1 引言
科技領(lǐng)域的自主創(chuàng)新已經(jīng)被國家定為基本戰(zhàn)略方針，在有巨大市場的核電領(lǐng)域這一問題尤顯突出和迫切。按照國家能源規(guī)劃，2020年中國將實(shí)現(xiàn)4000萬kW核電裝機(jī)容量的目標(biāo)，核電占總電力的比例將從目前的1.6％上升到4％，這意味著在未來14年中中國將新增核電站30座左右。
核電站從工程管理、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、工程建設(shè)、直至安全運(yùn)行和退役無一不體現(xiàn)高端技術(shù)，數(shù)字化I&C就是其中一項(xiàng)重要的組成部分。目前國際上先進(jìn)核電站的設(shè)計(jì)壽命是60年，其中一些大型設(shè)備（如壓力容器）要保證60年不更換，如果說這些大型設(shè)備的加工制造技術(shù)體現(xiàn)了一個國家重工業(yè)的綜合實(shí)力，那么數(shù)字化I&C則體現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域的前沿技術(shù)，其設(shè)計(jì)和設(shè)備除了要保證工程上馬時(shí)的成熟性和先進(jìn)性外，還要確保整個電站壽期內(nèi)的升級和改造，是一項(xiàng)隨IT發(fā)展持續(xù)改進(jìn)的技術(shù)，是現(xiàn)代化大型核電站的核心技術(shù)之一。
2 核電站I&C技術(shù)現(xiàn)狀
隨著近二十年來控制和信息技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、各種組態(tài)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等）的不斷發(fā)展和日益成熟，加之用戶對先進(jìn)控制功能與管理功能需求的提升，數(shù)字化I&C開始全面進(jìn)入核電站的實(shí)際應(yīng)用。
國外的許多新建核電機(jī)組，如法國的CHOOZ-B、CIVAUX等4個145萬kW核電站（N4）,日本K6、K7(ABWR),韓國靈光5、6號等均采用了數(shù)字化I&C，并且已經(jīng)投入運(yùn)行，情況良好。正在建設(shè)中的芬蘭OL3核電站是第一座第三代技術(shù)核電站（EPR），采用TXS+TXP數(shù)字化I&C系統(tǒng)。美國西屋公司推出的三代技術(shù)AP1000型核電站推薦采用Common Q+Ovation數(shù)字化I&C系統(tǒng)。同時(shí)大量采用常規(guī)控制技術(shù)的機(jī)組已進(jìn)行了成功的數(shù)字化改造，或在改造中。
國內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的田灣核電站（俄羅斯VVER型）采用TXS+TXP數(shù)字化I&C系統(tǒng)，在建的嶺澳二期核電站及其它廠址相同系列的核電機(jī)組同樣擬采用數(shù)字化I&C系統(tǒng)。由此可見，核電站采用數(shù)字化I&C已成為一種必然。
目前國際上比較典型的核電站數(shù)字化I&C系統(tǒng)是TXS（AREVA-NP公司）+TXP（SIEMENS公司），是歐洲核電系列的代表； Common Q（ABB公司）+Ovation（EMERSON公司）是西屋核電系列的代表。
國內(nèi)產(chǎn)品在核電站非安全級數(shù)字化I&C部分有一定的應(yīng)用業(yè)績，如秦山二核電站的信息系統(tǒng)KIT/KPS和常規(guī)島控制系統(tǒng)等。在安全級數(shù)字化I&C部分國內(nèi)尚無相應(yīng)的產(chǎn)品。
3 核電站數(shù)字化I&C的關(guān)鍵技術(shù)
核電站數(shù)字化I&C的關(guān)鍵技術(shù)包括工程設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)備設(shè)計(jì)及其制造技術(shù)。
I&C系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)主要包括數(shù)字化儀控總體設(shè)計(jì)、先進(jìn)主控室設(shè)計(jì)、反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電廠監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、全范圍模擬機(jī)等。而采用數(shù)字化I&C系統(tǒng)后，構(gòu)建一個一體化的數(shù)字平臺（開放的、易于維護(hù)/升級/改造的）、先進(jìn)的控制室設(shè)計(jì)（廣泛使用VDU人機(jī)接口設(shè)備及少量常規(guī)設(shè)備）、符合人因工程的信息管理技術(shù)（智能化的報(bào)警管理系統(tǒng)、數(shù)字化的操作規(guī)程等）成為工程設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵。
