嚴(yán) 密 管文涌 田家興 彭太

(中國(guó)石油西氣東輸管道公司，湖北 武漢 430073)

西氣東輸二線人機(jī)交互界面的防呆系統(tǒng)

(中國(guó)石油西氣東輸管道公司，湖北 武漢 430073)

針對(duì)西氣東輸值班人員誤操作會(huì)造成輸氣現(xiàn)場(chǎng)不良影響的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了西氣東輸二線的SCADA系統(tǒng)HMI的防呆系統(tǒng)?？紤]到人機(jī)界面與操作人員的互動(dòng)方式，提出通過(guò)PKS人機(jī)界面的腳本VBScript實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員操作的分析判斷的方法。通過(guò)試驗(yàn)、調(diào)試與試運(yùn)行表明，防呆系統(tǒng)能極大地降低值班人員誤操作的可能性，顯著減小了誤操作帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了西氣東輸乃至整個(gè)輸氣行業(yè)的自動(dòng)化水平。

防呆系統(tǒng) 規(guī)避誤操作 人機(jī)界面 VBscript 西氣東輸

0 引言

SCADA系統(tǒng)是西氣東輸管道生產(chǎn)運(yùn)行和調(diào)控管理的工具和核心，起著監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等重要作用[1]。鑒于西氣東輸管道工程項(xiàng)目的新增及改擴(kuò)建，需要值班人員操作控制的設(shè)備也日益增加。隨著現(xiàn)場(chǎng)輸氣流程越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)值班人員的輸氣技能要求也隨之提高，任何一個(gè)小的操作失誤，都可能造成流量計(jì)損壞等嚴(yán)重的后果，給公司甚至下游用戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面影響。

依靠對(duì)值班人員的高強(qiáng)度培訓(xùn)或嚴(yán)格的操作管理規(guī)定無(wú)法完全消除人主觀能動(dòng)性造成的錯(cuò)誤。為從根源上解決該問(wèn)題，提出適用于西氣東輸二線PKS系統(tǒng)客戶端人機(jī)界面的防呆系統(tǒng)。值班人員對(duì)系統(tǒng)下達(dá)操作指令后，首先通過(guò)防呆系統(tǒng)進(jìn)行分析，分析該操作是否會(huì)對(duì)生產(chǎn)工藝造成不良的影響，再視情況決定是否將該指令下發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)[2]。

1 西氣東輸防呆系統(tǒng)的功能邏輯設(shè)計(jì)

西氣東輸站場(chǎng)的防呆系統(tǒng)是指:當(dāng)值班人員通過(guò)人機(jī)界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，該防呆系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)邏輯運(yùn)算得出該操作是否對(duì)生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行造成不良影響。若該操作會(huì)導(dǎo)致不良后果，則該操作暫不會(huì)被執(zhí)行，并且彈出防呆提示,告知操作人員該操作沒(méi)有被執(zhí)行的原因,以便值班人員采取相應(yīng)的措施[3]。

1.1 工作調(diào)壓閥的防呆邏輯設(shè)計(jì)

工作調(diào)壓閥是站內(nèi)值班人員操作最多的設(shè)備，在平穩(wěn)分輸?shù)倪^(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)工作調(diào)壓閥也有許多參數(shù)需要值班人員準(zhǔn)確設(shè)置。任何一個(gè)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致工作調(diào)壓閥調(diào)節(jié)失效或造成更加嚴(yán)重的后果。

在不同的調(diào)節(jié)模式下，工作調(diào)壓閥共有8個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，分別是壓力設(shè)定值、流量設(shè)定值、高壓保護(hù)設(shè)定值、低壓保護(hù)設(shè)定值、流量保護(hù)設(shè)定值、閥位設(shè)定值、高閥位設(shè)定值、低閥位設(shè)定值[4]。

例如，壓力設(shè)定值是工作調(diào)壓閥在自動(dòng)控制時(shí)，值班人員希望閥后維持的壓力值，該值直接關(guān)系到閥門(mén)開(kāi)度和流量控制。操作人員設(shè)定壓力設(shè)定值時(shí)，PID調(diào)節(jié)程序必須滿足如下7個(gè)必要條件[5]。

