優化的DCS設計理念在火力發電廠中的應用

申亞東

【摘要】根據火力發電廠熱工自動化的實際需求，比照控制系統優化的DCS設計要素，分析研究控制系統硬件、軟件和人機界面的人性化，提出了改進意見和設想，以期在確保機組安全、經濟運行基礎上，為運行人員提供更人性化的控制系統。

【關鍵詞】控制系統；人機接口；軟件；人性化

【Abstract】According to the actual demand of engineering automation of thermal power plant， compared with control DCS design system optimization， humanized analysis of control system hardware， software and human-machine interface， put forward the suggestions and ideas， in order to ensure crew safety， economic operation basis， to provide more human control system for operating personnel.

【Key words】Control system；Man-machine interface；Software；Humanization

1. 引言

（1）優化的DCS設計的概念是由工業設計價值觀念的轉變而形成的。十九世紀工業革命以后出現“以機器為本”的設計價值觀念，它以機器功能設計為核心，從而使人成為機器的奴隸，引起很大的心理病態和嚴重的社會問題。為了改善這些問題，二十世紀80年代開始人們提出了“以人為本”的設計理念，即在考慮機器功能使用的基礎上，要更多地注意到人的使用特性。

（2）優化的DCS設計要求圍繞人為中心展開設計，優化的DCS設計體現了“以人為本”的設計核心，它運用藝術與科技，展現了一種人文精神，是人與物、人與自然完美和諧結合的設計，是人類生存意義上的一種高境界設計追求。

（3）本文將針對火力發電廠自動化控制系統的設計，從控制系統人機接口、系統軟件、機柜布置和系統電源設置等方面入手，闡述優化的DCS設計對于火電廠熱控設計所帶來的新思路和意義。

2. 控制系統人性化概述

2.1控制系統優化的DCS設計的要素?？刂葡到y優化的DCS設計中要考慮的層面很多，既有控制系統本身，也有控制系統應用的界面和環境，概括起來主要的因素有：

2.1.1需求因素。

（1） 生理需求。生理需求是人們身體器官、感官必要的需求，如不能滿足就會帶來人們行動、行為的困難，以至無法生活和工作。

（2） 心理需求。心理需求主要要滿足人們精神、情緒及感知上的需求，包括不同的審美意識表現出的審美需求及不同崗位、不同層次的人的自我實現的需求等。

2.1.2人機工程學因素。應用人體測量學、人體力學、生理學和心理學等多學科綜合研究方法，對人體結構和特征進行研究，提供人體機能特征參數，為控制系統設計提供人性化的要求。

2.1.3可靠性因素。 系統的可靠性是人們信賴及接受的基本條件，高可靠性的系統，不僅要提高系統的性能、可用率和使用壽命，同時還應增強系統對人的安全的考慮，體現系統對人性的關懷。

2.1.4環境因素。主要針對系統與人共存的運行操作環境，用優化的DCS設計的理念來分析諸如溫度、濕度、音響、光照及其它物理因素的影響，使人具有安全感和舒適感。

2.1.5美學因素。從優化的DCS設計的角度，研究符合人的審美情趣應考慮的因素，其中涉及人的視覺、聽覺、觸覺及其所感受的對象。

2.1.6文化因素。系統設計應符合發電廠特定的企業文化特征，滿足功能需求，表現出與時代精神和技術進步的與日俱進。

2.2火電廠控制系統人性化追求。

（1）長期以來，人們對火電廠控制系統關注的重點主要都集中在“可靠性”上。時至今日，控制系統產品的硬件可靠性已經完全能夠滿足火電廠安全生產的要求，計算機和網絡技術的快速發展，使控制系統的開放性也進一步加強，軟件也更豐富，在這樣的基礎上提出“人性化”的要求已經具備堅實的條件。

（2）在對控制系統硬軟件全面分析基礎上，本文將主要針對火電廠控制系統應用中的人機界面、硬件可維護性、軟件可操作性及便利性等方面進行分析研究，引入“優化的DCS設計”理念，提出一些認識和設想。

3. 火電廠人機接口配置的人性化

人機接口配置人性化的針對性，是指顯示器的配置方式、布置和信息顯示內容和形式的組合適合人接受信息的生理和心里特征，使操作員對顯示的信息辨認速度快，直觀且可靠性高，減輕精神緊張和身體疲勞。

3.1大屏幕顯示器。

（1）大屏幕顯示器在集控室里能產生一種“辦公室”的工作氣氛，它提供的是一種動態的、綜合的信息媒體，為大家所共享?？陀^上也起到了營造控制室良好視覺的效果。同時，醒目和綜合的信息有助于運行人員進行有效的操作。

