摘 要 ：自動化儀表現場應用中，因對于人機界面設計深度不夠重視，設計界面沒有足夠的優化，往往造成現場儀器儀表無法正常運行。現場存在此類問題頗多，本文按照影響設備運行的因素進行分析，以引起同行業對人機設計界面的重視，并求得解決辦法。

引言

自動化儀表現場應用中，因人機界面重視程度不夠，設計深度不足，設計界面沒有足夠的優化，往往造成現場的儀器儀表無法正常運行。現場存在此類問題繁多，此處按照影響設備運行的因素進行分析，以求解決辦法。通常因設計深度不夠，人機界面設計不合理，為儀器儀表系統的可靠運行埋下了很多安全隱患。

儀器儀表既是機電儀一體化設備，也是機電元件，它對運行的環境有嚴格要求。儀器儀表通過人機界面，給操作人員提供簡便、易懂的機器語言，讓操作人員了解設備的運行工況。如果對人機環設計不夠重視，將會導致三者間互相沖突，互相破壞。機器破壞環境，環境損壞機器 ；反之，機器也可對人和環境構成威脅，所有不合理的人機設計界面都會導致機器——環境——人——機器的相互傷害。因為設備是為人服務的，所有的結果非常終受害者是“人”。

合理優化的人機設計界面是儀器儀表設計的一個重要課題，應該引起儀器儀表行業和工藝流程設計者們的重視。此文根據現場工作實際，就工藝設計過程中發生的一些問題作簡要的分析，希望對儀器儀表行業設計和工藝過程設計有所啟發，能夠引起設計和施工行業的重視。不合理的人機設計界面，給現場設備運行埋下了很多安全隱患。本文就火電廠環境因素對儀器儀表正常運行存在的問題做如下概述，作為優化設計參考。

1 環境溫度的影響

儀器儀表安裝位置，與現場環境因素一定要和諧，環境和人機設計界面一定要合理。目前，非常常見的是現場高溫或低溫對設備和元器件的損壞。下面就火電廠現場存在的一些常見問題分述如下 ：

1.1 高溫環境對電動執行機構的影響

火電廠一、二次風門的執行機構和火焰檢測的電器元件，耐受溫度是有限的。如圖 1 所示，執行機構電機安裝位置與煤粉管道本體很近，由于周圍環境散熱，管道保溫效果一般，導致執行機構本體周圍的環境溫度較高，長時間運行，電機的金屬材料面臨著受熱變形，軸承間隙和摩擦力發生改變，嚴重時引起火災。

對于電氣參數，嚴重影響電機的散熱和絕緣壽命。對于放大器和電源板，因元器件高溫老化，導致這些卡件受熱經常損壞，這也是現場經常遇到的故障隱患。

解決辦法 ：提高儀器儀表和機務設備的設計深度，優化人機設計界面。除了安裝防護網，設計一個專供一、二次風門執行器的平臺，遠離鍋爐本體，也便于安全穩定運行和檢修維護。

1.2 高溫環境對鍋爐火焰檢測探頭的影響

鍋爐火焰檢測探頭與安裝在燃燒器外部和一、二次風門的環境基本一致，周圍環境溫度很高，遇到偶爾鍋爐正壓噴火，溫度急劇上升，對火檢探頭的正常檢測帶來了安全隱患。為此，很多電廠設計有專門用于冷卻火檢探頭的冷卻風機，防止火焰檢測探頭被燒壞的情況發生。

1.3 高溫對熱電偶（阻）的影響

對于常見的金屬壁溫測量，主要是為防止鍋爐局部應力，經常檢測汽包壁和主蒸汽聯箱處的溫度。汽輪機設計當中，為了檢測汽輪機金屬溫度，防止局部應力驟然變化而影響壽命，設計有高、中、低壓缸的金屬壁溫檢測元件。為了檢測汽輪機推力瓦位移導致的磨損，汽輪機本體和軸瓦溫度也需要在線監測壁溫。為發電機的安全運行，發電機的定子和轉子溫度也需要在線監測。

