大型電站分散控制系統(tǒng)人機界面的設(shè)計與實現(xiàn)

蔣滿群， 高煒

(1. 無錫太湖學(xué)院 藝術(shù)學(xué)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(tǒng)人機界面的設(shè)計與實現(xiàn)

蔣滿群1， 高煒2

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

設(shè)計2臺1 000 MW超超臨界發(fā)電機組中央控制室和基于maxDNA控制系統(tǒng)的人機界面.中央控制室包含6個功能分區(qū),基于maxDNA控制系統(tǒng)的人機界面包含標示區(qū)、控制區(qū)、輸入輸出區(qū)、信息區(qū)，并首次應(yīng)用于1 000 MW發(fā)電機組.結(jié)果表明：設(shè)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(qū)、人機工程要求、高安全等級的原則，系統(tǒng)運行至今效果良好，并應(yīng)用于國內(nèi)6家電廠.

中央控制室； 分散控制系統(tǒng)； 人機界面； 電站

電站中央控制室作為全廠監(jiān)視和控制中心，是人與設(shè)備信息交換的主要場所，要求寬敞、明亮、舒適，便于人對設(shè)備的集中監(jiān)視和處理.控制室在廠房內(nèi)的布局隨著工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計的發(fā)展有所差異，但其主要功能未產(chǎn)生變化，即對機組運行進行監(jiān)視.分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)出現(xiàn)于20世紀70年代，并迅速得到推廣.DCS主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、汽輪機數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、爐膛安全控制系統(tǒng)和發(fā)電機控制系統(tǒng)組成[1].國內(nèi)某新建2臺1 000 MW等級超超臨界發(fā)電機組，其中央控制室設(shè)計在兩臺機組設(shè)備的中央?yún)^(qū)域以節(jié)約建造成本.該機組首次將maxDNA系統(tǒng)應(yīng)用于1 000 MW等級的發(fā)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(xué)原理和方法，設(shè)計一套基于maxDNA系統(tǒng)的人機界面.

1　系統(tǒng)設(shè)備概況

該新建1 000 MW等級超超臨界發(fā)電機組主要由汽輪機、鍋爐、發(fā)電機和其他輔機構(gòu)成.鍋爐為東方電氣集團生產(chǎn)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(lián)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(shè)計

2.1設(shè)計要求

目前,大型發(fā)電機組均采用中央控制室方式進行機組運行狀態(tài)監(jiān)控.電站中央控制室是對機組啟停、調(diào)整及事故處理的樞紐.人機界面是值班員監(jiān)視機組運行工況，并對現(xiàn)場設(shè)備及運行狀態(tài)進行調(diào)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(shè)備多.根據(jù)同類型火力發(fā)電機組設(shè)備信息統(tǒng)計比較發(fā)現(xiàn)，300 MW機組設(shè)備總數(shù)約4 500個，而1 000 MW等級發(fā)電機組設(shè)備總數(shù)約15 000個.

2) 調(diào)節(jié)過程慢.根據(jù)超超臨界發(fā)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(tǒng)計算周期為500 ms，這就使得該系統(tǒng)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(jīng)濟效益指標.人機界面的軟件設(shè)計應(yīng)滿足GB/T 20527.1-2006《多媒體用戶界面的軟件人類工效學(xué)》標準的要求；重要操作應(yīng)提供反饋信息并要求確認等[3].

圖1　設(shè)計流程圖Fig.1　Design flow chart

2.2設(shè)計流程和原則

中央控制室、人機界面的設(shè)計復(fù)雜而嚴謹，涉及熱控、建筑、電氣、人機工程、通訊等學(xué)科.控制室的布局主要依據(jù)電站控制室的功能需求，遵循相關(guān)國家標準設(shè)計原則，嚴格遵循設(shè)計法規(guī)和人機工程原理，結(jié)合設(shè)備特點和電站生產(chǎn)要求，并進行科學(xué)評價和驗收[4].設(shè)計流程,如圖1所示.

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

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

2) 崗位功能分區(qū).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(shè)計，以滿足不同崗位人員不同操作內(nèi)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(yīng)滿足人機工程學(xué)原理，確保控制室內(nèi)設(shè)備配置、環(huán)境舒適度等滿足心理學(xué)要求.

