石油化工中控室内操作台形式的研究与探讨

冯欣

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

进入21世纪以来，随着中国经济发展脚步的加快，国内千万吨级炼油、百万吨级乙烯以及大型煤化工装置纷纷拔地而起。越来越多的大型石化企业开始采用现代化集中管理模式，在一个中心控制室(简称中控室)内集中了全厂绝大部分装置、单元的操作人员，中控室成为全厂控制系统和生产管理的核心，也是对外展示企业形象的一个窗口。各企业中控室建筑面积竞相增加，逐步演变为操作大厅。随着石化项目的大型化、集成化，中控室内的操作台(专业术语叫做控制台[1]，考虑到石化行业多年来的习惯称谓，本文称为操作台)数量从最初的十几台、几十台，发展到上百台乃至几百台。国内石化行业近年来新建的大型中控室及内部操作台统计清单见表1所列。

1 中控室和操作台现状

1.1 发展历程

中国石化行业采用中控室始于2000年前后，主要是中外合资项目，以及之前的几个国内改建和扩建项目，形式和布局比较简单。国内中资新建项目的大型中控室始于2005年的某炼油项目，起初，中国石化集团公司鉴于投资和操作方式等原因，对这种新生事物还持谨慎态度。设计单位经过调查研究，借鉴了国外宇航中心和其他行业的指挥中心的经验，采用直列式布置和单体操作站并列组合的方式，规模适中，简洁实用，投资节省，起到了典型示范作用。

在国内后续新建大型石化项目的审批过程中，主管部门和建设单位不再限制投资和规模，大型中控室开始普及，外部建筑风格和内部布置方式也是百花齐放、形式多样。某些项目中控室的结构和操作台的布置和形式流于主观意识，忽视了操作台的使用目的，弱化了实用功能。近年来，一些设计项目又开始重新思考，回归操作和管理实际需要。

表1 国内石化行业近年来新建大型中控室统计清单

1.2 使用状况

2015年，某炼化企业进行了一次调查，征求操作人员对现有操作台使用中的意见和建议，反馈意见中超过一半集中在显示器和座椅高度上，其他还包括键盘、显示器清晰度、腿部空间、文件柜等。原操作台外观尺寸如图1所示，反馈意见分类如图2所示。

1.3 问题分析

该次调查结果在国内石化行业中具有较广泛的代表性，归纳问题原因主要有以下三点：

1)主观重视度不够。通常认为，操作台相当于工业办公桌，只注意摆放形状，不注意人机关系，供应商提供什么就是什么。没有了解工业操作台的设计理论和技术内涵，不重视操作台对操作人员工作效率的作用，也忽视了图纸形象和实际体验之间的差别，造成图纸形象很好，操作感觉很差的现象。

图1 某炼化企业原操作台外观尺寸示意

图2 操作人员反馈意见分类示意

2)缺乏专业性设计。操作台属于工业级人机接口设备，设计理论是人机工程学，包含很多因地制宜和因人而异的方案，以及专门的规程和技术要求。设计需要具有相关专业知识，并具备一定的工业设计美学基础。但石化工程设计行业中的自控、电信、建筑等专业均没有相关的知识背景，也缺乏相应的工程设计标准和技能培训，很难提出具体合理的量化设计指标。

3)忽视采购环节。以往项目执行过程中，操作台一般都是由控制系统供应商配套，所提供的操作台只有几个简单的规格和模式。在竞标过程中，供货商为了降低投标设备成本，往往会不顾实际使用性能，选用价格较低、档次不高的操作台，难以令使用者满意。

2 操作台设计注意事项

操作台是操作人员长期工作的场所和重要的甚至是唯一的人机界面平台，布局模式、显示器设置、桌面高度、座椅位置、腿部空间等都会关系到员工的工作效率和工作状态，也会影响工作的协同、事件处理的便捷、工作环境的适宜、企业文化的显现和中控室的整体观瞻效果。人类工效学对于操作台系统设计的贡献应贯穿整个设计过程，应在工作系统设计的初期就应用人类工效学作为预防性措施，而不是在设计完成之后再来解决出现的问题[2]。

