石油化工安全儀表系統人機接口設計與研究

林洪俊

(中國石油工程建設公司 華東設計分公司，山東 青島 266071)

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石油化工安全儀表系統人機接口設計與研究

林洪俊

(中國石油工程建設公司 華東設計分公司，山東 青島 266071)

稿件收到日期： 2015-08-24。

在石油化工企業中，隨著國家法律法規和技術標準的逐步完善，對安全生產的重視程度逐漸提高，安全儀表系統的應用越來越廣泛。GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統設計規范》于2013年9月1日開始實施后，進一步規范了安全儀表系統的設計。但是，在實際工程中，筆者發現不少設計者對人機接口不太重視，對該部分相應的標準規范條款理解不夠透徹，甚至誤讀。因此，在工程設計中，安全儀表系統的操作站、開關、按鈕、報警燈等人機接口設計方案五花八門，不乏存在錯誤。近年來，國內石油化工行業引進了許多工藝包和前端設計(FEED)，其中安全儀表系統人機接口形式不一，更使人機接口的設計方案愈加混亂。

人機接口作為工藝操作人員與安全儀表系統交互的界面，如果設計不當，可能降低安全等級或造成誤停車。因此，正確理解標準規范，建立正確的設計理念，制訂一套完善的人機接口設計方案就顯得十分重要。

1操作站

1．1設置必要性

早期的安全儀表系統中，邏輯控制器由繼電器等硬件搭建，沒有操作站。自采用PLC后，由于初期聯鎖變量少，邏輯關系簡單，人機接口簡單，對操作站需求不強，并且早期的計算機價格高、壽命短，可靠性、可用性、經濟性不佳，因而沒有設置操作站，也沒有共用DCS等基本過程控制系統的操作站。自2000年至今，隨著大型石油化工廠的建設，由于安全儀表系統輸入、輸出數量大幅增加，聯鎖邏輯更為復雜，對報警燈、指示燈、開關、按鈕等人機接口需求量亦相應增加。為提高安全監控水平，嚴控非計劃停車，要求操作站具有以下功能：

1) 界面簡約化。需具有可操作性，并杜絕誤操作。

2) 聯鎖邏輯透明化。以快速、清晰地顯示聯鎖情況。

3) 工作過程協調化。工種間、過程間、系統間協調工作，防止顧此失彼，出現安全真空或誤停車。

操作站可以使聯鎖邏輯關系圖示化，可進行彩色、動態顯示，也可以取代大量的硬件指示燈、開關、按鈕。操作需求促進了操作站設置的必要性，SH/T 3082—2003《石油化工安全儀表系統設計規范》與文獻[1]都規定了安全儀表系統可或宜設操作站。

1．2設置建議

目前，各項目都設計了安全儀表系統操作站，基本配置模式是每套生產裝置設置1臺專用的操作站，部分為每套裝置設置了2臺專用操作站，冗余配置，以提高可靠性。

筆者認為，目前安全儀表系統設置專用操作站的模式不妥，屬極端做法，是對規范理解存在偏頗或理解不透徹，且實際生產中既不利于操作，也未提高安全性，更不經濟。裝置設置2臺專用的操作站更是脫離實際。

實際上，控制系統的使用者是工藝操作人員，而不是儀表人員。工藝操作人員不關心控制系統的后臺，關心的是人機界面，希望集中顯示、集中操作。而目前，每個裝置的操作臺上擺放了DCS，SIS，壓縮機控制系統(CCS)、氣體檢測系統(GDS)、火災檢測系統(FDS)、閉路電視監控系統(CCTV)等多個系統的操作站。人機接口也是各自獨立，初衷是各負其責，保證系統間、功能間界面清楚，但實際上，很多操作站由于不常使用，長時間后工藝操作人員早已忘記了其功能和操作方法，安全儀表系統操作站就屬于這類情況。筆者認為安全儀表系統不宜設置獨立專用的操作站，宜通過系統間通信，共用基本過程控制系統的操作站，如DCS操作站。對此，許多人擔心： DCS操作站沒有SIL等級，不可靠，不能用于安全儀表系統；安全儀表系統與DCS通信不可靠，通信方式不能用于安全儀表系統；安全儀表系統十分重要，若沒有獨立的操作站，發生事故時會耽誤報警和操作，從而不敢共用。

關于操作站的設置，筆者同國外一些著名石化設計公司進行了交流和方案對比，國外不設置獨立的操作站，而是與基本過程控制系統共用操作站。其基本理念與筆者相同： 基本過程控制系統操作站集中了工藝過程的所有信息，在該平臺上，有利于做出正確的判斷，及時停車，在正確的時機復位；使操作人員注意力集中，不必四處去查看分散于各設備的分類信息，實現有效監控。

