优化的DCS设计理念在火力发电厂中的应用

申亚东

【摘要】根据火力发电厂热工自动化的实际需求，比照控制系统优化的DCS设计要素，分析研究控制系统硬件、软件和人机界面的人性化，提出了改进意见和设想，以期在确保机组安全、经济运行基础上，为运行人员提供更人性化的控制系统。

【关键词】控制系统；人机接口；软件；人性化

【Abstract】According to the actual demand of engineering automation of thermal power plant， compared with control DCS design system optimization， humanized analysis of control system hardware， software and human-machine interface， put forward the suggestions and ideas， in order to ensure crew safety， economic operation basis， to provide more human control system for operating personnel.

【Key words】Control system；Man-machine interface；Software；Humanization

1. 引言

（1）优化的DCS设计的概念是由工业设计价值观念的转变而形成的。十九世纪工业革命以后出现“以机器为本”的设计价值观念，它以机器功能设计为核心，从而使人成为机器的奴隶，引起很大的心理病态和严重的社会问题。为了改善这些问题，二十世纪80年代开始人们提出了“以人为本”的设计理念，即在考虑机器功能使用的基础上，要更多地注意到人的使用特性。

（2）优化的DCS设计要求围绕人为中心展开设计，优化的DCS设计体现了“以人为本”的设计核心，它运用艺术与科技，展现了一种人文精神，是人与物、人与自然完美和谐结合的设计，是人类生存意义上的一种高境界设计追求。

（3）本文将针对火力发电厂自动化控制系统的设计，从控制系统人机接口、系统软件、机柜布置和系统电源设置等方面入手，阐述优化的DCS设计对于火电厂热控设计所带来的新思路和意义。

2. 控制系统人性化概述

2.1控制系统优化的DCS设计的要素。控制系统优化的DCS设计中要考虑的层面很多，既有控制系统本身，也有控制系统应用的界面和环境，概括起来主要的因素有：

2.1.1需求因素。

（1） 生理需求。生理需求是人们身体器官、感官必要的需求，如不能满足就会带来人们行动、行为的困难，以至无法生活和工作。

（2） 心理需求。心理需求主要要满足人们精神、情绪及感知上的需求，包括不同的审美意识表现出的审美需求及不同岗位、不同层次的人的自我实现的需求等。

2.1.2人机工程学因素。应用人体测量学、人体力学、生理学和心理学等多学科综合研究方法，对人体结构和特征进行研究，提供人体机能特征参数，为控制系统设计提供人性化的要求。

2.1.3可靠性因素。 系统的可靠性是人们信赖及接受的基本条件，高可靠性的系统，不仅要提高系统的性能、可用率和使用寿命，同时还应增强系统对人的安全的考虑，体现系统对人性的关怀。

2.1.4环境因素。主要针对系统与人共存的运行操作环境，用优化的DCS设计的理念来分析诸如温度、湿度、音响、光照及其它物理因素的影响，使人具有安全感和舒适感。

2.1.5美学因素。从优化的DCS设计的角度，研究符合人的审美情趣应考虑的因素，其中涉及人的视觉、听觉、触觉及其所感受的对象。

2.1.6文化因素。系统设计应符合发电厂特定的企业文化特征，满足功能需求，表现出与时代精神和技术进步的与日俱进。

2.2火电厂控制系统人性化追求。

（1）长期以来，人们对火电厂控制系统关注的重点主要都集中在“可靠性”上。时至今日，控制系统产品的硬件可靠性已经完全能够满足火电厂安全生产的要求，计算机和网络技术的快速发展，使控制系统的开放性也进一步加强，软件也更丰富，在这样的基础上提出“人性化”的要求已经具备坚实的条件。

（2）在对控制系统硬软件全面分析基础上，本文将主要针对火电厂控制系统应用中的人机界面、硬件可维护性、软件可操作性及便利性等方面进行分析研究，引入“优化的DCS设计”理念，提出一些认识和设想。

3. 火电厂人机接口配置的人性化

人机接口配置人性化的针对性，是指显示器的配置方式、布置和信息显示内容和形式的组合适合人接受信息的生理和心里特征，使操作员对显示的信息辨认速度快，直观且可靠性高，减轻精神紧张和身体疲劳。

3.1大屏幕显示器。

（1）大屏幕显示器在集控室里能产生一种“办公室”的工作气氛，它提供的是一种动态的、综合的信息媒体，为大家所共享。客观上也起到了营造控制室良好视觉的效果。同时，醒目和综合的信息有助于运行人员进行有效的操作。

