徐國(guó)彬，李建偉，張秉卓

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265100）

0 引言

以人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為驅(qū)動(dòng)的第四次工業(yè)革命。在工業(yè)制造領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)前所未有的數(shù)字化變革。來(lái)自Frost&Sulliva的研究數(shù)據(jù)顯示，2020年全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型相關(guān)的行業(yè)增加值將達(dá)到近20萬(wàn)億美元，全世界大概有46%（中國(guó)高達(dá)約69%）的企業(yè)將數(shù)字化相關(guān)業(yè)務(wù)的拓展作為未來(lái)一年的優(yōu)先任務(wù)。在這樣的背景下，物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、信息物理系統(tǒng)（CPS）、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和完善，并助推了“數(shù)字化工廠”的發(fā)展。本文將在介紹數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上引入數(shù)字化核電站的概念，并闡述其構(gòu)成要素及相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐，不僅為優(yōu)化在運(yùn)核電站的生產(chǎn)管理提供了參考，也為新建核電站的數(shù)字化建設(shè)提供一定的借鑒。

1 數(shù)字化核電站的定義和要素

1.1 數(shù)字化核電站的概念

數(shù)字化工廠的概念可追溯到2011年IEC/TC65成立的WG16(數(shù)字工廠標(biāo)準(zhǔn)制定工作組)，其在標(biāo)準(zhǔn)IEC/TS 62832給出的定義為：數(shù)字化工廠是對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字化表述[1]。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)（Association of German Engineers）的定義為：以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式，是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。我國(guó)電力行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 701-2012火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化術(shù)語(yǔ)》定義：電廠數(shù)字化達(dá)到一定程度后的概念，電廠各級(jí)控制和管理系統(tǒng)（包括現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)單元）均進(jìn)入數(shù)字化后稱為數(shù)字化電廠[2-3]。

上面表述中，國(guó)內(nèi)和國(guó)外對(duì)于數(shù)字化工廠的認(rèn)識(shí)上存在一定的差別，國(guó)內(nèi)表述傾向于具體實(shí)體（軟硬件）的數(shù)字化，筆者認(rèn)為該觀點(diǎn)只是表述了部分意義上的數(shù)字化，認(rèn)識(shí)上相對(duì)較淺；而國(guó)外的觀點(diǎn)一般認(rèn)為數(shù)字化是指工廠整個(gè)生命周期的數(shù)字化，即包括從需求、設(shè)計(jì)、建安、運(yùn)維及退役全過(guò)程的數(shù)字化，如圖1所示，它以生命周期內(nèi)各個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)的數(shù)字化信息為基礎(chǔ)，依據(jù)建立的數(shù)字化模型，充分利用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)智能化管理，該認(rèn)識(shí)則更加深刻和全面，也更符合國(guó)際上對(duì)于數(shù)字化工廠的主流觀點(diǎn)。

基于以上論述，筆者認(rèn)為數(shù)字化核電站是以核電站的數(shù)字化儀控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合信息管理系統(tǒng)及全生命周期的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及信息處理技術(shù)，將數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)、信息處理及計(jì)算機(jī)仿真等眾多技術(shù)相融合的產(chǎn)物。實(shí)現(xiàn)原理是，首先需將核電機(jī)組的設(shè)備、運(yùn)行信息及全生命周期的活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，然后通過(guò)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)傳輸和共享，形成統(tǒng)一資源數(shù)據(jù)庫(kù)，最終再通過(guò)上層應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)流程及設(shè)備的管控,提高設(shè)備利用率和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)核電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.2 數(shù)字化核電站的要素

IEC于2016發(fā)布了針對(duì)數(shù)字化工廠的核心標(biāo)準(zhǔn)-IEC/TS 62832《工業(yè)過(guò)程測(cè)量控制和自動(dòng)化-數(shù)字化工廠構(gòu)架》。標(biāo)準(zhǔn)中將數(shù)字化工廠分為三個(gè)層次，底層是包含工廠產(chǎn)品組件和控制組件的實(shí)體層。其次是虛擬層，對(duì)實(shí)物層的物理實(shí)體通過(guò)管理殼（Administration Shell）進(jìn)行語(yǔ)義化描述和轉(zhuǎn)化，形成數(shù)字化的產(chǎn)品及生產(chǎn)要素資源庫(kù)。第三個(gè)層次是涉及全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用層，它通過(guò)虛擬層連接實(shí)體層，將優(yōu)化、改進(jìn)等決策通過(guò)語(yǔ)義描述輸入到資源庫(kù)，以統(tǒng)籌優(yōu)化生產(chǎn)所需的各項(xiàng)資源。

西門(mén)子德國(guó)EWA和成都SEWS工廠被看作典型的數(shù)字化示范工廠，它通過(guò)數(shù)字化工具開(kāi)展生產(chǎn)或規(guī)劃新廠，創(chuàng)建虛擬環(huán)境（即數(shù)字化雙胞胎（Digital Twin））。在一個(gè)完全虛擬的環(huán)境中，將數(shù)據(jù)分析及物理仿真結(jié)合在一起，以便快速、可靠地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。工廠運(yùn)營(yíng)階段，數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行采集、分析并反饋回開(kāi)發(fā)過(guò)程，以實(shí)施生產(chǎn)改進(jìn)和產(chǎn)品優(yōu)化。

