摘 要 ：自动化仪表现场应用中，因对于人机界面设计深度不够重视，设计界面没有足够的优化，往往造成现场仪器仪表无法正常运行。现场存在此类问题颇多，本文按照影响设备运行的因素进行分析，以引起同行业对人机设计界面的重视，并求得解决办法。

引言

自动化仪表现场应用中，因人机界面重视程度不够，设计深度不足，设计界面没有足够的优化，往往造成现场的仪器仪表无法正常运行。现场存在此类问题繁多，此处按照影响设备运行的因素进行分析，以求解决办法。通常因设计深度不够，人机界面设计不合理，为仪器仪表系统的可靠运行埋下了很多安全隐患。

仪器仪表既是机电仪一体化设备，也是机电元件，它对运行的环境有严格要求。仪器仪表通过人机界面，给操作人员提供简便、易懂的机器语言，让操作人员了解设备的运行工况。如果对人机环设计不够重视，将会导致三者间互相冲突，互相破坏。机器破坏环境，环境损坏机器 ；反之，机器也可对人和环境构成威胁，所有不合理的人机设计界面都会导致机器——环境——人——机器的相互伤害。因为设备是为人服务的，所有的结果非常终受害者是“人”。

合理优化的人机设计界面是仪器仪表设计的一个重要课题，应该引起仪器仪表行业和工艺流程设计者们的重视。此文根据现场工作实际，就工艺设计过程中发生的一些问题作简要的分析，希望对仪器仪表行业设计和工艺过程设计有所启发，能够引起设计和施工行业的重视。不合理的人机设计界面，给现场设备运行埋下了很多安全隐患。本文就火电厂环境因素对仪器仪表正常运行存在的问题做如下概述，作为优化设计参考。

1 环境温度的影响

仪器仪表安装位置，与现场环境因素一定要和谐，环境和人机设计界面一定要合理。目前，非常常见的是现场高温或低温对设备和元器件的损坏。下面就火电厂现场存在的一些常见问题分述如下 ：

1.1 高温环境对电动执行机构的影响

火电厂一、二次风门的执行机构和火焰检测的电器元件，耐受温度是有限的。如图 1 所示，执行机构电机安装位置与煤粉管道本体很近，由于周围环境散热，管道保温效果一般，导致执行机构本体周围的环境温度较高，长时间运行，电机的金属材料面临着受热变形，轴承间隙和摩擦力发生改变，严重时引起火灾。

对于电气参数，严重影响电机的散热和绝缘寿命。对于放大器和电源板，因元器件高温老化，导致这些卡件受热经常损坏，这也是现场经常遇到的故障隐患。

解决办法 ：提高仪器仪表和机务设备的设计深度，优化人机设计界面。除了安装防护网，设计一个专供一、二次风门执行器的平台，远离锅炉本体，也便于安全稳定运行和检修维护。

1.2 高温环境对锅炉火焰检测探头的影响

锅炉火焰检测探头与安装在燃烧器外部和一、二次风门的环境基本一致，周围环境温度很高，遇到偶尔锅炉正压喷火，温度急剧上升，对火检探头的正常检测带来了安全隐患。为此，很多电厂设计有专门用于冷却火检探头的冷却风机，防止火焰检测探头被烧坏的情况发生。

1.3 高温对热电偶（阻）的影响

对于常见的金属壁温测量，主要是为防止锅炉局部应力，经常检测汽包壁和主蒸汽联箱处的温度。汽轮机设计当中，为了检测汽轮机金属温度，防止局部应力骤然变化而影响寿命，设计有高、中、低压缸的金属壁温检测元件。为了检测汽轮机推力瓦位移导致的磨损，汽轮机本体和轴瓦温度也需要在线监测壁温。为发电机的安全运行，发电机的定子和转子温度也需要在线监测。

