在过程控制系统中使用的具有缩放特征的图形过程变量趋势监控的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及过程控制系统，更具体地，涉及监控过程变量的趋势以及过程控制工厂的层级的图形导航。
【背景技术】
[0002]过程工厂(如在化学、石油或其它工业中所使用的那些)通常包括一个或多个集中的或分散的过程控制器，其经由模拟、数字或组合的模拟/数字总线与至少一个主机或操作员工作站以及一个或多个过程控制和仪表设备(例如，现场设备)通信地耦合。现场设备可以是例如阀、阀定位器、开关、发射器和传感器(例如，温度、压力和流速传感器)，用于执行过程中的功能，例如增加或降低流速以及测量过程参数。过程控制器接收表示现场设备所做或与其相关联的过程测量或过程变量的信号和/或属于现场设备的其它信息，利用该信息来完成控制例程，并随后生成通过一条或多条总线或其它通信线发送到现场设备以控制过程的操作的控制信号。来自现场设备和控制器的信息通常可用于操作员工作站执行的一个或多个应用，以使得操作员能够执行相对于过程的期望的功能，例如查看过程的当前状态、修改过程的操作等。作为例子，Emerson Process Management所售卖的DeltaV?控制系统包括存储于其中并被位于过程工厂中不同位置处的不同设备所执行的多个应用。
[0003]虽然典型的过程工厂具有许多过程控制和仪表设备，例如连接到一个或多个过程控制器的阀、发射器、传感器等，其执行在过程操作期间控制这些设备的软件，但是还有许多其它对于过程操作必要或相关的支持设备或装备。这些额外的设备包括例如电力供应装备、电力生产和分布装备、存储槽、加热器、诸如涡轮的旋转装备等等，其位于通常的工厂的各处。虽然该额外的装备没有必要创建或使用过程变量，并且在许多情况下，为了影响过程操作而不被过程控制器控制或甚至不耦合到过程控制器，但该装备对于过程的正确操作仍旧是重要且非常必要的。
[0004]为了管理多个现场设备和多件装备的相对位置和来自其的信息，位于一个或多个操作员工作站内的配置应用使得设计者能够创建或改变操作员接口，该接口由查看应用用于向操作员显示数据并使得操作员改变过程控制例程中的设置，例如设定点。每个专用控制器以及在一些情况下一个或多个现场设备存储并执行控制器应用，所述应用运行被分配并下载到其上的控制模块，从而实现实际的过程控制功能。可以在一个或多个操作员工作站上运行的查看应用从控制器应用经由总线接收数据，并将该数据显示给过程控制系统设计者、操作员或使用用户接口的用户，并可以提供多个不同视野中的任一种，例如操作员视野、工程师视野、技师视野，等等。数据库应用通常存储于数据库设备以及由数据库设备执行，所述数据库设备收集并存储跨总线提供的一些或全部数据，同时配置数据库应用可以在附接到总线的另一计算机上运行以存储当前过程控制例程配置及其相关联的数据。可选地，配置数据库可以位于与配置应用相同的工作站内。
[0005]由于在过程控制环境中使用的现场设备的复杂性和数量都已经增加，所以提供了不同的查看应用(例如，图形显示应用)来使得诸如操作员的用户能够监控过程。例如，图形显示应用已经被用于使得控制操作员能够查看过程工厂的当前运作，或者过程工厂的区域，或者能够使得维修人员查看过程工厂中的硬件设备的状态，以能够模拟过程工厂等。
[0006]作为例子，一种图形显示应用可以使用管路(或过程)和仪表图(P&ID)，以使得用户能够实时监控过程工厂的当前运作。P&ID通常包括工厂装备的图形表示以及共同形成过程的特定部分的功能平面图的功能。P&ID内的图形表示通常被准现实地布置，并提供过程控制装备的更类似生活的布局，从而P&ID内的每件装备的位置在某种意义上反应了过程工厂中实际装备的布局。例如，图形显示应用可以使用P&ID来通过描绘空间表示布局中原油单元(crude unit)的每件装备而呈现过程工厂中特定区域内的原油单元，其包括若干件装备，例如加热器、存储槽、脱盐器等。