數(shù)字化I&C設(shè)備設(shè)計(jì)及其制造的關(guān)鍵技術(shù)之一是安全級數(shù)字化平臺的軟硬件開發(fā)。開發(fā)（設(shè)計(jì)制造）的難點(diǎn)不在于結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)，而是在于制造和驗(yàn)證的過程，如采用何種規(guī)程如何驗(yàn)證設(shè)備滿足核安全要求，軟件如何實(shí)現(xiàn)V&V過程等；另一個關(guān)鍵技術(shù)是信息處理技術(shù)，一個百萬千瓦機(jī)組的輸入輸出點(diǎn)達(dá)到數(shù)萬個，一天的數(shù)據(jù)量達(dá)到幾十兆字節(jié)，如何處理這些數(shù)據(jù)，使其實(shí)時(shí)地、有序地將最重要的數(shù)據(jù)提供給操縱員并能快速地響應(yīng)操縱員的操作非常重要，雖然這里指的信息處理未必直接與安全相關(guān)，但產(chǎn)品處理能力的強(qiáng)弱會直接影響到整個I&C系統(tǒng)的性能。
4 核電站數(shù)字化I&C的自主化和國產(chǎn)化
自主化是指數(shù)字化I&C系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)自主化，包括功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)/硬件配置及應(yīng)用軟件開發(fā)的全過程；國產(chǎn)化是指數(shù)字化I&C設(shè)備國產(chǎn)化，這里國產(chǎn)化的含義絕不僅僅指設(shè)備可以貼上“MADE IN CHINA”的標(biāo)簽（如引進(jìn)一條國外生產(chǎn)線），是指中國DCS供貨商真正掌握了用戶需求，進(jìn)而掌握了從產(chǎn)品研發(fā)至持續(xù)改進(jìn)的全過程，其產(chǎn)品真正具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)。
4.1 國內(nèi)數(shù)字化I&C自主化和國產(chǎn)化現(xiàn)狀
目前國內(nèi)核電站數(shù)字化I&C系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)工作從大的層面上分為兩部分：一部分由國內(nèi)設(shè)計(jì)院完成，主要任務(wù)包括I&C系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、設(shè)備布置、控制保護(hù)邏輯、電纜敷設(shè)、及編制各種類型的規(guī)范書等，與電站過程直接相關(guān)。由于近些年來中國核電事業(yè)的發(fā)展，特別是國際間合作的不斷加強(qiáng)，國內(nèi)設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)能力有了長足的長進(jìn)，自主完成了采用常規(guī)I&C的秦山核電一、二期等工程的設(shè)計(jì)，并正在開展采用數(shù)字化I&C的嶺澳二期擴(kuò)建等工程的設(shè)計(jì)；另一部分工作由國外供貨商完成（尤指數(shù)字化I&C），主要包括系統(tǒng)硬件配置和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)組態(tài)（軟硬件集成），與I&C自身設(shè)備直接相關(guān)?？梢哉f，不能提供自己的數(shù)字化平臺是目前還不能實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)完全自主化的重要原因。
從工程設(shè)計(jì)角度講，工藝過程對I&C系統(tǒng)的功能要求并不是選擇常規(guī)控制設(shè)備還是數(shù)字化控制設(shè)備的決定因素，二者均能滿足要求。而恰恰是隨著DCS技術(shù)自身的不斷發(fā)展和成熟，其在信息管理、運(yùn)行維護(hù)、診斷試驗(yàn)、靈活配置、節(jié)約空間、易于升級改造并不失安全可靠性能的優(yōu)勢，才使其成為核電領(lǐng)域的新寵。因此，上面提到的由國外供貨商完成的工程設(shè)計(jì)部分更能體現(xiàn)數(shù)字化I&C的關(guān)鍵技術(shù)。