但是這些測量元件的共同特點是都屬于金屬埋件，埋藏于金屬內部或者是保溫內部。面對高溫腐蝕和機械振動，熱電偶（阻）絲經常損壞，為了找到穩定的冷端溫度環境進行冷端溫度補償，設計時需要盡量延長熱電偶的長度。為了防止高溫下，保溫層對熱偶絲或熱電阻絲的腐蝕老化，宜采用鎧裝熱電偶（阻）。為了防止多點接地，導致熱電偶（阻）顯示不準，應使用接地式或焊接式熱偶絲（阻）與管道和其他金屬壁隔離，否則需要在回路上加隔離柵進行光電隔離。

1.4 低溫對室外儀表的影響

在北方，由于冬季高寒，防止因低溫環境損壞儀表裝置是冬季的重點工作。對于室外儀器儀表，往往通過井坑、孔洞、房舍和伴熱帶等措施對儀器儀表做防寒保暖的保護。在進行儀表設計及施工時，首先從機務設備考慮能夠讓變送器的引壓管道和變送器的安裝位置，盡可能布置在主廠房內部，確實必要在室外的時候，務必采用柜體做好防寒和防塵、防雨等防護措施，并且防護措施和設備一定要安全可靠，一勞永逸。

2 受熱力膨脹的影響

在熱力生產過程中，由于熱力工況及外圍環境的變化，熱力設備的金屬膨脹是不可避免的。而作為檢測和控制熱力設備運行工況的熱工測量元件及控制裝置又往往與熱力設備相連。隨著熱力設備的膨脹位移，對于某些熱工參數的測量及執行機構的動作產生影響，從而造成測量失準或執行機構的誤動。因此，有必要對現場曾發生的這類問題進行分析原因和總結經驗教訓，尋求合理的解決方法，使這類問題在設計安裝期間予以重視，及早提出合理的設計施工方案尤為重要。

2.1 鍋爐本體的執行機構

受熱力膨脹引起的測量失準和執行機構誤動是因膨脹位移使測量元件或執行機構改變并偏離了原來的正常工作條件。在此，根據現場工作中遇到的受力膨脹影響較為嚴重的幾個事例進行說明，以引起設計安裝過程中的重視，希望對工程建設中熱工設備的設計安裝有一定指導意義。鍋爐本體在熱力工況變化過程中，鍋爐金屬受熱變形，導致一、二次風門動作，這是經常發生的事情。因此，在設計的時候，需要在鍋爐本體旁安裝一個平臺，以便于固定執行機構，使得執行機構隨鍋爐膨脹而一起膨脹，避免閥門不必要的誤動。

對于其他科里奧利扭力管質量流量計的安裝，也需要防止管道膨脹產生的預應力，安裝位置的選擇也會影響測量精度。

2.2 對汽輪機轉速測量的影響

輪機轉速測量方法較多，通常測量原理有發電機式和磁電脈沖測速法。對于使用磁電脈沖式（包括磁阻式、磁敏式、電渦流式等均屬此列）的轉速傳感器有可能受汽輪機軸向膨脹位移的影響而不能正常工作。膨脹影響 ：磁電脈沖式測速原理是依測速探頭與測速齒輪（60 齒標準齒輪）構成的磁路來實現的。當測速齒輪轉動時，由于槽齒的作用使傳感器輸出相應的電壓脈沖信號。

當汽輪機從冷態沖車至定速帶負荷工作的過程中，由于流經汽輪機介質工況的變化，汽輪機缸體和軸均要產生熱力膨脹，亦即隨軸膨脹測速齒輪與固定于前軸承箱體上測速探頭產生相對位移。當沿機頭方向產生的膨脹位移較大，傳感器與齒輪之間因磁阻增大而使輸出的脈沖信號非常微弱且無法分辯時，轉速測量就會失靈，造成轉速無法監視。在有一些電廠，曾因此而發生過轉速測量失準的現象，即在冷態盤車時轉速指示正常，但在定速后失準，造成停機檢查調整，影響了整套啟動試運的工期。

3 電氣環境對DCS設備的影響和防護

3.1 DCS系統常用的電磁防護工藝

隨著由計算機組成的分散控制系統（DCS）在過程控制中的廣泛應用，其抗干擾問題已是系統設計過程中不可忽視的問題之一。其中，完善的接地系統是防護電磁干擾的主要措施。

由于電磁干擾是計算機應用中一項較為復雜的系統工程，所以在設計中必須對各個環節綜合考慮，包括外設接口、信息系統以及網絡結構和軟件組態等方面。這就要求在生產制造采取相應防護措施的同時，在工程設計安裝調試和使用過程中，對系統采取綜合防護措施。