① 控制模式為場(chǎng)站控制狀態(tài)；

② 工作調(diào)壓閥為遠(yuǎn)程控制狀態(tài)；

③ 工作調(diào)壓閥無(wú)故障；

④ 工作調(diào)壓閥在自動(dòng)PID控制模式；

⑤ 壓力設(shè)定值不能大于高壓保護(hù)設(shè)定值；

⑥ 壓力設(shè)定值不能小于低壓保護(hù)設(shè)定值；

⑦ 壓力設(shè)定值不能與壓力反饋值差距過(guò)大。

原先的壓力設(shè)定值在任何情況下被值班人員修改為任何數(shù)值后都可以寫(xiě)入PLC程序，存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。防呆系統(tǒng)的作用是值班人員修改了壓力設(shè)定值之后，該值先不被HMI傳入PLC系統(tǒng)，而是先在HMI中進(jìn)行如圖1所示的邏輯運(yùn)算。該邏輯控制用于判斷該值是否可以傳入PLC系統(tǒng)，并且以明顯的彈窗方式告知值班人員系統(tǒng)對(duì)該數(shù)據(jù)的處理方式。

圖1 壓力設(shè)定值的防呆邏輯

1.2 ESD投用的防呆邏輯設(shè)計(jì)

ESD系統(tǒng)投用的防呆邏輯如圖2所示，通過(guò)防呆系統(tǒng)運(yùn)算核實(shí)人工檢查工作的準(zhǔn)確性。

圖2 緊急停車(chē)投用邏輯

ESD系統(tǒng)是西氣東輸場(chǎng)站緊急停輸系統(tǒng)。場(chǎng)站人員在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)、自動(dòng)化設(shè)備檢修等特殊情況時(shí)會(huì)休眠ESD系統(tǒng)，等工作結(jié)束后再投用ESD系統(tǒng)。場(chǎng)站值班人員在進(jìn)行ESD系統(tǒng)投用前，往往需要人工檢查多項(xiàng)內(nèi)容，如是否有ESD按鈕被按下，可燃?xì)怏w探測(cè)器或火焰探測(cè)器是否有報(bào)警等。其目的為了防止ESD系統(tǒng)在投用時(shí)誤觸發(fā)，造成天然氣放空、輸氣中斷等嚴(yán)重的后果[6]。

2 西氣東輸防呆系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

防呆邏輯全部設(shè)計(jì)在HMI界面中，執(zhí)行過(guò)程時(shí)不需要與PLC系統(tǒng)或SIS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，增強(qiáng)了系統(tǒng)反饋防呆提示的時(shí)效性，且不增加對(duì)PLC控制器與SIS系統(tǒng)控制器CPU的占用率及工控網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率。防呆系統(tǒng)的編程語(yǔ)言采用西二線PKS系統(tǒng)HMI界面支持的VBScript語(yǔ)言[7]。

2.1 防呆系統(tǒng)投用休眠的實(shí)現(xiàn)

在控制流程圖的界面中，首先組態(tài)出是否啟用該系統(tǒng)的按鈕，可以根據(jù)需要選擇是否投用該防呆系統(tǒng)。當(dāng)不投用防呆系統(tǒng)時(shí)，SCADA系統(tǒng)跟原有操作模式保持一致，以便在維護(hù)防呆系統(tǒng)時(shí)不影響SCADA系統(tǒng)的使用。

為使系統(tǒng)采集到防呆系統(tǒng)投用的狀態(tài)點(diǎn)，需在PKS數(shù)據(jù)庫(kù)中定義防呆系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，再將該數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)到該HMI界面中的“防呆休眠(投用)”按鈕上。值班人員點(diǎn)擊“防呆休眠”按鈕后，防呆系統(tǒng)不投用，此時(shí)值班人員下發(fā)的任何指令按原有方式都會(huì)直接傳至下位機(jī)系統(tǒng)。點(diǎn)擊防呆投用后，下發(fā)的指令通過(guò)防呆系統(tǒng)運(yùn)算，系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果判斷該指令是否會(huì)傳至下位機(jī)系統(tǒng)。

