数字化核电站的构建与实践

2020-11-12徐国彬李建伟张秉卓

电子元器件与信息技术 2020年8期

徐国彬，李建伟，张秉卓

（山东核电有限公司，山东烟台 265100）

0 引言

以人工智能、物联网、大数据等技术为驱动的第四次工业革命。在工业制造领域掀起了一场前所未有的数字化变革。来自Frost&Sulliva的研究数据显示，2020年全球数字化转型相关的行业增加值将达到近20万亿美元，全世界大概有46%（中国高达约69%）的企业将数字化相关业务的拓展作为未来一年的优先任务。在这样的背景下，物联网（IOT）、信息物理系统（CPS）、大数据等新技术的不断涌现和完善，并助推了“数字化工厂”的发展。本文将在介绍数字化工厂的基础上引入数字化核电站的概念，并阐述其构成要素及相关领域的实践，不仅为优化在运核电站的生产管理提供了参考，也为新建核电站的数字化建设提供一定的借鉴。

1 数字化核电站的定义和要素

1.1 数字化核电站的概念

数字化工厂的概念可追溯到2011年IEC/TC65成立的WG16(数字工厂标准制定工作组)，其在标准IEC/TS 62832给出的定义为：数字化工厂是对生产系统的数字化表述[1]。德国工程师协会（Association of German Engineers）的定义为：以产品全生命周期的相关数据为基础，对整个生产系统和生产过程进行仿真、评估和优化，进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式，是现代数字制造技术与计算机仿真技术结合的产物。我国电力行业推荐标准《DL/T 701-2012火力发电厂热工自动化术语》定义：电厂数字化达到一定程度后的概念，电厂各级控制和管理系统（包括现场基础单元）均进入数字化后称为数字化电厂[2-3]。

上面表述中，国内和国外对于数字化工厂的认识上存在一定的差别，国内表述倾向于具体实体（软硬件）的数字化，笔者认为该观点只是表述了部分意义上的数字化，认识上相对较浅；而国外的观点一般认为数字化是指工厂整个生命周期的数字化，即包括从需求、设计、建安、运维及退役全过程的数字化，如图1所示，它以生命周期内各个活动环节的数字化信息为基础，依据建立的数字化模型，充分利用网络互联、虚拟现实、数据挖掘等技术手段，实现智能化管理，该认识则更加深刻和全面，也更符合国际上对于数字化工厂的主流观点。

基于以上论述，笔者认为数字化核电站是以核电站的数字化仪控系统为基础，结合信息管理系统及全生命周期的数据信息，通过先进的网络互联及信息处理技术，将数字化生产技术、信息处理及计算机仿真等众多技术相融合的产物。实现原理是，首先需将核电机组的设备、运行信息及全生命周期的活动数据进行数字化，然后通过先进的网络技术实现跨平台传输和共享，形成统一资源数据库，最终再通过上层应用技术实现对流程及设备的管控,提高设备利用率和可靠性，从而实现核电站的安全、稳定、经济运行。

1.2 数字化核电站的要素

IEC于2016发布了针对数字化工厂的核心标准-IEC/TS 62832《工业过程测量控制和自动化-数字化工厂构架》。标准中将数字化工厂分为三个层次，底层是包含工厂产品组件和控制组件的实体层。其次是虚拟层，对实物层的物理实体通过管理壳（Administration Shell）进行语义化描述和转化，形成数字化的产品及生产要素资源库。第三个层次是涉及全生命周期各个环节的应用层，它通过虚拟层连接实体层，将优化、改进等决策通过语义描述输入到资源库，以统筹优化生产所需的各项资源。

西门子德国EWA和成都SEWS工厂被看作典型的数字化示范工厂，它通过数字化工具开展生产或规划新厂，创建虚拟环境（即数字化双胞胎（Digital Twin））。在一个完全虚拟的环境中，将数据分析及物理仿真结合在一起，以便快速、可靠地实现创新。工厂运营阶段，数据会进行采集、分析并反馈回开发过程，以实施生产改进和产品优化。

基于以上论述，不难发现数字化核电站应主要包含以下几个要素：

1）全生命周期的数字化。从核电站的设计及设备制造，到建造和调试，再到投产后的生产运维阶段，需实现全生命周期的数字化，进而实现工程建设和生产运维的一体化管理。

2）数据信息互联。利用工业互联以及信息处理技术将电厂全生命周期各个阶段所发生的活动进行关联，并将反映这些活动特征的数字、图形、文字、符号等数据转换为数字化的信息。

3）可视化的场景。在核电站设计阶段，不同专业（系统、机械、电仪、暖通、布置设计等）的设计人员利用基于虚拟现实技术的三维设计平台协同工作，大大提高了设计效率，而且在统一的数据库下协同工作也确保了设计数据的准确性[4]。在核电站运维期间，设计阶段移交的三维模型也应用在核电站的运维配置管理及操作模拟中，也提高了核电站的生产运维效率。

