石油化工中控室內(nèi)操作臺(tái)形式的研究與探討

馮欣

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展腳步的加快，國(guó)內(nèi)千萬(wàn)噸級(jí)煉油、百萬(wàn)噸級(jí)乙烯以及大型煤化工裝置紛紛拔地而起。越來(lái)越多的大型石化企業(yè)開(kāi)始采用現(xiàn)代化集中管理模式，在一個(gè)中心控制室(簡(jiǎn)稱(chēng)中控室)內(nèi)集中了全廠絕大部分裝置、單元的操作人員，中控室成為全廠控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理的核心，也是對(duì)外展示企業(yè)形象的一個(gè)窗口。各企業(yè)中控室建筑面積競(jìng)相增加，逐步演變?yōu)椴僮鞔髲d。隨著石化項(xiàng)目的大型化、集成化，中控室內(nèi)的操作臺(tái)(專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)叫做控制臺(tái)[1]，考慮到石化行業(yè)多年來(lái)的習(xí)慣稱(chēng)謂，本文稱(chēng)為操作臺(tái))數(shù)量從最初的十幾臺(tái)、幾十臺(tái)，發(fā)展到上百臺(tái)乃至幾百臺(tái)。國(guó)內(nèi)石化行業(yè)近年來(lái)新建的大型中控室及內(nèi)部操作臺(tái)統(tǒng)計(jì)清單見(jiàn)表1所列。

1 中控室和操作臺(tái)現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展歷程

中國(guó)石化行業(yè)采用中控室始于2000年前后，主要是中外合資項(xiàng)目，以及之前的幾個(gè)國(guó)內(nèi)改建和擴(kuò)建項(xiàng)目，形式和布局比較簡(jiǎn)單。國(guó)內(nèi)中資新建項(xiàng)目的大型中控室始于2005年的某煉油項(xiàng)目，起初，中國(guó)石化集團(tuán)公司鑒于投資和操作方式等原因，對(duì)這種新生事物還持謹(jǐn)慎態(tài)度。設(shè)計(jì)單位經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，借鑒了國(guó)外宇航中心和其他行業(yè)的指揮中心的經(jīng)驗(yàn)，采用直列式布置和單體操作站并列組合的方式，規(guī)模適中，簡(jiǎn)潔實(shí)用，投資節(jié)省，起到了典型示范作用。

在國(guó)內(nèi)后續(xù)新建大型石化項(xiàng)目的審批過(guò)程中，主管部門(mén)和建設(shè)單位不再限制投資和規(guī)模，大型中控室開(kāi)始普及，外部建筑風(fēng)格和內(nèi)部布置方式也是百花齊放、形式多樣。某些項(xiàng)目中控室的結(jié)構(gòu)和操作臺(tái)的布置和形式流于主觀意識(shí)，忽視了操作臺(tái)的使用目的，弱化了實(shí)用功能。近年來(lái)，一些設(shè)計(jì)項(xiàng)目又開(kāi)始重新思考，回歸操作和管理實(shí)際需要。

表1 國(guó)內(nèi)石化行業(yè)近年來(lái)新建大型中控室統(tǒng)計(jì)清單

1.2 使用狀況

2015年，某煉化企業(yè)進(jìn)行了一次調(diào)查，征求操作人員對(duì)現(xiàn)有操作臺(tái)使用中的意見(jiàn)和建議，反饋意見(jiàn)中超過(guò)一半集中在顯示器和座椅高度上，其他還包括鍵盤(pán)、顯示器清晰度、腿部空間、文件柜等。原操作臺(tái)外觀尺寸如圖1所示，反饋意見(jiàn)分類(lèi)如圖2所示。