2.2 工作調(diào)壓閥的防呆邏輯實(shí)現(xiàn)

使用PKS自帶軟件HMI web display builder進(jìn)行畫(huà)面組態(tài)編輯，在工作調(diào)壓閥的彈出窗口(popupwindow)中編輯對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)域的腳本[6];使其值在發(fā)生改變后，執(zhí)行該腳本，通過(guò)不同邏輯實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的防呆功能。

將防呆系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)點(diǎn)添加至工作調(diào)壓閥對(duì)應(yīng)的容積點(diǎn)中，并且重命名為FoolProof。為了實(shí)現(xiàn)8個(gè)參數(shù)腳本的全部調(diào)用，容積點(diǎn)中數(shù)據(jù)點(diǎn)的重命名也應(yīng)與腳本中使用的一致，如圖3所示。

在壓力設(shè)定值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)框的腳本編輯器中寫(xiě)入VBScript腳本，當(dāng)該數(shù)據(jù)框的值發(fā)生改變(onchange)后，腳本自動(dòng)執(zhí)行。腳本首先判斷防呆系統(tǒng)是否投用，若未投用，則該數(shù)據(jù)按照原有方式未經(jīng)任何邏輯運(yùn)算直接寫(xiě)入下位機(jī)系統(tǒng)。若該系統(tǒng)投用，腳本則依次判斷現(xiàn)在該工作調(diào)壓閥是否屬于站控狀態(tài)，是否屬于遠(yuǎn)傳狀態(tài)，是否無(wú)故障，是否是PID自動(dòng)控制模式。若不是，則彈出防呆提示告知操作人員不滿足某條件;若都符合上述條件，則繼續(xù)判斷其壓力設(shè)定值是否超限，再視超限的情況彈出提示或彈出是否強(qiáng)制寫(xiě)入設(shè)定值[8]。

圖3 修改部分容積點(diǎn)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)

對(duì)工作調(diào)壓閥的8個(gè)參數(shù)設(shè)置的防呆功能，分別如下。

① 壓力設(shè)定值

在站控、遠(yuǎn)傳、不故障、PID自動(dòng)狀態(tài)下允許輸入壓力設(shè)定值，則彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示。當(dāng)壓力設(shè)定值大(小)于高(低)壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。當(dāng)壓力設(shè)定值與壓力反饋值差距超過(guò)0.4 MPa(此值可根據(jù)站內(nèi)不同情況作相應(yīng)調(diào)整)時(shí)，彈出防呆提示。若此時(shí)選擇“Yes”，則強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。

② 流量設(shè)定值

在站控、遠(yuǎn)傳、不故障、PID自動(dòng)狀態(tài)下允許輸入流量設(shè)定值，則彈出只能點(diǎn)擊確定的防呆提示。當(dāng)流量設(shè)定值大于流量保護(hù)設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊確定的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。當(dāng)流量設(shè)定值小于0 Nm3/h時(shí)，則彈出只能點(diǎn)擊確定的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。當(dāng)流量設(shè)定值與流量反饋值超過(guò)2 000 Nm3/h(此值可根據(jù)站內(nèi)不同情況作相應(yīng)調(diào)整)時(shí)，彈出防呆提示。若此時(shí)選擇“Yes”，則強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。

③ 保護(hù)流量設(shè)定值

當(dāng)流量設(shè)定值小于0 Nm3/h時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。

④ 高壓保護(hù)設(shè)定值

當(dāng)高壓保護(hù)設(shè)定值小于壓力設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序；當(dāng)高壓保護(hù)設(shè)定值小于0 Nm3/h時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。

⑤ 低壓保護(hù)設(shè)定值

當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)設(shè)定值大于壓力設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序；當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)設(shè)定值大于高壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。

