10 DCS系统人机交互界面的应用与扩展

DCS系统人机交互界面的应用与扩展

赵爱军

（马头发电总厂热工车间河北邯郸056044）

摘要本文主要阐述了，应用在马头发电总厂的XDPS-400 DCS系统的人机交互界面的基本架

构。并结合具体生产应用，对其功能、标准、组态等方面作一讨论。

关键词DCS MMI 图形显示组态

Abstract: This paper presents the mainly experience of the configuration and MMI of which Xin Hua's XDPS-400 has had a application in the process control in MA TOU power plant.The design idea, function standard and configuration of man machine interface are discussed in several aspects associating with the real conditions of production.

Key Words: Distributed Control System (DCS) ; man machine interface (MMI); figure display; configuration

引言

集散型控制系统（Distributed Control Systems 简称TDCS或DCS）是一种以分散的控制适应分散的过程对象，但是对散布对象给予集中监视、操作和管理而达到统管全局目的的现代控制系统。这种系统是根据分级设计的思想搭建得，它在理论基础上符合人对大系统的认识及处理，而计算机技术、通讯技术、图形机显示技术为之提供了强有力的工具和物质基础。

马头发电总厂自1958年建厂以来，热工控制系统历经模拟仪表控制、局部计算机（PLC）集中控制等阶段。但是以前这些控制手段简单落后，以传统的BTG仪表盘台作为人机接口，正常运行操作人员在盘台前坐姿监盘时，在人视野范围之内只能监视几块主要的表计，且只能操作处于臂长范围之内的少量操作开关。不仅仪表分散、众多，人机联系困难，而且是危险集中，当机组处于不稳定工况时，各种参数迅速变化，常常在一瞬间有诸多参数要监视、控制，有时甚至要求运行人员在几分钟之内完成几十项操作，而稍有贻误就会造成事故，纯人工操作的精度和速度已不堪重负，运行人员劳动强度颇大，易造成误操作，威胁机组安全，老旧控制设备及策略难以胜任现代生产过程中的复杂任务，企业管理不能数据化、系统化。有鉴于此，马头发电总厂从1999年起开始着手引进上海新华控制工程有限公司的XDPS-400分散型控制系统，这在国内前苏联机组第一个起步，拟订以#6号200MW 前苏联燃煤机组为试点，并将对其余各单元机组施行彻底的DCS改造。DCS自1975年问世至今已步入第三代，其将机炉电作为一个整体实现厂级自动与协调，体现为DIE（计算机—仪器仪表—机电）一体化的现场总线代替常规变送器和阀门；同时，面对目前大电站控制中的运转自动化、省力化与监视操作项目增多之间的矛盾，对应的有效技术手段就是人机接口（MMI）的功能大大加强，以CRT （Cathode-Ray Tube）和薄膜键盘取代数目繁多的常规指示仪表和操作器，操作管理高度集中，这一切使运行人员既能综观全局又能操作任意回路，使机组级自动化水平上升到了一个崭新的高度。以下，本文将就人机交互界面MMI作进一步的详述:

一、基本功能概述

DCS在现有阶段尽管可以达到高度自动化，但运行人员的决策和干预是不可获缺的，尤其是在机组启停，事故状态等非正常工况下，人对机的驱动及反过来工况对人的相互影响变得更重要。任何人的决策均依赖于生产过程的海量信息，而运行人员的操作又是通过传递控制信息去施加作用于过程的，这样一种信息互动便要通过人机交互界面加以实现。火电厂过程的复杂化、高速化、经济化等对人机交互界面提出愈来愈严格的要求。任何一种新兴技术的发生、发展无不伴随着对传统思想、落后技术的掘弃，这对领导层、热工技术人员及运行人员都是一种思想上的冲击，迫切要求我们从思想上、技术素质上作一番更新。随着人机工程学的兴起，以“人”为本的概念日益渗透到工业自动控制这一边缘学科中，将“人”作为系统的一部分提升到前所未有的重要地位。在理论、设备一定的条件下，运用人机工程为指导，通过合理的人机交互界面设臵，几乎不需要任何资金投入，便可最大限度的提高操作人员监视、操作的准确性、灵活性、舒适性，减少误操作，或更进一步的根本上避免误操作，达到事半功倍的效果。这恰恰符合火电厂以运行为中心的运作体系，可见重视人机交互界面的优化是有现实意义的。人机交互的最佳状态是运行人员“所想即所得”，就是操作人员想得到什麽信息，立刻就可以得到；想操作哪个装臵，哪个装臵立刻呈现。这就需要在组态过程中协调一致好两个接口。集散系统的人机接口有工程师接口和操作员接口两种。其中MMI在系统中位臵如下图所示：

