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晨枫小苑

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晨枫  

西西河水浪打浪,一浪打到网易上。我本是喜欢纸上谈兵的一介草民,在西西河那边开了一个小铺子,这是海外华人的一个精神家园。我是一个一坐下来就不动窝的懒人,但架不住友人的邀请,到网易也开了一个茶摊。阿庆嫂是怎么说来着:来的都是客。希望您能喜欢我这小号。来来来,先握一个手! 当然,主有主规,客有客道。请勿随地吐痰,喧哗扰众,或者乱贴小广告。不欢迎指桑骂槐,更不准恶语伤人。

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漫谈现代化工厂中控室的设计  

2012-02-25 07:46:43|  分类: 科海泛舟 |  标签: |举报 |字号 订阅

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对于一个现代大型化工厂来说,中控室(全称中心控制室或者中央控制室)应该是神经中枢了,所有仪表信号都连到这里,所有重要的控制决策都从这里发 出。这里一般也是大人物或者新员工参观的必经之地,自然光鲜度也较高。不过,中控室设计很容易陷入误区,尤其被科幻电影或者形象工程所误导,现在很多中控 室的设计都不符合人机工程的原则,包括全新建造的工厂,国内国外都如此。大而无当的控制大厅里,一排排控制台像列队的士兵,光洁的大理石地面反射着满天星 斗的灯光,人们在忙碌地穿进穿出。这其实是很糟糕的控制室设计。

中控室是控制集中化的结果。原始自动控制由现场的气动仪表实现,工人需要在 现场巡回检视,抄录数据,调整参数。控制技术进步到单元仪表后,控制信号开始引入中控室,操作工可以全面掌控整个工厂的情况,作出最优的操作决定。气动单 元仪表需要接通气动信号管线(一般是铜管或者铝管),安装、维修、重组十分麻烦。电动单元仪表进了一大步,但也很快落后于化工控制的需要。计算机控制才解 决了集中控制的问题。现代化工厂的最大特点是:

1、 大型化,规模出效益,所以化工厂都是越造越大

2、 单系列化,能够用一台大型设备的地方,绝不用两台中型设备。单系列在可靠性上有所损失,但在效率、占地、维修上利远远大于弊

3、 参数极端化,为了最大限度地提高效率,工艺参数都全面向设备极限逼近,使得操作的差错余地极小

4、 能量和物料的流动高度整合化,热尽其用,物尽其用,牵一发而动全身

这些特点决定和监测和控制参数越来越多,精度要求越来越高,反应时间越来越短。所以,中控室首先是一个工作场所,首要的设计考虑是人机效率,舒适是次要的,光鲜更加是非常地不重要。

中 控室的设计考虑从地理位置开始。再现代化的化工厂业也不可能全盘自动化,除了中控室操作工,还有现场操作工。很多关键设备不容许远程启动,必须现场目视确 认设备状态后,才能由现场开关启动,或者把现场开关设到“容许远程”才由DCS启动。现场操作工绝对不是中控室操作工的小当差,而是中控室操作工的耳目和 触角,两者必须紧密配合,才能把工厂运转起来。尽管现代仪表可以测量非常多的东西,但还是有太多的东西只有在现场巡视才能发现,比如异常噪声、异常气味、 管路滴漏、设备震动、雨雪风霜对设备的影响等等,还有很多次要阀门在改变生产状态时需要开关,从新引导能源和物料的走向,这些阀门使用不多,不值得全部远 控化,但要用到的时候,只有招唤现场操作工了。

现场操作工需要休息和办公的地方,比如填写报表、阅读手册、修改规程、领会领导精神等等,在 工作上也需要和中控室操作工建立紧密的工作关系和个人关系,有助于建立团队精神。所以现场操作工和中控室操作工的交流和共同工作环境是中控室的一个很重要 的设计考虑。现场操作工需要离装置近便,休息室最好在装置的中央。中控室出于安全考虑,一般不能设置在装置中央,最多只能设置在装置边缘,甚至需要远离装 置。如果多个大型装置共用中控室,那就离边远装置更远了。

为了离重大设备更近一些,有时可以设置卫星控制室,专著于控制某些重大设备。如果 重大设备需要控制室操作工身兼现场操作工,那就更需要卫星控制室了。卫星控制室和中控室分离的问题在于,中控室人员和卫控室人员只是在电话上联系,缺乏面 对面接触,容易造成隔膜和鸿沟,也容易造成“老连长固守边疆几十年如一日”的事情,不利于人员流动。人员如果不流动,时间一长,就会乏味,不利于员工的个 人发展。如果可能的话,尽量不要使用卫星控制室。

