大型電站分散控制系統人機界面的設計與實現

蔣滿群， 高煒

(1. 無錫太湖學院 藝術學院， 江蘇 無錫 214001；2. 華電江蘇能源有限公司， 江蘇 南京 210000)

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大型電站分散控制系統人機界面的設計與實現

蔣滿群1， 高煒2

(1. 無錫太湖學院 藝術學院， 江蘇 無錫 214001；2. 華電江蘇能源有限公司， 江蘇 南京 210000)

設計2臺1 000 MW超超臨界發電機組中央控制室和基于maxDNA控制系統的人機界面.中央控制室包含6個功能分區,基于maxDNA控制系統的人機界面包含標示區、控制區、輸入輸出區、信息區，并首次應用于1 000 MW發電機組.結果表明：設計的中央控制室和人機界面遵循了機組運營要求、崗位功能分區、人機工程要求、高安全等級的原則，系統運行至今效果良好，并應用于國內6家電廠.

中央控制室； 分散控制系統； 人機界面； 電站

電站中央控制室作為全廠監視和控制中心，是人與設備信息交換的主要場所，要求寬敞、明亮、舒適，便于人對設備的集中監視和處理.控制室在廠房內的布局隨著工業設計、建筑設計的發展有所差異，但其主要功能未產生變化，即對機組運行進行監視.分散控制系統(distributed control system,DCS)出現于20世紀70年代，并迅速得到推廣.DCS主要由數據采集系統、汽輪機數字電液調節系統、爐膛安全控制系統和發電機控制系統組成[1].國內某新建2臺1 000 MW等級超超臨界發電機組，其中央控制室設計在兩臺機組設備的中央區域以節約建造成本.該機組首次將maxDNA系統應用于1 000 MW等級的發電機組機，進行集中控制.本文以該電廠施工過程為背景，利用人機工程學原理和方法，設計一套基于maxDNA系統的人機界面.

1　系統設備概況

該新建1 000 MW等級超超臨界發電機組主要由汽輪機、鍋爐、發電機和其他輔機構成.鍋爐為東方電氣集團生產的1 000 MW超超臨界直流鍋爐，型號為DG3024/28.35-Ⅱ1.汽輪機為上海汽輪機廠與西門子聯合制造的超超臨界HMN型1 000 MW等級汽輪機，最大出力可達1 030 MW.

2　中央控制室及人機界面設計

2.1設計要求

目前,大型發電機組均采用中央控制室方式進行機組運行狀態監控.電站中央控制室是對機組啟停、調整及事故處理的樞紐.人機界面是值班員監視機組運行工況，并對現場設備及運行狀態進行調整的主要信號反饋通道[2].中央控制室和人機界面有以下3個特點.

1) 受控設備多.根據同類型火力發電機組設備信息統計比較發現，300 MW機組設備總數約4 500個，而1 000 MW等級發電機組設備總數約15 000個.

2) 調節過程慢.根據超超臨界發電機組的運行情況分析，人機界面之間的信息傳遞時間約為5 s，maxDNA系統計算周期為500 ms，這就使得該系統的人機信息交換時間更長.

3) 智能化要求高.人機界面在完成信息傳遞的同時，還會提醒機組安全和經濟效益指標.人機界面的軟件設計應滿足GB/T 20527.1-2006《多媒體用戶界面的軟件人類工效學》標準的要求；重要操作應提供反饋信息并要求確認等[3].

圖1　設計流程圖Fig.1　Design flow chart

2.2設計流程和原則

中央控制室、人機界面的設計復雜而嚴謹，涉及熱控、建筑、電氣、人機工程、通訊等學科.控制室的布局主要依據電站控制室的功能需求，遵循相關國家標準設計原則，嚴格遵循設計法規和人機工程原理，結合設備特點和電站生產要求，并進行科學評價和驗收[4].設計流程,如圖1所示.

中央控制室的總體設計在滿足各方需求的前提下，依據GB/T 22188.3-2010《控制中心的人類工效學設計》、GB/T 14774-1993《工作座椅一般人類工效學要求》等技術規范進行設計.控制室及人機界面設計原則如下.

1) 機組運營要求.在保證設備運行所需要求的前提下，控制室設計應滿足設備布局要求、值班員操作空間要求、發電設備檢查和維護空間要求.

2) 崗位功能分區.中央控制室要按照機組運行、重大操作情況下的人員配置進行設計，以滿足不同崗位人員不同操作內容、等級的需求，如值班長、級組長、值班員之間的崗位差異造成的操作指令不同.

3) 人機工程要求.大型電站中央控制室應滿足人機工程學原理，確?？刂剖覂仍O備配置、環境舒適度等滿足心理學要求.

4) 高安全等級.不同設備對應不同的安全等級.控制室在配置不同設備時，必須進行可靠的物理隔離，尤其在重要信合通訊設備周圍應進行有效的電磁隔離.

2.3中央控制室設計

該電廠新建的兩臺1 000 MW等級超超臨界機組，是典型的單廠雙機配置.

根據該廠運行及設備選型要求和maxDNA廠家提供的技術參數，初步設計中央控制室的功能分區為值班員區、冗余操作區、按鈕區、消防裝置區、值班長裝置區和工程師站.

1) 值班員區.值班員是機組正常運行的核心人員保證，在正常及重大操作過程中對機組運行工況、設備操作等負責.值班員區具體分為1號機組值班員區2人，2號機組值班員區2人，脫硫值班員區1人，網控值班員區1人.每人配置3臺工業計算機.

