★北京廣利核系統工程有限公司張偉

關(guān)鍵詞：抗震；OWP；顯示器；屏風(fēng)；顯示器支架；結構設計

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，顯示器經(jīng)歷了從單色到彩色、從模糊到清晰、從小到大、從笨重到輕便的不斷進(jìn)步。與之對應的顯示器的安裝方式也從傳統的大體積的嵌入式安裝方式逐漸向簡(jiǎn)單靈活的支架式安裝方式轉變，先后出現了抗震嵌入式OWP盤(pán)臺（如圖1所示）和抗震支架式OWP盤(pán)臺（如圖2所示）。

圖1 嵌入式OWP盤(pán)臺

圖2 支架式OWP盤(pán)臺

在C項目主控室Mock Up驗證過(guò)程中，基于B項目經(jīng)驗反饋操作員針對OWP盤(pán)臺提出了一些新要求，其中關(guān)于顯示器的安裝要求主要有兩點(diǎn)：一是要求顯示器密集安裝，即顯示器和顯示器之間的間距盡量減小，且間距均勻；二是要求顯示器和顯示器之間的縫隙不能漏光。該要求提出的主要目的是最大限度地提高操作員操作的舒適度，同時(shí)保持OWP盤(pán)臺顯示器布置整齊一致，提升OWP盤(pán)臺整體外觀(guān)質(zhì)量。

根據上游輸入及人因設計要求，C項目主控室OWP盤(pán)臺呈弧形布置，其中US-OWP（以US-OWP為例）布置如圖3所示。C項目US-OWP由6個(gè)盤(pán)臺組成：1#盤(pán)臺和2#盤(pán)臺為ACP系統盤(pán)臺；3#和4#盤(pán)臺為安裝NC-VDU及S-VDU設備盤(pán)臺；5#盤(pán)臺為辦公電腦盤(pán)臺；6#盤(pán)臺為安裝第三方通訊設備盤(pán)臺。為滿(mǎn)足盤(pán)臺內部設備安裝空間要求，并盡量將盤(pán)臺整體尺寸控制到最小，各個(gè)盤(pán)臺寬度尺寸不同，因此導致顯示器之間間距過(guò)大且間距各異。

B項目主控室采用的是支架式OWP盤(pán)臺，如果C項目采用支架式OWP盤(pán)臺，則其US-OWP布置如圖4所示。由于OWP盤(pán)臺呈弧形布置，同時(shí)顯示器屏幕與豎直面也成一定角度安裝，導致顯示器與顯示器之間會(huì )形成一個(gè)三角形的縫隙。因此，支架式OWP盤(pán)臺無(wú)法實(shí)現“顯示器與顯示器之間的縫隙不漏光”的要求。

圖3 C項目US-OWP布置示意圖

圖4 C項目采用支架式OWP盤(pán)臺效果圖

A項目主控室采用的是嵌入式OWP盤(pán)臺，如果C項目采用嵌入式OWP盤(pán)臺，則其US-OWP布置如圖5所示?？梢?jiàn)，采用嵌入式OWP盤(pán)臺可實(shí)現“顯示器與顯示器之間的縫隙不漏光”的要求，但無(wú)法實(shí)現“顯示器密集安裝且間隙均勻”的要求。

圖5 C項目采用嵌入式OWP盤(pán)臺效果圖

因此，要使C項目OWP盤(pán)臺滿(mǎn)足核電站操作員提出的顯示器密集安裝和顯示器之間縫隙不能漏光的新要求，需研發(fā)新的顯示器安裝方式，即研發(fā)繼抗震嵌入式OWP盤(pán)臺和抗震支架式OWP盤(pán)臺之后的新形式的抗震OWP盤(pán)臺。

1　理論研究

如圖6所示，在甲、乙、丙三個(gè)顯示器呈弧形布置的情況下，要減小三者之間的間距，最優(yōu)方案是：

（1）保持顯示器乙不動(dòng)；

（2）將顯示器甲往右移動(dòng)，顯示器丙往左移動(dòng)；

（3）然后再將甲、丙兩個(gè)顯示器往前移動(dòng)。

可見(jiàn)，在顯示器呈弧形布置的情況下，要實(shí)現其間距的變化需將其在左右方向和前后方向上同時(shí)移動(dòng)。若只是單方向移動(dòng)會(huì )出現如圖6“第一步”所示的顯示器參差不齊的情況。保持中間顯示器不動(dòng)而移動(dòng)兩側顯示器可將顯示器的最大位移降至最小。