XDPS中提供的工程师接口为统一分布处理平台软件DpuCfg.exe和Maker.exe，通常情况下用于系统组态、在线及离线修改；XDPS中提供的操作员接口为NetWin.exe总控软件启动后的MMI （Show.exe）自启动，操作员接口用于对机炉电生产过程的控制操纵和监视。两接口是相辅相成的，在不同的生产时期地位互有更替，但是接口管理的宗旨便是在生产过程中，以运行人员操作、分析准确、全面、快捷、便利为目的。

二、生产实现例证

操作员站是操作员接口的高级接口，它的任务是在标准组态画面上汇集和显示所有有关的信息，供运行人员对机组的运行工况进行监视，并通过轨迹球和专用薄膜键盘进行相应的操作控制。操作人员对机组的输出作用主要有:

①远距离手动操作

1.操作端（控制驱动、控制阀）的开度增减

2.辅机设备的启动、停止以及电动调节阀门的开闭

②运转方式的指令和设定

1.运转方式的转换

2.设备运行控制值的设定

例如：#6号机组组态过程中SCS系统功能说明书有关炉侧过热器对空排汽阀的说明如下：

过热器对空排汽阀（F118A、F118B）

-- 单操/联动/顺控

-- 如果为单操则先开一道门，再开二道门；关闭时先关二道门，再关一道门

-- 二道门为可调门(即一、二门打开后，二道门可单操关闭)

-- 单操打开二道门时也同时打开一道门

由于此功能说明只涉及开关量控制，故此用布尔方程加以描述。对于此组合逻辑

设：I是所有输入变量｛i10,i11,i20,i21｝的集合集合中:

i11—开对空排汽门i10—关对空排汽门

i21--开对空排二道汽门i20--关对空排二道汽门

O 是所有输出变量｛o10,o11,o20,o21｝的集合集合中:

o11—开对空排汽门o10—关对空排汽门

o21--开对空排二道汽门o20--关对空排二道汽门

F是所有输出变量｛f10,f11,f20,f21｝的集合集合中:

f10—对空排汽一道门开f11—对空排汽一道门关

f21--对空排汽二道门开f20--对空排汽二道门关

组合函数O=D(I,F) （注：所有逻辑取正逻辑;对门的故障判断逻辑及发电机外部故障因素因与本文涉及范围无关,故略去）

因有八个输入变量,将发生256种组合,但有些是工况中不允许出现或不起作用,故可不加考虑。以o11—开对空排汽门为例，列真值表如下：

电平型RS

又有RS 触发器具有在激励输入下进行状态转化和存储二进制信息（记忆）的能力，由真值表

推导得o 11= i 11 i 20 f 11` 即以f 11作为转化条件,i 11 i 20二者的与逻辑作激励就可实现。组态逻辑图如下页:

在MMI 组态时，打破常规，将标准组态图库中的MT-Manu06 D/MA 手操器经过改装，并加以

组合，直接弹出组合型对空排汽手操器。如下图所示：

放大如右

这种组态方式经过灵活运用，不仅充分挖掘了原组态软件的潜力，而且弹出的操作图目的明确、操作方便，令运行人员一目了然，不致引起混淆，从设计方式上避免了误操作。

有关机组参数对操作人员的作用有

①图形显示

1.设定值、反馈值及操作端开度显示

2.辅机及电动调节阀的运转状态显示

3.运行方式显示

②异常状态显示

1.超值报警，光字牌等

CRT能够给出快速的、简明的、动态的过程画面，与传统的仪表盘面并行显示相反，CRT 显示是串行显示，要求运行人员的短期记忆能力，即对刚刚获得的信息的信息回想，运行人员此时要承担“数据收集器”和“数据处理器”，花费一定时间搜索、思考，然后再作“决策器”，这在事故等异常工况下必然对运行人员提出了严苛的要求。因此为了最大程度的令运行人员在此种情况下快速作出反应，热工在组态时特别设臵了“事故推图”画面，将所有重要参数如主汽压力、主汽温度、汽包水位等集中显示在题栏上，并且在事故情况下所有可能的操作项目如事故放水、主给水电动门操作等集中于一帧画面上，使运行人员不必再手忙脚乱地去翻页搜索参数和各种操作器。

人机交互界面（MMI）采用CRT显示作为过程的窗口有极大的潜在优势，而CRT显示设计的优劣对其优势的发挥有重要的影响。组态者应努力保持每帧画面尽可能清晰、明了，减少显示噪声电平，减少操作人员对信息的搜索、识别和理解所需要的时间，一个有效的显示不应当要求运行人员作出任何分析的工作，其必须能立即掌握当前的形势，作出相应决策。这就对热工人员组态提出了进一步要求，组态人员不仅要掌握设备的情况，还要十分熟悉整个电站生产过程及本班设备在此过程中的位臵、作用。操作员对CRT显示操作的掌握程度不仅有本厂设备、运行操作习惯等因素影响，还有运行人员的主观因素在其中，所以较难定量衡量。但是还可以有定性指标来指导，这个指标就是操作性能指标，它是七个变量的函数F（X1、X2……X7.）式中：