但是这些测量元件的共同特点是都属于金属埋件，埋藏于金属内部或者是保温内部。面对高温腐蚀和机械振动，热电偶（阻）丝经常损坏，为了找到稳定的冷端温度环境进行冷端温度补偿，设计时需要尽量延长热电偶的长度。为了防止高温下，保温层对热偶丝或热电阻丝的腐蚀老化，宜采用铠装热电偶（阻）。为了防止多点接地，导致热电偶（阻）显示不准，应使用接地式或焊接式热偶丝（阻）与管道和其他金属壁隔离，否则需要在回路上加隔离栅进行光电隔离。

1.4 低温对室外仪表的影响

在北方，由于冬季高寒，防止因低温环境损坏仪表装置是冬季的重点工作。对于室外仪器仪表，往往通过井坑、孔洞、房舍和伴热带等措施对仪器仪表做防寒保暖的保护。在进行仪表设计及施工时，首先从机务设备考虑能够让变送器的引压管道和变送器的安装位置，尽可能布置在主厂房内部，确实必要在室外的时候，务必采用柜体做好防寒和防尘、防雨等防护措施，并且防护措施和设备一定要安全可靠，一劳永逸。

2 受热力膨胀的影响

在热力生产过程中，由于热力工况及外围环境的变化，热力设备的金属膨胀是不可避免的。而作为检测和控制热力设备运行工况的热工测量元件及控制装置又往往与热力设备相连。随着热力设备的膨胀位移，对于某些热工参数的测量及执行机构的动作产生影响，从而造成测量失准或执行机构的误动。因此，有必要对现场曾发生的这类问题进行分析原因和总结经验教训，寻求合理的解决方法，使这类问题在设计安装期间予以重视，及早提出合理的设计施工方案尤为重要。

2.1 锅炉本体的执行机构

受热力膨胀引起的测量失准和执行机构误动是因膨胀位移使测量元件或执行机构改变并偏离了原来的正常工作条件。在此，根据现场工作中遇到的受力膨胀影响较为严重的几个事例进行说明，以引起设计安装过程中的重视，希望对工程建设中热工设备的设计安装有一定指导意义。锅炉本体在热力工况变化过程中，锅炉金属受热变形，导致一、二次风门动作，这是经常发生的事情。因此，在设计的时候，需要在锅炉本体旁安装一个平台，以便于固定执行机构，使得执行机构随锅炉膨胀而一起膨胀，避免阀门不必要的误动。

对于其他科里奥利扭力管质量流量计的安装，也需要防止管道膨胀产生的预应力，安装位置的选择也会影响测量精度。

2.2 对汽轮机转速测量的影响

轮机转速测量方法较多，通常测量原理有发电机式和磁电脉冲测速法。对于使用磁电脉冲式（包括磁阻式、磁敏式、电涡流式等均属此列）的转速传感器有可能受汽轮机轴向膨胀位移的影响而不能正常工作。膨胀影响 ：磁电脉冲式测速原理是依测速探头与测速齿轮（60 齿标准齿轮）构成的磁路来实现的。当测速齿轮转动时，由于槽齿的作用使传感器输出相应的电压脉冲信号。

当汽轮机从冷态冲车至定速带负荷工作的过程中，由于流经汽轮机介质工况的变化，汽轮机缸体和轴均要产生热力膨胀，亦即随轴膨胀测速齿轮与固定于前轴承箱体上测速探头产生相对位移。当沿机头方向产生的膨胀位移较大，传感器与齿轮之间因磁阻增大而使输出的脉冲信号非常微弱且无法分辩时，转速测量就会失灵，造成转速无法监视。在有一些电厂，曾因此而发生过转速测量失准的现象，即在冷态盘车时转速指示正常，但在定速后失准，造成停机检查调整，影响了整套启动试运的工期。

3 电气环境对DCS设备的影响和防护

3.1 DCS系统常用的电磁防护工艺

随着由计算机组成的分散控制系统（DCS）在过程控制中的广泛应用，其抗干扰问题已是系统设计过程中不可忽视的问题之一。其中，完善的接地系统是防护电磁干扰的主要措施。

由于电磁干扰是计算机应用中一项较为复杂的系统工程，所以在设计中必须对各个环节综合考虑，包括外设接口、信息系统以及网络结构和软件组态等方面。这就要求在生产制造采取相应防护措施的同时，在工程设计安装调试和使用过程中，对系统采取综合防护措施。