圖6 縮小顯示器間距原理

2　方案設計

以往嵌入式OWP盤(pán)臺和支架式OWP盤(pán)臺都無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足顯示器密集安裝和顯示器之間縫隙不漏光的要求。結合二者各自的特點(diǎn)，將C項目OWP盤(pán)臺顯示器按圖7所示方式安裝可解決上述問(wèn)題。根據嵌入式OWP盤(pán)臺和支架式OWP盤(pán)臺的命名方法，將C項目OWP盤(pán)臺命名為屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺。

圖7 屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺

嵌入式OWP盤(pán)臺、支架式OWP盤(pán)臺和屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺均基于顯示器的安裝方式命名。嵌入式OWP盤(pán)臺顯示器如圖1所示安裝到安裝罩中，安裝罩再安裝到盤(pán)臺；支架式OWP盤(pán)臺顯示器如圖2所示安裝到顯示器支架，顯示器支架再安裝到盤(pán)臺；屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺顯示器如圖7所示安裝到顯示器支架，顯示器支架再安裝到屏風(fēng)，屏風(fēng)再安裝到盤(pán)臺。

C項目采用屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺，其US-OWP的布置如圖8所示。根據圖3可知，③④⑤⑥⑦五臺顯示器為NC-VDU，①②兩臺顯示器為ACP-NC-VDU，⑧顯示器為辦公電腦顯示器。其中①②兩臺顯示器功能獨立，無(wú)需與③顯示器緊密布置；⑧顯示器也無(wú)需與⑦顯示器緊密布置。五臺NC-VDU中⑤顯示器的使用頻繁最高，因此應以⑤顯示器為中心，左側③④顯示器和右側⑥⑦顯示器向其靠攏。如圖9所示，保持顯示器之間的最小間距為10mm，可測量得出顯示器左右移動(dòng)的最大位移為177.29+175.19=352.48mm，前后移動(dòng)的最大位移為700-626.61=73.39mm。

根據實(shí)際情況可以判定，顯示器左右移動(dòng)范圍不會(huì )超出其對應屏風(fēng)的寬度；通過(guò)人因分析，顯示器前后移動(dòng)73.39mm亦滿(mǎn)足人因設計要求。

綜上所述，C項目采用屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺，要實(shí)現顯示器密集安裝且其間距設計為10mm，需按以下方案進(jìn)行相關(guān)結構設計：

（1）屏風(fēng)結構需實(shí)現顯示器支架在水平方向上左右移動(dòng)，且在353mm范圍內可移動(dòng)任意距離，在任意位置可可靠安裝固定；

（2）顯示器支架需實(shí)現顯示器在水平方向上前后移動(dòng)，且在74mm范圍內可移動(dòng)任意距離，在任意位置可可靠鎖緊；

（3）屏風(fēng)和顯示器支架要有足夠的剛度，安裝顯示器后在地震載荷下產(chǎn)生盡量小的位移，根據最終位移量修正顯示器最小間距（10mm）。

圖8 C項目屏風(fēng)式US-OWP布置示意圖

圖9 顯示器密集安裝位移

3　詳細設計

如上所述，無(wú)論抗震嵌入式OWP盤(pán)臺、抗震支架式OWP盤(pán)臺還是抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺，其關(guān)鍵技術(shù)均在于顯示器的安裝技術(shù)。對于抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺而言，其關(guān)鍵設計在于屏風(fēng)和顯示器支架的結構設計。

3.1　屏風(fēng)結構設計

屏風(fēng)結構需滿(mǎn)足兩個(gè)關(guān)鍵要求：一是滿(mǎn)足上述功能要求，可實(shí)現顯示器支架在左右方向353mm范圍內任意位置移動(dòng)，且在任意位置可可靠固定；二是滿(mǎn)足C項目抗震要求，盡量提高屏風(fēng)結構的剛性，避免在地震載荷下放大顯示器的位移（顯示器位移越大，間距要求越大）。

參考以往OWP盤(pán)臺抗震結構，將屏風(fēng)設計為“框架+蒙皮”的抗震結構，如圖10所示。屏風(fēng)由框架和蒙皮兩部分焊接成型：框架主要起承載作用，由6mm鋼板焊接制作；蒙皮主要起裝飾作用，由3mm鋼板加工制作。