⑥ 閥位設(shè)定值

在站控、遠(yuǎn)傳、不故障、PID手動(dòng)狀態(tài)下允許輸入壓力設(shè)定值，否則彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示。當(dāng)閥位設(shè)定值大于等于高閥位設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊確定的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。當(dāng)閥位設(shè)定值小于等于低閥位設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊確定的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。當(dāng)閥位設(shè)定值大于閥位反饋值10時(shí)，彈出防呆提示，若此時(shí)選擇“Yes”，則強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。

⑦ 高閥位設(shè)定值

當(dāng)高閥位設(shè)定值大于100時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。當(dāng)高閥位設(shè)定值小于等于0時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。當(dāng)高閥位設(shè)定值小于等于低閥位設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。

⑧ 低閥位設(shè)定值

當(dāng)?shù)烷y位設(shè)定值小于0時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。當(dāng)?shù)烷y位設(shè)定值大于等于高閥位設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。當(dāng)?shù)烷y位設(shè)定值小于等于高閥位設(shè)定值時(shí)，彈出只能點(diǎn)擊“確定”的防呆提示，不能強(qiáng)制寫(xiě)入PLC程序。

2.3 ESD系統(tǒng)投用邏輯防呆的實(shí)現(xiàn)

場(chǎng)站人員在投用ESD系統(tǒng)時(shí)，需要在HMI的控制流程圖界面中點(diǎn)擊ESD系統(tǒng)投用按鈕，即可將ESD投用的命令下發(fā)至下位機(jī)的安全儀表系統(tǒng)(SIS)[9]。防呆程序腳本組態(tài)在該按鈕上，每當(dāng)該按鈕被鼠標(biāo)左鍵單擊時(shí)即執(zhí)行防呆程序，最后根據(jù)邏輯執(zhí)行的結(jié)果視情況下發(fā)ESD投用命令至下位機(jī)。

在防呆系統(tǒng)投用的前提下，當(dāng)按鈕被鼠標(biāo)左鍵單擊(onclick)時(shí)，腳本首先判斷是否有可燃?xì)怏w探測(cè)器或火焰探測(cè)器報(bào)警，若有任意報(bào)警，則將某特定二進(jìn)制變量第一位數(shù)置1；然后判斷是否有ESD按鈕被按下，若有任意按鈕被按下，則將該變量第二位置1；最后判斷是否有調(diào)控中心ESD命令下發(fā)，若有則將該變量第三位置1。該變量作為防呆提示狀態(tài)位，防呆判斷程序段執(zhí)行后依據(jù)該狀態(tài)位的值，彈出與事實(shí)相符的防呆提示，并同時(shí)要求值班人員選擇是否強(qiáng)制投用ESD系統(tǒng)，來(lái)確定是否將ESD投用命令數(shù)據(jù)下發(fā)至SIS系統(tǒng)[10]。

3 西氣東輸防呆系統(tǒng)的運(yùn)行效果

3.1 防呆系統(tǒng)投用與停用

在HMI的控制流程圖界面中點(diǎn)擊“防呆投用”按鈕后，防呆系統(tǒng)立刻投用并彈出提示，同時(shí)在該界面中也顯示“防呆投用”字樣。點(diǎn)擊“防呆休眠”后，防呆系統(tǒng)停用，同時(shí)顯示“防呆休眠”字樣。

3.2 防呆系統(tǒng)對(duì)工作調(diào)壓閥的運(yùn)行效果

值班人員操作時(shí)，若輸入過(guò)大的壓力設(shè)定值如5 MPa，則彈出“確認(rèn)設(shè)定壓力值為5 MPa嗎？”，操作人員確認(rèn)后，根據(jù)該壓力設(shè)定值繼續(xù)進(jìn)行防呆運(yùn)算。因?yàn)樵搲毫υO(shè)定值過(guò)大，會(huì)對(duì)平穩(wěn)輸氣造成極其不穩(wěn)定的波動(dòng)，所以是無(wú)法強(qiáng)制寫(xiě)入壓力設(shè)定值的。防呆邏輯執(zhí)行后，通過(guò)防呆邏輯系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)壓力設(shè)定值5 MPa大于高壓保護(hù)設(shè)定值3 MPa，所以彈出防呆提示“輸入錯(cuò)誤，壓力設(shè)定值不能大于等于高壓保護(hù)設(shè)定值！”。若壓力設(shè)定值與壓力反饋值差距超過(guò)0.4 MPa且不超過(guò)高壓保護(hù)設(shè)定值和不小于低壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，彈出可以選擇“Yes”或“No”的防呆提示，若選擇“Yes”,則強(qiáng)制將該壓力設(shè)定值寫(xiě)入下位機(jī)PLC系統(tǒng)。

