新一代核電DCS——智能控制系統(tǒng)展望
發(fā)布時(shí)間：2022-11-17 作者：www.xstr.xyz
圖片來源：和利時(shí)
核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)，是核電站的大腦、神經(jīng)中樞、運(yùn)行中心和安全屏障，是核電站關(guān)鍵核心技術(shù)的載體。現(xiàn)在隨著世界數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化高速發(fā)展，核電儀控系統(tǒng)也朝著更先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)發(fā)展，那對(duì)安全等級(jí)要求極高的核電控制系統(tǒng)，要不要應(yīng)用云平臺(tái)、AI、邊緣計(jì)算等這些新技術(shù)呢？智能化的方向是什么？本文通過層層分析，給出了一個(gè)答案。
核電的安全特征是高危險(xiǎn)性和低發(fā)生率，公眾對(duì)其安全性期望極高。數(shù)字化控制系統(tǒng)直接控制核電機(jī)組生產(chǎn)過程，是確保安全的重要設(shè)備系統(tǒng)。在核安全文化的深度滲透下，核電行業(yè)對(duì)于控制系統(tǒng)的安全性、可用性和穩(wěn)定性要求遠(yuǎn)高于火電、風(fēng)電等其他發(fā)電行業(yè)。
我國核電站控制系統(tǒng)的發(fā)展回顧
自上世紀(jì)八十年代，核電控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基于工業(yè)計(jì)算機(jī)和工業(yè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化儀控系統(tǒng)，應(yīng)用范圍從單純的數(shù)據(jù)采集監(jiān)視系統(tǒng)（SCADA）逐步延伸到常規(guī)島、核島和BOP控制系統(tǒng)（DCS），最終實(shí)現(xiàn)了1E級(jí)反應(yīng)堆保護(hù)和安全專設(shè)控制系統(tǒng)的數(shù)字化。
大亞灣核電站首先引入法國研制的電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了核電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視功能；恰希瑪一期工程由于西方國家的禁運(yùn)，中核集團(tuán)決定采用了和利時(shí)公司基于國內(nèi)技術(shù)自主開發(fā)的電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，秦山二期繼續(xù)擴(kuò)大國產(chǎn)數(shù)字化儀控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，和利時(shí)不但提供了KIT/KPS系統(tǒng)，還在常規(guī)島控制首次實(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)的應(yīng)用；2007年中廣核與和利時(shí)合資成立的廣利核公司獲得了紅沿河1-4號(hào)機(jī)和寧德1-2號(hào)機(jī)等6臺(tái)百萬級(jí)核電機(jī)組數(shù)字化儀控系統(tǒng)合同，采用和利時(shí)研制的DCS系統(tǒng)（HOLLiAS-N）實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化運(yùn)行儀控系統(tǒng)全面自主化；廣利核公司自2008年開始自主研發(fā)1E級(jí)的核電站安全保護(hù)系統(tǒng)（和睦系統(tǒng)），2014年獲得陽江5、6號(hào)機(jī)的核安全級(jí)DCS合同，在核電數(shù)字化儀控自主可控方面實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵性的突破。
核電控制系統(tǒng)的智能化
隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的突破，以DCS、PLC、SCADA為代表的數(shù)字化控制系統(tǒng)也逐步向智能控制系統(tǒng)方向發(fā)展。
一般認(rèn)為智能控制系統(tǒng)是具備人工智能（Artificial Intelligence）的控制系統(tǒng)。人工智能是一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模仿人類思維，問題解決和決策制定能力。目前的人工智能尚屬于弱人工智能，只能在有限領(lǐng)域執(zhí)行人類預(yù)先給定的任務(wù)，不能主動(dòng)提出問題、解決問題和規(guī)劃未來，也就是不具備自我意識(shí)。
核電控制系統(tǒng)的核心功能是周期采集核電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，按照預(yù)先編程的控制邏輯算法調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并保證生產(chǎn)過程的安全和穩(wěn)定。由于核電生產(chǎn)過程的高精度機(jī)理模型基本上無法準(zhǔn)確辨識(shí)，設(shè)計(jì)的控制方案大部分是基于簡(jiǎn)化機(jī)理模型。PID是機(jī)組控制最常用的算法，具有較好的魯棒性，在穩(wěn)定工況時(shí)自控投入率較高，但在一些動(dòng)態(tài)過程或異常工況，還可能需要控制參數(shù)調(diào)整或人工直接接入控制。