[0007]另外，P&ID通常允许操作员实时监控工厂内的参数(例如过程变量值)，同时提供高度用户可配置的显示选项。然而，不幸的是，在P&ID中显示实时值并不能有效支持检测这些实时值随着时间的变化。换句话说，经由P&ID显示实时过程变量值不能使P&ID的用户容易地检测或理解正被描绘的实时数据内的趋势。实际上，因为P&ID易于在准空间现实显示器中描绘的装备所不使用的屏幕空间中塞满实时值，所以用户难以看见并理解实时值本身，更不用说所述数据内的时间趋势。
[0008]使该问题恶化的是，P&ID开发者坚信更多的这种数据有助于用户更好地理解过程而在最近更多地试图设计P&ID显示器以反映与过程工厂装备相关联的更多细节或反映更复杂的过程工厂。该创建更复杂的P&ID的推动力已经使得开发者并入以及随后在P&ID中显示来自包括更大量装备和现场设备的日益复杂过程工厂的更多信息。除了操作来在更多图形杂乱中隐藏实时数据外，这些更复杂的P&ID通常包括不一致的布局(从P&ID到P&ID)，使得定位实时参数值对于必须在多个不同P&ID之间切换的用户越来越难。实际上，这些近期的趋势只是恶化了 P&ID内的杂乱，其进一步减缓了用户对过程参数数据做出的搜索。
[0009]结果，利用P&ID监控过程的操作员可能会快速在P&ID中呈现的大量信息中丢失焦点，或者因为操作员被呈现了如此大量细节数据而可能错过在过程中浮现的重要的过程变量趋势或模式。此外，该巨大量的数据尤其在大型复杂过程工厂中是难以看见的，更不用说仅利用P&ID(以及可能的经由P&ID可访问的其它支持图形或图，例如过程变量趋势图)吸收和理解。结果，操作员可能运用不必要的时间和能力来定位和比较过程变量的当前值与设定点值、期望值等。此外，通过在过程中不更快地检测或识别问题，例如特定过程变量的恶化条件等，对于校正可能会导致严重损坏、财产损失、环境污染或者甚至死亡的可能失稳过程，操作员可能反应慢。当操作员试图经由P&ID监控更复杂和/或更大工厂时，这些“恐怖场景”可能更频繁地发生。
[0010]另外，在大型复杂过程工厂的P&ID中导航对于操作员可能是困难的。因为过程工厂的层级本质和广大范围，经由P&ID导航到过程工厂的不同部分或区域将是令人困惑、困难和违反直觉的。取决于控制操作员经由P&ID正在查看的过程工厂的表示的当前层级级别或细节级别，操作员可能不能正确地判定在过程工厂的其他区域的上下文中视口中显示的过程工厂的表示内的当前位置。在当前P&ID查看实施方式中，当查看在P&ID中特定层级级别处过程工厂的表示的该当前位置或区域时，为操作员提供有限数量的超级链接以导航通过工厂的表示。包括工厂中的区域、单元或一件装备的这些超级链接中的一个通常仅表示为文本，并不表明它们相对于工厂中其它区域或单元的具体位置或层级级别。也就是，在导航超级链接和这些超级链接所导向的事物之间通常没有一致的刺激-响应映射，使得经验不足的操作员不能确定何时导航通过一系列的相互连接的P&ID。
[0011]此外，提供给操作员的超级链接通常仅用于在当前层级级别中导航，而不提供额外的选项用于贯穿过程工厂的表示中的位置和层级来导航。换句话说，P&ID缺乏这样的能力:用于操作员“钻下”到更详细的层级级别，同时维持过程工厂的整个表示的上下文。例如，如果过程工厂的表示的不同区域要求操作员立即注意，例如在不同区域的过程变量导致过程的失稳条件，则操作员可能不能确定并随后导航到在过程工厂中相对于过程工厂的当前位置的不同区域的位置。结果，操作员可能在时间关键事件期间忍受不可预测的导航(例如，尝试和错误点击等)，这可能导致操作员经历不必要的压力和挫折而做出差劲的决策。
[0012]类似地，如果操作员成功导航到所识别出的问题的不同区域的位置，则控制操作员仍需要应付试图获得过程控制变量的细节的正确级别。处于太高的细节级别，操作员可能在仅查看P&ID时拥有太少的过程控制信息。可选地，在查看多个过程变量趋势图时，在试图比较当前过程变量值与设定点信息时，等等，操作员可能拥有太多细节。此外，详细的信息源可能不与P&ID集成，并可能需要控制操作员查看跨多个单独窗口或屏幕分布的细节的各种级别的信息。拥有太少或太多细节将导致控制操作员分别做出不完整的或慢的决策，这可能在重要事件或周期期间引起严重的后果。
【发明内容】