（2）大屏幕可代替传统的报警窗口，进行重要系统图、概貌图的清晰显示，弥补由于取消常规报警光字牌导致DCS系统LED显示和报警功能的不足。

（3）采用大屏幕显示器后，运行人员可以结合大屏幕显示器和运行员站LCD互补使用，以缓解视觉疲劳，提高监盘质量。

（4）采用大屏幕显示后，可以简化中央控制室监控系统的组态，缩小运行人员的监视范围，把机组的监控模式推向一个更高的水平。

3.2闭路工业电视显示。

（1）闭路电视系统为运行员监控提供直观画面，真实反映现场设备运行状况。

（2）提供主要生产场所和区域的实时图象，使运行员及时掌握生产活动情况。

（3）实施对重点安全点的连续监视，并能提供历史分析资料，可以提高全厂安全管理水平。

（4）可实现对环境恶劣区域的连续监视如出渣机、煤仓间等，减轻运行巡视人员工作压力，改善工作条件。

3.3网络化智能门禁巡更系统。

（1）门禁巡更系统也将作为人机接口的重要配置，通过网络传输信息实现远程监控，有效地提高电厂重要场所的安全性，减轻运行巡视人员的压力。

（2）门禁系统还可以和火灾报警及闭路工业电视系统联动，发生火警时联动相应房间的门锁自动打开，并向监控中心报警。同时在闭路电视中心监控屏幕上自动推出报警发生地的摄像画面，使监控人员直观地了解现场情况。

3.4人机接口设备布置的人机工程学。

（1）监视操作设备布置。监视操作设备布置也就是对控制室中控制盘台的设计、布置以及盘台上各种监视操作设备布置的优化，主要因素有：人的个体尺寸和触及范围的物理学、视线和视角的生理学，注意力和察觉力的认识力等因素。 根据人机工程学原理，中国人的人体尺寸一般按身高1.72米左右、坐下后眼睛距地面1.2米左右考虑。人体双手在水平桌面上左右操作范围通常为1500mm，前方为600mm，总宽度大于900 mm。根据这一尺度范围，运行人员坐在合适的转椅上，应不必站立就可方便地操作。

（2）显示设备布置。控制盘、大屏幕及普通操作员站LCD的相对布置对操作员迅速、方便、准确地获取视觉信息十分重要。因此，根据人的视觉特点，按最佳观察方式进行，方能提高认读效率和精度。即操作员的视线决定了运行人员的最佳视野及视区，最适宜观察的最佳视野是有效视区集合的交集。 在最佳视角范围，水平视角超过30°就会发生畸变，垂直视角不能超出运行人员眼睛水平面38°以上。与视角相应的另一个重要因素是视距，距离太远或太近都会引起眼睛的疲劳。根据运行操作经验：84"大屏幕的最佳视距是2000mm，中心线可位于标准视线上470mm处；21"普通CRT/LCD的最佳视距是770mm， 观看大屏幕的水平视角为20°，普通LCD为18°；操作台高为720～ 750mm左右，这个高度属于控制台标准设计所允许的范围。

4. 火电厂控制系统软件人性化

由于目前各品牌控制系统硬软件差异较大，系统组态方式各具特色，因此要提出一种统一的“人性化”要求很难，有些要求还会遇到技术瓶颈的限制。尽管如此，仍然想从“人性化”角度研究提出一些要求，作为本文的追求设想。

4.1信息显示。

（1）采用数据浓缩方法，将信息分层展示。可以将复杂的工艺系统分解成不同的子系统，每个子系统可以由其关键工艺参数和相关综合报警提供浓缩信息，在没有故障的时候，运行人员只需要关注这个关键工艺参数就可以了。这种处理方法，将信息分层综合，分层展示，能够大大减少运行人员同时关注的数据量。

（2）曲线的应用。某个瞬时的实时数据表达的信息是有限的，运行人员常常需要对多个数据同时进行相关联分析，这时使用曲线来展示数据就很方便。实际上实时数据曲线的应用已经非常普遍，但是历史曲线还需要改进，即要求每一台操作员站都可以调用历史曲线，在调用几天的数据时，时间不应长于1秒。可以将历史曲线组合存储起来，以方便调用。

（3）3D技术的采用。目前控制系统的工艺系统画面都是两维（2D）的，很少采用三维（3D）画面，从发展看应该积极推进三维技术的探索。相信随着软件技术的发展，三维技术将会突破速度瓶颈，逐步在控制系统的画面上得到应用，为操作员提供直观的3D画面。