筆者認為，盡管操作站故障不影響系統安全功能，但對可用性有一定影響。因此，無論是與基本過程控制系統共用操作站，還是獨立設置操作站，均應通過網絡通信技術，在不同的操作站間構成功能冗余，這樣既可保證可用性，又不另增加投資。

2維護旁路開關

2．1維護旁路開關設置

維護旁路開關用于現場測量儀表和線路維護時暫時旁路信號輸入，使安全儀表邏輯控制器的輸入不受現場儀表信號和維護線路的影響。

1) 測量儀表及管路線路的中間維護、校驗通常難以避免。筆者建議每路測量儀表聯鎖輸入信號都應設置維護旁路開關。盡管文獻[1]在條文說明中解釋，“三取二”表決的冗余現場測量儀表輸入信號可不設維護旁路開關，但由于故障處理過程往往超出預想，風險太大，建議還是應該設置。

2) 手動緊急停車按鈕不得設置維護旁路開關，輸出信號不得設置維護旁路開關，以時刻保持手動緊急停車功能。

文獻[1]給出了三種維護旁路開關設置方式： 在安全儀表系統的操作員站設置軟件開關；在基本過程控制系統的操作站設置軟件開關；在輔助操作臺或機柜設置硬件開關。

筆者推薦采用軟件開關，不推薦在輔助操作臺或機柜上設置硬件開關，理由： 儀表維護旁路開關非急用設施，不必在輔助操作臺或機柜上設置硬件開關；操作臺面要求簡潔清晰，儀表維修旁路開關數量多，若布置于臺面，將影響操作人員對臺面設備的辨識；眾多的儀表維修旁路開關需要多個操作臺來安裝，不切實際；大量的硬開關增加了安全儀表系統的輸入信號數量，增加了投資。

2．2維護旁路安全措施

顯而易見，輸入信號被旁路后，該信號失去了自動聯鎖功能，隨之帶來了安全隱患。事實也確實如此，曾有不少這樣的事故案例： 儀表維護人員把某一測量儀表旁路了，但工藝操作人員不知情，在工藝參數超限時還依靠自動聯鎖停車，造成了損失。為避免發生這種情況，文獻[1]要求增加如下安全措施： 在采用軟件旁路開關時，設置 “允許旁路”開關；旁路時報警。但筆者發現上述措施沒有被設計者完全理解，實施情況很差。現分析如下：

1) “允許旁路”開關。許多設計者不清楚“允許旁路”開關的真正功能，導致邏輯設計不當，不能給操作人員提供應有的使用功能，導致業主反對設置。“允許旁路”開關的功能應為： 僅有儀表維護旁路開關切換到旁路位置時，旁路功能還不能生效；只有 “允許旁路”開關切換到允許旁路位置時旁路功能方可生效。旁路生效后，操作站顯示“旁路成功”。只有在顯示“旁路成功”后，儀表人員方可對儀表或線路進行維修。

“允許旁路”開關由工藝操作人員掌握，避免儀表、工藝兩工種工作脫節。工作流程： 儀表人員向工藝操作人員提出旁路申請，經工藝人員批準后，把維護旁路開關切換到旁路位置，“允許旁路”開關切換到允許位置，待看到“旁路成功”指示后，儀表人員對被旁路的測量儀表及管道線路進行維護。此時，工藝操作人員需要對相關工藝參數進行重點關注。按照應急預案，如果發生異常，手動按下緊急停車按鈕。“允許旁路”開關宜按工段設置，不宜過多，否則容易混淆有效管控范圍。為了控制風險，建議在操作規程中規定一次“允許旁路”只允許同時旁路2路測量儀表輸入信號。 “允許旁路”開關應為硬件開關，宜布置于操作臺上，便于工藝操作人員發現開關的功能位置。

2) 旁路報警。當旁路成功時，應進行報警，提醒工藝操作人員自動聯鎖處于失效狀態。筆者建議還應設置旁路計時報警，即當旁路時間超過申請時間時，應進行特殊報警提醒，督促按計劃作業，也避免忘記把切換開關切換至正常功能位置。旁路行為降低了安全功能，必須慎重進行，嚴格管理。軟件旁路要采用軟件密匙管理，須輸入執行人姓名、密碼后方可執行，并自動記錄操作人、操作時間、操作內容等。

