基于In Touch的核反应堆控制系统人机界面设计

王　飞，陆古兵，张龙飞，宋　辉，叶博书

(海军工程大学 核能科学与工程系，武汉　430033)



基于In Touch的核反应堆控制系统人机界面设计

王飞，陆古兵，张龙飞，宋辉，叶博书

(海军工程大学 核能科学与工程系，武汉430033)

摘要：建立一套完整的核反应堆控制系统人机界面在核能应用领域具有重要的作用，它既可以实现操纵员与反应堆间的远程控制，又可以为反应堆操纵员提供运行支持，同时人力资源方面也可以优化，简化操纵员配置；随着计算机控制技术的不断发展，通过计算机开发人机界面进行控制系统信息交互的方式逐渐成为控制领域的主流；主要研究通过In Touch进行核反应堆控制系统的人机界面开发设计，模拟核反应堆运行过程中的参数监控、异常参数的语音报警、诊断处置等，为今后的核反应堆控制系统人机界面优化提供借鉴，使核反应堆控制系统人机界面更加完整、合理、人性化。

关键词:人机界面；组态软件(In Touch)；控制系统；窗口

目前，核能尤其是核电行业的迅速发展，为解决能源危机做出了巨大贡献。由于利用核能的同时也伴随着放射性物质的排放，对环境及人身体危害严重[1-4]。因此，核能的利用过程充满了危险性，为了更好及安全的利用核能，对其过程进行安全、有效的控制十分重要。本文主要研究在核反应堆控制系统中引进人机界面的方法，通过人机交互的形式实现操纵员与设备间信息的远程传递与交换，并模拟参数监控、异常语音报警及相应的操作指导过程。

1人机界面概述

人机界面是人机交互的基础，是人与机器间的媒介[5]。人机界面实现了人与各设备间的信息传递和交互，方便人们对设备进行实时监控和观察。随着计算机控制技术和网络技术的迅速发展，人机界面作为人与机器之间传话筒，其技术也从最初依靠简单的语言命令、菜单选项发展到现今可以面对对象的可视化交互，应用范围越来越广，技术也越来越成熟[6]，逐渐成为各行各业必不可少的关键环节。它的发展总体来说大致分为4个阶段，分别是：

初创期(1959—1970)：在这段期间，美国学者B.Shackel撰写的一篇关于计算机控制平台设计的人机工程学论文被认为是人机界面研究的第一篇文献；

奠基期(1970—1979)：在这段时期，主要出版了四本关于人机工程学的专著及成立了两个HCI研究中心；

发展期(1980—1995)：这段时期，从理论和实践上对人机交互界面进行总结，出版了六本专著，强调了计算机的反馈作用；

提高期(1996—)：这段时期，人机交互研究的重点主要放在智能化交互、多通道交互、多媒体交互等以人为中心的人机交互技术方面[7]。

人机界面经过长期的发展，目前已有很多成熟的产品投入使用，在核电领域，正在使用的人机界面系统有国内外均使用的安全参数显示系统(SPDS)，该系统主要用于向操纵员提供一组能够反映核电厂设计状态的最小参数集[8]。国内的大亚湾核电厂采用的安全监督盘系统，它具有第一故障识别、执行机构监督、事故规程选择、电站状态监测等功能[9]；田湾核电厂采用的稳压器安全阀状态监测系统具有全过程实时监测稳压器安全阀的各项性能参数的功能[10]。

1.1人机界面设计分析

人机界面在现实世界中是一个虚拟的东西，需要载体把它呈现给操纵员。开发者通过这个载体进行人机界面设计，结合PLC、变频器、仪表等现场控制设备对某一控制系统进行监控，再利用显示器进行信息交互，从而实现操纵员对某一对象的人机交互[6]。但是，在对某控制系统人机界面开发设计时通常需要按照对象情况进行设计，其设计过程一般包括以下几个方面：选择硬件设备组成开发人机界面的硬件环境；选择开发人机界面的工具，本文主要用组态软件(InTouch)开发人机界面内容设计，使其合理、有效地反映某一控制系统。

1.2选择人机界面开发工具

目前，人机界面的开发工具有很多种，如MCGS昆仑通态、力控、InTouch等，本文主要利用InTouch进行开发设计。InTouch是Wonderware公司生产的一种工业自动化软件，它可以快速构造监控系统，并通过数据库的配置实现现场数据的采集处理，再以动画链接、报警处理、历史曲线等多种方式向开发者提供解决某一控制系统的实施方案[11]。由于其简单灵活的可视化操作界面、实时性强、良好的并行处理性能、广泛的数据获取和强大的数据处理功能等优势，使它在控制领域的应用越来越广泛。例如DCS在火电厂主控系统中的应用就是以InTouch作为系统的监控软件，并利用日本山武公司的HARMONAS系统进行火电厂主控系统的开发，采用RTC进行工程组态实现的[12]。核反应堆控制系统通过人机界面实现人机交互的过程如图1所示。