[0013]一种过程控制工厂使用图形趋势符号帮助检测和监控在过程控制工厂中的过程变量的趋势的过程控制监控系统。过程控制监控系统中的图形显示应用可以实现并显示每个图形趋势符号，以图形化地表明或封装过程控制工厂中的过程变量的当前趋势和值信息。特别地，图形显示应用可以使用从现场设备收集并存储于数据库中的过程变量数据，来生成被一起显示而形成图形趋势符号的一个或多个图形元素。每个图形元素可以表示与图形趋势符号相关联的过程变量的不同属性，并可以包括表明过程变量的趋势信息的图形趋势元素，例如过程变量的变化率、过程变量的改变方向、过程变量的变化期望度等。类似地，图形元素还可以包括图形值元素，其表明过程变量的当前值信息，例如过程变量距离期望值的幅度、过程变量相对于期望值的位置等。图形显示应用可以显示一起形成图形趋势符号的这些图形元素的一个或多个，并图形或符号地表明过程变量的当前趋势或值。此外，图形显示应用可以在过程控制工厂的图形表示中的空间现实位置处显示图形趋势符号，例如P&ID，从而操作员可以快速地用与图形趋势符号相关联的过程变量的位置(关于图形表示中的图形趋势符号周围的区域)定位自己。
[0014]有利地，图形显示应用可以显示过程工厂的图形表示中的图形趋势符号，同时显示可以向过程工厂的层级结构或每个层级级别(例如，特定区域、单元、装备等)的操作员提供与显示图像表示相关的上下文的导航窗格。重要地，图形显示应用还可以帮助操作员在不同的层级级别中经由导航窗格快速导航，以监控过程工厂的图形表示中不同层级级别的上下文中的图形趋势符号。特别地，图形显示应用可以不断地且一致地以对于图形表示而言相同的相对位置显示导航窗格，从而提供过程工厂的图形表示中可预测和有效的导航。特别地，图形显示应用可以实现导航窗格，以包括不同类型的选择器图标，其中每个选择器图标表示不同的单元、区域、装备等，并对应于工厂的图形表示中所显示的特定图形描绘。有利的是，图形显示应用在不同类型的选择区域中显示不同类型的选择器图标，以用于操作员容易地区分不同的层级级别和过程工厂中对应的过程变量，同时维持与整个工厂相关的上下文。响应于接收选择导航窗格内特定选择区域中的选择器图标，图形显示应用可以根据所选择的选择器图标重定位或改变过程工厂的图形表示的细节级别。
[0015]在工厂的图形表示的空间现实视图中显示图形趋势符号时，图形显示应用可以额外地提供与所显示的图形趋势符号相关联的详细的一个或多个过程变量的变化级别的过程变量信息视图。有利的是，图形显示应用可以确定来实现依赖各种因素的变化级别的细节的一个或多个过程变量信息窗格，所述因素例如屏幕空间、处于关键状态的过程变量等。图形显示应用实现每个窗格，以显示一个或多个过程变量的不同级别的详细信息，所述过程变量对应于在图形表示的当前显示视图中所显示的图形趋势符号。例如，图形显示应用可以显示摘要窗格，其可以只包括图形趋势符号和与图形表示一起显示的一个或多个图形趋势符号的过程变量的相关联名称。此外，图形显示应用还可以显示详细窗格，除了例如在摘要窗格中提供的信息外，其可以包括例如与图形表示一起显示的一个或多个图形趋势符号的当前过程变量幅度/位置值和期望值比较图和/或实际执行器或值位置。此外，图形显示应用可以显示扩展窗格，除了在例如详细窗格中提供的信息，其可以包括例如过程变量的历史图。重要地，响应于接收选择图形表示中的图形趋势符号，选择摘要窗格内的对应过程变量视图，选择在详细窗格内的对应过程变视图等，图形显示应用可以动态加亮图形表示中的图形趋势符号以及窗格内对应过程变量的所有变化的详细视图。
【附图说明】
[0016]为了更完整地理解本公开，应当参考以下详细描述和附图，在附图中相似的附图标记识别图中相似的元素，其中:
[0017]图1是根据本公开一个方面的过程控制系统的示意性表示，所述系统具有控制器(或控制元素)，该控制器配置为从多个现场设备经由控制器和多个现场设备之间的传输通信接收过程变量信息；
[0018]图2是过程控制工厂的一部分中以及用于过程控制工厂的导航窗格中的示例性原油单元的图形表示的屏幕截图；
[0019]图2A示出了图2的导航窗格的另一实现方式；
[0020]图2B示出了包含图2A的示例性导航按钮的另一示例性导航窗格；
[0021]图2C示出了包含图2A和/或2B的示例性导航按钮的另一示例性导航窗格；
[0022]图2D示出了图2C的示例性导航窗格的另一视图；
[0023]图3是用于过程控制工厂的导航窗格的详细视图；
