Как уже отмечалось, оператор взаимодействует не с объектом управления, а с его информационной моделью, воплощенной в виде совокупности приборов, мнемосхем, дисплеев, табло, лампочек, маркировок и других СОИ. От того, какая часть всей информации о станции будет выведена оператору на щит, в каком виде она будет представлена, как размещена и насколько достоверна, зависит адекватность создаваемого человеком мысленного образа станции, а, следовательно, и правильность его действий.
АЭС объединяет тысячи единиц оборудования, способного находиться в различных состояниях и влиять на ход. технологического процесса. События, связанные с этим оборудованием, могут иметь различную значимость и иногда требовать вмешательства оператора. Чтобы сконцентрировать его внимание на таких событиях, щиты управления оборудуются огромным количеством сигнализации, призванной помочь оператору разобраться в ситуации, но одновременно и составляющей для него значительную проблему.
Управление столь сложным ТОУ как АЭС было бы невозможным без разумной автоматизации, повышающей надежность, качество и скорость управления и разгружающей операторов от рутинной работы. Однако попытки автоматизировать управление ЭБ АЭС наталкиваются на массу проблем - от неадекватности модели и ненадежности техники до психофизиологических особенностей взаимодействия человека с автоматами.
Обсуждению этих и других вопросов организации ЧМИ, обеспечивающего эффективное взаимодействие оператора с АЭС (полностью иерархия факторов ЧМИ приведена на рис. 4.1-4.3), посвящена настоящая глава.
Рис. 4.1. Факторы отображения информации
Щиты управления АЭС
Основными постами управления технологическими системами на АЭС служат следующие щиты управления [31, 72]:
центральный щит управления, используемый для связи АЭС с энергосистемой, контроля за работой схемы выдачи электроэнергии в энергосистему;
информационный щит начальника смены АЭС - для создания комплексной картины всего происходящего на станции;
БЩУ - для контроля за работой реактора и основного оборудования, управления всеми основными технологическими режимами в нормальных и аномальных условиях;
резервный щит управления - для остановки блока в ситуациях, когда остановка с БЩУ невозможна, например, из-за пожара;
щит общестанционных устройств - для управления общестанционным оборудованием - системой спецводоочистки, вентиляционными системами и др.;
Рис. 4.2. Факторы общей организации ЧМИ
Рис. 4.3. Факторы реализации управляющих воздействий
местные щиты управления - для управления отдельными технологическими установками и некоторыми общестанционными системами;
щит дозиметрического контроля (щит радиационного контроля), концентрирующий информацию о радиационной обстановке на каждом блоке и АЭС в целом;
другие щиты - щит СУЗ, щит вторичных КИП, щит электропитания, щит распределительных устройств и пр.
АЭС, состоящие из 2-4 энергоблоков с реакторами ВВЭР, обычно имеют от 9 до 13 основных (не считая местных) щитов управления. Обычно при рассмотрении АЭС как СЧМ объектом наиболее пристального внимания служит БЩУ, являющийся центральным постом операторской деятельности. Рассмотрим существующие БЩУ, а также направления и перспективы их развития.
Структура БЩУ. Оборудование БЩУ составляет одна или несколько информационных панелей, пульт управления и рабочие места - консоли операторов (рис. 4.4). На панелях отображается информация общего пользования: мнемосхема блока, технологические параметры, сигнализация. Часть информации и основные ОУ размещены на пульте управления. Оборудование консоли зависит от конкретного БЩУ:
в ранних проектах БЩУ консоль была оборудована лишь средствами связи и немногочисленными приборами; основная же часть ОУ размещена на общем пульте управления, расположенном перед панелью;
в последующих проектах на консоли были перенесены основные источники информации и ОУ, специфические для данного конкретного оператора.
Обычно на щите размещаются три консоли - управляющая консоль оператора реактора, управляющая консоль оператора турбины и информационная консоль НСБ, осуществляющего супервизорные функции.