2.1 操作台布局模式

操作台布局主要有直线、小半径弧线和大半径弧线三大类，以及它们相互组合而成的波浪线和不同形状的小区域等布局。

1)直线布局的操作台如图3所示。其结构紧凑，占地面积最小，设计、制造、施工均较容易，开放性好，操作人员活动方便，容易观察操作台后方的大屏幕，适用于室内面积有限的中控室；主要缺点是操作人员左右两侧的视角较小，前后排之间的噪声干扰较大，整体结构稳定性稍差，需要与地面固定。

图3 直线布局的操作台示意

2)小半径弧线布局的操作台如图4所示。内弧半径一般不超过4 m，结构稳定，比直线布局活泼，相邻台位显示器观测视角较好，同一工段内操作人员沟通方便；主要缺点是占地面积较大，各弧段之间的位置关系较复杂，设计难度较大，现场施工时各排操作台之间的夹角和距离不易掌握。

图4 小半径弧线布局的操作台示意

3)大半径弧线布局的操作台如图5所示。介于直线型和小半径弧线之间，兼有二者的优点和缺点。如果圆弧半径小于10 m，则更接近于小半径弧线布局；如果超过了10 m，则更接近直线型布局。

图5 大半径弧线布局的操作台示意

石化行业中控室从2000年开始出现，迄今已有20 a，笔者简单统计了一份20 a内国内外30个大型中控室操作台的布局方案，如图6所示。

图6 国内外石化行业操作台布局方案统计示意

由图5中可以看出，2010年以前，采用直线布局的用户较多，2010年以后更多用户倾向于采用弧线布局。弧线布局与直线布局相比，线条流畅优美，更具有灵动感；人员位于操作台视觉区域中心，可以获取更多的操作信息；包容性的小半径弧线结构可以降低外界的干扰，为操作人员提供一个相对独立的工作环境，符合以人为本的设计理念。

2.2 显示器

2.2.1显示器规格

显示器是操作台上关键设备之一，是操作人员获取信息的视觉窗口。当前石化行业使用的主流显示器以21～25 in(1 in=2.54 cm，下同)的规格居多，也有少量采用27 in规格的，各规格显示器的主要参数见表2所列。

表2 显示器规格参数

从表2中可以看出，同样规格的显示器，16∶9 的显示区域面积小，但最高分辨率高；16∶10 的显示面积大，但最高分辨率反而低。此外，在显示器液晶屏加工切割时，作为18～32 in显示器的5代线玻璃基板(1 100 mm×1 300 mm)和6代线玻璃基板(1 500 mm×1 850 mm)，16∶9规格比16∶10规格可以切割出更多数量的面板[3]，加工成本更低，价格方面有天然的优势。目前市面上主流显示器均是16∶9规格，16∶10已开始淡出市场竞争。

2.2.2显示器安装方案

人的视角约为150°，横向35°、纵向20°是清晰视野范围。如果显示器视野范围过大，眼球就得不断地移动，注视关注范围，眼球内肌群容易疲劳，让人眼产生不适。根据显示器的尺寸和人眼的清晰视角范围，可以计算得出，21.5～25 in显示器与人眼之间的最佳距离是750～880 mm。如果超出该距离，则显示器上的字体会显得较小，也不利于观测。

操作人员的不同的坐姿和座位高度决定了眼睛与操作台的距离和高度。人类工效学提示： 水平视线往下的位置是显示器较适合观察的位置，位置过高的显示器对长期观察是不利的。操作人员的任务与显示器高度之间的关系见表3所列。