但使用集中的中控室,多大的集中程度才是合适的,这是一门艺术。现代大化工装置经常不再是 单打独斗,而是采用“石化总厂”的方式,在一个地方同时建立热电厂(包括提供工艺蒸汽)、水处理厂、炼油厂、乙烯厂、聚乙烯厂、乙二醇厂、涤纶厂等,这些 厂高度关联,集中控制有很大的好处。最大的好处还是打破条块隔阂,建立个人关系,疏通工作关系。但是每个厂毕竟还是有一定的独立性,一个厂发生局部故障 时,总是伴随这大量的警报声、对讲机对话、人员进出,在一个统一的集中控制室里,很难不对没有受到故障波及的其他控制台造成影响。中国人说话比较大声,隔 几步路不愿意走过去说,而是扯起嗓子喊,印度人也是一样,噪声问题更大。比较好的办法是既有集中,又有分割。方法之一是在开放式大厅里作菊花式布局,每一 个菊花瓣是一个马蹄形控制台,对应于一个装置,背后是出入口,供现场操作工和换班的中控室操作工出入。每个菊花瓣底部有一个可以拉下来的“窗帘”,可以阻 挡视线,还具有有限的隔音作用。平时“窗帘”升起,有利于各控制台的人员视线交流;故障时把“窗帘”放下,别的控制台的人既可以了解故障装置的动态,又不 至于太受声光人员活动的影响。但更好的办法是像棋盘格一样,控制台之间由玻璃墙分割,保留大型通道口以维持开放设计概念,但在故障时可以关门隔离,并可以 落下窗帘隔离视线干扰。

具体到控制台设计,传统控制台是一字排开的,这有容易扩充的好处,可以在两端自由延伸,但太长的话,不便观察和操 作。马蹄形控制台容易操作,但背后的控制面板实际上反而不容易观察和操作。弧形控制台介于两者之间。但控制室总是有人进出的,不是现场操作工、工艺工程师 就是“体察民情”的头儿脑儿或者参观的人。控制台应该面向人流还是背向人流?这个事情不好一概而论,两个做法都有优缺点。人都不喜欢背后围着一群人评头论 足,在紧张的时候最好也不要有人看着干活,从这一点来说,控制台面向人流比较好,工作空间相对背离人流的视线。但传统控制台是“实心”的,坐着的人看不到 控制台背后的人流,人流到后来还是要转到这一边来。现在控制台通透一些,显示屏之间有一定的空隙,但人流往来是一个视线干扰,容易分散注意力,也不好。一 般说来,还是背对人流好一些,但要控制进入控制室的人流,在必要的时候可以有所分割。比如说,中控室操作工背后的直接空间较小,只有紧密有关人员才能进 入,再后面有玻璃分割,容许参观人员站在后面观察,即阻隔交谈的噪声,也可以在必要的时候拉下帘子集中注意力。这样专用的“参观空间”比较浪费,控制室是 在防爆结构内,寸土寸金,很多工厂不一定愿意花这个投资。但对NASA这样的公关价值很高的地方,这不失一个有效的做法。

说到人流控制,控 制室里进出的人很多,有现场操作工、工艺工程师、仪表和维修工、自控和系统人员、大头小头、参观人员等。各人有不同的功能,需要一定的“交通指挥”,明确 哪些区域在什么时候只对哪些人开放。用固定的墙(包括玻璃墙)效果最好,但有的时候不现实,或者太浪费空间,于是就要用灯光、地面的颜色或者图形、质地 (地板、地毯、地砖……)、墙壁色彩、天花板吊顶等暗示功能分区,引导不同的人流。

控制室的气氛和噪声控制很重要。这不是一个使人兴奋或者 使人放松的地方,需要的是冷静和稳健。控制室的墙壁颜色应该是中性的,灰色、米色、淡紫色等。不要清一色的颜色,那样使人压抑,也容易疲劳,但也不能太花 哨,分散注意力。墙面应该有降噪处理,最好是粗麻布那样的覆盖,象电影院里一样。地面切忌抛光大理石之类的光滑地面,一方面容易滑倒,另一方面反射噪声很 厉害。地面滑倒是一个很重要的考虑。操作室不是真空室,现场操作工和仪表机修工要从外面直接走到这里来的,外面的雨雪风霜都要带到这里来,门口的地毯上脚 底搓几下更不不能解决问题。光滑如镜的地面看起来光鲜,但人们在匆忙之中滑倒了,什么光鲜的好处统统抵消了。