屏風(fēng)前部中間設計滑道結構，用于安裝和左右調節顯示器支架，如圖11所示。屏風(fēng)后部預留足夠空間，滿(mǎn)足顯示器支架前后調節空間需要。

顯示器支架通過(guò)前后兩個(gè)法蘭夾緊的方式固定，實(shí)現其在左右任意位置移動(dòng)，如圖12所示。

如圖10所示，屏風(fēng)滑道長(cháng)度與屏風(fēng)寬度保持一致，最大限度地保證了顯示器支架左右移動(dòng)的距離。顯示器支架固定法蘭從屏風(fēng)左側進(jìn)入滑道，除進(jìn)入口外，其他區域均將顯示器固定法蘭包圍，即使安裝螺釘脫落顯示器支架也不會(huì )脫離滑道而發(fā)生脫落危險。

圖10 屏風(fēng)成型結構方式

圖11 屏風(fēng)結構（截面）

圖12 顯示器支架安裝示意

3.2　顯示器支架結構設計

顯示器支架需滿(mǎn)足兩個(gè)關(guān)鍵要求：一是滿(mǎn)足上述功能要求，可實(shí)現顯示器在前后方向74mm范圍內任意位置移動(dòng)；二是滿(mǎn)足C項目抗震要求，在任何位移位置都可以可靠鎖緊。

屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺顯示器支架整體結構樣式如圖13所示。該顯示器支架主要由8部分組成，其中：

（1）顯示器支架本體，是顯示器支架的主要承載部分，其固定法蘭是與屏風(fēng)的安裝接口。該部分使用Q235B材質(zhì)制作。

（2）伸縮軸，是顯示器支架的重要承載部分，通過(guò)調節⑥調節螺栓可以實(shí)現前后移動(dòng)。該部分使用304不銹鋼材質(zhì)制作。

（3）萬(wàn)向調整球，可實(shí)現顯示器各個(gè)角度的調節，通過(guò)調節⑦鎖緊螺栓可以改變其與⑤顯示安裝板之間的阻尼直至可靠鎖緊。

（4）活動(dòng)法蘭，與①顯示器支架本體中的固定法蘭和⑧安裝螺釘配合將顯示器支架固定在屏風(fēng)。

（5）顯示器安裝板，用于安裝顯示器，顯示器安裝孔為上下方向的長(cháng)孔，可以彌補上下方向上的加工和安裝誤差。

（6）調節螺栓，通過(guò)工具調節該螺栓帶動(dòng)②伸縮軸前后移動(dòng)，實(shí)現顯示器的前后移動(dòng)。螺紋傳動(dòng)，同時(shí)保證②伸縮軸可以在任意位置可靠鎖緊。

（7）鎖緊螺栓，通過(guò)工具調節該螺栓，可以調整③萬(wàn)向調整球與⑤顯示安裝板之間的阻尼，待顯示器角度確定后可緊固該螺栓使調整角度可靠鎖緊。

（8）安裝螺釘，連接④活動(dòng)法蘭和①顯示器支架本體中的固定法蘭，通過(guò)緊固力矩將顯示器支架整體安裝固定在屏風(fēng)。

圖13 顯示器支架結構樣式

圖14 顯示器支架結構組成示意圖

根據屏風(fēng)空間尺寸，將顯示器支架前后調節量設計為100mm，約25mm的裕量可以擴大其使用范圍。

3.3　人因設計要求

除上述功能和抗震要求外，結構設計時(shí)還需要考慮人因設計要求。例如：坐姿操作的控制臺高度一般不應超過(guò)最矮操作員坐姿時(shí)的眼高1140mm，因此顯示器安裝到屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺后，其（包括屏風(fēng)）最高尺寸不能超過(guò)1140mm；坐姿操作控制臺顯示器的高度在操作位置處應在操作員視野上限水平視線(xiàn)以上75°之內，其安裝方向應使視角不小于45°，因此顯示器支架③萬(wàn)向調整球的角度調整范圍要滿(mǎn)足要求。

4　相關(guān)驗證

C項目屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺US-OWP最終效果如圖14所示。為證明其結構設計滿(mǎn)足項目相關(guān)需求而制作樣機進(jìn)行相關(guān)驗證。

4.1　加工驗證

抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺通過(guò)樣機加工，證明其具有可加工性，滿(mǎn)足加工要求。