彈窗中出現(xiàn)黃色感嘆號(hào)且HMI有特殊的彈窗彈出音效，則表示防呆邏輯運(yùn)算后，得出該操作可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不良影響，需場(chǎng)站值班人員認(rèn)真理解防呆提示內(nèi)容，根據(jù)提示再進(jìn)行操作。

3.3 防呆系統(tǒng)對(duì)ESD投用的運(yùn)行效果

值班人員點(diǎn)擊投用按鈕，會(huì)彈出是否確認(rèn)要投用ESD的防呆操作確認(rèn)提示。點(diǎn)擊“No”，則該彈窗和投用ESD的操作被取消；若點(diǎn)擊“Yes”且滿足ESD投用條件時(shí)投用ESD命令下發(fā)至SIS系統(tǒng)。若點(diǎn)擊“Yes”且當(dāng)有條件未滿足時(shí)，則將其符合實(shí)際情況的全部未滿足條件都依次列舉出來(lái)并讓值班人員選擇是否強(qiáng)制下發(fā)至SIS系統(tǒng)。ESD正常投用需滿足火焰探測(cè)器和可燃?xì)怏w探測(cè)器都復(fù)位(壓氣站判斷、分輸站不判斷)、ESD按鈕都未按下和調(diào)控中心無(wú)ESD觸發(fā)命令。點(diǎn)擊“No”，該彈窗和投用ESD的操作被取消；此時(shí)繼續(xù)點(diǎn)擊“Yes”，則強(qiáng)制將投用ESD命令下發(fā)至SIS系統(tǒng)，并彈出提示窗口。該強(qiáng)制投用ESD的方式是為保證SIS系統(tǒng)的可用性，即在緊急事件發(fā)生時(shí)，防呆系統(tǒng)不會(huì)影響到SIS系統(tǒng)的運(yùn)行和ESD的觸發(fā)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在防呆系統(tǒng)添加到HMI界面中后，站內(nèi)值班人員普遍認(rèn)為該系統(tǒng)不僅能降低人員誤操作的可能性，同時(shí)也在值班人員與人機(jī)界面互動(dòng)過(guò)程中加深了值班人員對(duì)生產(chǎn)工藝的了解。

防呆系統(tǒng)的提出與運(yùn)用提高了西氣東輸?shù)淖詣?dòng)控制水平，對(duì)于調(diào)控中心這樣人員少、控制范圍廣、操作較多的HMI，防呆系統(tǒng)將更加適用。

[1] 趙廉斌，田家興，王海峰，等.輸氣站場(chǎng)自控系統(tǒng)夜間無(wú)人值守功能的實(shí)現(xiàn)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2012,31(4):314-317.

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Fool-proof System of HMI in the Second West-East Pipeline

To against the problem of adverse impact caused by operator’s misoperation in gas transmission field of the second West-East Pipeline, the fool-proof system for HMI of the SCADA system has been designed. Considering the interaction mode of the HMI and operators, the method of implementing analysis and judgment for the operation of operator through VBScripts in HMI of PKS is proposed. The test, commissioning, and trial operation of this fool-proof system verify the possibility of greatly reducing misoperation of operators, and the risks caused by misoperation are decreased, thus the automation level of West-East pipeline and even entire gas transmission industry is improved.

Fool-proof system Circumvention of misoperation Human machine interface VBScript West-East pipeline

嚴(yán)密(1989-)，男，2011年畢業(yè)于西南交通大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，助理工程師；主要從事長(zhǎng)輸天然氣管道自動(dòng)化系統(tǒng)的研究。

TE978

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505011

修改稿收到日期：2014-12-04。