CN1360686A - 具有通过作为真实设备模拟装置的虚拟设备模型进行过程直观显示和过程控制的操纵和监控自动化系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种操纵和监控自动化系统的系统和方法,在所述系统中自动化系统的过程通过作为真实设备部件(7)模拟装置的虚拟设备模型(1)在显示设备(2)上直观显示出来,该系统在显示设备(2)上配有用于人机对话地操纵直观显示设备部件(8)的输入屏显区(4a,4b,4c)。所述方法能够在虚拟设备模型(8)中实现导航,设备模型精确地映射出真实的当前状态。通过二维和三维直观显示的组合对于不同的应用场合可以分别选用最有利的图形形式。总之产生一种接近真实的图形,这种图形对复杂过程也能够实现直观的操纵和监控。

Description

具有通过作为真实设备模拟装置的虚拟设备 模型进行过程直观显示和过程控制的操纵 和监控自动化系统的系统和方法
本发明涉及一种用于操纵和监控真实设备、尤其是自动化系统真实过程的系统。
本发明还涉及一种用于操纵和监控真实设备、尤其是自动化系统真实过程的方法。
这样的操纵和监控系统例如应用于自动化技术领域并且形成所谓的人-机界面(MMI)，经常也称为MI(Human Machine Interface)。
本发明的目的在于，提供一种用于操纵和监控的系统和方法，该系统和方法能够实现尽可能接近真实过程状态的描述和评价并由此实现可靠防错的操纵。
本发明的目的通过一种用于操纵和监控真实设备、尤其是自动化系统的真实过程的系统来实现，该系统具有存储设备，用于存储作为真实设备部件模拟装置的虚拟设备模型；具有直观显示设备，用于直观显示虚拟设备模型，尤其是以二维和/或三维方式显示；还具有耦连装置，用于将虚拟设备模型与真实设备部件的过程数据耦连起来并用于耦连包含在虚拟设备模型和/或直观显示设备中的人机对话器件(Interaktionsmitteln)。
本发明的目的通过一种用于操纵和监控真实设备、尤其是自动化系统真实过程的方法来实现，在该方法中，将作为真实设备部件模拟装置的虚拟设备模型存储在存储设备里面，通过直观显示设备尤其以二维和/或三维方式将虚拟设备模型直观显示出来，其中，向虚拟设备模型提供真实设备部件的过程数据并且可以通过包含在虚拟设备模型和/或直观显示设备中的人机对话器件操纵该真实设备。
本发明基于以下认知，即，通过作为真实设备部件模拟装置的虚拟设备模型构成人-机界面，能够实现尽可能接近真实地并由此可靠防错地操纵自动化系统。这些虚拟设备模型借助于直观显示设备，例如显示器直观地显示给操作者，其中根据各设备模型的要求可以实现虚拟设备模型的二维和/或三维显示。本发明的方法和系统的特点在于，真实设备部件，即包括当前过程数据的真实过程通过虚拟设备模型的直观显示联系起来。这一点借助于将虚拟设备模型与真实设备部件的过程数据耦连起来的耦连装置来实现。此外在显示设备中例如以确定的显示屏作为人机对话措施，通过这样的人机对话措施可操纵真实的过程。因此在使用虚拟真实模型(＝VR-Modellen)的条件下得到一个用于直观显示过程的系统。同时按照可预先给定的准则连续地描绘真实过程状态，过程中的这些状态以一个活跃的、类似于图形的、虚拟的设备模型被模拟出来。另外操作者能够通过与虚拟设备模型的人机对话来改变过程参数。另一种用于设置虚拟设备模型的可能性例如包括在没有在先公开的德国专利文献DE 198 32 974.1中。
尽可能与实际相联系的操作者导航可由此来保证，即，系统具有一个控制装置，该控制装置根据虚拟摄象机的当前位置当前直观显示虚拟设备部件。
复杂设备和过程的清晰性可以由此进一步改进，即，控制装置具有按如下方式用于控制过程显示的器件，即，根据距观测者的距离或多或少地显示虚拟设备模型的信息。
设备部件内部的监控可以由此来实现，即，虚拟设备部件透明地构成并且能够看到遮盖在真实设备部件里的部件零件，其中为了保证立体关系仍表示出透明设备模型的外层。
下面借助于附图所示的实施例详细描述和解释本发明，附图中：
图1为一个具有过程直观显示的操纵和监控系统的一个实施例的线路方框图。