С функциональной точки зрения помещение БЩУ обычно разделяется на две зоны (два контура):
- оперативный контур, в котором сосредоточена информация и аппаратура для управления основным оборудованием в нормальном и аварийных режимах, а также аппаратура контроля за системами безопасности;
Рис. 4.4. Общий вид блочного щита управления
1 — информационная панель; 2 — пульт управления; 3 — консоль оператора
- неоперативный контур, содержащий второстепенную информацию и предназначенный для управления вспомогательными системами. В перспективе планируется выделение на БЩУ третьей зоны - супервизорного контура, позволяющего «поддерживающему» персоналу получать всю необходимую информацию о работе блока, не мешая при этом основным операторам.
Структурно оперативный контур разделен на три части, предназначенные для контроля и управления: 1) реактором; 2) турбоустановкой; 3) электрической частью блока.
Поколения БЩУ. Объектами проектирования ЧМИ БЩУ являются: роли человека и машины, рабочее пространство, ОУ, СОИ, компьютеры и маркировка. В результате применения различных подходов к их проектированию, на сегодняшний день сложились четыре поколения БЩУ АЭС [163].
БЩУ первого поколения содержали только традиционные приборы, работающие по принципу «один сигнал - один прибор», и ОУ, размещенные и маркированные на общей панели и пульте с точки зрения технологических систем. Учет человеческого фактора в первом поколении БЩУ был основан на интуитивном здравом смысле и вкусах конструкторов,
БЩУ второго поколения не претерпели принципиальных изменений, однако в них: а) компоновка панелей и пульта стала в значительной степени определяться эргономическими факторами, был улучшен их графический дизайн; б) использованы мнемосхемы и логическая группировка приборов по технологическому и функциональному принципу; в) упорядочена аварийная сигнализация, введено ее цветовое кодирование; г) применены компьютеры, поддерживающие функции мониторинга и интегрировавшие всю необходимую для этого информацию, сгруппированную как по технологическому, так и по функциональному принципу.
Фрагмент БЩУ второго поколения показан на рис. 4.5. Другим примером может служить серийный БЩУ канадского энергоблока CANDU-600 (1983 г.). Его основным элементом является типовая панель высотой 3 м и шириной 1 м, соответствующая определенной технологической системе. Вверху размещается аварийная сигнализация, ниже - экран дисплея и укрупненная мнемосхема с аналоговыми приборами и ключами ручного управления данным узлом. Всего на БЩУ 13 основных и 16 вспомогательных панелей.
Начиная со щитов третьего поколения, концепция их проектирования стала определяться потребностями операторов, а не технологии. Принципиальной особенностью БЩУ третьего поколения стало не столько современное оборудование, сколько новые идеи организации информации - преимущественно по иерархическому и функциональному принципу. Несмотря на то, что традиционные приборы и ОУ сохранились, основным источником информации стали компьютеры, а сам щит был функционально разделен на три части: основной пульт, используемый в нормальной работе, и два вспомогательных (реактор, ТГ), предназначенных для опасных ситуаций и пуска-остановки. Характерным для БЩУ этого поколения является также обработка и динамическое, в зависимости от ситуации, изменение приоритетов сигнализации.
Одним из первых прототипов таких щитов стала система PODIA (рис. 4.6) для БЩУ японских АЭС с BWR [165] (1985 г.). Операторский интерфейс БЩУ включал 11 дисплеев, 7 из которых размещались на основной панели, 2 - на панели системы охлаждения реактора и 2 - на консоли оператора.
Рис. 4.5. Фрагмент блочного щита управления ЭБ с ВВЭР-1000 (турбинное отделение):
1 - мнемосхема; 2 - табло сигнализации; 3 - показывающие приборы; 4 - панель; 5 - мониторы АСУ ТП; 6 - пульт управления; 7 - самописцы
На БЩУ шведского энергоблока «Форсмарк-3» непосредственно на консолях операторов размещены 12 дисплеев, в то время как все показывающие приборы и регистрирующая аппаратура находятся на отдаленных панелях БЩУ, за которыми оператор может наблюдать со своего рабочего места, используя управляемые телекамеры.