2.3 台面形式

2.3.1台面高度

操作台的台面高度应与操作人员的身高相适应。台面过高，操作时需要抬起上臂，长时间会引起肩膀酸痛；台面过低，则需要低头弓背，会引起颈部酸痛。根据GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》，18～60岁中国成年男子在坐姿时，肘高距离地面的中位数(50%)为676 mm，前臂长237 mm；成年女子肘高为633 mm，前臂长213 mm[4]。考虑到台面上一般都需要放置操作员键盘和鼠标，则台面高度以690～720 mm为宜。操作台应该配置可以升降的稳定座椅，适应不同身高的操作人员并可调整姿势，故台面高度还可以扩大至680～750 mm。

表3 操作人员的任务与显示器高度之间的关系

2.3.2台面形式

常见的操作台台面形式包括阶梯式和平面式两种规格，两种规格的操作台台面设计方案如图7所示。

图7 两种规格台面示意

阶梯式台面将台面分成前后高差不同的两个区域，显示器支架安装在较低的区域，降低了显示器高度，便于观测，2层台面的连接处还可以放置备用电源、散热孔、导线孔等，但台面结构复杂，价格比平面式稍高。

2.3.3台面背板

安装在台面上的显示器、音箱、电话、键盘等设备，需要通过台面开孔连接至台面下方的设备。为了布线整洁，改善台面布置环境，一般会在显示器后方竖立一道背板作为遮挡，背板还可以起到隔离前后排噪声干扰的作用。另外还有一种夹层式背板，背板内部空间用来穿线缆，外部可以悬挂显示器，还可以附加文件托盘、水杯、电话附件等体积较小的辅助设备。

2.4 其他问题

如果主机与显示器之间采用的是KVM(Keyboard/Video/Mouse： 键盘、视频和鼠标远程端口)技术方案，主机放在机柜室内，则操作台下方箱体空间充裕，台面高度也可适当降低。但多数石化厂的主机还是放在操作台箱体内，因此建议采用后开门、抽拉式主机托盘，也可以采用横置机箱，便于维护。台面下方可以放置移动式文件柜。

3 某项目的设计方案

3.1 技术要求

项目设计初期，业主管理人员对中控室整体设计方案提出了以下几点要求：

1)采用圆形操作区域方案，根据工段设置不同的操作区，各操作区之间互不干扰。

2)在操作台背后安装工业电视，显示尽可能多的现场视频画面，代替组合式大屏幕。

3)台面布置和电缆敷设要便于今后的维护和扩展。

3.2 技术难点

该方案实施起来有以下技术难点。

1)操作台背后竖立若干面大屏幕监控器是国外厂商的做法，但安装难度较大，支架重心很高，存在倾倒风险，既占用了操作室内的宝贵空间，整体效果也不美观。

2)电视监控器归电信专业负责，操作台归仪表专业负责，在设计、制造、安装、施工过程中存在着大量的交叉作业，协调工作难度较大。

3)采用圆形布局的操作台可以分割操作分区，但操作台下方的电缆沟势必要做成弧线形，这对于设计、制造和施工要求很高。

3.3 解决方案

针对上述技术难点，设计人员经过认真研究，提出了3层操作台的全新设计方案，希望为用户提供更好的操作环境。

该方案采用夹层式背板操作台，背板上用悬挂支架安装了3层16∶9的显示器。下面2层是控制系统的显示器，或开关按钮安装板，上面1层是工业液晶电视监视器，虽然视角较高，但并不需要长时间关注，没有观察不便的问题。开关按钮箱、电视监视器的外形尺寸、颜色与显示器一致。该方案如图8所示。

根据计算，3层显示器由于负荷过大，已不适合采用常规立柱式支撑，需要改为从夹层式背板上伸出的悬挂支架模式。同时，操作台内部采用了2根从上至下贯通的型材柱，保证整个背板的强度。电视监视器采用和显示器同一系列的产品，带有高清视频输入接口，每排电视监控器带1个电视监控工作站主机，用于视频回放功能。

