工业大屏系统的研究与应用

摘要：文章研究了工业场景下中央控制室大屏系统的设计与应用。阐述了大屏系统的设计需求、架构原理、视频输入源类型、关键设备和信息展示方式，分析了其优势，并深入探讨了设计要点。所提方案已在实际工程项目中成功应用，显著提升了信息展示和交互能力，可为后续工业大屏系统设计提供参考。

关键词：工业大屏系统；中央控制室；视频拼接控制器；交互设计；信息展示

中图分类号：TP39 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）02-0097-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

随着精益生产理念的深入和科技的不断进步，高效的生产过程监控与管理已成为工业领域的关键需求。中央控制室的大屏系统作为重要的信息展示与交互平台，在工业生产中发挥着至关重要的作用。它能够集成展示各类生产信息，帮助操作人员快速掌握生产全貌，提高决策效率，保障生产安全。本文以实际工程案例为基础，详细研究了工业中央控制室大屏系统的需求，分析其架构、组成和功能，为工业大屏系统的优化设计提供实践指导。

1 大屏系统概述

在工业生产中，中央控制室的大屏系统通过接收控制系统和工业电视等多个系统的信号，实现信息的集中展示，并提供操作人员交互的平台。大屏系统有助于操作人员及时发现生产过程中的异常情况，优化决策，从而提升生产效率和安全性。例如，当某个生产环节出现参数异常时，大屏系统能够立即显示相关信息，操作人员可以提前调整操作。大屏系统通过快速呈现生产过程概况，实现信息共享，促进生产协作。

2 大屏系统要求

工业控制系统中央控制室的大屏系统应满足以下要求：

1） 与控制系统二层通信连接，但不能影响控制系统的实时运行性及监控操作。

2） 配置一台画面主机，显示工厂当前整体运行状况及主要工段的过程和设备状态。

3） 能够显示各工段共40余台操作员站的工艺过程模拟图、重要报警、状态和关键参数。

4） 基于工业电视系统，显示不少于9路的重要现场视频监控。

5） 提供基于运行班组需求的灵活应用。

6） 具备一定的视频信号扩展能力。

7） 大屏幕之间实现无缝连接，画面平滑过渡。

3 大屏系统架构图

大屏系统的架构设计基于信息的集中处理与再分配。各个视频信号源通过视频拼接控制器汇聚，再分配至大屏显示。系统主要包括操作员站、画面主机、可视化图形工作站、工业电视系统接口、视频拼接控制器和大屏显示设备等。考虑到中央控制室的静音需求，各类主机和拼接控制器通常布置在机柜间的机柜内，中央控制室仅放置显示器、键鼠及大屏幕等人机接口设备。具体架构如图1所示。

4 视频输入源分析

4.1 操作员站

操作员站是工业控制系统与操作人员交互的界面，用于监视和操作生产过程，也可用于组态配置[1]。操作员站可为视频拼接控制器提供实时的工艺画面。

4.2 画面主机

画面主机专用于大屏显示，提供全厂总貌画面、综合画面和工艺监视画面，但不具备控制功能。

4.3 工业电视系统

工业电视系统提供关键区域的视频信号，实现对生产过程、关键设备及人员活动的实时监控，为操作人员提供直观的视觉反馈。视频信号通过解码器传输至视频拼接控制器。

4.4 可视化图形工作站

可视化图形工作站采用实时渲染技术，展示关键设备的三维动态模型和定制化信息。工作站配合可视化服务器，通过标准工业通信协议（如OPC） ，从控制系统中获取实时数据，为视频拼接控制器提供视频源。

5 大屏系统组成

大屏系统由视频源发出设备、传输线缆、视频拼接控制器、大屏维护管理站及大屏显示设备组成。

5.1 视频源发出设备

视频源发出设备主要包括操作员站、画面主机和可视化图形工作站。这些设备通常采用多屏显卡技术，实现多视频源的输出。例如，操作员站配置了四口显卡，其中三个端口通过KVM延长器连接至中央控制室的显示器和键鼠，用于工艺监控；另一个端口配置为克隆模式[2]，可将任意工艺画面复制输出至大屏，实现信息的共享与交互。