2．3維護旁路邏輯

筆者設計了1套旁路邏輯方案，如圖1所示。經多個工程項目檢驗，行之有效，供參考。

圖1　維護旁路開關、“允許旁路”開關設置方案示意

3操作旁路開關

在裝置開工階段，某些輸入信號不能達到正常值，處于聯鎖保護范圍內，裝置被聯鎖，無法繼續開車。操作旁路開關功能： 將這類輸入信號暫時旁路，使邏輯控制器的輸出不受其影響。待工藝過程進入正常狀態后，操作旁路開關再切換至非旁路狀態，使裝置處于正常的保護狀態。文獻[1]規定操作旁路開關有三種設置方式： 在安全儀表系統的操作員站設置軟件開關；在基本過程控制系統的操作員站設置軟件開關；在輔助操作臺設置硬件開關。

由于操作旁路開關不常用，也不急用，沒有必要采用硬件開關。筆者建議宜在基本過程控制系統操作站上設置軟件開關。這樣既可以清楚地看到聯鎖邏輯關系、被旁路的輸入和被旁路后的結果，同時也可以連續監控其他工藝畫面，符合開工操作需求。

操作旁路開關由工藝操作人員管理、使用。旁路狀態應設置報警，以提醒工藝人員注意觀察工藝參數，及時將旁路狀態切換到正常狀態。操作旁路行為降低了安全功能，應慎重使用，嚴格管理。軟件操作旁路時要采用軟件密匙管理，待輸入執行人姓名、密碼后方可執行，并自動記錄操作人、操作時間、操作內容等。

筆者設計了1套操作旁路邏輯，如圖2所示。經多個工程項目檢驗，功能正確。

圖2　進料流量聯鎖操作旁路開關設置方案示意

4旁路邏輯

近20年來，國內邏輯設計方法發生了較大變化，致使不少設計人員對目前的旁路邏輯設計還存在疑惑。設計圖紙作為工程語言，應協調一致，減少爭議，對此有必要加以分析。

4．1旁路范圍

從圖1和圖2可以看出，旁路開關都接入了邏輯控制器的輸入端。而在早期聯鎖保護邏輯設計中，設置的是聯鎖總旁路開關，亦稱聯鎖投入/切除開關，不僅切除輸入，還切除邏輯控制器。這是因為邏輯控制單元可靠性低，也無法在線更改邏輯關系，必須設置總旁路開關，以滿足維護、修改的需要。現在的邏輯控制器可靠性高，達到了相應的SIL等級，完全滿足了生產周期的需要，可在線修改邏輯組態，在線下裝，故不再需要設置總旁路開關。對此，國外也是如此。

4．2邏輯賦值

邏輯賦值不僅用于旁路邏輯，也用于其他的輸入、輸出。由于目前賦值標準不統一，不同的人解讀，得到的因果關系可能會正好相反。

以住，國內都采用正邏輯，把一個事件發生定為“1”。國際工程公司一般采用負邏輯，把一個事件發生定為“0”。據筆者調查，目前國內有少數設計單位仍采用早期的舊模式，即正邏輯，多數設計院采用負邏輯。筆者認為，國內應統一采用負邏輯，這樣既可與國際接軌，負邏輯也更容易被人理解，也契合故障安全型的形象。盡管文獻[1]在7．4．5條款關于電磁閥配置說明時引用過正邏輯，這也僅僅是說明配置的辯證關系。

筆者認為，在目前還沒有統一賦值標準的情況下，在聯鎖邏輯圖中應寫明邏輯賦值約定和詳細圖例，否則容易被解讀或組態成相反的因果關系，尤其是采用了正邏輯的圖紙。

5緊急停車按鈕

5．1緊急停車按鈕設置

緊急停車按鈕是常設按鈕，一般不能缺省。但有些設計者根據工藝條件只設計了工藝過程參數聯鎖，沒有設計緊急停車按鈕。當出現其他緊急情況時，無法停車，這是狹隘理解了聯鎖條件。

緊急停車按鈕必須為硬件按鈕，應布置于操作臺上，且位置要突出、明顯，易于辨識與操作，不得設計成軟件按鈕，以防止在緊急時刻操作人員找不到按鈕，延誤時機。必要時在現場也設置緊急停車按鈕，以便現場發現嚴重問題時立即停車，但應慎重選擇現場停車按鈕安裝位置，應與保護對象間有必要的安全防護間距，且位置要明顯，易于操作。防爆等級、防護等級、防腐等級要滿足現場環境的需要。無論在室內還是室外，緊急停車按鈕要加防護罩，防誤觸誤碰。緊急停車按鈕作為輸入條件，其聯鎖邏輯如圖2所示。

