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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年中國將實現(xiàn)4000萬kW核電裝機容量的目標，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、設(shè)備制造、工程建設(shè)、直至安全運行和退役無一不體現(xiàn)高端技術(shù)，數(shù)字化I&C就是其中一項重要的組成部分。目前國際上先進核電站的設(shè)計壽命是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)計和設(shè)備除了要保證工程上馬時的成熟性和先進性外，還要確保整個電站壽期內(nèi)的升級和改造，是一項隨IT發(fā)展持續(xù)改進的技術(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)、計算機硬件技術(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開始全面進入核電站的實際應用。
    國外的許多新建核電機組，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)。同時大量采用常規(guī)控制技術(shù)的機組已進行了成功的數(shù)字化改造，或在改造中。
    國內(nèi)已經(jīng)投運的田灣核電站（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)計技術(shù)和設(shè)備設(shè)計及其制造技術(shù)。
    I&C系統(tǒng)工程設(shè)計主要包括數(shù)字化儀控總體設(shè)計、先進主控室設(shè)計、反應堆控制和保護系統(tǒng)設(shè)計、測量系統(tǒng)設(shè)計、電廠監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計、信息處理系統(tǒng)設(shè)計、全范圍模擬機等。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/升級/改造的）、先進的控制室設(shè)計（廣泛使用VDU人機接口設(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)（智能化的報警管理系統(tǒng)、數(shù)字化的操作規(guī)程等）成為工程設(shè)計技術(shù)的關(guān)鍵。
    數(shù)字化I&C設(shè)備設(shè)計及其制造的關(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)計制造）的難點不在于結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計，而是在于制造和驗證的過程，如采用何種規(guī)程如何驗證設(shè)備滿足核安全要求，軟件如何實現(xiàn)V&V過程等；另一個關(guān)鍵技術(shù)是信息處理技術(shù)，一個百萬千瓦機組的輸入輸出點達到數(shù)萬個，一天的數(shù)據(jù)量達到幾十兆字節(jié)，如何處理這些數(shù)據(jù)，使其實時地、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)計自主化，包括功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)/硬件配置及應用軟件開發(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”的標簽（如引進一條國外生產(chǎn)線），是指中國DCS供貨商真正掌握了用戶需求，進而掌握了從產(chǎn)品研發(fā)至持續(xù)改進的全過程，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)計工作從大的層面上分為兩部分：一部分由國內(nèi)設(shè)計院完成，主要任務(wù)包括I&C系統(tǒng)功能設(shè)計、設(shè)備布置、控制保護邏輯、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，國內(nèi)設(shè)計院的設(shè)計能力有了長足的長進，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，并正在開展采用數(shù)字化I&C的嶺澳二期擴建等工程的設(shè)計；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)硬件配置和應用軟件設(shè)計組態(tài)（軟硬件集成），與I&C自身設(shè)備直接相關(guān)。可以說，不能提供自己的數(shù)字化平臺是目前還不能實現(xiàn)工程設(shè)計完全自主化的重要原因。
    從工程設(shè)計角度講，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、運行維護、診斷試驗、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逐漸跟進并占了上風，現(xiàn)已實現(xiàn)30萬kW以上大型火電機組的DCS國產(chǎn)化。目前和利時公司推出的HOLLYiAS-MACS第四代DCS系統(tǒng)、浙大中控推出的Webfield(ECS)系統(tǒng)等產(chǎn)品和應用已經(jīng)很成熟，并且在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟硬件開發(fā)和工程應用等方面形成了與國際先進水平接近或相當?shù)淖灾骷夹g(shù)。國產(chǎn)DCS經(jīng)過十幾年的努力，把國外DCS價格壓到了原來的40%以下。與此同時，在核工程領(lǐng)域，國內(nèi)一些DCS廠家的產(chǎn)品已成功應用于秦山一、二期、大亞灣、嶺澳、田灣、巴項、清華和401院試驗堆等項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)計和供貨特點
    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，為非標準化商業(yè)產(chǎn)品，在設(shè)計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年代為實現(xiàn)老機組改造開發(fā)了數(shù)字化Eagle 系統(tǒng)，并用于二十幾個機組的改造；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，也有強強組合的產(chǎn)物，但不管哪種情況，其I&C系統(tǒng)工程設(shè)計的改進始終與設(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、設(shè)備選擇、開發(fā)和成套，并融入實際工程應用的能力。
    眾所周知，工程設(shè)計需求的不斷提升是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)計提供了更多的手段，進而提高設(shè)計水平。若要達到最佳的互動效果，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)計數(shù)字化控制室時，集眾多行業(yè)專家，持續(xù)了十幾年的研發(fā)工作，并成功應用于N4；西門子在田灣核電站的I&C設(shè)計過程中聘請了大量熟悉VVER系統(tǒng)并有現(xiàn)場經(jīng)驗的專家，成功完成了TXS+TXP最全面應用的處女作；盡管美國在近30年的時間里沒有批準一個本土核電項目，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)計供貨一體化的條件尚不成熟。但在火電行業(yè)的一些特點仍能說明一些問題：國內(nèi)大的火電設(shè)計院有多家，大的DCS生產(chǎn)廠同樣有多家，但目前還未見到國內(nèi)哪個大的火電項目由一家單位獨立完成I&C系統(tǒng)的工程設(shè)計和供貨（這里不是指工程總-分包模式），仍由設(shè)計院和DCS廠家共同承擔。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，進行二次開發(fā)和驗證工作，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)計院是極少采用這種模式的，其設(shè)計任務(wù)很少涉及DCS硬件配置和軟件設(shè)計組態(tài)，不僅如此，設(shè)計院（包括核設(shè)計院）基于數(shù)字化平臺的科研攻關(guān)項目也是難尋。
4.3  自主化和國產(chǎn)化出路
    參考火電行業(yè)，國內(nèi)產(chǎn)品進入火電市場的過程中，DCS廠家聘請了大量設(shè)計院專家和電廠專家，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)計和應用水平。
    當然核電行業(yè)由于更嚴格、更復雜的體系，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)模和綜合實力，差距是顯而易見的。
    基于以上分析，要盡快實現(xiàn)核電站數(shù)字化I&C自主化和國產(chǎn)化的目標，在I&C領(lǐng)域必須加強不管是體制上還是人力資源上的整合：國內(nèi)核設(shè)計院了解工藝過程和各種法規(guī)、標準，匯集各個專業(yè)的專家，在總體設(shè)計中有無法比擬的優(yōu)勢；國內(nèi)DCS廠家具有豐富的DCS設(shè)計制造技術(shù)和經(jīng)驗，以及成熟的DCS項目管理體系、質(zhì)保體系；核電站用戶具有豐富的現(xiàn)場運行經(jīng)驗，對設(shè)計、設(shè)備結(jié)果有最權(quán)威的評價和反饋。有了上述基礎(chǔ)，無論是自主開發(fā)，還是技術(shù)引進，都為盡快實現(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、供貨、安裝、調(diào)試、運行、維護、改造是一項長期復雜的系統(tǒng)工程，單靠設(shè)計院、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)計和制造的驗證技術(shù)外，國內(nèi)核設(shè)計院的工程設(shè)計能力、DCS供應商的研發(fā)和應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)展的東風勁吹時，抓住機遇更是關(guān)鍵。