[0024]图4是在过程控制工厂的一部分中以及用于过程控制工厂的导航窗格中的示例性原油单元的图形表示中的加热器的加亮图形表示的屏幕截图；
[0025]图5是在过程控制工厂的一部分、导航窗格、摘要窗格以及扩展窗格中的示例性加热器的图形表示的屏幕截图；
[0026]图6是示例性图形趋势符号的视图；
[0027]图7是可用于创建图形趋势符号的过程变量属性图；
[0028]图7A-D以及图8-17示出了示例性图标以表明与对应于图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；
[0029]图18是图5的屏幕截图的摘要窗格、详细窗格以及扩展窗格的详细视图；
[0030]图18A示出了图18的摘要窗格的可选例子；
[0031]图18B示出了图18的详细窗格的可选例子，其包括示例性过程变量图形以表明比图18A的示例性图形更多的信息；
[0032]图18C示出了图18的过程变量窗格的可选例子，其包括示例性过程变量图形以表明比图18B的示例性图形更多的信息；
[0033]图18D以折叠形式(collapsed form)示出了图18A-18的示例性过程变量摘要窗格；
[0034]图18E示出了用于显示的示例性事件历史表；
[0035]图19是加亮的所选过程变量和所选的过程变量的多个对应的加亮详细视图的屏幕截图；以及
[0036]图20A-20B是生成图形趋势符号的示例性方法。
【具体实施方式】
[0037]本文所描述的可以用于实现和显示图形趋势符号的图1所示的过程控制监控系统10包括过程控制器11，其经由网络总线31 (例如，以太网通信网络)连接到数据库12和一个或多个主机工作站或计算机14上(其可以是任意类型的个人计算机、工作站等)。每个工作站14可以包括存储器，用于存储多个应用(例如包括图形显示应用30)并可以通信地与用户接口 13耦合。控制器11还经由输入/输出(I/O)卡26和28连接到现场设备15-22。数据库12可以是任意期望类型的数据收集单元，其具有任意期望类型的存储器和任意期望或已知的用于存储数据的软件、硬件或固件。系统10还可以在数据库12中存储过程变量值或过程变量数据，用于生成以及随后向操作员显示图形趋势符号。在图1中，控制器11利用硬接线通信网络和通信方案，或者可选地，无线网络和无线通信方案，可通信地连接到现场设备15-22上。
[0038]通常，现场设备15-22可以是任意类型的设备，例如传感器、阀、发射器、定位器等，而I/o卡26和28可以是符合诸如现场总线协议、HART协议、4_20ma模拟协议等的任意期望通信或控制器协议的任意类型的I/O设备。在图1中示出的阀、传感器以及其它装备可以是任意期望类型或种类的装备，例如包括现场总线现场设备、标准4-20ma现场设备、HART现场设备等，并可以以任意期望方式连接到控制器11或受控于控制器11。另外，其它控制器可以经由例如以太网通信线31连接到控制器11以及工作站14，来控制与过程工厂16相关联的其它设备或区域，这种额外控制器的操作可以以任意期望或已知的方式与图1所示的控制器11的操作配合。
[0039]控制器11包括处理器23，其实现或监管存储于存储器24中的一个或多个过程控制例程(或任意模块、块或者其子例程)。一般而言，控制器11与设备15-22、主机计算机14和数据库12通信，以任意期望方式控制过程。此外，控制器11可以利用一般称作功能块的组件实现控制战略或方案，其中，每个功能块是整体控制例程的对象或其它部分(例如，子例程)，其结合其它功能块(经由称作链路的通信)进行操作以实现过程控制监控系统10中的过程控制循环。功能块通常执行以下功能之一:输入功能，例如与发射器、传感器或其它过程参数测量设备相关联的；控制功能，例如与执行PID、模糊逻辑等控制的控制例程相关联的；或输出功能，其控制诸如阀的一些设备的操作，以执行过程控制监控系统10中的一些物理功能。当然，在本文中存在并可以使用混合和其它类型的功能块。功能块可以存储于控制器11或其它设备中并由其执行，如下文所描述的。
[0040]一般而言，图1的过程控制监控系统10可用于监控一个或多个过程控制工厂的过程，在其中，例如，工作站14中的一个执行图形显示应用，该应用允许