石油化工中控室內操作臺形式的研究與探討

馮欣

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

進入21世紀以來，隨著中國經濟發展腳步的加快，國內千萬噸級煉油、百萬噸級乙烯以及大型煤化工裝置紛紛拔地而起。越來越多的大型石化企業開始采用現代化集中管理模式，在一個中心控制室(簡稱中控室)內集中了全廠絕大部分裝置、單元的操作人員，中控室成為全廠控制系統和生產管理的核心，也是對外展示企業形象的一個窗口。各企業中控室建筑面積競相增加，逐步演變為操作大廳。隨著石化項目的大型化、集成化，中控室內的操作臺(專業術語叫做控制臺[1]，考慮到石化行業多年來的習慣稱謂，本文稱為操作臺)數量從最初的十幾臺、幾十臺，發展到上百臺乃至幾百臺。國內石化行業近年來新建的大型中控室及內部操作臺統計清單見表1所列。

1 中控室和操作臺現狀

1.1 發展歷程

中國石化行業采用中控室始于2000年前后，主要是中外合資項目，以及之前的幾個國內改建和擴建項目，形式和布局比較簡單。國內中資新建項目的大型中控室始于2005年的某煉油項目，起初，中國石化集團公司鑒于投資和操作方式等原因，對這種新生事物還持謹慎態度。設計單位經過調查研究，借鑒了國外宇航中心和其他行業的指揮中心的經驗，采用直列式布置和單體操作站并列組合的方式，規模適中，簡潔實用，投資節省，起到了典型示范作用。

在國內后續新建大型石化項目的審批過程中，主管部門和建設單位不再限制投資和規模，大型中控室開始普及，外部建筑風格和內部布置方式也是百花齊放、形式多樣。某些項目中控室的結構和操作臺的布置和形式流于主觀意識，忽視了操作臺的使用目的，弱化了實用功能。近年來，一些設計項目又開始重新思考，回歸操作和管理實際需要。

表1 國內石化行業近年來新建大型中控室統計清單

1.2 使用狀況

2015年，某煉化企業進行了一次調查，征求操作人員對現有操作臺使用中的意見和建議，反饋意見中超過一半集中在顯示器和座椅高度上，其他還包括鍵盤、顯示器清晰度、腿部空間、文件柜等。原操作臺外觀尺寸如圖1所示，反饋意見分類如圖2所示。

1.3 問題分析

該次調查結果在國內石化行業中具有較廣泛的代表性，歸納問題原因主要有以下三點：

1)主觀重視度不夠。通常認為，操作臺相當于工業辦公桌，只注意擺放形狀，不注意人機關系，供應商提供什么就是什么。沒有了解工業操作臺的設計理論和技術內涵，不重視操作臺對操作人員工作效率的作用，也忽視了圖紙形象和實際體驗之間的差別，造成圖紙形象很好，操作感覺很差的現象。

圖1 某煉化企業原操作臺外觀尺寸示意

圖2 操作人員反饋意見分類示意

2)缺乏專業性設計。操作臺屬于工業級人機接口設備，設計理論是人機工程學，包含很多因地制宜和因人而異的方案，以及專門的規程和技術要求。設計需要具有相關專業知識，并具備一定的工業設計美學基礎。但石化工程設計行業中的自控、電信、建筑等專業均沒有相關的知識背景，也缺乏相應的工程設計標準和技能培訓，很難提出具體合理的量化設計指標。

3)忽視采購環節。以往項目執行過程中，操作臺一般都是由控制系統供應商配套，所提供的操作臺只有幾個簡單的規格和模式。在競標過程中，供貨商為了降低投標設備成本，往往會不顧實際使用性能，選用價格較低、檔次不高的操作臺，難以令使用者滿意。

2 操作臺設計注意事項

操作臺是操作人員長期工作的場所和重要的甚至是唯一的人機界面平臺，布局模式、顯示器設置、桌面高度、座椅位置、腿部空間等都會關系到員工的工作效率和工作狀態，也會影響工作的協同、事件處理的便捷、工作環境的適宜、企業文化的顯現和中控室的整體觀瞻效果。人類工效學對于操作臺系統設計的貢獻應貫穿整個設計過程，應在工作系統設計的初期就應用人類工效學作為預防性措施，而不是在設計完成之后再來解決出現的問題[2]。