設(shè)備國產(chǎn)化方面，從1985年起我國火電行業(yè)開始全面采用DCS，最初主要是INFI-90、WDPF、TELEPERMXP、MIDAS-8000等8家國外產(chǎn)品全部占據(jù)了市場，后來國產(chǎn)DCS逐漸跟進(jìn)并占了上風(fēng)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)30萬kW以上大型火電機(jī)組的DCS國產(chǎn)化。目前和利時(shí)公司推出的HOLLYiAS-MACS第四代DCS系統(tǒng)、浙大中控推出的Webfield(ECS)系統(tǒng)等產(chǎn)品和應(yīng)用已經(jīng)很成熟，并且在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件開發(fā)和工程應(yīng)用等方面形成了與國際先進(jìn)水平接近或相當(dāng)?shù)淖灾骷夹g(shù)。國產(chǎn)DCS經(jīng)過十幾年的努力，把國外DCS價(jià)格壓到了原來的40%以下。與此同時(shí)，在核工程領(lǐng)域，國內(nèi)一些DCS廠家的產(chǎn)品已成功應(yīng)用于秦山一、二期、大亞灣、嶺澳、田灣、巴項(xiàng)、清華和401院試驗(yàn)堆等項(xiàng)目的部分非安全系統(tǒng)中，但安全數(shù)字化I&C產(chǎn)品的研發(fā)還處于規(guī)劃或起步階段。
4.2 國內(nèi)外數(shù)字化I&C設(shè)計(jì)和供貨特點(diǎn)
國外以兩大國際核電巨頭為例，無論是法瑪通還是西屋，都具有數(shù)字化I&C的工程設(shè)計(jì)和設(shè)備成套供貨能力，而且不管是通過自主研發(fā)還是企業(yè)重組，其產(chǎn)品不斷推陳出新，始終處于技術(shù)領(lǐng)先地位。
法國N4是較早采用數(shù)字化I&C的核電站，其產(chǎn)品由六家公司合作專門研制，為非標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)建造過程中遇到了一定的麻煩。之后，西門子公司在中國田灣核電站成功推出數(shù)字化系統(tǒng)TXS+TXP，不久，法瑪通與西門子核電部合并，成立了F-ANP公司，將安全級數(shù)字化平臺TXS歸入旗下，加上西門子公司的常規(guī)控制系統(tǒng)TXP，統(tǒng)一了數(shù)字化I&C平臺，并在其后的核電站中推出了TXS+TXP模式。
西屋公司80年代為實(shí)現(xiàn)老機(jī)組改造開發(fā)了數(shù)字化Eagle 系統(tǒng)，并用于二十幾個機(jī)組的改造；90年代陸續(xù)推出了數(shù)字化Eagle+WDPF和Common Q+Ovation，2000年后又推出了Advant+Ovation。同樣這些數(shù)字化產(chǎn)品有西屋自己的，也有強(qiáng)強(qiáng)組合的產(chǎn)物，但不管哪種情況，其I&C系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的改進(jìn)始終與設(shè)備的升級保持同步，也說明西屋始終具有駕御I&C系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、開發(fā)和成套，并融入實(shí)際工程應(yīng)用的能力。
眾所周知，工程設(shè)計(jì)需求的不斷提升是DCS制造商研發(fā)新產(chǎn)品的原動力，而DCS性能的提高又可為工程設(shè)計(jì)提供了更多的手段，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)水平。若要達(dá)到最佳的互動效果，為二者建立溝通平臺的統(tǒng)一組織是非常重要的。之所以核電巨頭們能夠不斷推出新的I&C產(chǎn)品，正是得益于這種一體化的組織模式，這種模式最大的好處是可以聚集各方面的專家進(jìn)而開展龐大的科研攻關(guān)工作。這種例子很多，法國EDF在設(shè)計(jì)數(shù)字化控制室時(shí)，集眾多行業(yè)專家，持續(xù)了十幾年的研發(fā)工作，并成功應(yīng)用于N4；西門子在田灣核電站的I&C設(shè)計(jì)過程中聘請了大量熟悉VVER系統(tǒng)并有現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的專家，成功完成了TXS+TXP最全面應(yīng)用的處女作；盡管美國在近30年的時(shí)間里沒有批準(zhǔn)一個本土核電項(xiàng)目，但其在核電領(lǐng)域的重要地位始終未動搖。
