西气东输二线人机交互界面的防呆系统

严 密 管文涌 田家兴 彭太

(中国石油西气东输管道公司，湖北 武汉 430073)

西气东输二线人机交互界面的防呆系统

(中国石油西气东输管道公司，湖北 武汉 430073)

针对西气东输值班人员误操作会造成输气现场不良影响的问题，设计了西气东输二线的SCADA系统HMI的防呆系统。考虑到人机界面与操作人员的互动方式，提出通过PKS人机界面的脚本VBScript实现对操作人员操作的分析判断的方法。通过试验、调试与试运行表明，防呆系统能极大地降低值班人员误操作的可能性，显著减小了误操作带来的风险，提高了西气东输乃至整个输气行业的自动化水平。

防呆系统 规避误操作 人机界面 VBscript 西气东输

0 引言

SCADA系统是西气东输管道生产运行和调控管理的工具和核心，起着监视现场数据、控制现场设备等重要作用[1]。鉴于西气东输管道工程项目的新增及改扩建，需要值班人员操作控制的设备也日益增加。随着现场输气流程越来越复杂，对值班人员的输气技能要求也随之提高，任何一个小的操作失误，都可能造成流量计损坏等严重的后果，给公司甚至下游用户造成巨大的经济损失和社会负面影响。

依靠对值班人员的高强度培训或严格的操作管理规定无法完全消除人主观能动性造成的错误。为从根源上解决该问题，提出适用于西气东输二线PKS系统客户端人机界面的防呆系统。值班人员对系统下达操作指令后，首先通过防呆系统进行分析，分析该操作是否会对生产工艺造成不良的影响，再视情况决定是否将该指令下发至现场[2]。

1 西气东输防呆系统的功能逻辑设计

西气东输站场的防呆系统是指:当值班人员通过人机界面对现场设备进行操作时，该防呆系统会自动通过逻辑运算得出该操作是否对生产平稳运行造成不良影响。若该操作会导致不良后果，则该操作暂不会被执行，并且弹出防呆提示,告知操作人员该操作没有被执行的原因,以便值班人员采取相应的措施[3]。

1.1 工作调压阀的防呆逻辑设计

工作调压阀是站内值班人员操作最多的设备，在平稳分输的过程中起到了至关重要的作用，同时工作调压阀也有许多参数需要值班人员准确设置。任何一个参数设置错误都可能导致工作调压阀调节失效或造成更加严重的后果。

在不同的调节模式下，工作调压阀共有8个参数需要设置，分别是压力设定值、流量设定值、高压保护设定值、低压保护设定值、流量保护设定值、阀位设定值、高阀位设定值、低阀位设定值[4]。

例如，压力设定值是工作调压阀在自动控制时，值班人员希望阀后维持的压力值，该值直接关系到阀门开度和流量控制。操作人员设定压力设定值时，PID调节程序必须满足如下7个必要条件[5]。

① 控制模式为场站控制状态；

② 工作调压阀为远程控制状态；

③ 工作调压阀无故障；

④ 工作调压阀在自动PID控制模式；

⑤ 压力设定值不能大于高压保护设定值；

⑥ 压力设定值不能小于低压保护设定值；

⑦ 压力设定值不能与压力反馈值差距过大。

原先的压力设定值在任何情况下被值班人员修改为任何数值后都可以写入PLC程序，存在巨大风险。防呆系统的作用是值班人员修改了压力设定值之后，该值先不被HMI传入PLC系统，而是先在HMI中进行如图1所示的逻辑运算。该逻辑控制用于判断该值是否可以传入PLC系统，并且以明显的弹窗方式告知值班人员系统对该数据的处理方式。

图1 压力设定值的防呆逻辑

1.2 ESD投用的防呆逻辑设计

ESD系统投用的防呆逻辑如图2所示，通过防呆系统运算核实人工检查工作的准确性。

图2 紧急停车投用逻辑

ESD系统是西气东输场站紧急停输系统。场站人员在进行现场施工作业、自动化设备检修等特殊情况时会休眠ESD系统，等工作结束后再投用ESD系统。场站值班人员在进行ESD系统投用前，往往需要人工检查多项内容，如是否有ESD按钮被按下，可燃气体探测器或火焰探测器是否有报警等。其目的为了防止ESD系统在投用时误触发，造成天然气放空、输气中断等严重的后果[6]。

2 西气东输防呆系统的功能实现

防呆逻辑全部设计在HMI界面中，执行过程时不需要与PLC系统或SIS系统进行数据通信，增强了系统反馈防呆提示的时效性，且不增加对PLC控制器与SIS系统控制器CPU的占用率及工控网络带宽占用率。防呆系统的编程语言采用西二线PKS系统HMI界面支持的VBScript语言[7]。

