基于In Touch的核反應堆控制系統人機界面設計

王　飛，陸古兵，張龍飛，宋　輝，葉博書

(海軍工程大學 核能科學與工程系，武漢　430033)

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基于In Touch的核反應堆控制系統人機界面設計

王飛，陸古兵，張龍飛，宋輝，葉博書

(海軍工程大學 核能科學與工程系，武漢430033)

摘要：建立一套完整的核反應堆控制系統人機界面在核能應用領域具有重要的作用，它既可以實現操縱員與反應堆間的遠程控制，又可以為反應堆操縱員提供運行支持，同時人力資源方面也可以優化，簡化操縱員配置；隨著計算機控制技術的不斷發展，通過計算機開發人機界面進行控制系統信息交互的方式逐漸成為控制領域的主流；主要研究通過In Touch進行核反應堆控制系統的人機界面開發設計，模擬核反應堆運行過程中的參數監控、異常參數的語音報警、診斷處置等，為今后的核反應堆控制系統人機界面優化提供借鑒，使核反應堆控制系統人機界面更加完整、合理、人性化。

關鍵詞:人機界面；組態軟件(In Touch)；控制系統；窗口

目前，核能尤其是核電行業的迅速發展，為解決能源危機做出了巨大貢獻。由于利用核能的同時也伴隨著放射性物質的排放，對環境及人身體危害嚴重[1-4]。因此，核能的利用過程充滿了危險性，為了更好及安全的利用核能，對其過程進行安全、有效的控制十分重要。本文主要研究在核反應堆控制系統中引進人機界面的方法，通過人機交互的形式實現操縱員與設備間信息的遠程傳遞與交換，并模擬參數監控、異常語音報警及相應的操作指導過程。

1人機界面概述

人機界面是人機交互的基礎，是人與機器間的媒介[5]。人機界面實現了人與各設備間的信息傳遞和交互，方便人們對設備進行實時監控和觀察。隨著計算機控制技術和網絡技術的迅速發展，人機界面作為人與機器之間傳話筒，其技術也從最初依靠簡單的語言命令、菜單選項發展到現今可以面對對象的可視化交互，應用范圍越來越廣，技術也越來越成熟[6]，逐漸成為各行各業必不可少的關鍵環節。它的發展總體來說大致分為4個階段，分別是：

初創期(1959—1970)：在這段期間，美國學者B.Shackel撰寫的一篇關于計算機控制平臺設計的人機工程學論文被認為是人機界面研究的第一篇文獻；

奠基期(1970—1979)：在這段時期，主要出版了四本關于人機工程學的專著及成立了兩個HCI研究中心；

發展期(1980—1995)：這段時期，從理論和實踐上對人機交互界面進行總結，出版了六本專著，強調了計算機的反饋作用；

提高期(1996—)：這段時期，人機交互研究的重點主要放在智能化交互、多通道交互、多媒體交互等以人為中心的人機交互技術方面[7]。

人機界面經過長期的發展，目前已有很多成熟的產品投入使用，在核電領域，正在使用的人機界面系統有國內外均使用的安全參數顯示系統(SPDS)，該系統主要用于向操縱員提供一組能夠反映核電廠設計狀態的最小參數集[8]。國內的大亞灣核電廠采用的安全監督盤系統，它具有第一故障識別、執行機構監督、事故規程選擇、電站狀態監測等功能[9]；田灣核電廠采用的穩壓器安全閥狀態監測系統具有全過程實時監測穩壓器安全閥的各項性能參數的功能[10]。

1.1人機界面設計分析

人機界面在現實世界中是一個虛擬的東西，需要載體把它呈現給操縱員。開發者通過這個載體進行人機界面設計，結合PLC、變頻器、儀表等現場控制設備對某一控制系統進行監控，再利用顯示器進行信息交互，從而實現操縱員對某一對象的人機交互[6]。但是，在對某控制系統人機界面開發設計時通常需要按照對象情況進行設計，其設計過程一般包括以下幾個方面：選擇硬件設備組成開發人機界面的硬件環境；選擇開發人機界面的工具，本文主要用組態軟件(InTouch)開發人機界面內容設計，使其合理、有效地反映某一控制系統。