1.3 問(wèn)題分析

該次調(diào)查結(jié)果在國(guó)內(nèi)石化行業(yè)中具有較廣泛的代表性，歸納問(wèn)題原因主要有以下三點(diǎn)：

1)主觀重視度不夠。通常認(rèn)為，操作臺(tái)相當(dāng)于工業(yè)辦公桌，只注意擺放形狀，不注意人機(jī)關(guān)系，供應(yīng)商提供什么就是什么。沒(méi)有了解工業(yè)操作臺(tái)的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)內(nèi)涵，不重視操作臺(tái)對(duì)操作人員工作效率的作用，也忽視了圖紙形象和實(shí)際體驗(yàn)之間的差別，造成圖紙形象很好，操作感覺(jué)很差的現(xiàn)象。

圖1 某煉化企業(yè)原操作臺(tái)外觀尺寸示意

圖2 操作人員反饋意見(jiàn)分類(lèi)示意

2)缺乏專(zhuān)業(yè)性設(shè)計(jì)。操作臺(tái)屬于工業(yè)級(jí)人機(jī)接口設(shè)備，設(shè)計(jì)理論是人機(jī)工程學(xué)，包含很多因地制宜和因人而異的方案，以及專(zhuān)門(mén)的規(guī)程和技術(shù)要求。設(shè)計(jì)需要具有相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并具備一定的工業(yè)設(shè)計(jì)美學(xué)基礎(chǔ)。但石化工程設(shè)計(jì)行業(yè)中的自控、電信、建筑等專(zhuān)業(yè)均沒(méi)有相關(guān)的知識(shí)背景，也缺乏相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技能培訓(xùn)，很難提出具體合理的量化設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3)忽視采購(gòu)環(huán)節(jié)。以往項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，操作臺(tái)一般都是由控制系統(tǒng)供應(yīng)商配套，所提供的操作臺(tái)只有幾個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)格和模式。在競(jìng)標(biāo)過(guò)程中，供貨商為了降低投標(biāo)設(shè)備成本，往往會(huì)不顧實(shí)際使用性能，選用價(jià)格較低、檔次不高的操作臺(tái)，難以令使用者滿意。

2 操作臺(tái)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

操作臺(tái)是操作人員長(zhǎng)期工作的場(chǎng)所和重要的甚至是唯一的人機(jī)界面平臺(tái)，布局模式、顯示器設(shè)置、桌面高度、座椅位置、腿部空間等都會(huì)關(guān)系到員工的工作效率和工作狀態(tài)，也會(huì)影響工作的協(xié)同、事件處理的便捷、工作環(huán)境的適宜、企業(yè)文化的顯現(xiàn)和中控室的整體觀瞻效果。人類(lèi)工效學(xué)對(duì)于操作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)應(yīng)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)在工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期就應(yīng)用人類(lèi)工效學(xué)作為預(yù)防性措施，而不是在設(shè)計(jì)完成之后再來(lái)解決出現(xiàn)的問(wèn)題[2]。

2.1 操作臺(tái)布局模式

操作臺(tái)布局主要有直線、小半徑弧線和大半徑弧線三大類(lèi)，以及它們相互組合而成的波浪線和不同形狀的小區(qū)域等布局。

1)直線布局的操作臺(tái)如圖3所示。其結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積最小，設(shè)計(jì)、制造、施工均較容易，開(kāi)放性好，操作人員活動(dòng)方便，容易觀察操作臺(tái)后方的大屏幕，適用于室內(nèi)面積有限的中控室；主要缺點(diǎn)是操作人員左右兩側(cè)的視角較小，前后排之間的噪聲干擾較大，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性稍差，需要與地面固定。

圖3 直線布局的操作臺(tái)示意

2)小半徑弧線布局的操作臺(tái)如圖4所示。內(nèi)弧半徑一般不超過(guò)4 m，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，比直線布局活潑，相鄰臺(tái)位顯示器觀測(cè)視角較好，同一工段內(nèi)操作人員溝通方便；主要缺點(diǎn)是占地面積較大，各弧段之間的位置關(guān)系較復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)各排操作臺(tái)之間的夾角和距離不易掌握。