2.1 操作臺布局模式

操作臺布局主要有直線、小半徑弧線和大半徑弧線三大類，以及它們相互組合而成的波浪線和不同形狀的小區域等布局。

1)直線布局的操作臺如圖3所示。其結構緊湊，占地面積最小，設計、制造、施工均較容易，開放性好，操作人員活動方便，容易觀察操作臺后方的大屏幕，適用于室內面積有限的中控室；主要缺點是操作人員左右兩側的視角較小，前后排之間的噪聲干擾較大，整體結構穩定性稍差，需要與地面固定。

圖3 直線布局的操作臺示意

2)小半徑弧線布局的操作臺如圖4所示。內弧半徑一般不超過4 m，結構穩定，比直線布局活潑，相鄰臺位顯示器觀測視角較好，同一工段內操作人員溝通方便；主要缺點是占地面積較大，各弧段之間的位置關系較復雜，設計難度較大，現場施工時各排操作臺之間的夾角和距離不易掌握。

圖4 小半徑弧線布局的操作臺示意

3)大半徑弧線布局的操作臺如圖5所示。介于直線型和小半徑弧線之間，兼有二者的優點和缺點。如果圓弧半徑小于10 m，則更接近于小半徑弧線布局；如果超過了10 m，則更接近直線型布局。

圖5 大半徑弧線布局的操作臺示意

石化行業中控室從2000年開始出現，迄今已有20 a，筆者簡單統計了一份20 a內國內外30個大型中控室操作臺的布局方案，如圖6所示。

圖6 國內外石化行業操作臺布局方案統計示意

由圖5中可以看出，2010年以前，采用直線布局的用戶較多，2010年以后更多用戶傾向于采用弧線布局?；【€布局與直線布局相比，線條流暢優美，更具有靈動感；人員位于操作臺視覺區域中心，可以獲取更多的操作信息；包容性的小半徑弧線結構可以降低外界的干擾，為操作人員提供一個相對獨立的工作環境，符合以人為本的設計理念。

2.2 顯示器

2.2.1顯示器規格

顯示器是操作臺上關鍵設備之一，是操作人員獲取信息的視覺窗口。當前石化行業使用的主流顯示器以21～25 in(1 in=2.54 cm，下同)的規格居多，也有少量采用27 in規格的，各規格顯示器的主要參數見表2所列。

表2 顯示器規格參數

從表2中可以看出，同樣規格的顯示器，16∶9 的顯示區域面積小，但最高分辨率高；16∶10 的顯示面積大，但最高分辨率反而低。此外，在顯示器液晶屏加工切割時，作為18～32 in顯示器的5代線玻璃基板(1 100 mm×1 300 mm)和6代線玻璃基板(1 500 mm×1 850 mm)，16∶9規格比16∶10規格可以切割出更多數量的面板[3]，加工成本更低，價格方面有天然的優勢。目前市面上主流顯示器均是16∶9規格，16∶10已開始淡出市場競爭。

2.2.2顯示器安裝方案

人的視角約為150°，橫向35°、縱向20°是清晰視野范圍。如果顯示器視野范圍過大，眼球就得不斷地移動，注視關注范圍，眼球內肌群容易疲勞，讓人眼產生不適。根據顯示器的尺寸和人眼的清晰視角范圍，可以計算得出，21.5～25 in顯示器與人眼之間的最佳距離是750～880 mm。如果超出該距離，則顯示器上的字體會顯得較小，也不利于觀測。

操作人員的不同的坐姿和座位高度決定了眼睛與操作臺的距離和高度。人類工效學提示： 水平視線往下的位置是顯示器較適合觀察的位置，位置過高的顯示器對長期觀察是不利的。操作人員的任務與顯示器高度之間的關系見表3所列。

