[轉載]漫談現代化工廠中控室的設計

03-14

本文作者晨楓，60後化工自控儀錶老專家，旅居加拿大。

對於一個現代大型化工廠來說，中控室（全稱中心控制室或者中央控制室）應該是神經中樞了，所有儀錶信號都連到這裡，所有重要的控制決策都從這裡發出。這裡一般也是大人物或者新員工參觀的必經之地，自然光鮮度也較高。不過，中控室設計很容易陷入誤區，尤其被科幻電影或者形象工程所誤導，現在很多中控室的設計都不符合人機工程的原則，包括全新建造的工廠，國內國外都如此。大而無當的控制大廳里，一排排控制台像列隊的士兵，光潔的大理石地面反射著滿天星斗的燈光，人們在忙碌地穿進穿出。這其實是很糟糕的控制室設計。

中控室是控制集中化的結果。原始自動控制由現場的氣動儀錶實現，工人需要在現場巡迴檢視，抄錄數據，調整參數。控制技術進步到單元儀錶後，控制信號開始引入中控室，操作工可以全面掌控整個工廠的情況，作出最優的操作決定。氣動單元儀錶需要接通氣動信號管線（一般是銅管或者鋁管），安裝、維修、重組十分麻煩。電動單元儀錶進了一大步，但也很快落後於化工控制的需要。計算機控制才解決了集中控制的問題。現代化工廠的最大特點是：
1、大型化，規模出效益，所以化工廠都是越造越大
2、單系列化，能夠用一台大型設備的地方，絕不用兩台中型設備。單系列在可靠性上有所損失，但在效率、佔地、維修上利遠遠大於弊
3、參數極端化，為了最大限度地提高效率，工藝參數都全面向設備極限逼近，使得操作的差錯餘地極小

4、能量和物料的流動高度整合化，熱盡其用，物盡其用，牽一髮而動全身.
這些特點決定和監測和控制參數越來越多，精度要求越來越高，反應時間越來越短。所以，中控室首先是一個工作場所，首要的設計考慮是人機效率，舒適是次要的，光鮮更加是非常地不重要。
中控室的設計考慮從地理位置開始。再現代化的化工廠業也不可能全盤自動化，除了中控室操作工，還有現場操作工。很多關鍵設備不容許遠程啟動，必須現場目視確認設備狀態後，才能由現場開關啟動，或者把現場開關設到「容許遠程」才由DCS啟動。現場操作工絕對不是中控室操作工的小當差，而是中控室操作工的耳目和觸角，兩者必須緊密配合，才能把工廠運轉起來。儘管現代儀錶可以測量非常多的東西，但還是有太多的東西只有在現場巡視才能發現，比如異常雜訊、異常氣味、管路滴漏、設備震動、雨雪風霜對設備的影響等等，還有很多次要閥門在改變生產狀態時需要開關，從新引導能源和物料的走向，這些閥門使用不多，不值得全部遠控化，但要用到的時候，只有招喚現場操作工了。
現場操作工需要休息和辦公的地方，比如填寫報表、閱讀手冊、修改規程、領會領導精神等等，在工作上也需要和中控室操作工建立緊密的工作關係和個人關係，有助於建立團隊精神。所以現場操作工和中控室操作工的交流和共同工作環境是中控室的一個很重要的設計考慮。現場操作工需要離裝置近便，休息室最好在裝置的中央。中控室出於安全考慮，一般不能設置在裝置中央，最多只能設置在裝置邊緣，甚至需要遠離裝置。如果多個大型裝置共用中控室，那就離邊遠裝置更遠了。

為了離重大設備更近一些，有時可以設置衛星控制室，專著於控制某些重大設備。如果重大設備需要控制室操作工身兼現場操作工，那就更需要衛星控制室了。衛星控制室和中控室分離的問題在於，中控室人員和衛控室人員只是在電話上聯繫，缺乏面對面接觸，容易造成隔膜和鴻溝，也容易造成「老連長固守邊疆幾十年如一日」的事情，不利於人員流動。人員如果不流動，時間一長，就會乏味，不利於員工的個人發展。如果可能的話，盡量不要使用衛星控制室。