圖4 小半徑弧線布局的操作臺(tái)示意

3)大半徑弧線布局的操作臺(tái)如圖5所示。介于直線型和小半徑弧線之間，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如果圓弧半徑小于10 m，則更接近于小半徑弧線布局；如果超過(guò)了10 m，則更接近直線型布局。

圖5 大半徑弧線布局的操作臺(tái)示意

石化行業(yè)中控室從2000年開(kāi)始出現(xiàn)，迄今已有20 a，筆者簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)了一份20 a內(nèi)國(guó)內(nèi)外30個(gè)大型中控室操作臺(tái)的布局方案，如圖6所示。

圖6 國(guó)內(nèi)外石化行業(yè)操作臺(tái)布局方案統(tǒng)計(jì)示意

由圖5中可以看出，2010年以前，采用直線布局的用戶較多，2010年以后更多用戶傾向于采用弧線布局?；【€布局與直線布局相比，線條流暢優(yōu)美，更具有靈動(dòng)感；人員位于操作臺(tái)視覺(jué)區(qū)域中心，可以獲取更多的操作信息；包容性的小半徑弧線結(jié)構(gòu)可以降低外界的干擾，為操作人員提供一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的工作環(huán)境，符合以人為本的設(shè)計(jì)理念。

2.2 顯示器

2.2.1顯示器規(guī)格

顯示器是操作臺(tái)上關(guān)鍵設(shè)備之一，是操作人員獲取信息的視覺(jué)窗口。當(dāng)前石化行業(yè)使用的主流顯示器以21～25 in(1 in=2.54 cm，下同)的規(guī)格居多，也有少量采用27 in規(guī)格的，各規(guī)格顯示器的主要參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 顯示器規(guī)格參數(shù)

從表2中可以看出，同樣規(guī)格的顯示器，16∶9 的顯示區(qū)域面積小，但最高分辨率高；16∶10 的顯示面積大，但最高分辨率反而低。此外，在顯示器液晶屏加工切割時(shí)，作為18～32 in顯示器的5代線玻璃基板(1 100 mm×1 300 mm)和6代線玻璃基板(1 500 mm×1 850 mm)，16∶9規(guī)格比16∶10規(guī)格可以切割出更多數(shù)量的面板[3]，加工成本更低，價(jià)格方面有天然的優(yōu)勢(shì)。目前市面上主流顯示器均是16∶9規(guī)格，16∶10已開(kāi)始淡出市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

2.2.2顯示器安裝方案

人的視角約為150°，橫向35°、縱向20°是清晰視野范圍。如果顯示器視野范圍過(guò)大，眼球就得不斷地移動(dòng)，注視關(guān)注范圍，眼球內(nèi)肌群容易疲勞，讓人眼產(chǎn)生不適。根據(jù)顯示器的尺寸和人眼的清晰視角范圍，可以計(jì)算得出，21.5～25 in顯示器與人眼之間的最佳距離是750～880 mm。如果超出該距離，則顯示器上的字體會(huì)顯得較小，也不利于觀測(cè)。

操作人員的不同的坐姿和座位高度決定了眼睛與操作臺(tái)的距離和高度。人類(lèi)工效學(xué)提示： 水平視線往下的位置是顯示器較適合觀察的位置，位置過(guò)高的顯示器對(duì)長(zhǎng)期觀察是不利的。操作人員的任務(wù)與顯示器高度之間的關(guān)系見(jiàn)表3所列。