2.1 防呆系统投用休眠的实现

在控制流程图的界面中，首先组态出是否启用该系统的按钮，可以根据需要选择是否投用该防呆系统。当不投用防呆系统时，SCADA系统跟原有操作模式保持一致，以便在维护防呆系统时不影响SCADA系统的使用。

为使系统采集到防呆系统投用的状态点，需在PKS数据库中定义防呆系统状态的数据点，再将该数据点组态到该HMI界面中的“防呆休眠(投用)”按钮上。值班人员点击“防呆休眠”按钮后，防呆系统不投用，此时值班人员下发的任何指令按原有方式都会直接传至下位机系统。点击防呆投用后，下发的指令通过防呆系统运算，系统根据逻辑运算的结果判断该指令是否会传至下位机系统。

2.2 工作调压阀的防呆逻辑实现

使用PKS自带软件HMI web display builder进行画面组态编辑，在工作调压阀的弹出窗口(popupwindow)中编辑对应数据区域的脚本[6];使其值在发生改变后，执行该脚本，通过不同逻辑实现不同数据的防呆功能。

将防呆系统状态的数据点添加至工作调压阀对应的容积点中，并且重命名为FoolProof。为了实现8个参数脚本的全部调用，容积点中数据点的重命名也应与脚本中使用的一致，如图3所示。

在压力设定值对应的数据框的脚本编辑器中写入VBScript脚本，当该数据框的值发生改变(onchange)后，脚本自动执行。脚本首先判断防呆系统是否投用，若未投用，则该数据按照原有方式未经任何逻辑运算直接写入下位机系统。若该系统投用，脚本则依次判断现在该工作调压阀是否属于站控状态，是否属于远传状态，是否无故障，是否是PID自动控制模式。若不是，则弹出防呆提示告知操作人员不满足某条件;若都符合上述条件，则继续判断其压力设定值是否超限，再视超限的情况弹出提示或弹出是否强制写入设定值[8]。

图3 修改部分容积点中的数据点

对工作调压阀的8个参数设置的防呆功能，分别如下。

① 压力设定值

在站控、远传、不故障、PID自动状态下允许输入压力设定值，则弹出只能点击“确定”的防呆提示。当压力设定值大(小)于高(低)压保护设定值时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。当压力设定值与压力反馈值差距超过0.4 MPa(此值可根据站内不同情况作相应调整)时，弹出防呆提示。若此时选择“Yes”，则强制写入PLC程序。

② 流量设定值

在站控、远传、不故障、PID自动状态下允许输入流量设定值，则弹出只能点击确定的防呆提示。当流量设定值大于流量保护设定值时，弹出只能点击确定的防呆提示，不能强制写入PLC程序。当流量设定值小于0 Nm3/h时，则弹出只能点击确定的防呆提示，不能强制写入PLC程序。当流量设定值与流量反馈值超过2 000 Nm3/h(此值可根据站内不同情况作相应调整)时，弹出防呆提示。若此时选择“Yes”，则强制写入PLC程序。

③ 保护流量设定值

当流量设定值小于0 Nm3/h时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。

④ 高压保护设定值

当高压保护设定值小于压力设定值时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序；当高压保护设定值小于0 Nm3/h时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。

⑤ 低压保护设定值

当低压保护设定值大于压力设定值时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序；当低压保护设定值大于高压保护设定值时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。

⑥ 阀位设定值

在站控、远传、不故障、PID手动状态下允许输入压力设定值，否则弹出只能点击“确定”的防呆提示。当阀位设定值大于等于高阀位设定值时，弹出只能点击确定的防呆提示，不能强制写入PLC程序。当阀位设定值小于等于低阀位设定值时，弹出只能点击确定的防呆提示，不能强制写入PLC程序。当阀位设定值大于阀位反馈值10时，弹出防呆提示，若此时选择“Yes”，则强制写入PLC程序。

⑦ 高阀位设定值

当高阀位设定值大于100时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。当高阀位设定值小于等于0时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。当高阀位设定值小于等于低阀位设定值时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。

⑧ 低阀位设定值

当低阀位设定值小于0时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。当低阀位设定值大于等于高阀位设定值时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。当低阀位设定值小于等于高阀位设定值时，弹出只能点击“确定”的防呆提示，不能强制写入PLC程序。

2.3 ESD系统投用逻辑防呆的实现

场站人员在投用ESD系统时，需要在HMI的控制流程图界面中点击ESD系统投用按钮，即可将ESD投用的命令下发至下位机的安全仪表系统(SIS)[9]。防呆程序脚本组态在该按钮上，每当该按钮被鼠标左键单击时即执行防呆程序，最后根据逻辑执行的结果视情况下发ESD投用命令至下位机。