2) 消防裝置區.根據《消防法》規定，消防裝置區應為24 h監視，但電廠建設方受到人員數量限制，無專人對消防裝置進行監視.因此，中央控制室設計消防裝置集中自動監視裝置，鑲嵌于值班員值班區左墻內部，尺寸為1.6 m×2.0 m×0.2 m.

3) 值班長區.值班長對2臺機組總體運行工況負責，包括機組負荷、燃料情況等，同時，負責與上級電網調度溝通，確定機組運行方式.值班長1人，值班長區設置4臺計算機，4部電話，2臺打印機.值班長區設置于值班員區中央后方5 m處.

圖2　中央控制室設計圖Fig.2　Flow chart of central control room

4) 工程師站.根據機組獨立原則，每臺機組設置一座工程師站，同時，2臺機組設置一座公用輔助工程師站.工程師站主要完成機組DCS參數優化、控制回路校正、參數報警值修改等任務.輔助工程師站主要完成輔助系統參數優化和控制回路校正，如視頻監控、暖通系統監視等.

其他區域如值班員區按鈕盤面、視頻監控等，由電站人員自行根據實際需要進行設計改造.該電廠中央控制室設計圖，如圖2所示.

2.4人機界面設計

基于人機工程學的人機界面設計主要處理人體相關問題.人機界面設計前，收集值班員、值班長人體形態特征參數、年齡分級特征、心理表現特征等[5].人機界面設計在考慮道人機工程的同時，也應滿足人機間交互性原理要求，包括交互技術、交互設備、交互界面等[6-7].電站控制室人機界面工作原理,如圖3所示.

圖3　人機界面工作原理Fig.3　Working principle of man-machine interface

人機界面顯示方式的組合與選擇應按照如下原則[8-9]：重要操作及報警消息設計；顯示的數值及開關信息應基于具體的顯示媒體、語言設計，如表格、柱狀圖的顯示等；對于關聯性較強的數值應突出其關聯性和差異性；對重要保護裝置應借助圖像等流媒體；關鍵參數及重要事件等應在顯著位置設計聲光報警.

界面舒適度主要指界面對眼睛、大腦的刺激程度，且設計界面能否滿足操作需求，尤其在事故工況下的畫面快速切換等.人眼在觀察事物時,獲得的亮度感覺與背景亮度有較大關系，且人眼察覺亮度變化的能力有限，稱為亮度遮蔽特性[10].

圖4　maxDNA人機界面功能分布Fig.4　MaxDNA functional distribution of man-machine interface

不同操作界面，應該設計、配置相同的功能位置，用于用戶快速進行頁面切換及重要信息獲取，并且相同功能位置布置在相同的區域.maxDNA人機界面功能分布[11]，如圖4所示.

maxDNA人機界面，如圖5所示.該界面為電站發電機組總貌圖.每個界面圖上部均為機組重要參數標示功能區，標示區下方為輸入/輸出功能區，控制區占用最大面積用于重要信息獲取及命令執行，界面底部為信息區，主要用于信息獲取、查詢等.在界面的最右側上方為DCS時間，下方為機組重要操作反饋及報警信息顯示.

圖5　maxDNA人機界面Fig.5　Man-machine interface of maxDNA

3　結束語

依據人機工程學，對某新建電站設計一套中央控制室及基于maxDNA控制系統的人機界面.設計的中央控制室分為值班員區、冗余操作區、按鈕區、消防裝置區、值班長裝置區和工程師站等6大區域.同時，單廠雙機配置的設計為同類機組中央控制室的建造提供了借鑒和參考[12-13].該控制室占地面積小、適應性強，能夠滿足人體主觀要求及舒適度要求.基于maxDNA控制系統的人機界面設計了標示區、輸入/輸出區、信息區、控制區以滿足人機信息交換要求，設計充分考慮了運行需求、亮度遮蔽特性等，設計的人機界面為值班員提供了高效、便捷、舒適的操作界面，運行至今效果良好.中央控制室及人機界面已于2013年1月投入使用.目前，該控制室及人機界面已經應用于國內6家同類發電機組.

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(責任編輯： 黃曉楠英文審校： 崔長彩)

Design and Application of Man-Machine Interface for Distributed Control System of Power Plant

JIANG Manqun1, GAO Wei2

(1. College of Art， Taihu University of Wuxi， Wuxi 214001, China;2. China Huadian Corporation Jiangsu Branch， Nanjing 210000， China)

Design two sets of 1 000 MW ultra supercritical generating units of the central control room and based on maxDNA control system which used the man-machine interface. The central control room contains 6 function zones. The man-machine interface of the maxDNA control system includes the marking area, the control area, the input/output area and the information area, and also it is the first application in 1 000 MW power generating. The results show that: the design of the central control room and man-machine interface both follow these priciples, including the requirements of the unit operation, the position of functional partition, the man-machine engineering requirements, and a high level of security, the operation has good result and applying in 6 domestic power plant so far.

centralized control room； distributed control system； man-machine interface； power plant

10.11830/ISSN.1000-5013.201605024

2016-06-21

蔣滿群(1979-)，女，講師，博士，主要從事工業設計與產品設計的研究.E-mail:sheep_jiang@163.com.

中國華電集團公司科技項目(CHDKJ15-01-16)； 無錫太湖學院教改項目(JGYJ2015030)

TB 47

A

1000-5013(2016)05-0645-04