2.3 臺面形式

2.3.1臺面高度

操作臺的臺面高度應與操作人員的身高相適應。臺面過高，操作時需要抬起上臂，長時間會引起肩膀酸痛；臺面過低，則需要低頭弓背，會引起頸部酸痛。根據GB/T 10000—1988《中國成年人人體尺寸》，18～60歲中國成年男子在坐姿時，肘高距離地面的中位數(50%)為676 mm，前臂長237 mm；成年女子肘高為633 mm，前臂長213 mm[4]?？紤]到臺面上一般都需要放置操作員鍵盤和鼠標，則臺面高度以690～720 mm為宜。操作臺應該配置可以升降的穩定座椅，適應不同身高的操作人員并可調整姿勢，故臺面高度還可以擴大至680～750 mm。

表3 操作人員的任務與顯示器高度之間的關系

2.3.2臺面形式

常見的操作臺臺面形式包括階梯式和平面式兩種規格，兩種規格的操作臺臺面設計方案如圖7所示。

圖7 兩種規格臺面示意

階梯式臺面將臺面分成前后高差不同的兩個區域，顯示器支架安裝在較低的區域，降低了顯示器高度，便于觀測，2層臺面的連接處還可以放置備用電源、散熱孔、導線孔等，但臺面結構復雜，價格比平面式稍高。

2.3.3臺面背板

安裝在臺面上的顯示器、音箱、電話、鍵盤等設備，需要通過臺面開孔連接至臺面下方的設備。為了布線整潔，改善臺面布置環境，一般會在顯示器后方豎立一道背板作為遮擋，背板還可以起到隔離前后排噪聲干擾的作用。另外還有一種夾層式背板，背板內部空間用來穿線纜，外部可以懸掛顯示器，還可以附加文件托盤、水杯、電話附件等體積較小的輔助設備。

2.4 其他問題

如果主機與顯示器之間采用的是KVM(Keyboard/Video/Mouse： 鍵盤、視頻和鼠標遠程端口)技術方案，主機放在機柜室內，則操作臺下方箱體空間充裕，臺面高度也可適當降低。但多數石化廠的主機還是放在操作臺箱體內，因此建議采用后開門、抽拉式主機托盤，也可以采用橫置機箱，便于維護。臺面下方可以放置移動式文件柜。

3 某項目的設計方案

3.1 技術要求

項目設計初期，業主管理人員對中控室整體設計方案提出了以下幾點要求：

1)采用圓形操作區域方案，根據工段設置不同的操作區，各操作區之間互不干擾。

2)在操作臺背后安裝工業電視，顯示盡可能多的現場視頻畫面，代替組合式大屏幕。

3)臺面布置和電纜敷設要便于今后的維護和擴展。

3.2 技術難點

該方案實施起來有以下技術難點。

1)操作臺背后豎立若干面大屏幕監控器是國外廠商的做法，但安裝難度較大，支架重心很高，存在傾倒風險，既占用了操作室內的寶貴空間，整體效果也不美觀。

2)電視監控器歸電信專業負責，操作臺歸儀表專業負責，在設計、制造、安裝、施工過程中存在著大量的交叉作業，協調工作難度較大。

3)采用圓形布局的操作臺可以分割操作分區，但操作臺下方的電纜溝勢必要做成弧線形，這對于設計、制造和施工要求很高。

3.3 解決方案

針對上述技術難點，設計人員經過認真研究，提出了3層操作臺的全新設計方案，希望為用戶提供更好的操作環境。

該方案采用夾層式背板操作臺，背板上用懸掛支架安裝了3層16∶9的顯示器。下面2層是控制系統的顯示器，或開關按鈕安裝板，上面1層是工業液晶電視監視器，雖然視角較高，但并不需要長時間關注，沒有觀察不便的問題。開關按鈕箱、電視監視器的外形尺寸、顏色與顯示器一致。該方案如圖8所示。

根據計算，3層顯示器由于負荷過大，已不適合采用常規立柱式支撐，需要改為從夾層式背板上伸出的懸掛支架模式。同時，操作臺內部采用了2根從上至下貫通的型材柱，保證整個背板的強度。電視監視器采用和顯示器同一系列的產品，帶有高清視頻輸入接口，每排電視監控器帶1個電視監控工作站主機，用于視頻回放功能。