图1　核反应堆控制系统结构流程

如图1所示，核反应堆参数监测控制系统从核反应堆装置收集运行参数后，传给监测参数信息转换模块进行数据转换(实时数据)，然后存入核反应堆数据库中；状态监测软件模块从核反应堆数据库获取数据进行核反应堆状态实时监测，并将获取的参数与故障诊断软件模块从数据库中获取的故障参数进行对比，异常时则运行该故障诊断软件模块，诊断核反应堆事故性质，同时激活故障指导软件模块从数据库获取指导参数给出相应的故障操作指导，处理后再回到状态监测软件模块，并对异常参数进行存储，同时故障参数、指导参数存回数据库中。状态监测软件模块、故障诊断软件模块及故障指导软件模块的相应信息均在人机界面显示，操纵员通过显示器进行人机交互，实现操纵员对核反应堆装置系统的监控与判断。

2核反应堆控制系统人机界面设计

2.1功能需求分析

日本福岛核事故的发生，引发了人们的思考，建立一套实现对反应堆参数监控、异常诊断、语音报警、智能操纵等功能于一体的人机交互界面成为核能应用控制领域的重要课题，是实现核能应用更加安全、可靠的基础。该人机界面的设计需满足以下功能：

查阅资料设置各参数的阈值，可以在WindowView中模拟反应堆的运行参数监测，在实际应用时，界面显示的是反应堆的实时运行参数；对运行参数监控，当运行参数中有异常时，将实现参数异常与语音报警同步的方式提醒操纵员注意反应堆的运行状况，在实际应用中，表示反应堆当前处于危险状态，操纵员能够及时的观察到异常来源；实现参数异常情况的诊断，并给出诊断结果的处置指导，排除反应堆的异常运行。在实际应用中，操纵员需要对反应堆的当前运行状态进行有效判断，并及时排除异常；用户可以通过界面中菜单条上的设备详情、事故类型、控制系统等对反应堆进行相关知识学习，巩固基础知识。

2.2人机界面开发设计过程

这里以菜单、界面布局、参数监控、异常报警操作指导的设计过程为例进行说明。在InTouch应用程序管理器中新建一个任务，选择WindowMaker进行人机界面主界面开发设计。先新建各窗口，在顶端添加菜单按钮。然后选主界面按钮右击选择动画链接中的动作触动按钮，其相关脚本如表1所示。

表1　主界面按钮相关脚本

主界面设计效果如图2所示。

图2　主界面设计风格

图2中，顶端为菜单选项，底端为参数单位，右边黑色区域为参数信息栏。进行菜单开发时，在各按钮上设计有指示灯框，表示当单击该按钮时，该按钮上的指示灯变黑色，表示界面显示为当前交互内容。单击其他按钮时，其他按钮指示灯变黑色，上一次按钮指示灯灭，表示界面切换到其他界面。

对菜单选项的二级菜单，其菜单窗口以弹窗弹出，设计开发过程为：按照按钮大小新建弹窗窗口，并添加相应的内容，其相关脚本实现过程如表2所示。

表2　二级菜单实现过程相关脚本

对于三级菜单，设计时置于底层，设计效果如图3所示，当前显示的界面为二级菜单下的“一回路系统”；其中“RCP测温旁路系统”、“RCP卸压阶段水位测量系统”为三级菜单按钮，当单击时，界面显示相应按钮对应的交互内容，对应的按钮指示灯变黑色。

图3　二级菜单间的切换

对于参数监控的人机界面设计，设计时除了参数的正常显示外，还增加了异常参数的变色闪烁与语音播报同步的方式进行报警提醒，即当监控的某一参数异常时，参数信息显示栏中的参数变灰白，设备处的参数所在矩形框变灰黑闪烁，弹出某一参数异常的警示窗口，同时播放相应音频文件进行语音提醒，该音频文件格式为.wav，存储路径为”d:sound某参数超限.wav”，在WindowMaker中的条件脚本下写入代码进行调用，以冷却剂入口(进口)温度超限为例，其实现过程相关脚本如表3所示，设计图如图4所示。