在电力生产场所，电磁干扰无处不在，其形式较为多样，有静电放电脉冲群干扰、射频传导干扰等。作用方式主要是电力设备噪声源通过一定的藕合方式（差模和共模两种方式）和一定的耦合通道进入测量（控制）系统的信号回路，使有效信号发生误差。消除干扰的防护措施很多，概而言之，有阻断干扰信号和泄放干扰信号两种途径。DCS 系统通常在设计中所采取的具体防护措施有以下几个方面 ：

1）在信号传输过程中，采用屏蔽电缆或计算机电缆，并将信号电缆与动力电缆分层布置，不同类型的信号分别采用不同的电缆传输，与电磁场做到物理隔离。

2）正确选择系统的接地网，所有接地点汇于一点接地后与电气地相接，防止雷电浪涌冲击。过程信号接地（热电偶热端接地等）应统一考虑，防止多点接地产生电位差。

3）对于诸如锅炉内火焰监视，转动机械的振动检测等元件输出的弱电信号，在就地进行信号转换和前置放大后，再进行远距离传输，以提高信噪比。

4）在输入、输出通道配以可靠的信号隔离器，将现场的干扰信号与集散系统隔离，以阻断现场干扰信号进入计算机而影响有效信号的准确性或造成计算机死机。

5）在计算机软件组态方面，对信号波动频率较高的信号，采用数字滤波或对于开关量信号进行延时滤波。以消除高频波动信号的瞬间抖动，防止信号失真，保证信号的可靠性、准确性。

3.2 DCS前端数字信号远传方案

为了防止对弱电信号的电磁干扰，让电气参数安全可靠，在设计 DCS 系统的时候，对于远离集控室的信号就地转化为数字信号，然后通过前端装置，把数据信号经过光缆或者是光端发射远传至集中的接受装置。比如，化学水和热网等辅助系统，通过外挂局部网络完成系统连接和通讯，数据信号相对稳定，抗干扰能力相对较强。同时，这种设计界面更符合 DCS 分散故障隐患的初衷，也为工程施工和生产维护带来了极大的方便，更能节约多余的硬接线和电缆。俗话说简单就可靠，减少了电缆也是一种节约和减少故障隐患的方式，希望对今后的设计界面能给予推广应用。

4 传输信号导线色标的标准化

线路和盘台柜等电气设备的色标问题，因不影响原理的实现，看起来是个容易忽略的小事情，有时候对设备的可靠运行影响很大。还有线路的端子排列，电缆的摆放顺序，哪些排在前面，哪些排在后面，每一个设计界面都应该优化一下，让有些线路用颜色来辨别就知道是电源还是保护信号线路，是弱电还是强电连接线路，尽可能做到一目了然，便于维护和人机界面的非常佳。看现场就像是看图纸一样那么便于识别，预防人为失误或周围水、电、粉尘等对仪器仪表运行的影响。

建议采用详细的统一标准化色标，实现合理的人机环接口。线路和仪表装置管路色标的标准化问题，希望仪表设计人员能够重视。可是实际设计当中，很多设计习惯套用典设（设计院固化的典型设计）图纸，以及部分设计依靠主辅机设备厂家完成，从而导致设计界面不可能优化和细化。尤其是信号和动力线路的色标以及排列顺序，迫切需要一个更详细的标准化规范。

5 机械振动对仪器仪表的影响

机械振动对仪器仪表的影响也是不容小觑的，有一些地方振动特别大，对于仪表的检测精度和电气参数影响很大。

在工作中，曾遇到给水泵润滑油压低保护频繁动作，从而导致给水泵停泵。究其原因，测量压力的压力开关（或电接点压力表）因为给水泵管道的高频震动，导致开关接点接通，从而导致给水泵保护误动。只有通过引压管把压力开关远离震动较大的环境测量，或者选用毛细管定容膨胀式压力（温度）测量，也是可以克服的一种办法。