5．2緊急停車邏輯

同旁路開關的問題類似，對于緊急停車按鈕的接入邏輯，也存在疑慮或爭議，主要集中在緊急停車按鈕應接在輸入端還是輸出端。早期的聯鎖系統，因為邏輯控制器可靠性低，為了避免在邏輯控制單元故障時無法實現手動緊急停車，因而緊急停車按鈕跨過邏輯控制單元，直接接到輸出端。目前，邏輯控制器的可靠性達到了相應的安全等級，如果還采用老方案，輸出端需要增加一系列繼電器，反而降低了可靠性。

6復位按鈕

6．1復位功能

復位是聯鎖系統的必須功能。復位的基本作用： 聯鎖動作后，即使過程參數恢復正常，手動停車信號撤銷，但聯鎖邏輯不能隨之翻轉至正常，仍然繼續保持聯鎖狀態。只有按動了復位按鈕，聯鎖邏輯才可翻轉至正常。復位看似簡單，但筆者發現，由于對復位功能認識不足，有些設計中復位功能并不完善，不能發揮正確的作用，甚至造成不良后果。

復位邏輯設計時還要注意不能存在“顫抖”現象，即： 輸入參數不超限時，按下復位按鈕，聯鎖邏輯翻轉，抬手后邏輯隨之翻轉回原狀態；聯鎖后，若輸入參數沒有恢復正常，按下復位按鈕，聯鎖邏輯翻轉至原狀態，抬手后聯鎖邏輯也隨之翻轉回聯鎖狀態。

筆者建議的復位邏輯如圖2所示，其中詳細表達了復位按鈕的功能和邏輯關系，供參考。

6．2復位按鈕設置

復位按鈕有三種設置方式： 在安全儀表系統的操作員站設置軟件按鈕；在基本過程控制系統的操作員站設置軟件按鈕；在輔助操作臺設置硬件按鈕。

與緊急停車按鈕不同，復位信號不是聯鎖條件，也無“緊急”之需，不必設置硬件按鈕。復位是一個重要的操作步驟，在聯鎖停車后，只有相關問題都處理完畢后方可按動復位按鈕。在基本過程控制系統操作站設置軟件復位按鈕，便于操作人員全面觀察相關工藝過程，在正確時機復位，防止在不具備條件時復位造成不良后果。因此，筆者建議復位按鈕采用在基本過程控制系統操作站設置軟件開關的方案，通過系統間通信，把復位信號送至安全儀表系統。

必要時還應在現場設置復位按鈕，當現場確實具備了復位條件方能復位。筆者了解到多起案例，現場尚不具備復工條件，但在控制室內復位，造成了嚴重損失。

某些聯鎖控制閥的復位對工藝過程極其重要，其聯鎖電磁閥應配復位按鈕。在1組聯鎖邏輯總復位后，該控制閥仍然保持其聯鎖時的閥位。只有按動電磁閥上的復位按鈕后，該控制閥才能恢復正常位置。

復位是一個重要的操作行為，操作動作應做報警提示，應自動記錄復位操作、復位時間。

7報警指示燈

對于哪些報警需要在輔助操作臺設硬件指示燈，哪些報警可在操作站設軟件指示燈，標準規范沒有具體規定，設計人員常為此糾結。硬件指示燈設多了，造成操作臺過多，系統I/O點數增加；設少了又存在安全隱患。筆者認為，一般報警設軟件指示燈，如下報警設硬件指示燈：

1) 安全儀表系統故障報警。可提醒用戶進行維護，這類報警無疑非常重要。

2) 關鍵工藝過程參數報警。這類參數超限后，若不啟動聯鎖保護，將會造成嚴重后果。報警可提醒操作人員已發生非常重要的報警，要注意觀察聯鎖保護是否隨之啟動，若聯鎖沒有啟動，應立刻按動緊急停車按鈕或啟動應急預案。

3) 按動緊急停機按鈕報警。可提醒操作人員有特別緊急情況發生，做好應急準備。

4) 聯鎖輸出報警。可提醒操作人員某一組聯鎖已啟動，要注意觀察聯鎖保護動作結果。

8輔助操作臺

輔助操作臺用于安裝安全儀表系統的按鈕、開關、報警燈。經觀察調研，筆者認為在輔助操作臺設計中應注意如下問題：

1) 臺面布置。輔助操作臺用于緊急操作，臺面布置務必清晰，使操作人員能瞬間發現目標，伸手即可操作。臺面宜按聯鎖組分區布置，同一組聯鎖按鈕、開關、報警燈宜集中布置，燈在上方，按鈕/開關在下方。若有條件，可在開關、按鈕、報警燈間繪制簡明的聯鎖關聯示意連線圖，便于操作人員熟悉與掌控。