其他界面的设计过程相似，这里只是举几个进行相应说明。

2.3人机界面使用效果

这里以冷却剂入口温度为例进行该人机界面的参数监控、异常参数的语音报警、诊断处置等界面使用效果研究。鉴于反应堆冷却剂入口温度的正常工作范围为280～300℃，所以在设计时，取最高温度300℃为限值温度，当参数项监测到冷却剂入口温度≥300℃时，就会出现如图4所示的语音报警界面。

表3　语音报警相关脚本

图4　参数异常报警界面

当单击弹出界面的“请操作”按钮，界面自动跳转至操作指导界面，如图5所示。

图5　异常处置界面

异常诊断完毕后，参数回归正常，界面跳转至参数监控界面，即图4中无异常时的界面。通过模拟使用，该人机界面具有以下几个方面的优势：

主界面通过矩形填充框的方式与参数链接，可以更加形象的观察参数的走势，对较高参数提前做好准备；把语音报警系统与异常参数变色闪烁结合进行提醒，可以减轻操纵员负担，缓解紧张心态，而且报警具有全局性；可以为核反应堆控制系统人机界面优化及后续开发提供基础及参考平台；为核电站简化操纵员配置提供技术支持，即当建立一套完整的核反应堆控制系统人机界面后，可以减少操纵员的配置，节约人力资源；为后续数据库开发提供界面支持，同时也为操纵员提供学习资源，操纵员可以在该界面进行专业知识学习，提高专业技能。

3结束语

在InTouch中通过窗口脚本、按钮脚本、对象脚本的综合搭配使用，可以实现各窗口间的信息交互，并且参数监控具有全局性，即异常参数在各界面均出现报警提醒。同时结合TTS技术可以实现报警信息的语音播放，即异常参数出现的同时，语音播放该异常参数信息，这种报警方式可以及时处置异常信息，缓解操纵员紧张心态，降低事故的发生率。

参考文献：

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[2]苏林森，杨辉玉.900MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2005.

[3]俞冀阳，俞尔俊.核电厂事故分析[M].北京：清华大学出版社，2012:1-145.

[4]桑维良，张建民.压水堆控制与保护监测[M].北京：原子能出版社，1993:94-232.

[5]颜声远.人机界面设计与评价[M].北京：国防工业出版社，2013.

[6]鄢志兵，姬智，郑涛.人机界面在大型除尘系统控制中的应用[J].工业安全与环保，2004,30(7)：39-40.

[7]杨敏.核电厂数字化人机界面评价研究[D].衡阳：南华大学，2013.

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[9]林园胜，许钢，江娟娟，吴益红，毕运锋.基于LabVIEW的温湿度监测系统设计与实现[J].重庆工商大学学报(自然科学版)，2014，31(6)：63-67.

[10]冯玲,张春良,岳夏.核动力设备状态监测技术的研究[J].机械工程与自动化，2009(1):112-114.

[11]周兴强.稳压器安全阀及其监测系统在田湾核电站的应用[J].电力通用机械，2009(1):82-93.

[12]李方圆.人机界面设计与应用[M].北京：化学工业出版社，2008:1-38.

[13]殷志远.DCS在火电厂主控系统中的应用[J].装备制造技术，2008(5):104-105.

(责任编辑杨继森)

本文引用格式：王飞，陆古兵，张龙飞，宋辉，等.基于In Touch的核反应堆控制系统人机界面设计[J].兵器装备工程学报，2016(5):135-138.

Citation format:WANG Fei,LU Gu-bing,ZHANG Long-fei,SONG Hui,et al.HMI Design of Nuclear Reactor Control System Based On In Touch[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):135-138.

HMI Design of Nuclear Reactor Control System Based On In Touch

WANG Fei,LU Gu-bing,ZHANG Long-fei,SONG Hui,YE Bo-shu

(Department of Nuclear Energy Science and Engineering, Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

Abstract:Establishing a complete nuclear reactor control system HMI has an important role in nuclear energy applications,which can achieve the remote control between the operator and the reactor.It also can provide the support of operation for operator,and optimize the human resources and simplify the operator configuration.With continuously developing of computer control technology,the way to develop HMI to achieve information exchange of control system by computer has become the mainstream in the field of control.The article mainly studied HMI of nuclear reactor control system designed by In Touch,and simulated the parameter monitoring,voice alarm of abnormal parameters and diagnostic disposal during operation,aiming to provide a reference for the optimization of future HMI of nuclear reactor control system and to make HMI of nuclear reactor control system more comprehensive,rational and humanization.

Key words:HMI; configuration software(In Touch); control system; window

doi:【基础理论与应用研究】10.11809/scbgxb2016.05.032

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-25

作者简介：王飞(1992—)，男，硕士研究生，主要从事反应堆运行控制与仿真研究。

中图分类号：TL363

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0135-04