但使用集中的中控室，多大的集中程度才是合適的，這是一門藝術。現代大化工裝置經常不再是單打獨鬥，而是採用「石化總廠」的方式，在一個地方同時建立熱電廠（包括提供工藝蒸汽）、水處理廠、煉油廠、乙烯廠、聚乙烯廠、乙二醇廠、滌綸廠等，這些廠高度關聯，集中控制有很大的好處。最大的好處還是打破條塊隔閡，建立個人關係，疏通工作關係。但是每個廠畢竟還是有一定的獨立性，一個廠發生局部故障時，總是伴隨這大量的警報聲、對講機對話、人員進出，在一個統一的集中控制室里，很難不對沒有受到故障波及的其他控制台造成影響。中國人說話比較大聲，隔幾步路不願意走過去說，而是扯起嗓子喊，印度人也是一樣，雜訊問題更大。比較好的辦法是既有集中，又有分割。方法之一是在開放式大廳里作菊花式布局，每一個菊花瓣是一個馬蹄形控制台，對應於一個裝置，背後是出入口，供現場操作工和換班的中控室操作工出入。每個菊花瓣底部有一個可以拉下來的「窗帘」，可以阻擋視線，還具有有限的隔音作用。平時「窗帘」升起，有利於各控制台的人員視線交流；故障時把「窗帘」放下，別的控制台的人既可以了解故障裝置的動態，又不至於太受聲光人員活動的影響。但更好的辦法是像棋盤格一樣，控制台之間由玻璃牆分割，保留大型通道口以維持開放設計概念，但在故障時可以關門隔離，並可以落下窗帘隔離視線干擾。
具體到控制台設計，傳統控制台是一字排開的，這有容易擴充的好處，可以在兩端自由延伸，但太長的話，不便觀察和操作。馬蹄形控制台容易操作，但背後的控制面板實際上反而不容易觀察和操作。弧形控制台介於兩者之間。但控制室總是有人進出的，不是現場操作工、工藝工程師就是「體察民情」的頭兒腦兒或者參觀的人。控制台應該面向人流還是背向人流？這個事情不好一概而論，兩個做法都有優缺點。人都不喜歡背後圍著一群人評頭論足，在緊張的時候最好也不要有人看著幹活，從這一點來說，控制檯面向人流比較好，工作空間相對背離人流的視線。但傳統控制台是「實心」的，坐著的人看不到控制台背後的人流，人流到後來還是要轉到這一邊來。現在控制台通透一些，顯示屏之間有一定的空隙，但人流往來是一個視線干擾，容易分散注意力，也不好。一般說來，還是背對人流好一些，但要控制進入控制室的人流，在必要的時候可以有所分割。比如說，中控室操作工背後的直接空間較小，只有緊密有關人員才能進入，再後面有玻璃分割，容許參觀人員站在後面觀察，即阻隔交談的雜訊，也可以在必要的時候拉下帘子集中注意力。這樣專用的「參觀空間」比較浪費，控制室是在防爆結構內，寸土寸金，很多工廠不一定願意花這個投資。但對NASA這樣的公關價值很高的地方，這不失一個有效的做法。

說到人流控制，控制室里進出的人很多，有現場操作工、工藝工程師、儀錶和維修工、自控和系統人員、大頭小頭、參觀人員等。各人有不同的功能，需要一定的「交通指揮」，明確哪些區域在什麼時候只對哪些人開放。用固定的牆（包括玻璃牆）效果最好，但有的時候不現實，或者太浪費空間，於是就要用燈光、地面的顏色或者圖形、質地（地板、地毯、地磚……）、牆壁色彩、天花板吊頂等暗示功能分區，引導不同的人流。
控制室的氣氛和雜訊控制很重要。這不是一個使人興奮或者使人放鬆的地方，需要的是冷靜和穩健。控制室的牆壁顏色應該是中性的，灰色、米色、淡紫色等。不要清一色的顏色，那樣使人壓抑，也容易疲勞，但也不能太花哨，分散注意力。牆面應該有降噪處理，最好是粗麻布那樣的覆蓋，象電影院里一樣。地面切忌拋光大理石之類的光滑地面，一方面容易滑倒，另一方面反射雜訊很厲害。地面滑倒是一個很重要的考慮。操作室不是真空室，現場操作工和儀錶機修工要從外面直接走到這裡來的，外面的雨雪風霜都要帶到這裡來，門口的地毯上腳底搓幾下更不不能解決問題。光滑如鏡的地面看起來光鮮，但人們在匆忙之中滑倒了，什麼光鮮的好處統統抵消了。
在燈光上，現在有兩派針鋒相對的意見。從人機工程和工業心理角度出發，控制室應該明亮，在明亮的環境里，人們不容易瞌睡，容易保持警醒。從操作工角度出發，昏暗的控制室里明亮的顯示屏才顯眼，昏暗的控制室也暗示人們不大聲喧嘩和保持與控制台的距離。再者，傳統控制室都是昏暗的，現在改習慣很難。另一個理由現在已經不是很站得住腳了，明亮燈光容易在顯示屏上形成光點，採用淺灰的明亮背景的畫面和平面的LCD顯示屏後，這個問題已經基本解決。現在看來，只有全新設計而且不考慮操作工意見而設計的控制室才採用明亮的燈光，老廠改造升級或者操作工有較大發言權的地方還是採用昏暗燈光的為多。