6 湿度和其他

6.1 湿度的影响

很多仪器仪表对环境湿度是有特别严格要求的，有的对海拔高度要求也是特别严格的，但海拔高度非常终也是考虑大气压和空气湿度。湿度太大了，影响传感器和一些电器元件的运行，导致测量元件损坏或者是电路短路，或者是高压的高压电闪络，所以把湿度和仪器仪表两者寻找合理可行界面，实现非常优化设计，以求环境和仪器仪表互相满足的工作界面。

目前在仪表设计方面做的比较完善，一般都有防护等级，有各种防护措施，或者是防水密封措施等。现场的环境，有的地方湿度太大，甚至介质或者环境空气中有酸碱盐和电磁（包括核元素）辐射等，长期在酸碱环境里工作，腐蚀损害是一个慢性的损害的过程，对于高电压闪络也不可避免，应该引起重视。

比如某电厂脱硫系统的废水回收箱液位计，因为内部存在大量的水汽，超声波探头处经常结露，仪表运行不稳定，维护工作量大，导致现场无法运行，非常后在本文作者的建议下，改用了高频雷达液位计后，问题得到圆满的解决。

6.2 控制室温湿度对DCS热电偶冷端温度修正的影响

有的 DCS 采用小热电偶（阻）对端子柜内进行测温，从而对冷端温度修正。在 DCS 控制系统，对于冷端温度修正往往采用小热电偶（阻）测温的方法，小热电偶（阻）装于控制室柜子内，当冬季空调系统偶尔故障温度低于零致 DCS 无法进行运算和检测，造成信号失真，发出故障信号，从而导致整个控制系统失灵。控制室的环境温度需要稳定在一定的范围之内，冬季高寒时期的工业空调不可以随便停用。这一问题，尤其是北方高寒地区尤其应该在设计时引起足够注意。

7 选择便于操作维护的场所

某电厂润滑油系统事故放油门，放油门安装位于地沟里，内部空间狭小，给运行操作和检修带来极大的不便，事故情况下根本无法操作和维护。设计界面根本没有考虑环境因素对人机的影响，置于受限的地沟里，紧急情况下，根本达不到事故情况下能够操作的可行性。这种环境因素位置就不能操作和维护，失去了阀门应有的功能和作用。再好的仪器仪表也要有好的安装方式和好的安装位置，要按照仪器仪表设计要求选择适合仪表工作的非常佳环境界面，不能任由工艺流程选择仪器仪表的测点和安装方式。这样对于其原理是可以实现，但是无法长期稳定运行，难以达到仪器仪表预期工作效果。

另外，制造的仪器仪表也要对环境给予保护，不能破坏环境，如强烈辐射或产生高温、高噪音、排放有害物质等，会影响现场人员进行正常维护工作。有一些不适合人为操作的地方，如果把一些压力表和执行机构或阀门安装在受限制的地沟或高空，导致无法操作和无法检修，这种设计需要现场进一步完善和优化。

本文作者曾经解决过某电厂比较复杂的一个阀门操作问题。把一个油系统的阀门装在狭小的地沟里无法进行操作，更无法进行更换。并且油系统，是一个易燃易爆的场所，更无法维护和动火焊拆装。那怎么安装呢？应该在设计的时候，选择不受限的室外管道上安装。为什么选择在地沟里边呢？为什么选在高空没有检修平台的地方呢？这些问题都是设计深度不够，没有考虑人机环的非常佳界面。在设计一个工艺系统过程，应该把自动化仪表的人机环三者的界面实现合理优化。

8 结语

由于经常重视原则系统的设计，忽视了现场人机环界面的优化，设计深度不够，造成的问题远不止本文所述，这里仅仅总结了工作遇到的问题，希望能够引起重视。把人机环界面的设计优化当做一门学问来研究，以求寻找非常佳界面。大家经常遇到原理可行，而实际现场不能运行和达不到设计意图的控制设备，这更需要专业人员的努力，提高设计深度和对人机环界面的优化，目前尤其凸现其重要性。但愿此文对现场仪器仪表设计界面优化有所启发，能够引起同行业的重视。

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