在防呆系统投用的前提下，当按钮被鼠标左键单击(onclick)时，脚本首先判断是否有可燃气体探测器或火焰探测器报警，若有任意报警，则将某特定二进制变量第一位数置1；然后判断是否有ESD按钮被按下，若有任意按钮被按下，则将该变量第二位置1；最后判断是否有调控中心ESD命令下发，若有则将该变量第三位置1。该变量作为防呆提示状态位，防呆判断程序段执行后依据该状态位的值，弹出与事实相符的防呆提示，并同时要求值班人员选择是否强制投用ESD系统，来确定是否将ESD投用命令数据下发至SIS系统[10]。

3 西气东输防呆系统的运行效果

3.1 防呆系统投用与停用

在HMI的控制流程图界面中点击“防呆投用”按钮后，防呆系统立刻投用并弹出提示，同时在该界面中也显示“防呆投用”字样。点击“防呆休眠”后，防呆系统停用，同时显示“防呆休眠”字样。

3.2 防呆系统对工作调压阀的运行效果

值班人员操作时，若输入过大的压力设定值如5 MPa，则弹出“确认设定压力值为5 MPa吗？”，操作人员确认后，根据该压力设定值继续进行防呆运算。因为该压力设定值过大，会对平稳输气造成极其不稳定的波动，所以是无法强制写入压力设定值的。防呆逻辑执行后，通过防呆逻辑系统发现压力设定值5 MPa大于高压保护设定值3 MPa，所以弹出防呆提示“输入错误，压力设定值不能大于等于高压保护设定值！”。若压力设定值与压力反馈值差距超过0.4 MPa且不超过高压保护设定值和不小于低压保护设定值时，弹出可以选择“Yes”或“No”的防呆提示，若选择“Yes”,则强制将该压力设定值写入下位机PLC系统。

弹窗中出现黄色感叹号且HMI有特殊的弹窗弹出音效，则表示防呆逻辑运算后，得出该操作可能会对系统造成不良影响，需场站值班人员认真理解防呆提示内容，根据提示再进行操作。

3.3 防呆系统对ESD投用的运行效果

值班人员点击投用按钮，会弹出是否确认要投用ESD的防呆操作确认提示。点击“No”，则该弹窗和投用ESD的操作被取消；若点击“Yes”且满足ESD投用条件时投用ESD命令下发至SIS系统。若点击“Yes”且当有条件未满足时，则将其符合实际情况的全部未满足条件都依次列举出来并让值班人员选择是否强制下发至SIS系统。ESD正常投用需满足火焰探测器和可燃气体探测器都复位(压气站判断、分输站不判断)、ESD按钮都未按下和调控中心无ESD触发命令。点击“No”，该弹窗和投用ESD的操作被取消；此时继续点击“Yes”，则强制将投用ESD命令下发至SIS系统，并弹出提示窗口。该强制投用ESD的方式是为保证SIS系统的可用性，即在紧急事件发生时，防呆系统不会影响到SIS系统的运行和ESD的触发。

4 结束语

在防呆系统添加到HMI界面中后，站内值班人员普遍认为该系统不仅能降低人员误操作的可能性，同时也在值班人员与人机界面互动过程中加深了值班人员对生产工艺的了解。

防呆系统的提出与运用提高了西气东输的自动控制水平，对于调控中心这样人员少、控制范围广、操作较多的HMI，防呆系统将更加适用。

[1] 赵廉斌，田家兴，王海峰，等.输气站场自控系统夜间无人值守功能的实现[J].油气储运,2012,31(4):314-317.

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[3] 张治国.丹佛斯压缩机组装线POKA-YOKE应用研究[D].天津:天津大学.2011.

[4] 梁怿，韩建强，王磊.远控自动分输系统在西气东输甘塘站的应用[J].油气储运,2013,32(2):171-173.

[5] 刘开富.SY/T 5922-1994 天然气输送管道运行管理规范[S].北京:石油工业出版社,1994.

[6] 赵廉斌，朱金辉，张丽，等.以Safety Manager为控制核心的安全仪表系统在输气站场中的可用性和可靠性探讨[J].化工自动化及仪表,2014,41(11):1324-1326.

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[9] 蒋湘君，陈平.对于提高ESD可靠性的几点看法[J].石油化工自动化,2011,47(5):66-68.

[10]王海峰，田家兴，赵廉斌，等.Safety Manager系列PLC在西气东输二线输气管道中的应用[J].工业控制计算机,2012,25(1):10-12.

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

严密(1989-)，男，2011年毕业于西南交通大学自动化专业，获学士学位，助理工程师；主要从事长输天然气管道自动化系统的研究。

TE978

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505011

修改稿收到日期：2014-12-04。