摄像机的切换权与控制权。地图可完全模拟相应变电所环境，方便工作人员寻找摄像机和快速切换。

4.无线摄像机和无线对讲设备

采用无线摄像机和无线对讲设备，当变电所所有人巡视或操作时随身携带以便于远方监视，防止走错间隔和误操作。为今后变电所单人操作监控的运行方式做好了技术储备。无线摄像机体积小，且通常镜头和发射天线均包含在机身内，发射功率小传输距离近，大多接受范围在100米内，因此无线接收器必须配置在适当位置，以保障信号的畅通。无线摄像机可做成头盔便携式或手提式，由实践得知头盔式便携摄像机在运行人员走动时经常会产生较大幅度的晃动无法快速对焦，而手提式的结构可视角度大，轻巧便利，比较切合单人操作摄像的需求。

六、现代制造技术的运用

近年来由于机械和基础工业的发展，高性能机床、模具、甚至3D打印机的出现，使各种机械定位更加精确，制作更加精细。手段越来越丰富。框架既可以铝合金制作也可以铁板钣金加工。屏面可以计算机刻制、3D打印或直接用模具注塑而成。可以根据各种用户的需求量身定制，深受用户欢迎。

七、模拟系统标准的应用

由于模拟屏的运用越来越广泛，产业链越来越长，制造商越来越多，就产生了市场良莠不齐的现象，各种标准五花八门给企业、市场和制造商带来了混乱，因而国家在1992由国家能源部起头制定了中华人民共和国电力行业标准。《电力调度模拟屏通用条件》（DL411-91），标准规定了调度模拟屏（包括元器件，模拟屏符号）的技术要求、试验方法、检测规则等。成为各工业部门模拟屏的设计、制造、测试、储运的标准，规范了全国的生产标准和要求，后来国家又对LED、DLP、LCD等产品进行了强制性的3C认证，使市场更加规范，安全。给用户和制造商带来了极大的便利。

八、综合监控模拟屏在沈阳卷烟厂能源监控中心的应用

沈阳卷烟厂是典型的集模拟、监控、观摩、指挥、维护于一体的综合模拟屏系统，长13米、高3.5米，左半部分放置九块42英寸液晶显示器组成的监控电视墙，能够清晰地监控到变压器和变电室的情况，上方的LED显示屏能清晰地显示年月日等时间信息和安全运行天数，LED显示器中的汉字内容能随时的进行更改，及时反映当天的领导参观状况，非常灵活。在LED显示器之下，占模拟屏绝大部分面积区域的静态显示部分，展示了厂区的高压及低压配电柜的布局、设备编号、设备符号、线路走向，运行情况。及时反映了整个厂区的电力系统运行状态，如变压器的温度、电流、电压、功率的实时状态。光字牌能及时反馈变压器的状态及时报警，如超温报警、跳闸状况、断线状况等，整个模拟屏布局合理，充分反映了沈阳卷烟厂整个供电系统的运行状况，对于供电事故的防范与监控起着很重要的作用，沈阳卷烟厂的综合模拟屏的应用是集其他烟厂的优点，结合本厂的实际情况精心设计而成，既有LCD监控部分又有马赛克模拟屏电力控制部分及LED显示系统，既经济又美观，功能较齐全，制造成本相对较低，应该是个比较成功的典范。

九、结论

综上所述，模拟和监控技术是企业管理的好帮手，主要有以下六大优点：能有效防范电力事故的发生；能自动记录事故发生时的状况，对事故发生后的调查有着重大的帮助；能合理的调配和管理能源；能监控主要设备的运行状况；能合理的指挥现场；能帮助和促进企业的技术进步。

因此，只有将模拟技术与监控技术集于一体，充分发挥各自的优势。利用现代网络技术和计算机技术的特点，不断创新。才能真正发挥模拟监控系统，顺风耳、千里眼的作用，使企业始终在受控中运行。