基于以上論述，不難發(fā)現(xiàn)數(shù)字化核電站應(yīng)主要包含以下幾個(gè)要素：

1）全生命周期的數(shù)字化。從核電站的設(shè)計(jì)及設(shè)備制造，到建造和調(diào)試，再到投產(chǎn)后的生產(chǎn)運(yùn)維階段，需實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)字化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)維的一體化管理。

2）數(shù)據(jù)信息互聯(lián)。利用工業(yè)互聯(lián)以及信息處理技術(shù)將電廠全生命周期各個(gè)階段所發(fā)生的活動(dòng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并將反映這些活動(dòng)特征的數(shù)字、圖形、文字、符號(hào)等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的信息。

3）可視化的場(chǎng)景。在核電站設(shè)計(jì)階段，不同專業(yè)（系統(tǒng)、機(jī)械、電儀、暖通、布置設(shè)計(jì)等）的設(shè)計(jì)人員利用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)協(xié)同工作，大大提高了設(shè)計(jì)效率，而且在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)下協(xié)同工作也確保了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[4]。在核電站運(yùn)維期間，設(shè)計(jì)階段移交的三維模型也應(yīng)用在核電站的運(yùn)維配置管理及操作模擬中，也提高了核電站的生產(chǎn)運(yùn)維效率。

4）智能化的運(yùn)維。由于采用了先進(jìn)的智能化儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及設(shè)備互聯(lián)技術(shù)，并輔助應(yīng)用先進(jìn)的信息處理技術(shù)，使核電站的運(yùn)維生產(chǎn)管理變得更加智能、簡(jiǎn)單、高效。

2 數(shù)字化核電站構(gòu)建與實(shí)踐

2.1 數(shù)字化核電站5層模型

現(xiàn)代核電站生產(chǎn)過(guò)程控制一般由數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）完成，它把生產(chǎn)過(guò)程的系統(tǒng)設(shè)備和生產(chǎn)管理活動(dòng)連結(jié)起來(lái)，是核電站數(shù)字化的基礎(chǔ)和紐帶。基于此認(rèn)識(shí)，可將數(shù)字化核電站構(gòu)建為5層模型，如圖2所示。

Level 0為現(xiàn)場(chǎng)層，它包括現(xiàn)場(chǎng)各種控制和測(cè)量設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、閥門(mén)、傳感器、變送器等。傳統(tǒng)控制方式是通過(guò)模擬量實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)字化的方式一般采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線把現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的數(shù)字量信號(hào)通訊接入DCS或PLC（可編程控制器）控制系統(tǒng)。

Level 1為過(guò)程控制層，它包括多個(gè)過(guò)程控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)核島及常規(guī)島各系統(tǒng)的控制，也包含專用系統(tǒng)及部分BOP(核電站輔助系統(tǒng)）的控制。核電站主系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控一般由DCS完成，而B(niǎo)OP系統(tǒng)則一般通過(guò)PLC等專用的智能工控設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

Level 2為過(guò)程信息處理及監(jiān)控層，包括工程師站、操作員站、報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)站等。主要完成對(duì)過(guò)程控制層數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、報(bào)警分析、儲(chǔ)存以及畫(huà)面操作及監(jiān)視等，并將過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至Level 3層。

Level 3為廠級(jí)監(jiān)控層，主要功能是采集生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)用軟件系統(tǒng)分析、處理后展示給核電站管理及技術(shù)人員，以提供決策建議或運(yùn)維指導(dǎo)，該部分主要關(guān)注生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化和提升。

Level 4為管理業(yè)務(wù)層，該層主要目的是建立一個(gè)集生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理、過(guò)程監(jiān)控及決策支持等一體化數(shù)據(jù)資源倉(cāng)庫(kù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有子系統(tǒng)的互聯(lián)互通，并通過(guò)各自應(yīng)用功能來(lái)滿足整個(gè)數(shù)字化核電站運(yùn)維及管理需求。主要包括ERP、OA、資產(chǎn)管理、工程項(xiàng)目管理、設(shè)備運(yùn)維管理及地理信息系統(tǒng)等。

按照IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，筆者認(rèn)為實(shí)現(xiàn)上述5層模型中每一層實(shí)體的數(shù)字化僅僅是完成了數(shù)字化核電站的一個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，是否已打通各層級(jí)各子系統(tǒng)之間的壁壘，是否已實(shí)現(xiàn)從Level 4到各實(shí)體層的互通，是否已建立統(tǒng)一的數(shù)字化資源庫(kù)，恐怕是實(shí)現(xiàn)真正數(shù)字化核電站的關(guān)鍵所在。