在灯光上,现在有两派针锋相对 的意见。从人机工程和工业心理角度出发,控制室应该明亮,在明亮的环境里,人们不容易瞌睡,容易保持警醒。从操作工角度出发,昏暗的控制室里明亮的显示屏 才显眼,昏暗的控制室也暗示人们不大声喧哗和保持与控制台的距离。再者,传统控制室都是昏暗的,现在改习惯很难。另一个理由现在已经不是很站得住脚了,明 亮灯光容易在显示屏上形成光点,采用浅灰的明亮背景的画面和平面的LCD显示屏后,这个问题已经基本解决。现在看来,只有全新设计而且不考虑操作工意见而 设计的控制室才采用明亮的灯光,老厂改造升级或者操作工有较大发言权的地方还是采用昏暗灯光的为多。

由于中控室操作工上班期间不能离开控制 台,中控室近旁应该有一个小厨房和就餐室,供他们短时间离开加热自带饭菜,这样的“午餐室”(其实操作工的早晚餐也在这里)应该有大玻璃和控制室分割,可 以看到和听到声音,万一这段时间里发生异常,操作工可以发上发现并及时处理。但控制室里尽量不要带食物进来,一是不容易做好卫生,二是残留食物容易招引老 鼠。老鼠不光令人恶心,还可能咬断信号电缆,那问题就大了。所以餐饮直送控制室的做法不好。

中控室操作工也需要参加“班组学习”,洋人称之 为team meeting。由于他们不能离开控制台,所以一般做法是在控制台的操作工空间的背后放一个大长桌,操作工可以在参加会议的同时,转身就可以观察和操作。 这一方面是会议桌,也是摊放大尺寸图纸、手册、维修/检修工单的地方,在客观上也把一般人员和操作工隔开,保证操作工一定的私人空间。现在使用 PowerPoint或者电子报表越来越多,背向操作工的地方设一个大型投影屏,可以整个team一起看公司的最新指示、财务动向、安全教育等,很是方 便。

还有一个问题是DCS机房(rack room)和仪表接线。DCS机房和一般机房一样,要求防火、防水、恒温、恒湿,此外没有太特别的要求。一般把DCS机房放在地下层,在控制室下面,现场 接线进入地下进入终端室,然后连通到DCS机房,DCS机房出来的接线直接从地板穿上来,比较方便。但地下、地面就是两层了,尤其现在很多采用卫星接线终 端室,不需要把现场信号线拖到控制大楼。这样DCS机房设在地面层,和控制室相邻,控制室地板做成活动的,也就是用框架架空,上面盖可以方便移开的方块地 板(floor tile,大概一尺见方),便于在夹层空间里检修或者拉线。虽然天花板大多采用吊顶,可以容易地打开、进入,但很少使用吊顶拉线,从天花板下来到控制台看 起来实在恶劣,太业余了。此外倒也没有什么理由非不能这么用。

扩大了说,控制室在控制大楼里,控制大楼至少包括控制室、厕所、午餐室、 DCS机房、仪表接线室、UPS电源等。但这之外,就八仙过海了。有一种做法是把工厂的办公部分和控制大楼相连,这样管理层、工程师、维修工、实验室和操 作工紧密相连,工作流比较顺。但这样做的问题有两个:

1、 控制大楼需要离现场近,但那么多与现场操作不直接相关人员每天离现场那么近,有违安全原则

2、 控制大楼是整体防爆的,这说得好听是为了操作工的安全,其实是为了在事故期间依然保持控制,最大可能减小事故规模,但把那么多“无关人员”也包括在防爆结构里,建设成本剧增,把控制大楼造成一半防爆另一半不防爆,在现在已经不可能通过安全审查了

在实践中,控制大楼还是常常和办公大楼分开,,两者之间用停车场或者仓库什么的分割,但这样做使得控制大楼和办公大楼之间人流往来络绎不绝,也不好。现在还没有什么理想的解决办法。

控 制大楼还要有现场操作工的休息室、办公空间、更衣室、淋浴室,还要有地方存放消防装具,现场操作工是抢险灭火的第一线力量。还有一个很重要的工作区域是所 谓permit area,这是现场操作工审核今天机修、仪修工单和签发许可的地方,这里应该离控制台有一定的距离,减少人流干扰,但又不能太远,因为时常需要和控制台操 作工核实事情。这里也是签到板的地方,任何时候任何人进入现场,都要在签到板上表明姓名、位置,出来的时候取下。过去用白板和彩笔,现在用磁性板和个人磁 性姓名条。这是万一发生事故时抢险救人的依据,马虎不得。谁要是稀里糊涂进去不签到、出来不取下,轻则喝茶,重则走人。万一出事故,抢险队是要冒着生命危 险进去救人的,这可不能开玩笑。