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

2.3中央控制室設(shè)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(jù)該廠運行及設(shè)備選型要求和maxDNA廠家提供的技術(shù)參數(shù)，初步設(shè)計中央控制室的功能分區(qū)為值班員區(qū)、冗余操作區(qū)、按鈕區(qū)、消防裝置區(qū)、值班長裝置區(qū)和工程師站.

1) 值班員區(qū).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(shè)備操作等負責.值班員區(qū)具體分為1號機組值班員區(qū)2人，2號機組值班員區(qū)2人，脫硫值班員區(qū)1人，網(wǎng)控值班員區(qū)1人.每人配置3臺工業(yè)計算機.

2) 消防裝置區(qū).根據(jù)《消防法》規(guī)定，消防裝置區(qū)應(yīng)為24 h監(jiān)視，但電廠建設(shè)方受到人員數(shù)量限制，無專人對消防裝置進行監(jiān)視.因此，中央控制室設(shè)計消防裝置集中自動監(jiān)視裝置，鑲嵌于值班員值班區(qū)左墻內(nèi)部，尺寸為1.6 m×2.0 m×0.2 m.

3) 值班長區(qū).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(wǎng)調(diào)度溝通，確定機組運行方式.值班長1人，值班長區(qū)設(shè)置4臺計算機，4部電話，2臺打印機.值班長區(qū)設(shè)置于值班員區(qū)中央后方5 m處.

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

4) 工程師站.根據(jù)機組獨立原則，每臺機組設(shè)置一座工程師站，同時，2臺機組設(shè)置一座公用輔助工程師站.工程師站主要完成機組DCS參數(shù)優(yōu)化、控制回路校正、參數(shù)報警值修改等任務(wù).輔助工程師站主要完成輔助系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和控制回路校正，如視頻監(jiān)控、暖通系統(tǒng)監(jiān)視等.

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

2.4人機界面設(shè)計

基于人機工程學(xué)的人機界面設(shè)計主要處理人體相關(guān)問題.人機界面設(shè)計前，收集值班員、值班長人體形態(tài)特征參數(shù)、年齡分級特征、心理表現(xiàn)特征等[5].人機界面設(shè)計在考慮道人機工程的同時，也應(yīng)滿足人機間交互性原理要求，包括交互技術(shù)、交互設(shè)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(yīng)按照如下原則[8-9]：重要操作及報警消息設(shè)計；顯示的數(shù)值及開關(guān)信息應(yīng)基于具體的顯示媒體、語言設(shè)計，如表格、柱狀圖的顯示等；對于關(guān)聯(lián)性較強的數(shù)值應(yīng)突出其關(guān)聯(lián)性和差異性；對重要保護裝置應(yīng)借助圖像等流媒體；關(guān)鍵參數(shù)及重要事件等應(yīng)在顯著位置設(shè)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(shè)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(guān)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(yīng)該設(shè)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(qū)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(fā)電機組總貌圖.每個界面圖上部均為機組重要參數(shù)標示功能區(qū)，標示區(qū)下方為輸入/輸出功能區(qū)，控制區(qū)占用最大面積用于重要信息獲取及命令執(zhí)行，界面底部為信息區(qū)，主要用于信息獲取、查詢等.在界面的最右側(cè)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(jié)束語

依據(jù)人機工程學(xué)，對某新建電站設(shè)計一套中央控制室及基于maxDNA控制系統(tǒng)的人機界面.設(shè)計的中央控制室分為值班員區(qū)、冗余操作區(qū)、按鈕區(qū)、消防裝置區(qū)、值班長裝置區(qū)和工程師站等6大區(qū)域.同時，單廠雙機配置的設(shè)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(yīng)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(tǒng)的人機界面設(shè)計了標示區(qū)、輸入/輸出區(qū)、信息區(qū)、控制區(qū)以滿足人機信息交換要求，設(shè)計充分考慮了運行需求、亮度遮蔽特性等，設(shè)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(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)6家同類發(fā)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(yè)設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)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(xué)院教改項目(JGYJ2015030)

TB 47

A

1000-5013(2016)05-0645-04