由於中控室操作工上班期間不能離開控制台，中控室近旁應該有一個小廚房和就餐室，供他們短時間離開加熱自帶飯菜，這樣的「午餐室」（其實操作工的早晚餐也在這裡）應該有大玻璃和控制室分割，可以看到和聽到聲音，萬一這段時間裡發生異常，操作工可以發上發現並及時處理。但控制室里盡量不要帶食物進來，一是不容易做好衛生，二是殘留食物容易招引老鼠。老鼠不光令人噁心，還可能咬斷信號電纜，那問題就大了。所以餐飲直送控制室的做法不好。

中控室操作工也需要參加「班組學習」，洋人稱之為teammeeting。由於他們不能離開控制台，所以一般做法是在控制台的操作工空間的背後放一個大長桌，操作工可以在參加會議的同時，轉身就可以觀察和操作。這一方面是會議桌，也是攤放大尺寸圖紙、手冊、維修/檢修工單的地方，在客觀上也把一般人員和操作工隔開，保證操作工一定的私人空間。現在使用PowerPoint或者電子報表越來越多，背向操作工的地方設一個大型投影屏，可以整個team一起看公司的最新指示、財務動向、安全教育等，很是方便。
還有一個問題是DCS機房（rack/room）和儀錶接線。DCS機房和一般機房一樣，要求防火、防水、恆溫、恆濕，此外沒有太特別的要求。一般把DCS機房放在地下層，在控制室下面，現場接線進入地下進入終端室，然後連通到DCS機房，DCS機房出來的接線直接從地板穿上來，比較方便。但地下、地面就是兩層了，尤其現在很多採用衛星接線終端室，不需要把現場信號線拖到控制大樓。這樣DCS機房設在地面層，和控制室相鄰，控制室地板做成活動的，也就是用框架架空，上面蓋可以方便移開的方塊地板（floor tile，大概一尺見方），便於在夾層空間里檢修或者拉線。雖然天花板大多採用吊頂，可以容易地打開、進入，但很少使用吊頂拉線，從天花板下來到控制台看起來實在惡劣，太業餘了。此外倒也沒有什麼理由非不能這麼用。
擴大了說，控制室在控制大樓里，控制大樓至少包括控制室、廁所、午餐室、DCS機房、儀錶接線室、UPS電源等。但這之外，就八仙過海了。有一種做法是把工廠的辦公部分和控制大樓相連，這樣管理層、工程師、維修工、實驗室和操作工緊密相連，工作流比較順。但這樣做的問題有兩個：
1、控制大樓需要離現場近，但那麼多與現場操作不直接相關人員每天離現場那麼近，有違安全原則
2、控制大樓是整體防爆的，這說得好聽是為了操作工的安全，其實是為了在事故期間依然保持控制，最大可能減小事故規模，但把那麼多「無關人員」也包括在防爆結構里，建設成本劇增，把控制大樓造成一半防爆另一半不防爆，在現在已經不可能通過安全審查了
在實踐中，控制大樓還是常常和辦公大樓分開，，兩者之間用停車場或者倉庫什麼的分割，但這樣做使得控制大樓和辦公大樓之間人流往來絡繹不絕，也不好。現在還沒有什麼理想的解決辦法。
控制大樓還要有現場操作工的休息室、辦公空間、更衣室、淋浴室，還要有地方存放消防裝具，現場操作工是搶險滅火的第一線力量。還有一個很重要的工作區域是所謂permit area，這是現場操作工審核今天機修、儀修工單和簽發許可的地方，這裡應該離控制台有一定的距離，減少人流干擾，但又不能太遠，因為時常需要和控制台操作工核實事情。這裡也是簽到板的地方，任何時候任何人進入現場，都要在簽到板上表明姓名、位置，出來的時候取下。過去用白板和彩筆，現在用磁性板和個人磁性姓名條。這是萬一發生事故時搶險救人的依據，馬虎不得。誰要是稀里糊塗進去不簽到、出來不取下，輕則喝茶，重則走人。萬一出事故，搶險隊是要冒著生命危險進去救人的，這可不能開玩笑。
