重型燃气轮机控制系统人机界面设计探讨

郭峰

摘要：重型燃氣轮机控制系统人机界面设计是控制系统正向设计重要内容，在人机交互中起着重要作用，对其友好性、可操作性和舒适性提出了较高要求。

关键词：重型燃气轮机;人机界面;设计

引言燃气轮机控制系统人机界面是指燃气轮机控制保护系统中用于显示系统流程及发送设备控制命令的画面，是操作员对设备监控操作的主要界面。人机界面设计是燃气轮机控制系统自主设计的重要部分，良好的人机界面能引导用户进行相应的操作，起引导作用，从而减少及防止人为失误。

一、燃气轮机

燃气轮机是一种以连续气流为工质，驱动叶轮高速运转，将燃料能量转化为有用功的内燃机，是一种带旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机工作过程是压气机不断从大气中吸入空气并对其压缩;压缩后空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，然后流入燃气轮机膨胀做功，推动涡轮、压气机叶轮一起旋转;加热后大幅提高了高温燃气做功能力，使燃气涡轮在带动压气机时，仍有余功作为燃气轮机机械功输出。当燃气轮机从静止状态启动时，应通过启动机带着旋转，待其能独立运行后，脱开起动机。

二、设计原则

在燃气轮机自主控制系统人机界面设计中，运用平面设计理论及人因工程学对燃气轮机控制系统人机界面设计进行分析、归纳、总结，制定相应的指导原则及具体细则，根据这些原则制定具体设计细则，参考国家标准、一般规则、行业习惯，制定人机界面设计规范，对画面类型、布局、背景色、线条、字体、颜色等元素进行约定，确保设计的人机界面一致，具有相似布局、信息显示模式与操作序列一致。

三、设计体系

具有自主知识产权的重型燃气轮机控制系统是人机界面设计的基础。控制系统平台提供基础绘图工具，并根据设计要求开发完善，突破创新，打破现有重型燃气轮机界面模式。通过对人机界面设计的研发，形成一套人机界面设计系统。与传统跟踪仿真模式不同，详细阐述了人机界面设计指导原则。制定人机界面设计规范，规范化约定人机界面图像布局、管理、报警管理、趋势管理等。制定人机界面设计需求分析和报警设计，每幅人机界面有详细设计报告，引入蚁群算法等工具优化其布局，并用模拟器验证、测试，最终定稿。

四、图符设计

图符设计是燃气轮机控制系统人机界面的重要设计，也是自主重型燃气轮机控制系统与其他控制系统的重要区分。图符设计应类似于流程图上的表现形式，依据工效学要求，参考电站图符对象，相关组件或设备应按适当尺寸成组设计，简洁易懂，以便运维人员识别记忆。图符分为静动态图符。

1、静态图符设计。其基于理解控制对象，提取实物特征，用“形”抽象直接表达对象，抽象化处理，用简单线条及形状总结与创意表达，在保留对象原始特征基础上，将其转换为图形或符号。然而，创意表达必须满足无障碍设计要求，易于理解、操作等。

静态符号可通过两种方式实现：位图、矢量量。其中，位图不可避免地存在存储空间大、刷新速度慢的缺点。当图形组态软件难以实现时，才可使用其他工具设计，Windows操作系统中常见位图是BMP文件。矢量图是燃气轮机控制系统图形组态软件提供的图元设计，即直线、折线、矩形、填充形、文本等。

设计图符时，可稍加调节长宽比，结合黄金比及白银比绘制，黄金比为1：1.618，白银比为1：1.414。黄金比、白银比被广泛应用于局部静态图符设计中，并采用比较、对齐等设计方法，在符合行业标准及习惯基础上，提出了“美即适用”原则。

2、动态图符设计。它使用控制系统图形组态软件，通过一个或多个数据源及矢量图形元素，将静态图符与实时数据连接，包括数据交化、状态变化，以及通过鼠标或键盘操作发出操作命令的触摸连接等;还包括控制系统中的特殊对象，如光字牌等，还可将不同类型对象分组或组成图库中的图宏，方便用户调用、复制、共享，保证图元造型、风格、大小的一致性，并具有相同的人机界面功能。原则上，当操作员观察图符及其状态时，动态图符设计不会产生歧义。

图符设计运用模块化设计，考虑容错原则，即考虑用户出错可能性，并采取预防措施，用户出错后能及时提供信息。如提示输入数值范围，则使用错误输入警告补救，关键操作可要求用户二次输入确认。

五、人机界面设计实例

人机界面设计不是简单复制管道系统及仪表设计流程图，而是一种简洁性设计，以便运维人员看到某一特定区域内发生的情况，支持所有正常、异常、启动、停机、切换操作，使运维人员能在整个过程中满足人因工程学要求，从而减少人为失误或事故。以燃气轮机进气系统人机界面设计为例，在人机界面上显示主要设备及监控参数，空气从左至右经防雨罩、防鸟网、除霜系统、折板除雾板、初滤设备、精滤设备、净化室、消声器、进气管、挡板门。根据人机界面设计规范，设备名称采用12号宋体字体。

上述动态图符用于进气挡板门及防冰控制阀，限位开关、压差开关、设备开关状态应有特定指示显示，并在人机界面上设相应带报警模拟测点图符。工艺过程量描述应按从左到右、从上到下显示惯例显示在数值左侧及上方。大气温湿度、防冰系统管路压力与温度、防冰控制阀开度指令与反馈等运用不带报警模拟量测点符号图符。模拟量测点图符由数值及单位组成;其字体为宋体8号。初滤、精滤设备压差通过带报警模拟量测点图符，模拟值数值正常条件下为黑色，报警时为黄色，坏点时为紫色。无报警时，不显示报警;高报警，黄色显示“H”;高高警报显示“HH”;低报警显示“L”;低低报警显示“LL”。单位颜色始终为黑色。

大气压力及压气机进口压力采用三选模块，根据模拟量测点显示图符，控制面板点击调用模拟量三选模块，三选值可选择“中值”、“最大值”或“最小值”，来查看每个模拟输入值。

开关量测点通过开关量测点图符显示开关量测点状态，开关量测点图符可用于显示高低压、高压差、液位高低等，方格底色根据测点状态变色，正常下框中颜色为灰色，报警时为黄色，字体为黑色。

人机界面通常根据机组各子系统或流程分布情况，对信息及功能归类和分组显示，以确保相关信息出现在群组中，并易于视觉接受。

六、结语

在燃气轮机虚拟控制仿真系统中对人机界面原型设计进行测试验证，再设计评价。评价指标分为视觉、交互指标，其中，视觉指标包括界面布局、颜色类型、配色方案;交互指标包括一致性、易用性、反馈性、系统灵活性、系统容错性、系统响应效率。根据评价指标组织界面设计评审，这是人机界面设计后期的关键工作。

参考文献：

[1]赵瑜.重型燃气轮机控制系统人机界面设计探讨[J].发电设备，2021（06）.