图1示出一个具有过程直观显示的操纵和监控系统的一个实施例的方框线路图。该操纵和监控系统主要由数据处理装置构成。其中数据处理装置包括用于存储虚拟设备模型1的存储设备9以及用于直观显示虚拟设备模型的直观显示装置2。除了虚拟设备模型1的图形以外在显示装置2上还配有人机对话措施4，14。人机对话措施4由独立的屏显区4a，4b，4c组成，根据被直观显示的设备部件，分派给各屏显区以确定的功能。人机对话区14a，14b用来改变虚拟摄象机的位置，由此可以在直观显示装置2的中央屏显区里改变被直观显示的设备部分。另外也可以在虚拟设备模型8范围本身中配有其它的人机对话区13a，13b。通过例如“鼠标”点击这个区域13a，13b可以打开或关闭设置在虚拟储罐8上虚拟管道上的相应阀门。直观显示装置2的信号处理部分通过一个耦连装置10与由一个自动化系统11的部分过程3a...3d组成的真实过程3耦连。为此第一连接6(＝过程耦连的去通道)用来作为直观显示装置的输出，而第二连接5(＝过程耦连的回通道)则构成直观显示装置2的输入。
图1所示系统的特点在于，虚拟设备模型8富集了实际过程信号。这一点借助于耦连装置10和连接5，6来实现。通过富集过程数据和过程信号能够使真实过程3的当前状态以直观显示装置和与之相连的过程直观显示的形式动态地映射进一个虚拟设备模型，并能够通过虚拟设备模型8人机对话地改变过程参数。这一点例如可以借助于人机对话措施4a，4b，4c来实现。即可以借助于人机对话措施4a启动或借助于人机对话措施4b停止一个真实过程，而借助于第三个人机对话措施4c可以接通虚拟储罐8和真实储罐7的灌注。所呈现出来的储罐8的当前灌注状态例如可以借助于虚拟储罐模型上的箭头表示出来。此外过程或虚拟部件的状态可以以不同的形式产生，例如通过色彩变换、位置变化等等。
因此在图1所示的系统中能够在具有信号的虚拟真实模型中实现导航，模型映射出被监控过程3的当前状态。同时可以根据一个虚拟摄象机的当前位置当前直观显示虚拟设备模型8。在此，操作者在过程直观显示中只能分别看到当前摄象机的局部，其中摄象机位置的控制例如可以借助于人机对话措施14a，14b实现。在这一点上导航概念可以理解为通过操作者动态地且人机对话地改变摄象机位置。因此操作者可以自主地确定在过程3中对于操作者来说目前重要的视图。例如操作者可以通过粗略的浏览不丢失空间方位(＝摄象机行程)地导航到有故障的设备部分。这种应用可以通过使用虚拟真实技术如“细节等级”、透明度和不同的抽象设备部件图形得到改进。此外“细节等级”技术能够根据距观测者的距离或多或少地将一个关于设备部件的信息直观显示在虚拟设备模型8里。借助于“透明度”技术能够例如保留空间接触地看到设备部件的内部或透看被遮盖的设备部件。例如仍可以微弱可视地保留用来定位的外层。
虚拟设备模型的直观显示在图1所示的实施例中透视地、即以图形方式实现，图形方式由于其逼真性可以非常好地被表现出来。由此还能够将大尺寸的设备紧凑地显示在荧光屏上且不丢失图像的一目了然性。对于虚拟设备模型1，8的图形来说特别适合于与二维或三维图形相结合。三维图形能够实现层次清晰的设备图形，而在二维图形中能够与当前对设备部件的视图无关地、非常紧凑地表示出过程参数和操纵单元。借助于过程直观显示设备2将这两种特性相结合，在过程直观显示设备的设备直观显示图中，二维单元可以与虚拟真实模型的VR视图(虚拟真实视图)相结合。例如被监控或被操纵部件的选择可以在虚拟真实模型里实现显示或例如借助于二维单元改变从属的过程参数。
操作者的经验，例如关于临界状态的经验，通过基于虚拟设备模型8的接近实际的过程状态图形在操纵和监控时能够一起引入并且例如能够直观及时地用于识别故障。即例如能够识别出在储锭场或高台架储存场(Hochregallager)内容器的不均匀分配并作出分配受到干扰的结论。根据接近实际的图形，相应的反应措施可以通过操作者以习惯的方式如同“现场”一样实现。这将能够直观地并由此可靠防错地操纵设备3。省去了从真实图形到抽象图形的转换步骤。同时直观显示设备2、即操纵和监控系统的空间布置与真实设备11完全无关。即直观显示设备2与真实设备11之间的耦连、即去-回通道5，6可以例如以以太网、局域网或互联网连接实现。因此能够与真实设备7，11的真实位置无关地实现接近实际的操纵。
下面描述和解释过程直观显示设备2的主要职能：直观显示设备2负责虚拟设备模型1，8的写入，负责真实过程参数与虚拟设备模型8的输入和输出信号和人机对话措施4，14的配合，负责将真实过程参数提供给虚拟设备模型8的输入信号或者将真实过程3提供给人机对话措施4，14，负责将虚拟设备模型8的输出信号传递给真实过程3，负责以虚拟设备模型8和例如文字和/或图表形式的附加二维元件4，14为基础直观显示当前真实的过程状态，以及负责建立用于过程直观显示设备2的由二维单元或三维视图组成的图片，即视图显示。
过程直观显示设备2构成一个由硬件部分和软件部分共同组成的系统。硬件部分由通常在计算机设备中所存在的部件组成，主要有所谓的CPU(中央处理单元)，主存储器和辅助存储器(如硬盘)，诸如键盘、点击器械(如鼠标，三维鼠标)一类的输入装置，输出设备(如图形卡、显示器、视频投影仪、三维投影仪等等)，以及通讯设备(如以太网卡)。此外硬件的使用和软件模块的协调配合由驱动系统来支持。