X1--信息复杂性X2--操作员任务X3--操作员特性

X4--信息显示格式X5--信息编码方式X6--信息密度X7.--环境因素

在这七个变量中，前三个变量X1、X2、X3随机组和操作员而定，不在组态人员控制之下，组态时要对后四个参数进行优化。如：X4--信息显示格式是指在屏幕上的表示方法，这些信息可以是参数报警状态、操作指令等。不同的信息可采用不同的格式，如：流程图、模拟图、文本、帮状图等，但总的目的是提高显示画面的可读性，改善操作员对画面的理解能力。研究表明：对于操作指令的显示，用流程图比文本显示令人的理解力可提高80%，在#6机顺控操作显示中即采用了流程与文本相结合的方法。X5--信息编码方式是指在屏幕上的显示方法，根据电厂的应用习惯和人眼光谱灵敏特性，我厂显示配色方案采用：黄色—告警；黑—底色；白色—检修等。闪烁编码可提高操作员注意力，一般闪烁2—5Hz，在阀门、挡板启闭开合中采用。我厂在组态时，已对编码方式按MMI型触摸连接进行了参数成组，建立了马头发电总厂统一的操作图库，这不仅避免了重复劳动，而且全厂个机组操作标志统一，便于培训和操作入手，避免了混乱。此外，还有许多新的界面领域值得我们去开发。比如：加入各种多媒体属性，进行语音操作指导及报警；中央集控室超大屏幕总貌显示等等，在这些领域还大有可为。

但是，高技术并非无懈可击，达到万能的境地。从我厂DCS的应用实际来看,由于从CRT获取机组工况并通过软手操的DCS系统在运行监视、控制操作方面与常规BTG盘台控制系统存在极大区别，如何再新的设备下保障机组安全是值得引起热工及运行共同注意的。在常规BTG盘台控制时，操作员可以非常直观的观察到机组工况与迅速的选择所要进行的操作，因为所有信息均已并行的显

示在盘台上，包括操作开关的位臵。而CRT显示尽管信息量及详细程度远大于BTG盘台，但是只能以信息片的形式分页显示，除非报警显示，操作人员难以察觉目前所监视页之外页面上的异常工况，而且根本不可能去对其它页面进行操作。这就要求组态时合理、精心对参数进行布局；用BTG 盘进行操作，操作开关大多直接与执行机构相连，操作员有操作感，操作人员不存疑虑的一目了然的观察到返回信号。而以CRT和轨迹球为主的分散控制系统中，如打开给水电动门，在屏幕上按下“打开”，此操作命令经数据高速公路传至DPU，DPU经过逻辑判断将指令发至现场，现场回报信号按原链路返回，尽管DPU 运算很快，但由于算法、网络等诸多因素，在操作中会有明显的时间延迟，这样就会使已发出操作指令的操作员对此指令是否被执行产生疑问，有时操作员会反复做这一操作，直至返回信号返回。但如此反复操作一方面有可能损坏执行设备，另一方面在同一通道产生大量信息，造成返回信号更加滞后，同时会可能造成不可预知的软件、通讯错误，所以运行人员应尽快熟悉新系统的特性，做到心中有数，在组态时也要充分考虑，如将页面计算时间缩短为200ms，延迟现象有所改善。

总结、讨论与展望

马头发电总厂#6机组自2000年并网一次成功、投运以来，DCS系统已在可靠性、经济性、管理的灵活性等诸多方面发挥了显著作用，其中人机交互界面（MMI）便是直接与运行人员打交道的最基面，其设计的好坏直接关系到整个机组的运行状况。这就要求组态过程中，运行与热工人员要充分交换意见，各自发挥熟悉操作流程和熟悉工控软件组态的专长，而最终达到最佳状态。

综上所述，有关马头发电总厂DCS人机交互界面的应用，不仅取得了成功，积累了许多宝贵经验、教训，而且扩充、优化、发展的余地还很大，有着广阔的应用前景，组态工程师重道远，还有诸多工作要做。#6号机组DCS的成功改造仅仅是一个良好的开端，提供了一些借鉴，现在在火电厂人机界面的设计、组态的工程实践还停留在直觉与经验出发的阶段，离科学、规范、安全的要求还存在一定差距，因此要加强此方面的工作，才能更切合的服务于DCS的现场工程。

参考文献

●刘吉臻吕震中《计算机控制技术与系统》中国电力出版社1998.09

●《XDPS-400控制系统工程师用户手册》新华控制工程有限公司1999