操作區采用雙半圓弧形布局圍成，整體結構非常穩定，甚至不需要在地面通過膨脹螺栓固定。14個操作臺為1組，臺面邊緣距離圓弧中心只有3.3 m，構成了自然的隔離區域，中間放置橢圓形辦公桌，桌面上方預留電源及網絡接口，可作為班組會議的場所。

圖8 某項目新型三層操作臺設計方案示意

該項目未采用以往電纜溝布置在操作臺下方的傳統做法，而是改為電纜溝沿圓形區域直徑方向穿過，電纜沿著電纜溝在中間臺位底部進入操作臺組，再沿操作臺內部的電纜托架橫向到達相關的各操作臺。供電電纜和網絡、信號電纜分別固定在不同的托架內。

除2個進線操作臺和操作區中心辦公桌下方穿洞以外，其他位置的電纜溝上方沒有任何設備或臺位，操作臺下面也沒有電纜溝，非常便于維護和擴展。操作臺平面布置方案及電纜穿線方案如圖9所示。

圖9 操作臺平面布置及下方電纜穿線方案示意

操作臺夾層式背板內部設計了用于報警的嵌入式音箱。為了實現有別于常規過程報警的可燃/有毒氣體報警，特別在背板墻上設計了紅色LED報警燈帶，安裝在高于臺面50 mm的位置，燈帶向下照射臺面，通過臺面反射的方式提醒操作人員及時處理。該設計比較新穎，既醒目又不刺眼，符合國家相關標準要求。中控室某操作區域的實景如圖10所示。

3.4 經驗和心得

經過一年多的使用，用戶對3層操作臺的使用效果比較滿意，特別贊揚了信息量大的優點。

3層操作臺顯示區域大、信息量多，操作臺裝備了工業電視監視器，適應了視頻監視需要。如果采用微邊框顯示器，還可以進一步降低整個背板高度，感覺會更好。懸掛支架可以采用多方向調節支架，以適合不同操作人員的需要。

3層操作臺是一種先進、新穎的人機界面平臺，在不增加占地面積的前提下，增加了顯示信息；將工業電視與過程控制操作集成在操作臺上，便于觀察現場視頻圖像；夾層式背板隔離前后噪聲干擾，帶有多種報警功能，可以配備各種安裝附件，形成多功能的操作臺。該項目采用這種新型多功能操作臺，為操作員提供了較為舒適的多功能工作環境，有著較好的應用前景。

圖10 某項目新型3層操作臺實景示意

3.5 技術總結

在大型石化中控室的設計中，需要注意以下幾點： 儀表、電信、建筑等專業相互配合；設計初期，應為操作臺做獨立概算，詳細設計階段，操作臺應先于控制系統招標；充分重視工業電視、大屏幕顯示器的作用，綜合考慮操作臺整體布局方案；根據人體工程學原理，合理選擇設計參數，設計清晰、簡潔、好用的多功能操作臺。

4 結束語

當前石化裝置中控室內，每個操作臺下方都會放置1臺控制系統操作站(PC機)，操作臺和操作站從某種意義上講幾乎沒有區別。隨著操作站數量的不斷增加，操作臺也逐步橫向擴展，直至超過了本段的臺位限制，延伸到下一個區域。石化系統各裝置的勞動定員數是固定的[5-6]，操作人員需要在各個操作臺之間穿梭往來，既增加了勞動強度，也不利于信息的及時獲取。

今后的操作臺應按操作崗位配置。隨著自動控制和智能控制水平的提高，操作人員的數量會適當減少，每個操作人員操作和管理的操作顯示器會增加?？梢詾槊總€操作崗位配置6～8臺顯示器(甚至更多)，僅設置1套鍵盤、鼠標，采用交互式滑屏技術與操作臺下方不同的操作站主機相連。在操作臺適當位置布置不同用途的報警及輔助設備，還可以配備智能穿戴或多功能耳機，減少噪聲影響，降低操作負荷，提高勞動效率。

精心設計的中心控制室布局和操作臺可以創建舒適、高效、綠色、文明的操作環境，為石油化工工廠實現“安、穩、長、滿、優”的目標奠定良好的控制、操作和管理基礎。