1.2選擇人機界面開發工具

目前，人機界面的開發工具有很多種，如MCGS昆侖通態、力控、InTouch等，本文主要利用InTouch進行開發設計。InTouch是Wonderware公司生產的一種工業自動化軟件，它可以快速構造監控系統，并通過數據庫的配置實現現場數據的采集處理，再以動畫鏈接、報警處理、歷史曲線等多種方式向開發者提供解決某一控制系統的實施方案[11]。由于其簡單靈活的可視化操作界面、實時性強、良好的并行處理性能、廣泛的數據獲取和強大的數據處理功能等優勢，使它在控制領域的應用越來越廣泛。例如DCS在火電廠主控系統中的應用就是以InTouch作為系統的監控軟件，并利用日本山武公司的HARMONAS系統進行火電廠主控系統的開發，采用RTC進行工程組態實現的[12]。核反應堆控制系統通過人機界面實現人機交互的過程如圖1所示。

圖1　核反應堆控制系統結構流程

如圖1所示，核反應堆參數監測控制系統從核反應堆裝置收集運行參數后，傳給監測參數信息轉換模塊進行數據轉換(實時數據)，然后存入核反應堆數據庫中；狀態監測軟件模塊從核反應堆數據庫獲取數據進行核反應堆狀態實時監測，并將獲取的參數與故障診斷軟件模塊從數據庫中獲取的故障參數進行對比，異常時則運行該故障診斷軟件模塊，診斷核反應堆事故性質，同時激活故障指導軟件模塊從數據庫獲取指導參數給出相應的故障操作指導，處理后再回到狀態監測軟件模塊，并對異常參數進行存儲，同時故障參數、指導參數存回數據庫中。狀態監測軟件模塊、故障診斷軟件模塊及故障指導軟件模塊的相應信息均在人機界面顯示，操縱員通過顯示器進行人機交互，實現操縱員對核反應堆裝置系統的監控與判斷。

2核反應堆控制系統人機界面設計

2.1功能需求分析

日本福島核事故的發生，引發了人們的思考，建立一套實現對反應堆參數監控、異常診斷、語音報警、智能操縱等功能于一體的人機交互界面成為核能應用控制領域的重要課題，是實現核能應用更加安全、可靠的基礎。該人機界面的設計需滿足以下功能：

查閱資料設置各參數的閾值，可以在WindowView中模擬反應堆的運行參數監測，在實際應用時，界面顯示的是反應堆的實時運行參數；對運行參數監控，當運行參數中有異常時，將實現參數異常與語音報警同步的方式提醒操縱員注意反應堆的運行狀況，在實際應用中，表示反應堆當前處于危險狀態，操縱員能夠及時的觀察到異常來源；實現參數異常情況的診斷，并給出診斷結果的處置指導，排除反應堆的異常運行。在實際應用中，操縱員需要對反應堆的當前運行狀態進行有效判斷，并及時排除異常；用戶可以通過界面中菜單條上的設備詳情、事故類型、控制系統等對反應堆進行相關知識學習，鞏固基礎知識。

2.2人機界面開發設計過程

這里以菜單、界面布局、參數監控、異常報警操作指導的設計過程為例進行說明。在InTouch應用程序管理器中新建一個任務，選擇WindowMaker進行人機界面主界面開發設計。先新建各窗口，在頂端添加菜單按鈕。然后選主界面按鈕右擊選擇動畫鏈接中的動作觸動按鈕，其相關腳本如表1所示。

表1　主界面按鈕相關腳本

主界面設計效果如圖2所示。

圖2　主界面設計風格

圖2中，頂端為菜單選項，底端為參數單位，右邊黑色區域為參數信息欄。進行菜單開發時，在各按鈕上設計有指示燈框，表示當單擊該按鈕時，該按鈕上的指示燈變黑色，表示界面顯示為當前交互內容。單擊其他按鈕時，其他按鈕指示燈變黑色，上一次按鈕指示燈滅，表示界面切換到其他界面。

對菜單選項的二級菜單，其菜單窗口以彈窗彈出，設計開發過程為：按照按鈕大小新建彈窗窗口，并添加相應的內容，其相關腳本實現過程如表2所示。

表2　二級菜單實現過程相關腳本

對于三級菜單，設計時置于底層，設計效果如圖3所示，當前顯示的界面為二級菜單下的“一回路系統”；其中“RCP測溫旁路系統”、“RCP卸壓階段水位測量系統”為三級菜單按鈕，當單擊時，界面顯示相應按鈕對應的交互內容，對應的按鈕指示燈變黑色。