4）智能化的运维。由于采用了先进的智能化仪表、执行机构以及设备互联技术，并辅助应用先进的信息处理技术，使核电站的运维生产管理变得更加智能、简单、高效。

2 数字化核电站构建与实践

2.1 数字化核电站5层模型

现代核电站生产过程控制一般由数字化仪控系统（DCS）完成，它把生产过程的系统设备和生产管理活动连结起来，是核电站数字化的基础和纽带。基于此认识，可将数字化核电站构建为5层模型，如图2所示。

Level 0为现场层，它包括现场各种控制和测量设备，如电动机、阀门、传感器、变送器等。传统控制方式是通过模拟量实现的，而数字化的方式一般采用国际标准的现场总线把现场智能设备的数字量信号通讯接入DCS或PLC（可编程控制器）控制系统。

Level 1为过程控制层，它包括多个过程控制单元，实现对核岛及常规岛各系统的控制，也包含专用系统及部分BOP(核电站辅助系统）的控制。核电站主系统设备的监控一般由DCS完成，而BOP系统则一般通过PLC等专用的智能工控设备来实现监控。

Level 2为过程信息处理及监控层，包括工程师站、操作员站、报警及历史数据站等。主要完成对过程控制层数据进行数据处理、报警分析、储存以及画面操作及监视等，并将过程实时数据上传至Level 3层。

Level 3为厂级监控层，主要功能是采集生产过程的实时数据，通过应用软件系统分析、处理后展示给核电站管理及技术人员，以提供决策建议或运维指导，该部分主要关注生产过程的优化和提升。

Level 4为管理业务层，该层主要目的是建立一个集生产经营管理、过程监控及决策支持等一体化数据资源仓库，同时实现所有子系统的互联互通，并通过各自应用功能来满足整个数字化核电站运维及管理需求。主要包括ERP、OA、资产管理、工程项目管理、设备运维管理及地理信息系统等。

按照IEC标准的要求，笔者认为实现上述5层模型中每一层实体的数字化仅仅是完成了数字化核电站的一个基础环节，是否已打通各层级各子系统之间的壁垒，是否已实现从Level 4到各实体层的互通，是否已建立统一的数字化资源库，恐怕是实现真正数字化核电站的关键所在。

2.2 海阳核电站的数字化实践

海阳核电站从一期工程建设期间即开始了数字化核电站实践工作，包括核电站设计、采购及建安期间的数字化应用，以及在生产阶段针对提高设备运维水平的一系列数字化实践提升活动，这在提高核电站生产管理及运维水平上发挥了显著的作用。

1）工程建设期的数字化管理。在海阳核电一期工程建设期间，设计方广泛采用了数字化三维设计平台（如PDMS、PDS、SmartPlant等）及其他协同设计软件（如SCM电缆设计平台等），大大提高了设计效率。随着机组进入运行期，这些系统通过数字化移交后与地理信息系统等结合使用，用于核电站设备、管道维护及配置管理的可视化三维模拟。另外，设计、采购、建安及调试各阶段的数据资料也移交业主，形成了核电站数字化建设的基础数据，以用于全生命周期后续阶段的活动（如运维、改造和退役等）。

2）Level 0层的数字化实践。目前国内多数核电站在Level 1-4实现了数字化，但很少在Level 0数字化。一期工程设计时，常规岛10kV开关柜共有14台中压电机的监控实现全数字化，每台综保装置配备MODBUS TCP接口，经现场总线将电压、电流、故障报警及电机温度等信息传输至DCS。另外，常规岛和核岛共约114台低压马达（开关）通过PROFIBUS DP现场总线采用全数字化将设备状态信息送至DCS监控。

现场测控设备的全数字化一方面可节省大量控制电缆，降低建设成本，另一方面，现场总线将大量智能化设备信息传输至DCS，为设备故障诊断及处理提供了宝贵的数据支撑。

3）Level 1层的数字化集成。如图2所示，Level 1层的BOP系统一般采用PLC监控，调研发现，目前国内已投运核电站的BOP辅助系统基本都采用就地独立监控的模式。在当前人力成本越来越高的情况下，海阳核电站就布置上较为分散的厂区BOP系统开展了数字化集成的尝试。

该数字化集成工作充分利用现有的PLC（或适当改造），通过网络及计算机集成技术将分散在厂区的除盐水车间、海水淡化车间、水预处理厂、换热站、力能水系统等集中到辅控中央控制室进行监控。项目实施后各相关辅助车间基本可实现无人值守，运行人员巡检难度和强度大大降低，预期可至少减少15名运行人员，每年节约人工费用百万元以上,大大降低了生产运行成本。

2.3 Level 3厂级监控层增值应用

海阳核电站RIMS（实时信息管理系统）实现了传统的SIS（厂级监控信息系统）功能，负责从全厂DCS、BOP辅控、NCS（网控系统）等控制系统采集实时数据，并实现了数据查询、报警状态显示、趋势分析及统计报表功能，还包括运行监督、性能监测、参数趋势分析及预警等功能。目前基于RIMS平台已开发完成疲劳监测系统及主泵健康监测系统，PSA可靠性数据库及风险监测器也正在开发中。这些增值功能模块的开发及应用，大大提高了公司设备健康管理水平。