核电站仪控全数字化改造项目规划和对策分析

□文 朗 白会贤 郝庆福

在20世纪建成的国内外核电站中，仪控系统基本依赖于模拟控制原理和技术，具体应用的是继电器与低密度集成的模拟电路。因此在新世纪数字化控制技术日益成熟之后，因其应用高度集成的数字化控制装置，系统体积和元器件的数目大幅减小，性能与运行的可靠性却显著提高，所以在很多生产和科研领域对这些模拟仪控系统进行了数字化改造和升级。

一、核电站模拟仪控系统的运维现状及实施全数字化改造的必要性

仪控系统是维持核电站正常运转的核心，其运行状况决定了核电生产的安全性和经济效益。在20世纪末控制技术全面实现数字化的背景下，始建于20世纪80年代之前的核电站仪控系统在运维方面遇到了瓶颈。因设备寿命问题导致其可靠性下降，并且由于仪控设备生产技术的更新换代，专业维修技术服务和设备的更换日益得不到保障。

(一)核电站模拟仪控系统的运维困境。核电站的仪控系统包括多个子系统，其中的控制元件和系统的节点数量庞大，而且基于逻辑电路和模拟元件的系统故障分析和维修十分复杂，因此相比目前的数字化仪控系统，模拟仪控系统本身的运维工作就需要耗费很多时间与精力。而运行了几十年的核电站模拟仪控系统，其运维工作不仅耗时耗力，还不可避免的需要面对设备与系统日益陈旧老化、故障发生的概率逐年提高等困难局面。第一，基于核电设施对安全运行的高要求，老化的仪控系统运维工作压力越来越大，为保障系统运行的可靠性需要更加频繁的进行预防性运维，更换存在安全隐患的相关设备等。第二，在仪控系统各种设备的供应商方面，由于科技的进步和市场需求的变化，逐渐淘汰了模拟设备的生产技术。因此核电站的仪控系统运维面临备用设备和相关元器件断供的风险[1]。

(二)模拟仪控系统的功能亟需升级。除了运维工作面临的问题，相比于数字化控制系统，核电站模拟仪控系统的控制功能也存在很多不足。第一，数字化仪控系统可以依托人工智能、自动控制以及物联网等技术，实现系统运维的智能化和自动化。通过具有自学习功能的专家系统进行故障自检、自诊和预警，提高系统的运行可靠性并大幅减少运维工作量，维修人员根据系统提供的信息迅速锁定故障地点并将其排除。第二，数字化仪控系统在操作方面更加简便高效，基于数字化的控制设备和装置具有强大的自我调适和自动控制功能。第三，基于数字化仪控系统的信息采集、存储和处理功能，可以对核电设施各部分的运行状态进行实时或离线分析，对于提高设施的运行和管理效率行之有效，因此应当对核电站的模拟仪控系统进行改造，使之全面实现数字化控制。

二、实施核电站仪控系统全数字化改造的技术特点与难点

虽然数字化仪控系统功能的优越性有目共睹，但是国内外使用模拟仪控系统的大部分核电站依然没有启动升级改造，这是由核电站安全运行的特殊要求和其运行维护特点决定的。

(一)核电站仪控系统改造项目的难点。根据核电站运行安全相关规范的要求，核电设施无论是在正常运行还是大修期间，部分系统和设备必需保持运行，以维持核安全保障功能。因此核电站仪控系统的全面改造天然具有复杂性，在更换仪控系统相关设备时需要采取合理的措施，确保遵循上述安全规范的要求。另外，根据类似仪控系统升级的经验，对核电站的模拟仪控系统进行全面数字化改造累计需要至少三个月时间，而实施改造应当在相关设施大修的时间段进行，才能最大程度的规避风险。但是核电站的大修时间相对较短，要想完成全部系统的改造需要分步骤实施项目规划[2]。

(二)实施核电站仪控系统改造应遵循的原则。鉴于核设施运行安全的重要性，实施核电站仪控系统数字化改造应将确保核安全做为前提。第一，要针对设施运行安全的要求，进行周密的规划和前期技术准备工作，对项目的实施计划和系统的运行安全性等进行反复分析和论证，确保其在技术上完全可行。第二，新系统的设计方案和实施步骤要满足改造期间的运维要求，由于改造期间部分设施会存在两套仪控系统并存的时间段，这一特殊时期的操作和维护规程等必需审慎设计。第三，要评估系统改造的综合成本，对相对较长的改造期间的运维成本以及今后面临的形势进行评价，确保设备的兼容性与可维护性，在硬件设施的配置和软件系统的设计方面选择风险系数最小的解决方案。