如果办公大楼和控制大楼分离,控制大楼应该增加一些非绝对基本的功能。根据人机工程和工业心理研究,控制室 旁边应该提供休息室和健身室。不是每一个人都需要时时刻刻瞪大眼睛的,而人是总归要疲劳的,尤其是夜班期间。与其三令五申不许睡觉,不如主动引导,在稳定 正常的时候打一个小瞌睡(如20分钟到1小时),这样精神反而好。这样会有人滥用这种关怀吗?可能性总是有的,但每个班组都是最少人手,你打瞌睡别人就要 加倍工作,你如果老是不识相,那就是自找“被辞职”了。健身室也是一样的意思,在夜深人静的时候,活动一下,不打瞌睡。这些是操作工专用的,上白班的人不 得使用,越界要被人翻白眼的。

另外就是小会议室,和控制室有大玻璃隔开,自有大型投影屏,可以把DCS上的信息在这里投影。有时过程出了问 题,一大堆技术人员蜂拥而来帮助解决。都拥在控制室里人声噪杂,影响工作,在这里既近便,有事情可以马上和操作工交流,要讨论、争论又不影响操作工,是一 个很有用的地方。

还有就是系统开发室和自控和仪表人员的办公室。系统开发包括组态、人机界面、编程和一般IT的任务,这需要和DCS连得 近,所以一般不设在办公大楼。但自控和仪表人员的办公室是设在控制大楼还是办公大楼就不容易定了。设在办公大楼地方宽敞,不占用防爆的控制大楼的宝贵面 积,但自控和仪表(尤其是PLC)人员所需要的响应速度和一般工艺工程师甚至维修工不同,常常是出问题的时候,需要尽快解决,几分钟可以是全面停车或者化 险为夷的差别。相比之下,机修人员或者工艺工程师的时间没有那么紧迫,小问题没有那么急,大问题几分钟也解决不了。

这些都是往大里说,往小 里说,控制台也是中控室操作工的工作场所,他们需要8小时(或者12小时,看是两班倒还是三班倒)在控制台工作,即使在其他地方另设办公空间也对他们没有 用处,所以控制台还需要考虑办公功能。具体来说,需要有空间放一台电脑,供读email、公司内部电子文件、操作规范、标准工艺参数等,另外需要有台面, 可以供他们摊开纸面的手册、笔记/记事本等。为了便于阅读,需要有任务照明小灯,一般是固定在控制台上的可以拉进拉出和“拧脖子”的小灯,既方便阅读、书 写,又不影响观察和操作。控制台附近方便的地方,要能存放图纸、标准工艺条件、操作手册、紧急求援规程和电话号码、个人物品等。当然,存放的目的是便于拿 出来用,所以这相当于一个小图书馆。

控制台是放置DCS显示屏的地方,显示屏可以横向摆开,也可以上下叠放。每一个工作站不宜装备过多的显 示屏,实际表明,两排各四个显示屏差不多是操作工视野的极限,更多的显示屏实际上顾不过来。DCS画面设计中,需要特别考虑显示信息的点线面问题,也就是 说,要在工厂概况、车间全貌、设备细节之间有效组织。理论研究和工业实践表明,采用电脑文件的树形展开结构比较合理,用多个有所重合的画面自上而下显示信 息,但这需要多画面显示,单一显示屏不够用,需要用两个甚至更多。两个显示屏的话,就有横排还是竖排的问题。横排有利于点线面的信息流的自然组织,但竖排 的话,上屏用于监视,下屏用于操作,也是符合自然习惯的。横排还有占地大的问题,竖排比较省地方。在实用中,横排、竖排结合使用,实际上用2x2或者 2x4排列,最大限度地提高信息密度和控制台的空间利用率。这只是对单个中控室操作工的情况,多个中控室操作工的时候,当然可以横向延伸,组成多个2x2 或者2x4的工作站。还看到一些新工厂,采用间隔较大的2x1布局,这样不大可能由一个操作工照管多个显示屏,横向距离太大了。如果每一个操作工照管自己 面前的2x1,横向距离的问题解决了,但增加了操作工之间的交流、协调问题。中控室不是操作工越多,分享工作负担越好。由于现代化工厂的能源、物流和操作 高度整体化,中控室操作工越多,需要的交流和协调工作量越大,实际上降低效率,拖延反应。有高度自动化和信息化辅佐,而让尽可能少的操作工负责,总体感 好,反而效率高,反应快。