5.2 视频拼接控制器

视频拼接控制器是大屏系统的核心设备，负责接收多路视频信号，经过处理后输出至显示设备。设计时需确保其尺寸符合标准机柜尺寸，并尽量统一各设备间的接口，减少转换设备，提高通信可靠性。本方案优先选用支持4K分辨率的HDMI 1.4输入端口和光纤输出端口，并预留20%以上的接口扩展能力。

5.3 大屏维护管理站

大屏维护管理站通过网络与视频拼接控制器连接，利用其强大的视频处理能力，对输入信号进行拼接、开窗、漫游等操作。维护管理站还可以对大屏系统进行配置，如亮度、色彩调节，诊断和场景轮巡设置，满足用户的多样化需求。

5.4 大屏显示设备

大屏显示设备采用小间距LED屏，具有无缝拼接、高亮度、高对比度和高分辨率等优点[3]，适合工业现场关键参数的显示。根据人机工程学要求，大屏幕布置在中央控制室前方，确保操作员视觉舒适。大屏幕布局示意如图2所示。

5.5 视频传输线缆

视频传输线缆对系统稳定性至关重要。工业环境中电磁干扰较强，采用HDMI光纤线和光缆传输视频信号，具有传输距离长、抗干扰能力强的特点[4]，确保信号稳定传输。

5.6 KVM 延长器

KVM延长器用于连接主机与远程的显示器和键鼠，分为发送端和接收端，通过光缆连接。在工业控制场景中，为保证操作员站的高可用性，建议采用独立的KVM延长器，避免使用基于IP的KVM系统[5]，减少网络故障对操作员站的影响。

6 大屏系统展示的信息

大屏系统主要展示以下信息：

1） 工艺监控画面：来自操作员站，可将关键画面、趋势、报警等信息投放至大屏。

2） 总貌与综合画面：来自画面主机，全面展示整体运行状态和关键综合信息。

3） 视频监控画面：来自工业电视系统，提供工业现场的实时视频。

4） 三维可视化展示：来自可视化图形工作站，呈现关键设备的三维模型和定制化信息。

5） 临时宣传内容：来自大屏维护管理站，可播放宣传视频、标语等。

通过合理分区，大屏系统可在同一屏幕上清晰呈现不同类型的画面，互不干扰，并支持快速切换和投放，提高信息传达的效率。

7 优势分析

本方案基于工业现场的实际需求，具有以下优势：

1） 降低噪音：所有主机均放置于机柜间，减少中央控制室的噪音干扰。

2） 无缝拼接显示：采用小间距LED屏，拼缝小于0.1mm，显示效果优异，维护成本低[6]。

3） 高可靠性：统一设计通信线缆和接口，采用HDMI光纤线和光缆传输视频信号，提升了长距离传输和抗干扰能力，确保信号稳定。

4） 增强交互性：每个操作员站均可投屏，提升了操作人员与大屏系统的交互效率。

5） 丰富的可视化内容：可视化图形工作站提供了多维度的人机浏览方式，增强了信息展示效果。

8 结论与展望

本文基于工业场景和实际需求，设计了一套高效的中央控制室大屏系统，提升了操作员站的投屏能力和系统的交互性，通信接口的统一设计提高了系统可靠性。该方案已成功应用于实际工程项目中。未来，工业中央控制室大屏系统将进一步与分散控制系统深度融合，采用新兴的显示技术、大数据分析和人工智能技术，实现更高效的信息投放和互动机制，提供更丰富的多维度信息展示，助力工业生产的高效、安全和智能化发展。

参考文献：

[1] HG/T 20573-2012 分散型控制系统工程设计规范

[2] 毕嗣民，程江涛，谢振华，等.多屏显示的研究与应用[J].仪器仪表用户，2011，18（6）：69-72.

[3] 张仁明. 大屏显示系统主流方案分析[J]. 广播电视网络，2023，30（4）：93-95.

[4] 陶晓臻，张云霄，于海波.几种H DMI传输方式的分析比较[J].电子世界，2020（16）：47-48.

[5] 刘世飞，蒋小兵，李凌寒.KVM技术演进及其在电力调度系统中的应用[J].河南电力，2021（S1）：60-64.

[6] 钟铁军，李江山.小间距LED屏幕在广电监管业务中的应用设计[J].智能建筑电气技术，2024，18（5）：110-113.

【通联编辑：梁书】