操作区采用双半圆弧形布局围成，整体结构非常稳定，甚至不需要在地面通过膨胀螺栓固定。14个操作台为1组，台面边缘距离圆弧中心只有3.3 m，构成了自然的隔离区域，中间放置椭圆形办公桌，桌面上方预留电源及网络接口，可作为班组会议的场所。

图8 某项目新型三层操作台设计方案示意

该项目未采用以往电缆沟布置在操作台下方的传统做法，而是改为电缆沟沿圆形区域直径方向穿过，电缆沿着电缆沟在中间台位底部进入操作台组，再沿操作台内部的电缆托架横向到达相关的各操作台。供电电缆和网络、信号电缆分别固定在不同的托架内。

除2个进线操作台和操作区中心办公桌下方穿洞以外，其他位置的电缆沟上方没有任何设备或台位，操作台下面也没有电缆沟，非常便于维护和扩展。操作台平面布置方案及电缆穿线方案如图9所示。

图9 操作台平面布置及下方电缆穿线方案示意

操作台夹层式背板内部设计了用于报警的嵌入式音箱。为了实现有别于常规过程报警的可燃/有毒气体报警，特别在背板墙上设计了红色LED报警灯带，安装在高于台面50 mm的位置，灯带向下照射台面，通过台面反射的方式提醒操作人员及时处理。该设计比较新颖，既醒目又不刺眼，符合国家相关标准要求。中控室某操作区域的实景如图10所示。

3.4 经验和心得

经过一年多的使用，用户对3层操作台的使用效果比较满意，特别赞扬了信息量大的优点。

3层操作台显示区域大、信息量多，操作台装备了工业电视监视器，适应了视频监视需要。如果采用微边框显示器，还可以进一步降低整个背板高度，感觉会更好。悬挂支架可以采用多方向调节支架，以适合不同操作人员的需要。

3层操作台是一种先进、新颖的人机界面平台，在不增加占地面积的前提下，增加了显示信息；将工业电视与过程控制操作集成在操作台上，便于观察现场视频图像；夹层式背板隔离前后噪声干扰，带有多种报警功能，可以配备各种安装附件，形成多功能的操作台。该项目采用这种新型多功能操作台，为操作员提供了较为舒适的多功能工作环境，有着较好的应用前景。

图10 某项目新型3层操作台实景示意

3.5 技术总结

在大型石化中控室的设计中，需要注意以下几点： 仪表、电信、建筑等专业相互配合；设计初期，应为操作台做独立概算，详细设计阶段，操作台应先于控制系统招标；充分重视工业电视、大屏幕显示器的作用，综合考虑操作台整体布局方案；根据人体工程学原理，合理选择设计参数，设计清晰、简洁、好用的多功能操作台。

4 结束语

当前石化装置中控室内，每个操作台下方都会放置1台控制系统操作站(PC机)，操作台和操作站从某种意义上讲几乎没有区别。随着操作站数量的不断增加，操作台也逐步横向扩展，直至超过了本段的台位限制，延伸到下一个区域。石化系统各装置的劳动定员数是固定的[5-6]，操作人员需要在各个操作台之间穿梭往来，既增加了劳动强度，也不利于信息的及时获取。

今后的操作台应按操作岗位配置。随着自动控制和智能控制水平的提高，操作人员的数量会适当减少，每个操作人员操作和管理的操作显示器会增加。可以为每个操作岗位配置6～8台显示器(甚至更多)，仅设置1套键盘、鼠标，采用交互式滑屏技术与操作台下方不同的操作站主机相连。在操作台适当位置布置不同用途的报警及辅助设备，还可以配备智能穿戴或多功能耳机，减少噪声影响，降低操作负荷，提高劳动效率。

精心设计的中心控制室布局和操作台可以创建舒适、高效、绿色、文明的操作环境，为石油化工工厂实现“安、稳、长、满、优”的目标奠定良好的控制、操作和管理基础。