2.2 海陽(yáng)核電站的數(shù)字化實(shí)踐

海陽(yáng)核電站從一期工程建設(shè)期間即開(kāi)始了數(shù)字化核電站實(shí)踐工作，包括核電站設(shè)計(jì)、采購(gòu)及建安期間的數(shù)字化應(yīng)用，以及在生產(chǎn)階段針對(duì)提高設(shè)備運(yùn)維水平的一系列數(shù)字化實(shí)踐提升活動(dòng)，這在提高核電站生產(chǎn)管理及運(yùn)維水平上發(fā)揮了顯著的作用。

1）工程建設(shè)期的數(shù)字化管理。在海陽(yáng)核電一期工程建設(shè)期間，設(shè)計(jì)方廣泛采用了數(shù)字化三維設(shè)計(jì)平臺(tái)（如PDMS、PDS、SmartPlant等）及其他協(xié)同設(shè)計(jì)軟件（如SCM電纜設(shè)計(jì)平臺(tái)等），大大提高了設(shè)計(jì)效率。隨著機(jī)組進(jìn)入運(yùn)行期，這些系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字化移交后與地理信息系統(tǒng)等結(jié)合使用，用于核電站設(shè)備、管道維護(hù)及配置管理的可視化三維模擬。另外，設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建安及調(diào)試各階段的數(shù)據(jù)資料也移交業(yè)主，形成了核電站數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以用于全生命周期后續(xù)階段的活動(dòng)（如運(yùn)維、改造和退役等）。

2）Level 0層的數(shù)字化實(shí)踐。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)核電站在Level 1-4實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但很少在Level 0數(shù)字化。一期工程設(shè)計(jì)時(shí)，常規(guī)島10kV開(kāi)關(guān)柜共有14臺(tái)中壓電機(jī)的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，每臺(tái)綜保裝置配備MODBUS TCP接口，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線將電壓、電流、故障報(bào)警及電機(jī)溫度等信息傳輸至DCS。另外，常規(guī)島和核島共約114臺(tái)低壓馬達(dá)（開(kāi)關(guān)）通過(guò)PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線采用全數(shù)字化將設(shè)備狀態(tài)信息送至DCS監(jiān)控。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備的全數(shù)字化一方面可節(jié)省大量控制電纜，降低建設(shè)成本，另一方面，現(xiàn)場(chǎng)總線將大量智能化設(shè)備信息傳輸至DCS，為設(shè)備故障診斷及處理提供了寶貴的數(shù)據(jù)支撐。

3）Level 1層的數(shù)字化集成。如圖2所示，Level 1層的BOP系統(tǒng)一般采用PLC監(jiān)控，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)核電站的BOP輔助系統(tǒng)基本都采用就地獨(dú)立監(jiān)控的模式。在當(dāng)前人力成本越來(lái)越高的情況下，海陽(yáng)核電站就布置上較為分散的廠區(qū)BOP系統(tǒng)開(kāi)展了數(shù)字化集成的嘗試。

該數(shù)字化集成工作充分利用現(xiàn)有的PLC（或適當(dāng)改造），通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)集成技術(shù)將分散在廠區(qū)的除鹽水車(chē)間、海水淡化車(chē)間、水預(yù)處理廠、換熱站、力能水系統(tǒng)等集中到輔控中央控制室進(jìn)行監(jiān)控。項(xiàng)目實(shí)施后各相關(guān)輔助車(chē)間基本可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，運(yùn)行人員巡檢難度和強(qiáng)度大大降低，預(yù)期可至少減少15名運(yùn)行人員，每年節(jié)約人工費(fèi)用百萬(wàn)元以上,大大降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本。

2.3 Level 3廠級(jí)監(jiān)控層增值應(yīng)用

海陽(yáng)核電站RIMS（實(shí)時(shí)信息管理系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的SIS（廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)）功能，負(fù)責(zé)從全廠DCS、BOP輔控、NCS（網(wǎng)控系統(tǒng)）等控制系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警狀態(tài)顯示、趨勢(shì)分析及統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，還包括運(yùn)行監(jiān)督、性能監(jiān)測(cè)、參數(shù)趨勢(shì)分析及預(yù)警等功能。目前基于RIMS平臺(tái)已開(kāi)發(fā)完成疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及主泵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，PSA可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)及風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)器也正在開(kāi)發(fā)中。這些增值功能模塊的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，大大提高了公司設(shè)備健康管理水平。

2.4 Level 4層地理信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

針對(duì)廠區(qū)管線、管溝密集，種類(lèi)繁多的實(shí)際情況，并吸取建設(shè)期的經(jīng)驗(yàn)，公司建設(shè)了地理信息系統(tǒng)（GIS），實(shí)現(xiàn)了廠區(qū)地下管線數(shù)據(jù)的集中管理。并通過(guò)GIS三維模型展示工具等輔助手段，指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維技改，減少了管線錯(cuò)挖、誤挖情況[5]。

3 結(jié)論

就目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀來(lái)看，很多核電站甚至未完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，距離數(shù)字化核電站更是遙遠(yuǎn)，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)已有不少核電站在通往數(shù)字化核電站的路上做了很多積極的嘗試，這些探索與實(shí)踐所產(chǎn)生的效益也在逐漸顯現(xiàn)。