圖15 C項目US-OWP盤(pán)臺效果示意圖

4.2　成套驗證

抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺樣機加工后，對其進(jìn)行成套驗證。通過(guò)調節顯示器支架，可實(shí)現顯示器之間縫隙均勻且最小間距10mm的要求；屏風(fēng)可實(shí)現避免顯示器之間縫隙漏光的要求。

4.3　操作員評審

邀請C項目核電站操作員對抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺樣機進(jìn)行評審，并一次性通過(guò)評審。

4.4　抗震驗證

C項目抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺樣機一次性通過(guò)了第三方抗震試驗驗證。其中屏風(fēng)及顯示器支架的相關(guān)試驗數據如表1所示?？梢?jiàn)：屏風(fēng)結構X向固有頻率最小為37.385Hz，大于典型地震頻率范圍1-33Hz；顯示器支架（顯示器）X向位移為3.614mm，2×3.614=7.228mm小于10mm。因此顯示器最小間距設計為10mm在地震載荷下不會(huì )發(fā)生碰撞現象。

表1 抗震試驗測量相關(guān)數據

注：表1坐標X、Y、Z的方向定義為：

（1）X—面對盤(pán)臺水平面左右方向；

（2）Y—面對盤(pán)臺水平面前后方向；

（3）Z—面對盤(pán)臺水平面垂直方向。

4.5　驗證結論

針對C項目研發(fā)的核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺可滿(mǎn)足操作員提出的顯示器密集安裝且間距均勻和顯示器之間縫隙不漏光的要求。通過(guò)樣機加工驗證，核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺符合加工要求；通過(guò)抗震試驗驗證，核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺滿(mǎn)足C項目抗震要求，可以實(shí)現顯示器之間最小間距10mm安裝要求。

核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺是繼核電站抗震嵌入式OWP盤(pán)臺和核電站抗震支架式OWP盤(pán)臺之后又一種新型的滿(mǎn)足核電站使用要求的OWP盤(pán)臺。

5　工程應用

目前，C項目1#機組屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺已經(jīng)在核電現場(chǎng)安裝完畢，2#機組屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺已經(jīng)加工完成，正處于成套過(guò)程中；D項目1#機組和2#機組屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺均已加工完成，正處于成套過(guò)程中；E項目1#機組和2#機組屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺正在加工過(guò)程中。

集團已經(jīng)將核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺作為華龍一號堆型的標準OWP盤(pán)臺，其在后續華龍一號核電站項目中將有廣泛的應用前景。

6　結束語(yǔ)

無(wú)論是嵌入式OWP盤(pán)臺、支架式OWP盤(pán)臺，還是屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺，均滿(mǎn)足核電站相關(guān)人因設計要求，均通過(guò)抗震試驗驗證滿(mǎn)足相關(guān)核電站的抗震要求。

不同形式的OWP盤(pán)臺有其各自特點(diǎn)，例如：嵌入式OWP盤(pán)臺有外觀(guān)簡(jiǎn)潔整齊、加工簡(jiǎn)單容易等優(yōu)點(diǎn)，但也有顯示器無(wú)法調整、不易維護、安裝結構尺寸較大而外觀(guān)略顯笨重的缺點(diǎn)；支架式OWP盤(pán)臺有外觀(guān)輕盈時(shí)尚、顯示器安裝簡(jiǎn)單、顯示器獨立可調等優(yōu)點(diǎn)，但也有顯示器支架設計加工要求較高、無(wú)法隱藏線(xiàn)纜等缺點(diǎn)；屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺有可實(shí)現顯示器密集安裝、避免顯示器縫隙漏光的優(yōu)點(diǎn)，但也有結構相對比較復雜、設計加工難度較大、重量較大等缺點(diǎn)。在實(shí)際工程項目中，應該根據具體上游輸入及客戶(hù)要求確定OWP盤(pán)臺的具體樣式。

作者簡(jiǎn)介：

張　偉（1979-），男，北京人，高級工程師，學(xué)士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電廠(chǎng)非安全級儀控系統設計方面的工作。

參考文獻：

[1] HAF J0055-1995, 核電廠(chǎng)控制室設計的人因工程原則[S].

[2] DL/T 575.2-1999, 控制中心人機工程設計導則 第2部分: 視野與視區劃分[S].

[3] GB 13625-1992, 核電廠(chǎng)安全系統電氣設備抗震鑒定[S].

[4] 張偉. 核電站主控室OWP顯示器安裝方式的研究與應用[J]. 自動(dòng)化博覽, 2023, 40 (362) : 44 - 47.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