在電力生產場所，電磁干擾無處不在，其形式較為多樣，有靜電放電脈沖群干擾、射頻傳導干擾等。作用方式主要是電力設備噪聲源通過一定的藕合方式（差模和共模兩種方式）和一定的耦合通道進入測量（控制）系統的信號回路，使有效信號發生誤差。消除干擾的防護措施很多，概而言之，有阻斷干擾信號和泄放干擾信號兩種途徑。DCS 系統通常在設計中所采取的具體防護措施有以下幾個方面 ：

1）在信號傳輸過程中，采用屏蔽電纜或計算機電纜，并將信號電纜與動力電纜分層布置，不同類型的信號分別采用不同的電纜傳輸，與電磁場做到物理隔離。

2）正確選擇系統的接地網，所有接地點匯于一點接地后與電氣地相接，防止雷電浪涌沖擊。過程信號接地（熱電偶熱端接地等）應統一考慮，防止多點接地產生電位差。

3）對于諸如鍋爐內火焰監視，轉動機械的振動檢測等元件輸出的弱電信號，在就地進行信號轉換和前置放大后，再進行遠距離傳輸，以提高信噪比。

4）在輸入、輸出通道配以可靠的信號隔離器，將現場的干擾信號與集散系統隔離，以阻斷現場干擾信號進入計算機而影響有效信號的準確性或造成計算機死機。

5）在計算機軟件組態方面，對信號波動頻率較高的信號，采用數字濾波或對于開關量信號進行延時濾波。以消除高頻波動信號的瞬間抖動，防止信號失真，保證信號的可靠性、準確性。

3.2 DCS前端數字信號遠傳方案

為了防止對弱電信號的電磁干擾，讓電氣參數安全可靠，在設計 DCS 系統的時候，對于遠離集控室的信號就地轉化為數字信號，然后通過前端裝置，把數據信號經過光纜或者是光端發射遠傳至集中的接受裝置。比如，化學水和熱網等輔助系統，通過外掛局部網絡完成系統連接和通訊，數據信號相對穩定，抗干擾能力相對較強。同時，這種設計界面更符合 DCS 分散故障隱患的初衷，也為工程施工和生產維護帶來了極大的方便，更能節約多余的硬接線和電纜。俗話說簡單就可靠，減少了電纜也是一種節約和減少故障隱患的方式，希望對今后的設計界面能給予推廣應用。

4 傳輸信號導線色標的標準化

線路和盤臺柜等電氣設備的色標問題，因不影響原理的實現，看起來是個容易忽略的小事情，有時候對設備的可靠運行影響很大。還有線路的端子排列，電纜的擺放順序，哪些排在前面，哪些排在后面，每一個設計界面都應該優化一下，讓有些線路用顏色來辨別就知道是電源還是保護信號線路，是弱電還是強電連接線路，盡可能做到一目了然，便于維護和人機界面的非常佳。看現場就像是看圖紙一樣那么便于識別，預防人為失誤或周圍水、電、粉塵等對儀器儀表運行的影響。

建議采用詳細的統一標準化色標，實現合理的人機環接口。線路和儀表裝置管路色標的標準化問題，希望儀表設計人員能夠重視。可是實際設計當中，很多設計習慣套用典設（設計院固化的典型設計）圖紙，以及部分設計依靠主輔機設備廠家完成，從而導致設計界面不可能優化和細化。尤其是信號和動力線路的色標以及排列順序，迫切需要一個更詳細的標準化規范。

5 機械振動對儀器儀表的影響

機械振動對儀器儀表的影響也是不容小覷的，有一些地方振動特別大，對于儀表的檢測精度和電氣參數影響很大。

在工作中，曾遇到給水泵潤滑油壓低保護頻繁動作，從而導致給水泵停泵。究其原因，測量壓力的壓力開關（或電接點壓力表）因為給水泵管道的高頻震動，導致開關接點接通，從而導致給水泵保護誤動。只有通過引壓管把壓力開關遠離震動較大的環境測量，或者選用毛細管定容膨脹式壓力（溫度）測量，也是可以克服的一種辦法。