2.3 臺(tái)面形式

2.3.1臺(tái)面高度

操作臺(tái)的臺(tái)面高度應(yīng)與操作人員的身高相適應(yīng)。臺(tái)面過(guò)高，操作時(shí)需要抬起上臂，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)引起肩膀酸痛；臺(tái)面過(guò)低，則需要低頭弓背，會(huì)引起頸部酸痛。根據(jù)GB/T 10000—1988《中國(guó)成年人人體尺寸》，18～60歲中國(guó)成年男子在坐姿時(shí)，肘高距離地面的中位數(shù)(50%)為676 mm，前臂長(zhǎng)237 mm；成年女子肘高為633 mm，前臂長(zhǎng)213 mm[4]?？紤]到臺(tái)面上一般都需要放置操作員鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，則臺(tái)面高度以690～720 mm為宜。操作臺(tái)應(yīng)該配置可以升降的穩(wěn)定座椅，適應(yīng)不同身高的操作人員并可調(diào)整姿勢(shì)，故臺(tái)面高度還可以擴(kuò)大至680～750 mm。

表3 操作人員的任務(wù)與顯示器高度之間的關(guān)系

2.3.2臺(tái)面形式

常見(jiàn)的操作臺(tái)臺(tái)面形式包括階梯式和平面式兩種規(guī)格，兩種規(guī)格的操作臺(tái)臺(tái)面設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 兩種規(guī)格臺(tái)面示意

階梯式臺(tái)面將臺(tái)面分成前后高差不同的兩個(gè)區(qū)域，顯示器支架安裝在較低的區(qū)域，降低了顯示器高度，便于觀測(cè)，2層臺(tái)面的連接處還可以放置備用電源、散熱孔、導(dǎo)線孔等，但臺(tái)面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格比平面式稍高。

2.3.3臺(tái)面背板

安裝在臺(tái)面上的顯示器、音箱、電話、鍵盤(pán)等設(shè)備，需要通過(guò)臺(tái)面開(kāi)孔連接至臺(tái)面下方的設(shè)備。為了布線整潔，改善臺(tái)面布置環(huán)境，一般會(huì)在顯示器后方豎立一道背板作為遮擋，背板還可以起到隔離前后排噪聲干擾的作用。另外還有一種夾層式背板，背板內(nèi)部空間用來(lái)穿線纜，外部可以懸掛顯示器，還可以附加文件托盤(pán)、水杯、電話附件等體積較小的輔助設(shè)備。

2.4 其他問(wèn)題

如果主機(jī)與顯示器之間采用的是KVM(Keyboard/Video/Mouse： 鍵盤(pán)、視頻和鼠標(biāo)遠(yuǎn)程端口)技術(shù)方案，主機(jī)放在機(jī)柜室內(nèi)，則操作臺(tái)下方箱體空間充裕，臺(tái)面高度也可適當(dāng)降低。但多數(shù)石化廠的主機(jī)還是放在操作臺(tái)箱體內(nèi)，因此建議采用后開(kāi)門(mén)、抽拉式主機(jī)托盤(pán)，也可以采用橫置機(jī)箱，便于維護(hù)。臺(tái)面下方可以放置移動(dòng)式文件柜。

3 某項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案

3.1 技術(shù)要求

項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期，業(yè)主管理人員對(duì)中控室整體設(shè)計(jì)方案提出了以下幾點(diǎn)要求：

1)采用圓形操作區(qū)域方案，根據(jù)工段設(shè)置不同的操作區(qū)，各操作區(qū)之間互不干擾。

2)在操作臺(tái)背后安裝工業(yè)電視，顯示盡可能多的現(xiàn)場(chǎng)視頻畫(huà)面，代替組合式大屏幕。

3)臺(tái)面布置和電纜敷設(shè)要便于今后的維護(hù)和擴(kuò)展。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)

該方案實(shí)施起來(lái)有以下技術(shù)難點(diǎn)。

1)操作臺(tái)背后豎立若干面大屏幕監(jiān)控器是國(guó)外廠商的做法，但安裝難度較大，支架重心很高，存在傾倒風(fēng)險(xiǎn)，既占用了操作室內(nèi)的寶貴空間，整體效果也不美觀。