4.2操作界面。

（1）操作方式标准化。对于每种操作行为提供标准的操作方式，以规范运行员操作。一般可以归纳为以下几种操作行为：开关量控制设备启停或开关、模拟量控制设备的调节、模拟量设定、开关量设定、报警确认等。采用标准的操作方式，可以降低组态开发工作量，也降低对运行人员记忆的要求。

（2）操作提醒。屏幕上的操作提醒可以用不同的颜色来表示。而颜色所表征的信息须与人们对该色调含义的认识相一致。例如：红色表示错误、失败或停止；黄色代表警告、注意；绿色表示执行、待命或电源接通等。不同色调的合理组合可以使显示的内容更加醒目，从而加快操作员对信息的搜索并减少作业错误。当然，过度地使用颜色，会使整个画面显得繁乱，增加运行员的视觉负担，因此颜色使用的数目以不多于7种为宜。对于设备面板上不能操作的按钮，建议显示为灰色。对于操作错误，应该给出提醒，比如输入的量程超限、开启设备超时、操作拒绝等。某些状态下，需要运行人员尽快操作的按钮，画面上可以显示闪烁。

（3）操作响应速度 控制系统的响应时间是指用户在操作员站界面上启动操作时刻起到操作员站界面上给出结果为止所消耗的时间。操作响应的时间过长，会使运行员感到拖沓，操作响应的时间应与人的视觉反应时间相当为宜，理想的操作响应时间应不超过1000ms。目前控制系统的通讯技术水平也已可以支撑系统的操作响应在1000ms以内。

（4）二次确认。对于重要的设备及其保护逻辑、功能子系统，建议在投入相关的连锁动作回路或者逻辑保护回路之前，应进行二次确认，防止由于运行人员的误操作而触发重要保护连锁逻辑，或引起重要设备跳闸。

4.3报警系统。

（1）报警方式。报警可以分为两类，即预告信号和故障信号。预告信号表示正常工况改变或即将发生变化，并不一定需马上做出处理。而故障信号是报告存在的危险，需要立即采取干预措施。报警一般要配以音响，还可辅助以适当的语音4 ，可以让信号接受区的任何人都能听到，并做出预定的反应。在注意力分散或疲劳状态下，仍能接受到报警信号；不受照明条件的限制等。

（2）采用状态监测和故障诊断思路设计报警。在发生事故的时候，从出现事故征兆，到事故发生，可能只是几分钟的很短过程，在事故状态时，系统将大量的报警信息不加选择地送给运行员，要求运行员在极短的时间内阅读和了解大量报警信息，并采取及时、准确的操作是非常困难的。采用状态监测和故障诊断的思路设计报警，需要采用状态监测和故障诊断相关软件建立一个功能较强的组态平台，能有效地对报警类别进行分级、增加预告报警、减少报警信息，减轻运行员压力。

4.4操作指导。

（1）设备操作提示。控制系统的操作画面一般都有设备的允许和强制条件的提示，但是在实际运行过程中，由于某一设备的允许条件会很多，当设备不允许启停时，很难快速地查找到原因。作为优化的DCS设计，应该在操作界面有允许的每一个条件；设备的跳闸原因有时可能会有几个同时出现，光凭肉眼无法分辨，控制系统应具有首出功能，并在操作界面上直观显示。

（2）记录提示。控制系统在运行过程中，一旦遇到突发事故就需要对事件、操作以及报警记录进行查询，信息量很大，要花费大量的时间。作为人性化控制系统的设计，各种提示和记录应以自然语言来表达，当有突发情况或事故发生时，用户能够快速地检索信息，准确地判断出事故发生的原因。

4.5顺序控制。

（1）重视顺序控制程序的完善性。在程序设计时要充分考虑到人的干预应最少，基本的操作应该不需要人的参与。同时，在程序设计中不能只考虑正常条件下的简单过程，要充分考虑各种条件分支，合理运用启动步、步进、步延、跳步、复位等多种步序手段。

（2）顺控系统中采用SFC组态方法 IEC 61131-3标准的顺序功能图语言SFC（Sequence Function Chart），是一种描述工业控制程序的顺序行为特征的图形化语言，可对复杂的过程或操作全面进行辅助开发5。SFC允许一个复杂的问题逐层地分散为步和较小的能够被详细分析的顺序，对于描述复杂的顺序控制非常有效和直观。根据比较，在分支增加，复杂度高的情况，SFC的程序量是线性增加的，而其它功能块或梯形图的组态方式的程序量显几何级增加。因此，为了实现完善的顺序控制逻辑，宜采用SFC组态方式。