圖3　二級菜單間的切換

對于參數監控的人機界面設計，設計時除了參數的正常顯示外，還增加了異常參數的變色閃爍與語音播報同步的方式進行報警提醒，即當監控的某一參數異常時，參數信息顯示欄中的參數變灰白，設備處的參數所在矩形框變灰黑閃爍，彈出某一參數異常的警示窗口，同時播放相應音頻文件進行語音提醒，該音頻文件格式為.wav，存儲路徑為”d:sound某參數超限.wav”，在WindowMaker中的條件腳本下寫入代碼進行調用，以冷卻劑入口(進口)溫度超限為例，其實現過程相關腳本如表3所示，設計圖如圖4所示。

其他界面的設計過程相似，這里只是舉幾個進行相應說明。

2.3人機界面使用效果

這里以冷卻劑入口溫度為例進行該人機界面的參數監控、異常參數的語音報警、診斷處置等界面使用效果研究。鑒于反應堆冷卻劑入口溫度的正常工作范圍為280～300℃，所以在設計時，取最高溫度300℃為限值溫度，當參數項監測到冷卻劑入口溫度≥300℃時，就會出現如圖4所示的語音報警界面。

表3　語音報警相關腳本

圖4　參數異常報警界面

當單擊彈出界面的“請操作”按鈕，界面自動跳轉至操作指導界面，如圖5所示。

圖5　異常處置界面

異常診斷完畢后，參數回歸正常，界面跳轉至參數監控界面，即圖4中無異常時的界面。通過模擬使用，該人機界面具有以下幾個方面的優勢：

主界面通過矩形填充框的方式與參數鏈接，可以更加形象的觀察參數的走勢，對較高參數提前做好準備；把語音報警系統與異常參數變色閃爍結合進行提醒，可以減輕操縱員負擔，緩解緊張心態，而且報警具有全局性；可以為核反應堆控制系統人機界面優化及后續開發提供基礎及參考平臺；為核電站簡化操縱員配置提供技術支持，即當建立一套完整的核反應堆控制系統人機界面后，可以減少操縱員的配置，節約人力資源；為后續數據庫開發提供界面支持，同時也為操縱員提供學習資源，操縱員可以在該界面進行專業知識學習，提高專業技能。

3結束語

在InTouch中通過窗口腳本、按鈕腳本、對象腳本的綜合搭配使用，可以實現各窗口間的信息交互，并且參數監控具有全局性，即異常參數在各界面均出現報警提醒。同時結合TTS技術可以實現報警信息的語音播放，即異常參數出現的同時，語音播放該異常參數信息，這種報警方式可以及時處置異常信息，緩解操縱員緊張心態，降低事故的發生率。

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(責任編輯楊繼森)

本文引用格式：王飛，陸古兵，張龍飛，宋輝，等.基于In Touch的核反應堆控制系統人機界面設計[J].兵器裝備工程學報，2016(5):135-138.

Citation format:WANG Fei,LU Gu-bing,ZHANG Long-fei,SONG Hui,et al.HMI Design of Nuclear Reactor Control System Based On In Touch[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):135-138.

HMI Design of Nuclear Reactor Control System Based On In Touch

WANG Fei,LU Gu-bing,ZHANG Long-fei,SONG Hui,YE Bo-shu

(Department of Nuclear Energy Science and Engineering, Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

Abstract:Establishing a complete nuclear reactor control system HMI has an important role in nuclear energy applications,which can achieve the remote control between the operator and the reactor.It also can provide the support of operation for operator,and optimize the human resources and simplify the operator configuration.With continuously developing of computer control technology,the way to develop HMI to achieve information exchange of control system by computer has become the mainstream in the field of control.The article mainly studied HMI of nuclear reactor control system designed by In Touch,and simulated the parameter monitoring,voice alarm of abnormal parameters and diagnostic disposal during operation,aiming to provide a reference for the optimization of future HMI of nuclear reactor control system and to make HMI of nuclear reactor control system more comprehensive,rational and humanization.

Key words:HMI; configuration software(In Touch); control system; window

doi:【基礎理論與應用研究】10.11809/scbgxb2016.05.032

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-25

作者簡介：王飛(1992—)，男，碩士研究生，主要從事反應堆運行控制與仿真研究。

中圖分類號：TL363

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0135-04