На американской АЭС в Иллинойсе перед единственным оператором размещены 10 дисплеев, функционально соответствующих важнейшим технологическим системам; традиционные мнемосхемы выполняют вспомогательную роль.
Четвертое поколение БЩУ логически завершило то, что было задумано в щитах предыдущей генерации. В первую очередь, резко изменились требования к информационной панели. Если раньше на ней отображалась вся информация практически в необработанном виде, то теперь ее основные задачи:
обеспечить общий обзор состояния АЭС;
управлять вниманием операторов;
обеспечить координацию и взаимодействие операторов смены.
Технически панель исполняется с помощью больших проекционных дисплеев. Все наблюдение и управление осуществляется через компьютеры и сенсорные панели; традиционные приборы и ОУ отсутствуют. Осуществлен принцип «избирательной» автоматизации, не исключающий оператора полностью из решения задач контроля и управления, но передающий компьютеру функции сжатия и концептуального представления информации, анализа критических функций безопасности, идентификации и диагностики возмущений. Рабочее пространство спроектировано более компактно, что дает оператору возможность выполнять все функции, не вставая с места.
Рис. 4.6. Блочный щит управления АЭС с BWR [131]:
1 - контроль питательной воды, циркуляции и рециркуляции; 2 - сигнализация; 3 - тренды параметров; 4 - система защиты реактора, аппаратура контроля нейтронного потока, система управления мощностью; 5 - общий обзор состояния блока; 6 - процедуры управления блоком; 7 - система управления турбиной, генератором и электрической частью, 8 - общий обзор состояния блока, расчет активной зоны, управление реактором
Одним из первых проектов щитов четвертого поколения был опубликованный в конце 80-х гг. и сданный в эксплуатацию в 1993 г. БЩУ АЭС Kashiwazaki Kariwa-6, 7 (BWR-1300, Япония) (рис. 4.7). Панель крупноформатного отображения информации выполнена из проекционных дисплеев размером 2,5 м. На центральный дисплей выводится мнемосхема АЭС, на боковые - аварийная сигнализация, графические и цифровые параметры, характеризующие состояние станции и тенденции его изменения. В нижней части панели и на пульте управления размещены плоские плазменные сенсорные дисплеи (такое техническое решение позволило резко сократить количество ключей и кнопок управления). В основу организации щита легли следующие принципы: 1) независимо от режима работы блока оператор должен иметь возможность выполнять все действия - от наблюдения до исполнения решения - не вставая со своего места; 2) реакция на аномалию и все последующие действия должны требовать минимума вмешательства со стороны оператора; 3) информация, важная для безопасности, должна быть одновременно доступна всем операторам смены.
В начале 90-х гг. была опубликована японская концепция полностью компьютеризованных БЩУ для АЭС с двумя парными блоками с PWR (рис. 4.8). Щит имеет симметричную компоновку. Информация общего пользования выводится на крупноформатные панели, отображающие состояние и сигнализацию каждого блока и обобщенное состояние станции.
Разработанная японскими специалистами концепция БЩУ получила развитие в 90-е гг. На рис. 4.9 приведена компоновка перспективного типового щита для южнокорейских АЭС, проект которого был представлен в 1996 г.
Концепция БЩУ четвертого поколения для серийных французских энергоблоков с PWR-1300 (серия N4) была изложена в середине 80-х гг. Она предполагала двухуровневое представление информации, а сам щит состоял из двух больших проекционных дисплеев с мнемосхемами реакторной и электрической частей блока и трех операторских консолей, две из которых предназначены для управления реакторной и турбинной частью, третья - для супервизорных функций (рис. 4.10). Каждая консоль оснащена тремя графическими дисплеями с технологической информацией, двумя дисплеями с технологической сигнализацией и сенсорными экранами с органами управления. На одном из экранов отображается исполняемая процедура. Текущий шаг выделяется синим цветом и выполняется, как только оператор нажимает на соответствующий ОУ на сенсорном экране, после чего цвет меняется на белый.