如果辦公大樓和控制大樓分離，控制大樓應該增加一些非絕對基本的功能。根據人機工程和工業心理研究，控制室旁邊應該提供休息室和健身室。不是每一個人都需要時時刻刻瞪大眼睛的，而人是總歸要疲勞的，尤其是夜班期間。與其三令五申不許睡覺，不如主動引導，在穩定正常的時候打一個小瞌睡（如20分鐘到1小時），這樣精神反而好。這樣會有人濫用這種關懷嗎？可能性總是有的，但每個班組都是最少人手，你打瞌睡別人就要加倍工作，你如果老是不識相，那就是自找「被辭職」了。健身室也是一樣的意思，在夜深人靜的時候，活動一下，不打瞌睡。這些是操作工專用的，上白班的人不得使用，越界要被人翻白眼的。
另外就是小會議室，和控制室有大玻璃隔開，自有大型投影屏，可以把DCS上的信息在這裡投影。有時過程出了問題，一大堆技術人員蜂擁而來幫助解決。都擁在控制室里人聲噪雜，影響工作，在這裡既近便，有事情可以馬上和操作工交流，要討論、爭論又不影響操作工，是一個很有用的地方。
還有就是系統開發室和自控和儀錶人員的辦公室。系統開發包括組態、人機界面、編程和一般IT的任務，這需要和DCS連得近，所以一般不設在辦公大樓。但自控和儀錶人員的辦公室是設在控制大樓還是辦公大樓就不容易定了。設在辦公大樓地方寬敞，不佔用防爆的控制大樓的寶貴面積，但自控和儀錶（尤其是PLC）人員所需要的響應速度和一般工藝工程師甚至維修工不同，常常是出問題的時候，需要儘快解決，幾分鐘可以是全面停車或者化險為夷的差別。相比之下，機修人員或者工藝工程師的時間沒有那麼緊迫，小問題沒有那麼急，大問題幾分鐘也解決不了。
這些都是往大里說，往小里說，控制台也是中控室操作工的工作場所，他們需要8小時（或者12小時，看是兩班倒還是三班倒）在控制台工作，即使在其他地方另設辦公空間也對他們沒有用處，所以控制台還需要考慮辦公功能。具體來說，需要有空間放一台電腦，供讀email、公司內部電子文件、操作規範、標準工藝參數等，另外需要有檯面，可以供他們攤開紙面的手冊、筆記/記事本等。為了便於閱讀，需要有任務照明小燈，一般是固定在控制台上的可以拉進拉出和「擰脖子」的小燈，既方便閱讀、書寫，又不影響觀察和操作。控制台附近方便的地方，要能存放圖紙、標準工藝條件、操作手冊、緊急求援規程和電話號碼、個人物品等。當然，存放的目的是便於拿出來用，所以這相當於一個小圖書館。
控制台是放置DCS顯示屏的地方，顯示屏可以橫向擺開，也可以上下疊放。每一個工作站不宜裝備過多的顯示屏，實際表明，兩排各四個顯示屏差不多是操作工視野的極限，更多的顯示屏實際上顧不過來。DCS畫面設計中，需要特別考慮顯示信息的點線面問題，也就是說，要在工廠概況、車間全貌、設備細節之間有效組織。理論研究和工業實踐表明，採用電腦文件的樹形展開結構比較合理，用多個有所重合的畫面自上而下顯示信息，但這需要多畫面顯示，單一顯示屏不夠用，需要用兩個甚至更多。兩個顯示屏的話，就有橫排還是豎排的問題。橫排有利於點線面的信息流的自然組織，但豎排的話，上屏用於監視，下屏用於操作，也是符合自然習慣的。橫排還有佔地大的問題，豎排比較省地方。在實用中，橫排、豎排結合使用，實際上用2x2或者2x4排列，最大限度地提高信息密度和控制台的空間利用率。這只是對單個中控室操作工的情況，多個中控室操作工的時候，當然可以橫向延伸，組成多個2x2或者2x4的工作站。還看到一些新工廠，採用間隔較大的2x1布局，這樣不大可能由一個操作工照管多個顯示屏，橫向距離太大了。如果每一個操作工照管自己面前的2x1，橫向距離的問題解決了，但增加了操作工之間的交流、協調問題。中控室不是操作工越多，分享工作負擔越好。由於現代化工廠的能源、物流和操作高度整體化，中控室操作工越多，需要的交流和協調工作量越大，實際上降低效率，拖延反應。有高度自動化和信息化輔佐，而讓儘可能少的操作工負責，總體感好，反而效率高，反應快。