（2）大屏幕可代替傳統的報警窗口，進行重要系統圖、概貌圖的清晰顯示，彌補由于取消常規報警光字牌導致DCS系統LED顯示和報警功能的不足。

（3）采用大屏幕顯示器后，運行人員可以結合大屏幕顯示器和運行員站LCD互補使用，以緩解視覺疲勞，提高監盤質量。

（4）采用大屏幕顯示后，可以簡化中央控制室監控系統的組態，縮小運行人員的監視范圍，把機組的監控模式推向一個更高的水平。

3.2閉路工業電視顯示。

（1）閉路電視系統為運行員監控提供直觀畫面，真實反映現場設備運行狀況。

（2）提供主要生產場所和區域的實時圖象，使運行員及時掌握生產活動情況。

（3）實施對重點安全點的連續監視，并能提供歷史分析資料，可以提高全廠安全管理水平。

（4）可實現對環境惡劣區域的連續監視如出渣機、煤倉間等，減輕運行巡視人員工作壓力，改善工作條件。

3.3網絡化智能門禁巡更系統。

（1）門禁巡更系統也將作為人機接口的重要配置，通過網絡傳輸信息實現遠程監控，有效地提高電廠重要場所的安全性，減輕運行巡視人員的壓力。

（2）門禁系統還可以和火災報警及閉路工業電視系統聯動，發生火警時聯動相應房間的門鎖自動打開，并向監控中心報警。同時在閉路電視中心監控屏幕上自動推出報警發生地的攝像畫面，使監控人員直觀地了解現場情況。

3.4人機接口設備布置的人機工程學。

（1）監視操作設備布置。監視操作設備布置也就是對控制室中控制盤臺的設計、布置以及盤臺上各種監視操作設備布置的優化，主要因素有：人的個體尺寸和觸及范圍的物理學、視線和視角的生理學，注意力和察覺力的認識力等因素。 根據人機工程學原理，中國人的人體尺寸一般按身高1.72米左右、坐下后眼睛距地面1.2米左右考慮。人體雙手在水平桌面上左右操作范圍通常為1500mm，前方為600mm，總寬度大于900 mm。根據這一尺度范圍，運行人員坐在合適的轉椅上，應不必站立就可方便地操作。

（2）顯示設備布置?？刂票P、大屏幕及普通操作員站LCD的相對布置對操作員迅速、方便、準確地獲取視覺信息十分重要。因此，根據人的視覺特點，按最佳觀察方式進行，方能提高認讀效率和精度。即操作員的視線決定了運行人員的最佳視野及視區，最適宜觀察的最佳視野是有效視區集合的交集。 在最佳視角范圍，水平視角超過30°就會發生畸變，垂直視角不能超出運行人員眼睛水平面38°以上。與視角相應的另一個重要因素是視距，距離太遠或太近都會引起眼睛的疲勞。根據運行操作經驗：84"大屏幕的最佳視距是2000mm，中心線可位于標準視線上470mm處；21"普通CRT/LCD的最佳視距是770mm， 觀看大屏幕的水平視角為20°，普通LCD為18°；操作臺高為720～ 750mm左右，這個高度屬于控制臺標準設計所允許的范圍。

4. 火電廠控制系統軟件人性化

由于目前各品牌控制系統硬軟件差異較大，系統組態方式各具特色，因此要提出一種統一的“人性化”要求很難，有些要求還會遇到技術瓶頸的限制。盡管如此，仍然想從“人性化”角度研究提出一些要求，作為本文的追求設想。

4.1信息顯示。

（1）采用數據濃縮方法，將信息分層展示?？梢詫碗s的工藝系統分解成不同的子系統，每個子系統可以由其關鍵工藝參數和相關綜合報警提供濃縮信息，在沒有故障的時候，運行人員只需要關注這個關鍵工藝參數就可以了。這種處理方法，將信息分層綜合，分層展示，能夠大大減少運行人員同時關注的數據量。

（2）曲線的應用。某個瞬時的實時數據表達的信息是有限的，運行人員常常需要對多個數據同時進行相關聯分析，這時使用曲線來展示數據就很方便。實際上實時數據曲線的應用已經非常普遍，但是歷史曲線還需要改進，即要求每一臺操作員站都可以調用歷史曲線，在調用幾天的數據時，時間不應長于1秒?？梢詫v史曲線組合存儲起來，以方便調用。

（3）3D技術的采用。目前控制系統的工藝系統畫面都是兩維（2D）的，很少采用三維（3D）畫面，從發展看應該積極推進三維技術的探索。相信隨著軟件技術的發展，三維技術將會突破速度瓶頸，逐步在控制系統的畫面上得到應用，為操作員提供直觀的3D畫面。

