根据朱毅明先生介绍,核电数字化仪控系统分为非安全级(NC)以及安全级(1E)两类。前者主要负责机组在正常运行期间的自动化控制及监测作业,亦被称为运行仪控系统;后者则主要负责事故工况下的保护与缓解功能,主包括反应堆跳闸、专设安全设施控制、事故后监测等多项功能。
一、非安全级DCS。核电站方面,核电站对于采用数字化控制系统存在两种顾虑。第一,基于冯诺依曼计算机基本结构的数字化控制系统是否在某种特定情境下失去全部效能?例如曾在2000年全球范围爆发的“千年虫”事件。其次是软件可靠性的问题。软件可靠性问题堪称全球性难题,其可靠程度难以进行定量评估。然而,国外对于硬件的可靠性研究已有数十载,利用概率论的方法即可进行量化评估。但对于复杂软件的缺陷,却是无法避免的。倘若要求数字化仪控系统软件全面覆盖所有可能的条件组合进行测试,其数量之巨将无比庞大,没有任何个人、任何国家可以实现。因此,核电站在选择基于软件的数字化仪控系统时会异常慎重。在通常情况下,安全级与非安全级采用不同厂家的设备或具有不同设计技术的设备,此举有助于防止控制系统与安全系统同时发生故障。
核电站非安全级DCS与火电厂DCS的主要差异体现在可靠性与可维护性的不同上。核电站为满足运营需求,要求产品至少能在现场运行10至15年,维护期长达20至25年,这对厂商而言无疑是巨大挑战。许多芯片、显示器、计算机等零部件和设备早已停产,而DCS厂家还需继续承担维护责任。在某些核电站中,对DCS还存在抗地震要求,即在SLl/SL2地震条件下仍需保持系统功能的完整性。
二、核安全级DCS。这部分与火电厂有很大区别,反应堆保护系统乃核安全级DCS的核心应用,基本按照独立多通道设计。当前运行的大亚湾、岭澳一期核电站均采用模拟组合仪表、继电器和磁逻辑的反应堆保护系统,田湾核电站在国内率先采用基于数字化技术的反应堆保护系统,岭澳二期和秦山一期的保护系统改造亦采纳了相似的系统。
在核能安全级别DCS的实时性能需求中,实时性不仅意味着运算周期的简短,更为关键的是其精确性。在这个系统中,信息安全的要求是极其严格的,确保程序与数据受到了充分的保护,防范任何偶发性或恶意的篡改或破坏行为。在仪控系统中,数据的真实性和完整性尤为重要,因此,数据校验和冗余不失为一种有效的手段。
据悉,尽管国内的核电站数字化仪控系统已经发展了许多年,但由于市场规模较小,过去的二十年里仅有三到五个项目实施,发展速度较为缓慢。然而,现如今这个情况已然悄然转变,目前正在建设中的核电站数量已达数十个,未来预计还将建设几十个,市场容量得到了显著提升。
数字化仪表控制系统掌控着核电站内三百个以上的系统和近万套设备,堪称核电站的“神经中枢”与“大脑”。由于对安全性与可靠性有着极高的要求,核电站数字化仪控系统成为了核电装备国产化过程中最为艰巨、最为重要的环节。与此同时,控制系统亦一直是我国成套装备国产化中的短板。
当前阶段,尽管我们在国内核电站数字化仪控系统与关键仪控设备研发方面取得了一定进展,但实际上,绝大多数仍然被国外技术所垄断。已投入运营或正在建设中的国内核电站项目,所采用的全数字化仪控系统无一例外均源于国外的产品和技术,或是由国外公司统一进行总承包。因此,实现数字化仪表控制系统设计的自主化,已经成为了我国大规模建设核电机组过程中所不得不面临并突破的核心技术之一。
在第一届中国(国际)核电仪控技术大会上,国家环保部核安全管理司司长刘华曾如是感慨:“本次大会为核科学和仪器仪表领域专家的学术交流搭建了一个良好的平台,对于推动我国核电仪控技术的发展,促进产、学、研、用紧密结合,推动我国核电仪控学术界的国际交流,具有非常重要的意义。”