说到显示屏,不能不提一下控制台前方的大型投影屏。看过科幻或者战争电影的人,都对大型控制室前整个一堵墙的显示 屏印象深刻。宇宙飞船发射的时候,每个人都有自己的具体系统显示屏,但大屏上显示飞船在发射台上的情景,和一些所有人都关心的关键数据,然后是飞船升空, 在深蓝的天空消失,然后就是飞船的轨道轨迹投影。军事指挥中心里,这个大屏则显示战场总体战况,敌我兵力、位置、动向、交战位置、交战强度等等。这个概念 也可以用在化工厂控制室,尤其是现在大型投影屏的成本越来越低,分辨率越来越高,真的可以派一点用场了。但是派什么用呢?工业界的使用单位和设备制造厂家 为了这个问题挣扎了很多年,到现在还鲜有成功的例子。很多工厂装了,但无法有效应用,后来要么作为一般的PowerPoint和team meeting用,要么索性拆了。问题出在信息的组织。这个大型显示屏的目的是显示公用信息,但操作工所需要的公用信息已经显示在面前的显示屏上了,并没 有对额外公用信息显示的需求。需要一直监视的公用信息是有的,比如放空燃烧(flare monitoring)和厂区监视,后者不是用来防范坏人,而是看诸如火车车皮移动、天气、设备维修等情况。天气对于化工厂来说很重要,精馏塔大多采用空 冷,冷却塔更是“看天吃饭”,雨雪风霜对设备冷却效率影响很大,再极端气候的时候,现场操作工更是要看一看天气再出去,避免伤亡事故。但这些监视不需要大 屏,20寸都嫌大,还是用不到大屏。听一个专作控制室设计的专家说,他只看到一个地方成功地使用大屏,那是北海石油平台上,他们的控制室需要和其他平台协 调,所以大屏上显示所有平台的运行、输油和油船靠泊情况,自己眼前的显示屏则用于本平台的监控。对于一般化工厂来说,总厂级的整合还没有到需要共享监视的 程度,厂内监控控制台已经足够,不需要大屏。另外一个实际问题是,采用双层显示屏之后(2x1、2x2、2x4),操作工的正前方视界已经填满了,大屏不 大好放,放低了看不见,放高了需要仰着头看,一天8-12个小时下来对脖子很伤,不好。

传统控制台是一大个整体的铁家伙,这是因为显示屏控 制设备体积重量发热噪声都大,需要封闭的控制台改善控制室工作环境,也美观整洁一些。现代LCD显示屏显示面积大,但体积、重量、发热、噪声大大降低,控 制设备都可以远程安装,所以控制台实际需要的硬件只有显示屏、键盘和鼠标,用办公室规格的电脑桌和显示屏支架就可以了。这使得控制室的环境更加通透,骨骼 式显示屏安装架也有利于适应不同尺寸的显示屏,没有固定的封闭式控制台的开孔问题。办公室家具的来源多、品种多,也容易适应操作工的要求和与时俱进。比如 说,桌面高度可调,甚至可以把整个桌面大幅度升降以适应坐式和站式监控。上夜班时,站一会有助于克服瞌睡,也可以活动血脉,避免种种办公室坐久了带来的职 业病。

除了显示屏、鼠标和键盘,控制台上还可以按规定或者需要安装硬件警报和连锁按钮。DCS的可靠性已经很高了,但很多地方法律规定,必 须有硬件警报和连锁按钮,万一DCS当机的时候,还能有秩序地关闭装置。这个东西需要一个专门的面板。另外,控制台上还要有电话,用于操作工和友邻工厂联 系(“我们要启动啦,要用很多的高压蒸汽”),或者在异常情况时通报工程师和头儿,包括晚上把他们从床上叫起来。另外一个就是数字对讲机,用于和现场操作 工或者维修工对话、协调。少数带有科研任务的工厂还需要有一个地方夹纸条,提醒操作工今天的注意事项。

说到鼠标,现在也有触屏。触屏在30 年前就有了,曾经很流行,但用于工控并不好。触屏的“分辨率”不好,画面精细了,手指容易点到别的地方去。触屏需要伸手去点,一天8-12小时下来其实很 累的,而且伸手可及的范围有限,远不如移动鼠标可以控制的范围大。还有一个实际问题,在讨论问题的时候,人们习惯于在屏幕上直接指指点点,这时候触屏就要 发神经病了。触屏还容易脏,脏得时候清洁,又是光标一顿乱跑。

拉拉扯扯说了那么多,肯定还有遗漏的地方。说一千道一万,关键就是一条,控制室是工作的地方,工作效率第一,职业健康第二,气派、舒适是遥远的第三。

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