(三)核电站仪控系统改造项目的特点。核电站仪控系统改造项目具有周期长、对筹划准备工作要求高和需要模块化实施的特点。第一，由于核电站的大修持续时间较短，而仪控系统规模庞大、接口多且功能复杂，因此改造计划的实施需要在多个大修周期之后才能完成。根据国外核电站的改造经验，从项目筹备到改造完成需要六年甚至更长的时间。第二，由于核电设施安全运行规范的要求，加之核电站自身生产管理的复杂性，在筹备规划其仪控系统改造工程时，对前期筹划工作的质量有着非常高的要求，其中的任何一个细节考虑不周，都有可能影响核电生产安全[3]。因此需要进行全面的风险评价，对新旧系统更替过程中潜在的风险因素进行分析和评估，论证和选择技术上可行且安全系数较高的技术方案。并且针对改造工程对核电站的正常运行和管理的影响，设计好临时管理措施和相关规制。

三、核电站仪控系统改造的软硬件与改造流程规划设计

(一)基于生产设备和仪控系统状况分析设计改造流程。由于核电站的仪控系统数字化改造需要分期完成，要通过对各子系统的核安全等级、升级需求以及维修能力和备件可用率等因素进行分析评价，完成模块的划分和确定系统的改造流程。因此在进行改造项目的规划时，要先对在用模拟仪控系统的设备以及系统整体运行状态进行分析和调研，收集整理系统的设计、安装以及运维资料，通过一线操作和运维人员了解相关设备状态以及对系统功能的评价。从而一方面分析系统正常运行所需控制功能，进行相关的升级改造风险评价和模块划分；另一方面针对核电生产的需要规划新系统的功能升级，让改造后的数字化仪控系统功能更加完善。

(二)基于核电机组的运行分析设计和优化新系统的软硬件。

1.分析仪控系统中各子系统功能并设计数字化软硬件系统。在完成仪控系统改造的模块划分和流程规划之后，要依次对待升级模块相对应的生产设备进行分析，针对机组的运行原理、设备状态以及既往维修改造记录，规划设计其仪控子系统的功能。第一，根据分析评价结果设计硬件系统，对系统的硬件进行选型和电力、网络联接方案设计。第二，基于对仪控子系统功能的分析，初步设计其软件系统的逻辑组态[4]。根据国外核电站仪控系统数字化改造的经验，这一环节对改造项目的成败具有决定性作用，只有确保对系统功能需求的分析没有疏漏，才能使其在改造实施的过程中和正式投入运行后完全满足设备的仪控需要，而不会因细节的疏忽导致系统更替出现问题。

2.对数字化仪控系统的软硬件系统进行优化。为确保项目实施的过程顺利和数字化仪控系统的质量，应对系统的软硬件系统设计方案进行优化。第一，基于确保系统运行可靠性，要对相应模块的系统边界接口信息进行汇总，分析在模拟与数字化仪控系统并存的情况下，信号流的合理性和安全性。第二，在硬件系统的设计方面，设备的选型需要针对整体仪控系统进行统筹规划，确保所有设备在数字化系统全面投入运行后具有良好的兼容性和可维护性[5]。此外借鉴已有的相关项目实施经验，掌握系统和设备易发故障信息。

三、核电站仪控系统数字化改造的实施与临时管理策略分析

(一)对操作与运维人员进行新系统的技术培训。由于核电站的仪控系统改造需要持续相当长一段时间，而项目实施阶段两个仪控系统会出现并存的状态，在此期间核电站需要维持正常运转，因此需要操作、运维以及相关技术部门人员参加相应的技术培训，使其了解数字化仪控系统的原理和特点，确保其做好本职工作。第一，对系统操作人员的培训要重点使其掌握数字化仪控系统的操作规程，理解新系统所应用的技术特点。第二，要充分发挥运维及技术部门人员的经验优势，让其参与到数字化系统的功能设计与调试过程中[6]。一方面让相关人员有充足时间掌握新的运维和管理技术，深刻理解新系统的运行原理和特点，为修订操作和运维规程做好技术准备；另一方面在参与项目的规划与实施过程中，基于对相关机组设备运行原理的了解和工作经验，可以给数字化仪控系统的软硬件设计提供有价值的建议，避免因专业差异导致相关功能出现设计缺陷。

(二)编制实施临时管理规定并适时更新系统维修规程与运行程序。对核电站的仪控系统全数字化改造项目而言，需要规划设计的不仅是新系统的软硬件，还包括项目实施阶段的临时管理规定以及系统运维规程等文件，以便指导改造期间核电站正常运维并有效控制改造带来的风险。此外针对数字化系统的技术特点，还要在两个系统并存期间适时更新相关维修规程和运行程序，保障系统得到科学的使用和维护。

四、结语

由于核电站仪控系统自身的逻辑结构比较复杂，加之核设施独特的安全技术规范，因此核电站仪控系统全数字化改造项目的成败，取决于其规划工作是否足够周密。所以需要对实施数字化改造持保守和谨慎的态度，对项目的前期规划给予足够的重视，经过充分的分析论证再进入实施阶段。