2) 信號接入。在現場控制室內，輔助操作臺與控制器距離較近，操作臺上的按鈕、開關、報警燈可以方便地接到控制器。在中心控制室(CCR)+現場機柜室(FAR)的石化企業內，輔助操作臺在CCR，控制器在FAR，兩者距離較遠，難以用硬線連接。在這種情況下，宜采用在CCR設遠程I/O的方案，將按鈕、開關、報警燈接到遠程I/O，再經冗余的通信總線，連接到FAR的控制器。安全儀表系統為事故安全型，遠程I/O宜按裝置獨立設置，防止共模故障引發多裝置停車。筆者曾看到一個案例： 在CCR中設了1臺公用的控制器，各裝置操作臺上的按鈕、開關、報警燈均接入該臺控制器。某日，該控制器失電停機，導致所連裝置全部停車，造成了很大的經濟損失。

3) 操作臺形式。操作臺的形式與安全無關，但影響控制室內的環境美觀。傳統的操作臺多為整體斜面柜式，這與操作站液晶顯示器不匹配。筆者建議采用與顯示器外觀一致的輔助操作面板，信號線與電源線布置于安裝支架內。如果設有獨立的系統操作站，宜采用顯示器在上、輔助操作面板在下的布置形式。

9其他人機接口

工程師站、事件記錄站等其他人機接口設備，技術無爭議，設計正常，不再贅述。

10結束語

石油化工安全儀表系統人機接口十分重要，但易被輕視，在實際工程中存在不少問題。筆者根據設計實踐和調查研究，對人機接口進行了分析和探討，給出了推薦方案，希望能給讀者提供啟發，給工程設計提供參考。

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[13]張建國．安全儀表系統在過程工業中的應用[M]．北京： 中國電力出版社，2010．

魏德米勒打造新型壓接工具和電纜端頭

魏德米勒不斷擴充產品全系列，最新開發出專為處理大截面電纜的壓接工具和電纜端頭。新產品始終確保安全的聯接，其包括管式電纜端頭(歐洲系列)截面范圍從0．5～300 mm2和壓縮型電纜端頭(DIN系列)截面范圍從0．5～300 mm2，并適用于各種大截面電纜的壓接插入。兩款新型工具都可被廣泛運用且能滿足用戶的多種需求。

延伸產品還包括用于處理電纜端頭和連接器的EPG 45電動液壓壓接工具(45 kN壓力范圍)，壓接范圍從6～150 mm2；APG 55電動液壓壓接工具(達240 mm2)；HPG 55液壓壓接工具(達240 mm2)；APG 80電動液壓壓接工具(達300 mm2)；HPG 80液壓壓接工具(達300mm2)和AKT 50電動電纜剪(斷線截面積50 mm2)，還包含了電池充電器和可替換的充電電池。(魏德米勒電聯接(上海)有限公司)

摘要：針對工程設計人員在設計中對人機接口重視不夠，影響安全儀表系統可靠性、可用性的問題，對安全儀表系統的操作站、維護旁路開關、操作旁路開關、緊急停車按鈕、復位按鈕、報警指示燈、輔助操作臺等主要人機接口進行了功能分析，對實際工程中存在的問題進行了解析，并給出了推薦方案。經實際工程安裝、投產、運行的驗證，推薦的設計方案效果良好。

關鍵詞：安全儀表系統人機接口操作站維護旁路開關復位按鈕報警指示燈輔助操作臺

Design and Study for Human Machine Interface of Safety Istrumented System in Petrochemical IndustryLin Hongjun

(CPECC East-China Design Branch， Qingdao， 266071， China)

Abstracts： Aiming at the problem that human machine interface has been paid less attention in the design by engineers， which lead to less reliability and usability of safety instrumented system， functions of main human machine interfaces in operation station， maintenance override switch， operational override switch， emergency shut-down button， reset button， alarm lamp and auxiliary consoles in safety instrumented system are analyzed． The existing problems in practical engineering are discussed in detail． The recommended solution is put forward． The practical installation， production and application indicate the solution has good effects．

Key words：safety instrumented system; human machine interface; operation station; maintenance override switch; reset button; alarm lamp; auxiliary console

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)05-0013-06

作者簡介：林洪俊(1963—)，男，山東青島人，1985年畢業于中國石油大學自動化系過程控制專業，獲學士學位，現就職于中國石油工程建設公司，從事煉油廠自動控制設計工作，任副總工程師。