重型燃氣輪機控制系統人機界面設計探討

郭峰

摘要：重型燃氣輪機控制系統人機界面設計是控制系統正向設計重要內容，在人機交互中起著重要作用，對其友好性、可操作性和舒適性提出了較高要求。

關鍵詞：重型燃氣輪機;人機界面;設計

引言燃氣輪機控制系統人機界面是指燃氣輪機控制保護系統中用于顯示系統流程及發送設備控制命令的畫面，是操作員對設備監控操作的主要界面。人機界面設計是燃氣輪機控制系統自主設計的重要部分，良好的人機界面能引導用戶進行相應的操作，起引導作用，從而減少及防止人為失誤。

一、燃氣輪機

燃氣輪機是一種以連續氣流為工質，驅動葉輪高速運轉，將燃料能量轉化為有用功的內燃機，是一種帶旋轉葉輪式熱力發動機。燃氣輪機工作過程是壓氣機不斷從大氣中吸入空氣并對其壓縮;壓縮后空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，然后流入燃氣輪機膨脹做功，推動渦輪、壓氣機葉輪一起旋轉;加熱后大幅提高了高溫燃氣做功能力，使燃氣渦輪在帶動壓氣機時，仍有余功作為燃氣輪機機械功輸出。當燃氣輪機從靜止狀態啟動時，應通過啟動機帶著旋轉，待其能獨立運行后，脫開起動機。

二、設計原則

在燃氣輪機自主控制系統人機界面設計中，運用平面設計理論及人因工程學對燃氣輪機控制系統人機界面設計進行分析、歸納、總結，制定相應的指導原則及具體細則，根據這些原則制定具體設計細則，參考國家標準、一般規則、行業習慣，制定人機界面設計規范，對畫面類型、布局、背景色、線條、字體、顏色等元素進行約定，確保設計的人機界面一致，具有相似布局、信息顯示模式與操作序列一致。

三、設計體系

具有自主知識產權的重型燃氣輪機控制系統是人機界面設計的基礎。控制系統平臺提供基礎繪圖工具，并根據設計要求開發完善，突破創新，打破現有重型燃氣輪機界面模式。通過對人機界面設計的研發，形成一套人機界面設計系統。與傳統跟蹤仿真模式不同，詳細闡述了人機界面設計指導原則。制定人機界面設計規范，規范化約定人機界面圖像布局、管理、報警管理、趨勢管理等。制定人機界面設計需求分析和報警設計，每幅人機界面有詳細設計報告，引入蟻群算法等工具優化其布局，并用模擬器驗證、測試，最終定稿。

四、圖符設計

圖符設計是燃氣輪機控制系統人機界面的重要設計，也是自主重型燃氣輪機控制系統與其他控制系統的重要區分。圖符設計應類似于流程圖上的表現形式，依據工效學要求，參考電站圖符對象，相關組件或設備應按適當尺寸成組設計，簡潔易懂，以便運維人員識別記憶。圖符分為靜動態圖符。

1、靜態圖符設計。其基于理解控制對象，提取實物特征，用“形”抽象直接表達對象，抽象化處理，用簡單線條及形狀總結與創意表達，在保留對象原始特征基礎上，將其轉換為圖形或符號。然而，創意表達必須滿足無障礙設計要求，易于理解、操作等。

靜態符號可通過兩種方式實現：位圖、矢量量。其中，位圖不可避免地存在存儲空間大、刷新速度慢的缺點。當圖形組態軟件難以實現時，才可使用其他工具設計，Windows操作系統中常見位圖是BMP文件。矢量圖是燃氣輪機控制系統圖形組態軟件提供的圖元設計，即直線、折線、矩形、填充形、文本等。

設計圖符時，可稍加調節長寬比，結合黃金比及白銀比繪制，黃金比為1：1.618，白銀比為1：1.414。黃金比、白銀比被廣泛應用于局部靜態圖符設計中，并采用比較、對齊等設計方法，在符合行業標準及習慣基礎上，提出了“美即適用”原則。

2、動態圖符設計。它使用控制系統圖形組態軟件，通過一個或多個數據源及矢量圖形元素，將靜態圖符與實時數據連接，包括數據交化、狀態變化，以及通過鼠標或鍵盤操作發出操作命令的觸摸連接等;還包括控制系統中的特殊對象，如光字牌等，還可將不同類型對象分組或組成圖庫中的圖宏，方便用戶調用、復制、共享，保證圖元造型、風格、大小的一致性，并具有相同的人機界面功能。原則上，當操作員觀察圖符及其狀態時，動態圖符設計不會產生歧義。

圖符設計運用模塊化設計，考慮容錯原則，即考慮用戶出錯可能性，并采取預防措施，用戶出錯后能及時提供信息。如提示輸入數值范圍，則使用錯誤輸入警告補救，關鍵操作可要求用戶二次輸入確認。

五、人機界面設計實例

人機界面設計不是簡單復制管道系統及儀表設計流程圖，而是一種簡潔性設計，以便運維人員看到某一特定區域內發生的情況，支持所有正常、異常、啟動、停機、切換操作，使運維人員能在整個過程中滿足人因工程學要求，從而減少人為失誤或事故。以燃氣輪機進氣系統人機界面設計為例，在人機界面上顯示主要設備及監控參數，空氣從左至右經防雨罩、防鳥網、除霜系統、折板除霧板、初濾設備、精濾設備、凈化室、消聲器、進氣管、擋板門。根據人機界面設計規范，設備名稱采用12號宋體字體。

上述動態圖符用于進氣擋板門及防冰控制閥，限位開關、壓差開關、設備開關狀態應有特定指示顯示，并在人機界面上設相應帶報警模擬測點圖符。工藝過程量描述應按從左到右、從上到下顯示慣例顯示在數值左側及上方。大氣溫濕度、防冰系統管路壓力與溫度、防冰控制閥開度指令與反饋等運用不帶報警模擬量測點符號圖符。模擬量測點圖符由數值及單位組成;其字體為宋體8號。初濾、精濾設備壓差通過帶報警模擬量測點圖符，模擬值數值正常條件下為黑色，報警時為黃色，壞點時為紫色。無報警時，不顯示報警;高報警，黃色顯示“H”;高高警報顯示“HH”;低報警顯示“L”;低低報警顯示“LL”。單位顏色始終為黑色。

大氣壓力及壓氣機進口壓力采用三選模塊，根據模擬量測點顯示圖符，控制面板點擊調用模擬量三選模塊，三選值可選擇“中值”、“最大值”或“最小值”，來查看每個模擬輸入值。

開關量測點通過開關量測點圖符顯示開關量測點狀態，開關量測點圖符可用于顯示高低壓、高壓差、液位高低等，方格底色根據測點狀態變色，正常下框中顏色為灰色，報警時為黃色，字體為黑色。

人機界面通常根據機組各子系統或流程分布情況，對信息及功能歸類和分組顯示，以確保相關信息出現在群組中，并易于視覺接受。

六、結語

在燃氣輪機虛擬控制仿真系統中對人機界面原型設計進行測試驗證，再設計評價。評價指標分為視覺、交互指標，其中，視覺指標包括界面布局、顏色類型、配色方案;交互指標包括一致性、易用性、反饋性、系統靈活性、系統容錯性、系統響應效率。根據評價指標組織界面設計評審，這是人機界面設計后期的關鍵工作。

參考文獻：

[1]趙瑜.重型燃氣輪機控制系統人機界面設計探討[J].發電設備，2021（06）.