2)電視監(jiān)控器歸電信專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)，操作臺(tái)歸儀表專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)，在設(shè)計(jì)、制造、安裝、施工過(guò)程中存在著大量的交叉作業(yè)，協(xié)調(diào)工作難度較大。

3)采用圓形布局的操作臺(tái)可以分割操作分區(qū)，但操作臺(tái)下方的電纜溝勢(shì)必要做成弧線形，這對(duì)于設(shè)計(jì)、制造和施工要求很高。

3.3 解決方案

針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究，提出了3層操作臺(tái)的全新設(shè)計(jì)方案，希望為用戶提供更好的操作環(huán)境。

該方案采用夾層式背板操作臺(tái)，背板上用懸掛支架安裝了3層16∶9的顯示器。下面2層是控制系統(tǒng)的顯示器，或開(kāi)關(guān)按鈕安裝板，上面1層是工業(yè)液晶電視監(jiān)視器，雖然視角較高，但并不需要長(zhǎng)時(shí)間關(guān)注，沒(méi)有觀察不便的問(wèn)題。開(kāi)關(guān)按鈕箱、電視監(jiān)視器的外形尺寸、顏色與顯示器一致。該方案如圖8所示。

根據(jù)計(jì)算，3層顯示器由于負(fù)荷過(guò)大，已不適合采用常規(guī)立柱式支撐，需要改為從夾層式背板上伸出的懸掛支架模式。同時(shí)，操作臺(tái)內(nèi)部采用了2根從上至下貫通的型材柱，保證整個(gè)背板的強(qiáng)度。電視監(jiān)視器采用和顯示器同一系列的產(chǎn)品，帶有高清視頻輸入接口，每排電視監(jiān)控器帶1個(gè)電視監(jiān)控工作站主機(jī)，用于視頻回放功能。

操作區(qū)采用雙半圓弧形布局圍成，整體結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，甚至不需要在地面通過(guò)膨脹螺栓固定。14個(gè)操作臺(tái)為1組，臺(tái)面邊緣距離圓弧中心只有3.3 m，構(gòu)成了自然的隔離區(qū)域，中間放置橢圓形辦公桌，桌面上方預(yù)留電源及網(wǎng)絡(luò)接口，可作為班組會(huì)議的場(chǎng)所。

圖8 某項(xiàng)目新型三層操作臺(tái)設(shè)計(jì)方案示意

該項(xiàng)目未采用以往電纜溝布置在操作臺(tái)下方的傳統(tǒng)做法，而是改為電纜溝沿圓形區(qū)域直徑方向穿過(guò)，電纜沿著電纜溝在中間臺(tái)位底部進(jìn)入操作臺(tái)組，再沿操作臺(tái)內(nèi)部的電纜托架橫向到達(dá)相關(guān)的各操作臺(tái)。供電電纜和網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)電纜分別固定在不同的托架內(nèi)。

除2個(gè)進(jìn)線操作臺(tái)和操作區(qū)中心辦公桌下方穿洞以外，其他位置的電纜溝上方?jīng)]有任何設(shè)備或臺(tái)位，操作臺(tái)下面也沒(méi)有電纜溝，非常便于維護(hù)和擴(kuò)展。操作臺(tái)平面布置方案及電纜穿線方案如圖9所示。

圖9 操作臺(tái)平面布置及下方電纜穿線方案示意

操作臺(tái)夾層式背板內(nèi)部設(shè)計(jì)了用于報(bào)警的嵌入式音箱。為了實(shí)現(xiàn)有別于常規(guī)過(guò)程報(bào)警的可燃/有毒氣體報(bào)警，特別在背板墻上設(shè)計(jì)了紅色LED報(bào)警燈帶，安裝在高于臺(tái)面50 mm的位置，燈帶向下照射臺(tái)面，通過(guò)臺(tái)面反射的方式提醒操作人員及時(shí)處理。該設(shè)計(jì)比較新穎，既醒目又不刺眼，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。中控室某操作區(qū)域的實(shí)景如圖10所示。