4.2操作界面。

（1）操作方式標準化。對于每種操作行為提供標準的操作方式，以規范運行員操作。一般可以歸納為以下幾種操作行為：開關量控制設備啟?；蜷_關、模擬量控制設備的調節、模擬量設定、開關量設定、報警確認等。采用標準的操作方式，可以降低組態開發工作量，也降低對運行人員記憶的要求。

（2）操作提醒。屏幕上的操作提醒可以用不同的顏色來表示。而顏色所表征的信息須與人們對該色調含義的認識相一致。例如：紅色表示錯誤、失敗或停止；黃色代表警告、注意；綠色表示執行、待命或電源接通等。不同色調的合理組合可以使顯示的內容更加醒目，從而加快操作員對信息的搜索并減少作業錯誤。當然，過度地使用顏色，會使整個畫面顯得繁亂，增加運行員的視覺負擔，因此顏色使用的數目以不多于7種為宜。對于設備面板上不能操作的按鈕，建議顯示為灰色。對于操作錯誤，應該給出提醒，比如輸入的量程超限、開啟設備超時、操作拒絕等。某些狀態下，需要運行人員盡快操作的按鈕，畫面上可以顯示閃爍。

（3）操作響應速度 控制系統的響應時間是指用戶在操作員站界面上啟動操作時刻起到操作員站界面上給出結果為止所消耗的時間。操作響應的時間過長，會使運行員感到拖沓，操作響應的時間應與人的視覺反應時間相當為宜，理想的操作響應時間應不超過1000ms。目前控制系統的通訊技術水平也已可以支撐系統的操作響應在1000ms以內。

（4）二次確認。對于重要的設備及其保護邏輯、功能子系統，建議在投入相關的連鎖動作回路或者邏輯保護回路之前，應進行二次確認，防止由于運行人員的誤操作而觸發重要保護連鎖邏輯，或引起重要設備跳閘。

4.3報警系統。

（1）報警方式。報警可以分為兩類，即預告信號和故障信號。預告信號表示正常工況改變或即將發生變化，并不一定需馬上做出處理。而故障信號是報告存在的危險，需要立即采取干預措施。報警一般要配以音響，還可輔助以適當的語音4 ，可以讓信號接受區的任何人都能聽到，并做出預定的反應。在注意力分散或疲勞狀態下，仍能接受到報警信號；不受照明條件的限制等。

（2）采用狀態監測和故障診斷思路設計報警。在發生事故的時候，從出現事故征兆，到事故發生，可能只是幾分鐘的很短過程，在事故狀態時，系統將大量的報警信息不加選擇地送給運行員，要求運行員在極短的時間內閱讀和了解大量報警信息，并采取及時、準確的操作是非常困難的。采用狀態監測和故障診斷的思路設計報警，需要采用狀態監測和故障診斷相關軟件建立一個功能較強的組態平臺，能有效地對報警類別進行分級、增加預告報警、減少報警信息，減輕運行員壓力。

4.4操作指導。

（1）設備操作提示。控制系統的操作畫面一般都有設備的允許和強制條件的提示，但是在實際運行過程中，由于某一設備的允許條件會很多，當設備不允許啟停時，很難快速地查找到原因。作為優化的DCS設計，應該在操作界面有允許的每一個條件；設備的跳閘原因有時可能會有幾個同時出現，光憑肉眼無法分辨，控制系統應具有首出功能，并在操作界面上直觀顯示。

（2）記錄提示?？刂葡到y在運行過程中，一旦遇到突發事故就需要對事件、操作以及報警記錄進行查詢，信息量很大，要花費大量的時間。作為人性化控制系統的設計，各種提示和記錄應以自然語言來表達，當有突發情況或事故發生時，用戶能夠快速地檢索信息，準確地判斷出事故發生的原因。

4.5順序控制。

（1）重視順序控制程序的完善性。在程序設計時要充分考慮到人的干預應最少，基本的操作應該不需要人的參與。同時，在程序設計中不能只考慮正常條件下的簡單過程，要充分考慮各種條件分支，合理運用啟動步、步進、步延、跳步、復位等多種步序手段。

（2）順控系統中采用SFC組態方法 IEC 61131-3標準的順序功能圖語言SFC（Sequence Function Chart），是一種描述工業控制程序的順序行為特征的圖形化語言，可對復雜的過程或操作全面進行輔助開發5。SFC允許一個復雜的問題逐層地分散為步和較小的能夠被詳細分析的順序，對于描述復雜的順序控制非常有效和直觀。根據比較，在分支增加，復雜度高的情況，SFC的程序量是線性增加的，而其它功能塊或梯形圖的組態方式的程序量顯幾何級增加。因此，為了實現完善的順序控制邏輯，宜采用SFC組態方式。