由于國內(nèi)核電市場正處于成長期，加之沒有自己的數(shù)字化I&C平臺，I&C系統(tǒng)設(shè)計(jì)供貨一體化的條件尚不成熟。但在火電行業(yè)的一些特點(diǎn)仍能說明一些問題：國內(nèi)大的火電設(shè)計(jì)院有多家，大的DCS生產(chǎn)廠同樣有多家，但目前還未見到國內(nèi)哪個大的火電項(xiàng)目由一家單位獨(dú)立完成I&C系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和供貨（這里不是指工程總-分包模式），仍由設(shè)計(jì)院和DCS廠家共同承擔(dān)。換句話說，西屋公司自己可以不生產(chǎn)DCS設(shè)備，但可以從國際市場上采購系統(tǒng)平臺，進(jìn)行二次開發(fā)和驗(yàn)證工作，之后作為自己的與新堆型配套的品牌打入市場。相比之下，國內(nèi)設(shè)計(jì)院是極少采用這種模式的，其設(shè)計(jì)任務(wù)很少涉及DCS硬件配置和軟件設(shè)計(jì)組態(tài)，不僅如此，設(shè)計(jì)院（包括核設(shè)計(jì)院）基于數(shù)字化平臺的科研攻關(guān)項(xiàng)目也是難尋。
4.3 自主化和國產(chǎn)化出路
參考火電行業(yè)，國內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)入火電市場的過程中，DCS廠家聘請了大量設(shè)計(jì)院專家和電廠專家，這種人才資源的緊密結(jié)合使得DCS研發(fā)過程有的放矢，DCS平臺快速的成熟并發(fā)展起來，從而推動了整個火電行業(yè)的熱工自動化設(shè)計(jì)和應(yīng)用水平。
當(dāng)然核電行業(yè)由于更嚴(yán)格、更復(fù)雜的體系，與火電還是有很大區(qū)別的。但是與國際核電巨頭相比， I&C領(lǐng)域無論從組織機(jī)構(gòu)還是人力資源配置上，國內(nèi)單位還不具有法瑪通或西屋的規(guī)模和綜合實(shí)力，差距是顯而易見的。
基于以上分析，要盡快實(shí)現(xiàn)核電站數(shù)字化I&C自主化和國產(chǎn)化的目標(biāo)，在I&C領(lǐng)域必須加強(qiáng)不管是體制上還是人力資源上的整合：國內(nèi)核設(shè)計(jì)院了解工藝過程和各種法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，匯集各個專業(yè)的專家，在總體設(shè)計(jì)中有無法比擬的優(yōu)勢；國內(nèi)DCS廠家具有豐富的DCS設(shè)計(jì)制造技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，以及成熟的DCS項(xiàng)目管理體系、質(zhì)保體系；核電站用戶具有豐富的現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對設(shè)計(jì)、設(shè)備結(jié)果有最權(quán)威的評價(jià)和反饋。有了上述基礎(chǔ)，無論是自主開發(fā)，還是技術(shù)引進(jìn)，都為盡快實(shí)現(xiàn)核電站數(shù)字化I&C的自主化和國產(chǎn)化構(gòu)建了良好的平臺，鋪平了道路。
5 結(jié)語
核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)是核電站的中樞神經(jīng)，完成它的設(shè)計(jì)、供貨、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)、改造是一項(xiàng)長期復(fù)雜的系統(tǒng)工程，單靠設(shè)計(jì)院、DCS供貨商、用戶任何一方的努力都很難打造擁有核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈條，需要各方的共同協(xié)作和努力。另外，由于核電站數(shù)字化儀控在國外也僅處于起步和發(fā)展階段，除安全級儀控設(shè)計(jì)和制造的驗(yàn)證技術(shù)外，國內(nèi)核設(shè)計(jì)院的工程設(shè)計(jì)能力、DCS供應(yīng)商的研發(fā)和應(yīng)用水平與國外差距并不大，再加上國內(nèi)無法比擬的核電市場，非常有利于在關(guān)鍵時(shí)刻、在關(guān)鍵技術(shù)上趕超國外。
核電站數(shù)字化I&C自主化和國產(chǎn)化是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，前面已經(jīng)提到現(xiàn)階段體制、人才很關(guān)鍵。但在核電大發(fā)展的東風(fēng)勁吹時(shí)，抓住機(jī)遇更是關(guān)鍵。
（轉(zhuǎn)載）