3.4 經(jīng)驗(yàn)和心得

經(jīng)過(guò)一年多的使用，用戶對(duì)3層操作臺(tái)的使用效果比較滿意，特別贊揚(yáng)了信息量大的優(yōu)點(diǎn)。

3層操作臺(tái)顯示區(qū)域大、信息量多，操作臺(tái)裝備了工業(yè)電視監(jiān)視器，適應(yīng)了視頻監(jiān)視需要。如果采用微邊框顯示器，還可以進(jìn)一步降低整個(gè)背板高度，感覺(jué)會(huì)更好。懸掛支架可以采用多方向調(diào)節(jié)支架，以適合不同操作人員的需要。

3層操作臺(tái)是一種先進(jìn)、新穎的人機(jī)界面平臺(tái)，在不增加占地面積的前提下，增加了顯示信息；將工業(yè)電視與過(guò)程控制操作集成在操作臺(tái)上，便于觀察現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像；夾層式背板隔離前后噪聲干擾，帶有多種報(bào)警功能，可以配備各種安裝附件，形成多功能的操作臺(tái)。該項(xiàng)目采用這種新型多功能操作臺(tái)，為操作員提供了較為舒適的多功能工作環(huán)境，有著較好的應(yīng)用前景。

圖10 某項(xiàng)目新型3層操作臺(tái)實(shí)景示意

3.5 技術(shù)總結(jié)

在大型石化中控室的設(shè)計(jì)中，需要注意以下幾點(diǎn)： 儀表、電信、建筑等專(zhuān)業(yè)相互配合；設(shè)計(jì)初期，應(yīng)為操作臺(tái)做獨(dú)立概算，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，操作臺(tái)應(yīng)先于控制系統(tǒng)招標(biāo)；充分重視工業(yè)電視、大屏幕顯示器的作用，綜合考慮操作臺(tái)整體布局方案；根據(jù)人體工程學(xué)原理，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)清晰、簡(jiǎn)潔、好用的多功能操作臺(tái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前石化裝置中控室內(nèi)，每個(gè)操作臺(tái)下方都會(huì)放置1臺(tái)控制系統(tǒng)操作站(PC機(jī))，操作臺(tái)和操作站從某種意義上講幾乎沒(méi)有區(qū)別。隨著操作站數(shù)量的不斷增加，操作臺(tái)也逐步橫向擴(kuò)展，直至超過(guò)了本段的臺(tái)位限制，延伸到下一個(gè)區(qū)域。石化系統(tǒng)各裝置的勞動(dòng)定員數(shù)是固定的[5-6]，操作人員需要在各個(gè)操作臺(tái)之間穿梭往來(lái)，既增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，也不利于信息的及時(shí)獲取。

今后的操作臺(tái)應(yīng)按操作崗位配置。隨著自動(dòng)控制和智能控制水平的提高，操作人員的數(shù)量會(huì)適當(dāng)減少，每個(gè)操作人員操作和管理的操作顯示器會(huì)增加?？梢詾槊總€(gè)操作崗位配置6～8臺(tái)顯示器(甚至更多)，僅設(shè)置1套鍵盤(pán)、鼠標(biāo)，采用交互式滑屏技術(shù)與操作臺(tái)下方不同的操作站主機(jī)相連。在操作臺(tái)適當(dāng)位置布置不同用途的報(bào)警及輔助設(shè)備，還可以配備智能穿戴或多功能耳機(jī)，減少噪聲影響，降低操作負(fù)荷，提高勞動(dòng)效率。

精心設(shè)計(jì)的中心控制室布局和操作臺(tái)可以創(chuàng)建舒適、高效、綠色、文明的操作環(huán)境，為石油化工工廠實(shí)現(xiàn)“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”的目標(biāo)奠定良好的控制、操作和管理基礎(chǔ)。