浅谈核电厂DCS的人机接口(HMI)设计

浅谈核电厂DCS的人机接口（HMI）设计作者：刘佳欣陈美竹孟祥宇
来源：《科学与信息化》2019年第13期
摘要核电厂DCS（分布式控制系统）承担了核电厂的监测、控制和保护三个基本功能，对核电厂运行起至关重要的作用，HMI作为运行人员与DCS系统信息交换的接口，要为运行人员提供全厂信息显示和保证操作指令正确执行。

本文结合实际应用，介绍了HMI设计特点、重要功能及验收重点，旨在为今后HMI验收工作提供参考。

关键词核电；DCS；人机接口；HMI
引言
核电厂仪控系统监视和控制核电厂热能和电能生产的主要和辅助过程，在所有运行模式，包括应急情况下，维持电厂的安全性、可操作性和可靠性，并且在正常运行工况下保证电厂的经济性。

当前，核电厂仪控系统已经发展至第三代，由基于模拟组合仪表和继电器逻辑的传统仪控系统发展为基于计算机和网络技术的数字化仪控系统（DCS），仪表控制系统更为集中化、智能化。

HMI（人机接口）也由传统的仅由仪表、指示灯显示和开关、按钮等硬接线控制转变为多样化的数字显示和软件控制。

1 HMI概述
HMI是核电厂中包括操作员在内的运行人员与计算机系统之间的交接面，HMI的设置是为核电厂的所有运行工况进行集中、有效的监督并能及时、安全地完成控制操作，使核电厂能维持其安全状态。

HMI通过设置在主控室、远程停堆站、技术支持中心、挂牌中型位置的屏幕、键鼠及轨迹球等设备实现人机信息交换，主要设备包括操作站、工程师站及服务器等[1]。

2 HMI基本功能
数字化HMI能在工作站的显示屏内为运行人员提供更多、更完整的实时监控信息，相较于传统仪表、指示灯，电子屏幕集成的显示区域使得信息排布更为密集，需要更为优化的任务组织显示和运行方法。

基于以上因素，HMI应具备以下功能：
2.1 工艺系统实时动态流程图画面
正常运行状况下，控制系统能通过HMI界面，以图形化页面的形式将用户所需信息予以展现，并为用户提供操作和控制系统的手段。

通过工艺系统画面、流程图、棒图等多元化的显示方式向运行人员提供设备状态和传感器数值。

2.2 数字化操作规程
数字化的操作规程具有查找方便、易于保存等优点，操作员可通过HMI查看规程索引及相关清单，调用规程执行过程中所需的画面，并执行规程要求的监视或操作。

2.3 报警分级管理和显示
报警分类分级管理：报警功能为操作员提供了整个系统中工艺和设备等的故障报警情况，由于报警列表功能不具备传统报警信号指示灯显示的直观性，需引入对报警的分类、分级管理。

系统的报警分为工艺报警、临时报警和I&C 故障，分别由不同报警列表显示。

而针对不同模拟量的报警限值，可定义其对应报警级别，并在显示时以不同颜色区分（如紫、红、黄等）。

报警抑制功能：引入报警抑制功能可设置某些报警的抑制条件，有效减少报警数量，减轻操作员监视报警负担。

2.4 安全监督功能
安全参数显示功能：该功能是为运行人员提供电厂关键变量的简明显示，方便操作人员及时、可靠地判断电厂的安全状态。

故障诊断和故障监视功能：该功能是监控系统的重要组成部分，可实时诊断系统中硬件设备状态，包括服务器，操作站，控制站，IO 模块及所有网卡，监视所有机器的CPU 负荷、内存使用率、DCS 系统任务状态、机柜状态、交换机，可为运行人员提供整个系统运行时的设备状况及相关信息，辅助判断运行状态。

2.5 电厂全生命周期数据存档
系统应提供事故追忆和事故顺序记录触发的提示信息，以便操纵员能及时获取相关信息。

存档功能按存储介质的不同可以划分为历史数据存储和历史数据存档，分别实现将数据存储在服务器本地硬盘或转存到光盘或其他存储介质[2]。

3 HMI设计要求
因绝大部分核电安全事故都是由人因失误造成的，而造成人因失误的原因主要有以下3个：人机功能分配不合理、人机界面设计不合理和安全制度问题。

为此，HMI系统除要满足基本使用功能以外，需简单可靠，减少由HMI设计不合理导致的人因失误。

通常，依据人因
工程的设计原则，HMI的设计应满足以下要求：操纵员对话必须尽可能简单；可以在任意屏幕上显示运行人员指定的任意功能；键盘或跟踪球响应时间应当小于1秒，任何画面均能在调用后2秒内完全显示；HMI显示应当实现汉化，屏幕显示、打印输出等采用中文；调用任一画面的操作次数，不应多于三次；使用重要操作功能需进行二次确认。

4 HMI验收工作重点
出厂验收是HMI离厂前最后一道检验工序，为确保HMI功能可用，必须对其关键功能进行重点检查，其验收重点工作如下：
功能检查：按HMI基本功能划分，其具备13大基本功能，分别是：显示界面、权限、报警、数字化规程、日志、列表、表格、趋势、安全显示、诊断、打印、在线记事本、挂牌。

在验收过程中，应分别对其进行功能测试。

一致性检查：HMI中系统画面涵盖核电厂所有运行设备，是运行人员获取电厂运行状况和设备参数的重要渠道，在验收过程中，应重点检查HMI中系统画面、位号、点名描述及操作的显示是否与设计输入一致。

权限检查：HMI操作权限分为监视、规程操作、挂牌、维护和系统管理等，通过定义不同的用户和操作权限对运行人员可操作的功能加以限制。

通常为七个操作级别：监视、规程操作、操作+规程操作+挂牌、挂牌、维护级别和系统管理级别，不同的操作级别被允许登录到不同的登录位置。

在验收工作中应重点检查不同权限下的操作功能是否与要求保持一致[3]。

5 结束语
当前，DCS已取代传统仪控系统成为国内新建核电站的重要操纵手段，我国国核自仪系统工程有限公司、北京广利核系统工程有限公司、中国核动力设计研究院、中核控制系统工程有限公司等单位已具备自主生产DCS的能力。

本文浅析了当前HMI的功能、设计要求和验收重点关注内容，旨在为今后HMI验收工作提供参考。

参考文献
[1] GB 13630-2015.核电站控制室的设计[S].北京：中国标准出版社，2015.
[2] 张学刚.核电厂数字化人机界面运行技术研究[J].核科学与工程，2010，（s1）：58-61.
[3] 杨敏.核电厂主控室数字化人机界面评价研究[D].衡阳：南华大学，2013.。