說到顯示屏，不能不提一下控制台前方的大型投影屏。看過科幻或者戰爭電影的人，都對大型控制室前整個一堵牆的顯示屏印象深刻。宇宙飛船發射的時候，每個人都有自己的具體系統顯示屏，但大屏上顯示飛船在發射台上的情景，和一些所有人都關心的關鍵數據，然後是飛船升空，在深藍的天空消失，然後就是飛船的軌道軌跡投影。軍事指揮中心裡，這個大屏則顯示戰場總體戰況，敵我兵力、位置、動向、交戰位置、交戰強度等等。這個概念也可以用在化工廠控制室，尤其是現在大型投影屏的成本越來越低，解析度越來越高，真的可以派一點用場了。但是派什麼用呢？工業界的使用單位和設備製造廠家為了這個問題掙扎了很多年，到現在還鮮有成功的例子。很多工廠裝了，但無法有效應用，後來要麼作為一般的PowerPoint和team meeting用，要麼索性拆了。問題出在信息的組織。這個大型顯示屏的目的是顯示公用信息，但操作工所需要的公用信息已經顯示在面前的顯示屏上了，並沒有對額外公用信息顯示的需求。需要一直監視的公用信息是有的，比如放空燃燒（flare monitoring）和廠區監視，後者不是用來防範壞人，而是看諸如火車車皮移動、天氣、設備維修等情況。天氣對於化工廠來說很重要，精餾塔大多採用空冷，冷卻塔更是「看天吃飯」，雨雪風霜對設備冷卻效率影響很大，再極端氣候的時候，現場操作工更是要看一看天氣再出去，避免傷亡事故。但這些監視不需要大屏，20寸都嫌大，還是用不到大屏。聽一個專作控制室設計的專家說，他只看到一個地方成功地使用大屏，那是北海石油平台上，他們的控制室需要和其他平台協調，所以大屏上顯示所有平台的運行、輸油和油船靠泊情況，自己眼前的顯示屏則用於本平台的監控。對於一般化工廠來說，總廠級的整合還沒有到需要共享監視的程度，廠內監控控制台已經足夠，不需要大屏。另外一個實際問題是，採用雙層顯示屏之後（2x1、2x2、2x4），操作工的正前方視界已經填滿了，大屏不大好放，放低了看不見，放高了需要仰著頭看，一天8-12個小時下來對脖子很傷，不好。
傳統控制台是一大個整體的鐵傢伙，這是因為顯示屏控制設備體積重量發熱雜訊都大，需要封閉的控制台改善控制室工作環境，也美觀整潔一些。現代LCD顯示屏顯示面積大，但體積、重量、發熱、雜訊大大降低，控制設備都可以遠程安裝，所以控制台實際需要的硬體只有顯示屏、鍵盤和滑鼠，用辦公室規格的電腦桌和顯示屏支架就可以了。這使得控制室的環境更加通透，骨骼式顯示屏安裝架也有利於適應不同尺寸的顯示屏，沒有固定的封閉式控制台的開孔問題。辦公室傢具的來源多、品種多，也容易適應操作工的要求和與時俱進。比如說，桌面高度可調，甚至可以把整個桌面大幅度升降以適應坐式和站式監控。上夜班時，站一會有助於克服瞌睡，也可以活動血脈，避免種種辦公室坐久了帶來的職業病。
除了顯示屏、滑鼠和鍵盤，控制台上還可以按規定或者需要安裝硬體警報和連鎖按鈕。DCS的可靠性已經很高了，但很多地方法律規定，必須有硬體警報和連鎖按鈕，萬一DCS當機的時候，還能有秩序地關閉裝置。這個東西需要一個專門的面板。另外，控制台上還要有電話，用於操作工和友鄰工廠聯繫（「我們要啟動啦，要用很多的高壓蒸汽」），或者在異常情況時通報工程師和頭兒，包括晚上把他們從床上叫起來。另外一個就是數字對講機，用於和現場操作工或者維修工對話、協調。少數帶有科研任務的工廠還需要有一個地方夾紙條，提醒操作工今天的注意事項。
說到滑鼠，現在也有觸屏。觸屏在30年前就有了，曾經很流行，但用於工控並不好。觸屏的「解析度」不好，畫面精細了，手指容易點到別的地方去。觸屏需要伸手去點，一天8-12小時下來其實很累的，而且伸手可及的範圍有限，遠不如移動滑鼠可以控制的範圍大。還有一個實際問題，在討論問題的時候，人們習慣於在屏幕上直接指指點點，這時候觸屏就要發神經病了。觸屏還容易臟，髒得時候清潔，又是游標一頓亂跑。
拉拉扯扯說了那麼多，肯定還有遺漏的地方。說一千道一萬，關鍵就是一條，控制室是工作的地方，工作效率第一，職業健康第二，氣派、舒適是遙遠的第三。