6 濕度和其他

6.1 濕度的影響

很多儀器儀表對環境濕度是有特別嚴格要求的，有的對海拔高度要求也是特別嚴格的，但海拔高度非常終也是考慮大氣壓和空氣濕度。濕度太大了，影響傳感器和一些電器元件的運行，導致測量元件損壞或者是電路短路，或者是高壓的高壓電閃絡，所以把濕度和儀器儀表兩者尋找合理可行界面，實現非常優化設計，以求環境和儀器儀表互相滿足的工作界面。

目前在儀表設計方面做的比較完善，一般都有防護等級，有各種防護措施，或者是防水密封措施等。現場的環境，有的地方濕度太大，甚至介質或者環境空氣中有酸堿鹽和電磁（包括核元素）輻射等，長期在酸堿環境里工作，腐蝕損害是一個慢性的損害的過程，對于高電壓閃絡也不可避免，應該引起重視。

比如某電廠脫硫系統的廢水回收箱液位計，因為內部存在大量的水汽，超聲波探頭處經常結露，儀表運行不穩定，維護工作量大，導致現場無法運行，非常后在本文作者的建議下，改用了高頻雷達液位計后，問題得到圓滿的解決。

6.2 控制室溫濕度對DCS熱電偶冷端溫度修正的影響

有的 DCS 采用小熱電偶（阻）對端子柜內進行測溫，從而對冷端溫度修正。在 DCS 控制系統，對于冷端溫度修正往往采用小熱電偶（阻）測溫的方法，小熱電偶（阻）裝于控制室柜子內，當冬季空調系統偶爾故障溫度低于零致 DCS 無法進行運算和檢測，造成信號失真，發出故障信號，從而導致整個控制系統失靈。控制室的環境溫度需要穩定在一定的范圍之內，冬季高寒時期的工業空調不可以隨便停用。這一問題，尤其是北方高寒地區尤其應該在設計時引起足夠注意。

7 選擇便于操作維護的場所

某電廠潤滑油系統事故放油門，放油門安裝位于地溝里，內部空間狹小，給運行操作和檢修帶來極大的不便，事故情況下根本無法操作和維護。設計界面根本沒有考慮環境因素對人機的影響，置于受限的地溝里，緊急情況下，根本達不到事故情況下能夠操作的可行性。這種環境因素位置就不能操作和維護，失去了閥門應有的功能和作用。再好的儀器儀表也要有好的安裝方式和好的安裝位置，要按照儀器儀表設計要求選擇適合儀表工作的非常佳環境界面，不能任由工藝流程選擇儀器儀表的測點和安裝方式。這樣對于其原理是可以實現，但是無法長期穩定運行，難以達到儀器儀表預期工作效果。

另外，制造的儀器儀表也要對環境給予保護，不能破壞環境，如強烈輻射或產生高溫、高噪音、排放有害物質等，會影響現場人員進行正常維護工作。有一些不適合人為操作的地方，如果把一些壓力表和執行機構或閥門安裝在受限制的地溝或高空，導致無法操作和無法檢修，這種設計需要現場進一步完善和優化。

本文作者曾經解決過某電廠比較復雜的一個閥門操作問題。把一個油系統的閥門裝在狹小的地溝里無法進行操作，更無法進行更換。并且油系統，是一個易燃易爆的場所，更無法維護和動火焊拆裝。那怎么安裝呢？應該在設計的時候，選擇不受限的室外管道上安裝。為什么選擇在地溝里邊呢？為什么選在高空沒有檢修平臺的地方呢？這些問題都是設計深度不夠，沒有考慮人機環的非常佳界面。在設計一個工藝系統過程，應該把自動化儀表的人機環三者的界面實現合理優化。

8 結語

由于經常重視原則系統的設計，忽視了現場人機環界面的優化，設計深度不夠，造成的問題遠不止本文所述，這里僅僅總結了工作遇到的問題，希望能夠引起重視。把人機環界面的設計優化當做一門學問來研究，以求尋找非常佳界面。大家經常遇到原理可行，而實際現場不能運行和達不到設計意圖的控制設備，這更需要專業人員的努力，提高設計深度和對人機環界面的優化，目前尤其凸現其重要性。但愿此文對現場儀器儀表設計界面優化有所啟發，能夠引起同行業的重視。

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