4.6自动调节。

（1）设计完善的超驰控制逻辑。大型火力发电机组的自动控制系统非常复杂，各种信号装置、执行机构都有可能出现故障。参数设置不合理，也有可能使闭环回路发散。超驰逻辑（overridelogic）必须对上述因素都进行全面监控，一但条件成立，将能越权处理系统故障，使系统调节品质不再继续变坏，及时采取超驰控制，保证自动调节系统的安全。常用的超驰功能为：切至手动、优先打开、优先关闭、禁止打开、禁止关闭等。

（2）优化偏差切手动逻辑。自动调节系统一般都设计有偏差切手动的超驰逻辑，避免调节回路调节震荡甚至发散。然而，仅是简单的判断偏差大，就切至手动控制，交给运行人员操作，如果运行人员未能及时操作，造成的测量值偏差更大；另外，在事故状况下，大量自动调节退出自动，平时操作量不多的运行人员根本来不及适应。 对此，建议采用偏差大加延时的方法切手动，偏差大时先启动报警提示，根据调节对象特性，如果在一段时间内未能消除偏差，再切手动，交由运行人员操作。

（3）用驻留曲线展现大滞后回路的状态。对于大滞后的调节回路，仅仅依靠当前的画面实时数据，运行人员不能了解到整个过程。以汽温调节为例，回路的滞后时间长达数分钟，看到当前的汽温数据，不了解波动过程，无法判断汽温是在上升过程，还是下降过程，或是在稳定过程，难以执行有针对性的操作。建议在控制系统的画面上提供从当前时刻向前一段时间的相关数据曲线，从曲线上运行人员能够全面了解大滞后回路的状态。此功能不同于历史曲线，历史曲线中无法看到当前的实时状态，也不同于实时曲线 ，一但发生画面切换，实时曲线要重新绘制，看不到完整的曲线。从当前时刻向前一段时间的相关数据曲线称为驻留曲线，驻留曲线是存储在内存中的，存储容量确定，一般记录从当前时刻向前数分钟或更长时间的数据，任何时候都可以用画面完整调出。驻留曲线功能不存在技术难点，但是对于运行人员的操作非常有帮助，对工程师进行闭环参数的整定也有较大意义。

4.7编程组态。

（1）采用直观的组态方法。目前，不同的控制系统的组态方法仍然各不相同，要统一到一个通用的广泛接受的标准，必须要采用IEC61131-3标准。该标准针对工业控制系统所阐述的软件设计的概念和软件模型适应了当今工业控制系统的发展方向。有的控制系统厂商宣称自己的产品符合上述标准，但实际应用中，还有不小的差距。 要进一步提高工程师的工作效率，控制系统的组态要支持IEC 61131-3中的FBD和SFC组态方法。 FBD就是功能块图（Function Block Diagram），在程序中，它可看作两个过程元素之间的信息流7。这种组态方法对于描述闭环控制非常有效和直观。SFC则是前面提及的顺序功能图。

（2）组态系统直接输出工程资料。在采用直观的组态方法的基础上，控制系统的组态工具还应能够直接输出工程师能够阅读的工程资料，即逻辑图和I/O清册。有了这样的工具，控制系统的修改和维护工作量将大大降低。

5. 火电厂控制系统机柜布置人性化

控制系统机柜及内部设备布置的人性化主要根据安全性和便利性对机柜标识、内 部设备布置、接线及接线标志等提出要求。

5.1机柜结构。

（1）外形与尺寸。 机柜由于内部承载着工业控制的核心。部件，应以稳固、安全为首要考虑。根据一般机柜的进线量及单元的分配，机柜的宽度以800mm最为适宜，便利人双手在柜内工作。机柜深度根据其进线不同以600mm为宜，高度定位在2200mm为好。

（2）标识。大型机组控制系统，一般都有几十面控制机柜，每个机柜都分担着不同的控制功能，如果机柜表面无任何差别，则很难让人辨别，因此机柜外表面应有标识（一般为KKS编码）。标识应明确标明该机柜的柜号及其控制功能或范围。

5.2柜内布置。

（1）内部设备布置位置标准化，使人不需要根据标识再去一一对照。外形类似的各类模件宜有专门标记，使人一见标记便知道是什么类型的模件。

（2）尽量采用预制电缆，接线采用汇线槽，减轻接线排线的工作量，接线方式以适于右手方便工作为佳。