此外过程直观显示设备由下列部分组成：一个所谓的虚拟真实输入器，它负责例如以VRML格式写入虚拟真实模型并负责转换成内部专用的部件直观显示。直观显示部分在由二维单元和三维视图构成的情况下能直观显示在投影设备、如计算机显示屏上并根据事件或真实过程3的过程参数变化显示出当前图形，包括例如借助于人机对话措施4，13，14获取输入数据并将它们继续输送给二维单元或三维视图。在此对于事件可以理解为一个参数，该参数可以由驱动系统，例如通过鼠标点击或过程耦连，通过事件接口输送给部件。
二维单元表示为典型的计算机图像元素，如直线、曲线、矩形、文字等等，其中二维单元也可以由其它二维单元组合而成。在图1中所示操纵和监控系统中的二维单元和三维视图具有一个接口，通过该接口能够发送或接收事件。所接收的事件可以导致二维单元或三维视图内部状态的变化，即例如导致其图像的变化如色彩变化、位置变化、尺寸变化。借助于三维视图或三维视域能够实现虚拟设备模型1，8的直观显示。借助于数据库存储所有的图像信息、图形结构、二维单元和三维视图与过程参数的连接或二维单元和三维视图之间的连接、供使用的过程参数清单和与真实过程交换过程参数所必需的通讯信息。
总之，本发明涉及一种用于操纵和监控自动化系统的系统和方法，其中自动化系统的过程通过作为真实设备部件7模拟装置的虚拟设备模型1由显示设备2直观显示出来，同时在显示设备2上配有输入屏显区4a，4b，4c，13a，13b，14a，14b，用于人机对话地操纵和监控直观显示的设备部件8。本方法能够实现在虚拟设备模型8中的导航，设备模型精确地映射出真实的和各个当前的状态。通过二维和三维直观显示的结合对于不同的应用场合可以选择出当时最有利的图像形式。总之得到一个接近实际的、对于复杂过程也能够实现直观操纵和监控的图形。

Claims (8)

1.一种用于操纵和监控真实设备(11)、尤其是自动化系统的真实过程(3)的系统，它具有存储设备(9)，用于存储作为真实设备部件(7)模拟装置的虚拟设备模型(1)；具有直观显示设备(2)，用于直观显示虚拟设备模型(1)，尤其是以二维和/或三维方式显示；还具有耦连装置(10)，用于将虚拟设备模型(1)与真实设备部件(7)的过程数据(5)耦连起来并用于耦连包含在虚拟设备模型(1，8)和/或直观显示设备(2)中的人机对话器件(4)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统具有一个控制装置，该装置用于根据虚拟摄象机(14a，14b)的当前位置当前直观显示虚拟设备部件(1，8)。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述控制装置具有用于控制过程直观显示的器件，这样，根据距观测者的距离可或多或少地直观显示虚拟设备模型(1，8)的信息。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述虚拟设备模型(1，8)透明地构成并且能够看到遮盖在真实设备部件(7)里的部件零件，其中为了保证立体关系仍表示出透明设备模型的外层。
5.一种用于操纵和监控真实设备(11)、尤其是自动化系统的真实过程(3)的方法，在该方法中，将作为真实设备部件(7)模拟装置的虚拟设备模型(1)存储在存储设备(9)里面，通过直观显示设备(2)将虚拟设备模型(1)尤其以二维和/或三维方式直观显示出来，其中，向虚拟设备模型(1)提供真实设备部件(7)的过程数据(5)并且可以通过包含在虚拟设备模型(1，8)和/或直观显示设备(2)中的人机对话器件(4)操纵真实设备。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述虚拟设备模型(1，8)根据至少一个虚拟摄象机(14a..14d)的当前位置被直观显示出来。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，根据距观测者的距离或多或少地直观显示出虚拟设备模型(1，8)的信息。
8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述虚拟设备部件(1，8)透明地构成并且能够看到遮盖在真实设备部件(7)里的部件零件，其中为了保证立体关系仍表示出透明设备模型的外层。
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