Рис. 4.7. Блочный щит управления АЭС Kashiwazaki Kariwa-6,7 [175]:
1 - аварийная сигнализация станционного уровня; 2 - панель крупноформатного отображения; 3 - мнемосхема; 4 - сигнализация системного уровня; 5 - параметры; 6 - четыре проекционных дисплея; 7 - рабочий дисплей; 8 - сенсорный дисплей
Рис. 4.8 Блочный щит управления двухблочной АЭС с PWR [179]:
1 - консоль оператора первого контура; 2 - консоль оператора второго контура; 3 - консоль оператора общестанционных систем; 4 - консоль супервизора
Если операторские действия не адекватны реальному состоянию станции, то действие не выполняется и цвет меняется на красный. Оператор может не согласиться с решением компьютера и повторить команду, которая будет выполнена. Если действия оператора останавливаются блокировками, то на сенсорном экране выдается сообщение, поясняющее причины блокировки. В 1992 г. эта концепция была реализована на АЭС Chooz-Bl (PWR-1400, Франция).
Концепция БЩУ четвертого поколения, оснащенного системами поддержки оператора (СПО), также появилась в конце 80-х гг. В [117] описывается БЩУ американского энергоблока с реактором PWR повышенной безопасности, управляемого одним оператором, осуществляющим супервизорные функции.
Рис. 4.9. Конфигурация перспективного блочного щита управления [120]:
1 - информация о безопасности; 2 - панель систем первого контура; 3 - сигнализация; 4 - панель систем второго контура; 5 - информация о динамике; 6 - динамическая сигнализация; 7 - информация о технологических системах; 8 - компьютеризованные процедуры; 9 - управление вспомогательными подсистемами; 10 - консоль управления реактором; 11 - консоль управления турбиной; 12 - консоль супервизора; 13 - консоль помощника по безопасности
В его распоряжении находятся три монитора, функциональная клавиатура для вызова требуемой информации и восемь кнопок, инициирующих следующие действия: пуск, остановка, повышение мощности, снижение мощности, аварийная остановка, ввод, отмена команды. Компоновка японского БЩУ с СПО приведена на рис. 4.11.
В нашей стране в начале 90-х гг. также был представлен проект перспективного щита нового поколения для АЭС с ВВЭР- 1000 (рис. 4.12). Однако по известным причинам, ожидаемый в 2000-2001 гг. ввод его в эксплуатацию вряд ли последует.
Полностью компьютеризованные БЩУ третьего и четвертого поколений не свободны от недостатков. Так, на ряде щитов третьего поколения стал отмечаться эффект «замочной скважины»·. операторы, порой, вынуждены были получать информацию по частям, последовательно просматривая различные форматы, каждый из которых вмещает лишь небольшое подмножество требуемых данных. Б то же время при возникновении и распространении возмущений, оператору может потребоваться одновременно достаточно подробная информация из нескольких фрагментов. Разработке методов эффективной информационной навигации сегодня посвящены многочисленные работы.
Рассмотрим более подробно отдельные элементы БЩУ, составляющие человеко-машинное взаимодействие. Не вдаваясь в обсуждаемые в таких случаях эргономические подробности, связанные с рабочей позой, антропометрическими и другими характеристиками ОУ, мы акцентируем внимание, в основном, на элементах БЩУ, непосредственно влияющих на познавательную и мыслительную деятельность человека-оператора, а именно: СОИ, сигнализации, автоматических и автоматизированных СПО.
Рис. 4.10. Консоль блочного щита управления АЭС с PWR-1300 (N4) [115]:
1 - оперативная информация; 2 - сигнализация; 3 - сенсорные экраны; 4 - управляющая клавиатура; 5 - трэкбол; 6 - клавиатура сигнализации; 7 - алфавитно-цифровая клавиатура; 8 - двухстрочное алфавитно-цифровое табло