4.6自動調節。

（1）設計完善的超馳控制邏輯。大型火力發電機組的自動控制系統非常復雜，各種信號裝置、執行機構都有可能出現故障。參數設置不合理，也有可能使閉環回路發散。超馳邏輯（overridelogic）必須對上述因素都進行全面監控，一但條件成立，將能越權處理系統故障，使系統調節品質不再繼續變壞，及時采取超馳控制，保證自動調節系統的安全。常用的超馳功能為：切至手動、優先打開、優先關閉、禁止打開、禁止關閉等。

（2）優化偏差切手動邏輯。自動調節系統一般都設計有偏差切手動的超馳邏輯，避免調節回路調節震蕩甚至發散。然而，僅是簡單的判斷偏差大，就切至手動控制，交給運行人員操作，如果運行人員未能及時操作，造成的測量值偏差更大；另外，在事故狀況下，大量自動調節退出自動，平時操作量不多的運行人員根本來不及適應。 對此，建議采用偏差大加延時的方法切手動，偏差大時先啟動報警提示，根據調節對象特性，如果在一段時間內未能消除偏差，再切手動，交由運行人員操作。

（3）用駐留曲線展現大滯后回路的狀態。對于大滯后的調節回路，僅僅依靠當前的畫面實時數據，運行人員不能了解到整個過程。以汽溫調節為例，回路的滯后時間長達數分鐘，看到當前的汽溫數據，不了解波動過程，無法判斷汽溫是在上升過程，還是下降過程，或是在穩定過程，難以執行有針對性的操作。建議在控制系統的畫面上提供從當前時刻向前一段時間的相關數據曲線，從曲線上運行人員能夠全面了解大滯后回路的狀態。此功能不同于歷史曲線，歷史曲線中無法看到當前的實時狀態，也不同于實時曲線 ，一但發生畫面切換，實時曲線要重新繪制，看不到完整的曲線。從當前時刻向前一段時間的相關數據曲線稱為駐留曲線，駐留曲線是存儲在內存中的，存儲容量確定，一般記錄從當前時刻向前數分鐘或更長時間的數據，任何時候都可以用畫面完整調出。駐留曲線功能不存在技術難點，但是對于運行人員的操作非常有幫助，對工程師進行閉環參數的整定也有較大意義。

4.7編程組態。

（1）采用直觀的組態方法。目前，不同的控制系統的組態方法仍然各不相同，要統一到一個通用的廣泛接受的標準，必須要采用IEC61131-3標準。該標準針對工業控制系統所闡述的軟件設計的概念和軟件模型適應了當今工業控制系統的發展方向。有的控制系統廠商宣稱自己的產品符合上述標準，但實際應用中，還有不小的差距。 要進一步提高工程師的工作效率，控制系統的組態要支持IEC 61131-3中的FBD和SFC組態方法。 FBD就是功能塊圖（Function Block Diagram），在程序中，它可看作兩個過程元素之間的信息流7。這種組態方法對于描述閉環控制非常有效和直觀。SFC則是前面提及的順序功能圖。

（2）組態系統直接輸出工程資料。在采用直觀的組態方法的基礎上，控制系統的組態工具還應能夠直接輸出工程師能夠閱讀的工程資料，即邏輯圖和I/O清冊。有了這樣的工具，控制系統的修改和維護工作量將大大降低。

5. 火電廠控制系統機柜布置人性化

控制系統機柜及內部設備布置的人性化主要根據安全性和便利性對機柜標識、內 部設備布置、接線及接線標志等提出要求。

5.1機柜結構。

（1）外形與尺寸。 機柜由于內部承載著工業控制的核心。部件，應以穩固、安全為首要考慮。根據一般機柜的進線量及單元的分配，機柜的寬度以800mm最為適宜，便利人雙手在柜內工作。機柜深度根據其進線不同以600mm為宜，高度定位在2200mm為好。

（2）標識。大型機組控制系統，一般都有幾十面控制機柜，每個機柜都分擔著不同的控制功能，如果機柜表面無任何差別，則很難讓人辨別，因此機柜外表面應有標識（一般為KKS編碼）。標識應明確標明該機柜的柜號及其控制功能或范圍。

5.2柜內布置。

（1）內部設備布置位置標準化，使人不需要根據標識再去一一對照。外形類似的各類模件宜有專門標記，使人一見標記便知道是什么類型的模件。

（2）盡量采用預制電纜，接線采用匯線槽，減輕接線排線的工作量，接線方式以適于右手方便工作為佳。