從運(yùn)行數(shù)字化的角度看，核電控制系統(tǒng)的智能主要體現(xiàn)在對(duì)于外部工藝過程和自身變化的主動(dòng)適應(yīng)能力，這里主要涉及三個(gè)基本要求，一是感知信息是否充分、準(zhǔn)確、及時(shí)獲得關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)；二是控制算法的魯棒性是否夠高，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)滿足工藝要求；三是調(diào)節(jié)操作是否及時(shí)發(fā)出并精確執(zhí)行到位。
數(shù)字化智能化技術(shù)的選擇
從智慧核電大平臺(tái)建設(shè)的角度，核電控制系統(tǒng)直接采用云計(jì)算、邊緣計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、5G和物聯(lián)網(wǎng)等新一代ICT技術(shù)似乎理所當(dāng)然，但目前尚有幾個(gè)具體技術(shù)問題值得討論。
Q1 核電DCS是否要上云？
現(xiàn)有的核電DCS為了避免共因故障，提高系統(tǒng)強(qiáng)壯性，采取了多重化、實(shí)體隔離和縱深防御等技術(shù)措施。云計(jì)算強(qiáng)調(diào)資源中心化和統(tǒng)一集中管控，在核電控制應(yīng)用場(chǎng)景下，云平臺(tái)需要證明對(duì)算力、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源的集中整合不能成為潛在的共因故障點(diǎn)。在核電安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的限制下，DCS控制站部署方式實(shí)際上是完全的預(yù)分配，不存在按需靈活部署的需求，而且核電DCS的控制算法在調(diào)試完成后很少修改，即使修改，也必須在現(xiàn)場(chǎng)完成全面的功能測(cè)試后才允許投入運(yùn)行。云平臺(tái)軟件復(fù)雜度高，對(duì)于資源調(diào)度快速性要求不高，采用標(biāo)準(zhǔn)的虛機(jī)或容器方式部署在云上的虛擬控制站運(yùn)行實(shí)例一旦發(fā)生故障很難在生產(chǎn)安全允許的時(shí)間內(nèi)（一般是3個(gè)典型控制周期內(nèi)150ms）恢復(fù)，無法滿足核電控制可用性要求。從目前的情況分析，云化的核電控制系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)尚不可控，實(shí)現(xiàn)的意義不大。
Q2 核電DCS是否要引入邊緣計(jì)算技術(shù)？
邊緣計(jì)算的出現(xiàn)改變了云計(jì)算強(qiáng)烈的單一中心化趨勢(shì)，多個(gè)云節(jié)點(diǎn)與多個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)共同組成一個(gè)分布式系統(tǒng)，邊緣節(jié)點(diǎn)和云節(jié)點(diǎn)之間不存在強(qiáng)依賴關(guān)系，邊緣節(jié)點(diǎn)可以脫離云節(jié)點(diǎn)獨(dú)立自主運(yùn)行。邊緣與邊緣，邊緣與云，云與云之間可以建立任意的端到端服務(wù)關(guān)系。這種異構(gòu)分布式服務(wù)模式比集中化的云服務(wù)模式更適合核電數(shù)字化控制應(yīng)用場(chǎng)景要求。核電控制系統(tǒng)作為邊緣節(jié)點(diǎn)，可以通過全局統(tǒng)一的服務(wù)和資源管理接口為云節(jié)點(diǎn)提供相關(guān)的數(shù)據(jù)和服務(wù)，還可以遠(yuǎn)程調(diào)用云節(jié)點(diǎn)提供的算力、存儲(chǔ)等資源為邊緣節(jié)點(diǎn)所用，完成需要大算力、大存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分析或機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同運(yùn)行。
Q3 基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)能否解決核電機(jī)組智能控制問題？
近十年來，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能算法在視覺識(shí)別、自然語言處理、設(shè)備運(yùn)維、自動(dòng)駕駛等眾多方面取得了重大進(jìn)展。深度學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)上是一種基于概率論與統(tǒng)計(jì)學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，首先深度學(xué)習(xí)嚴(yán)重依賴于樣本的選擇和數(shù)量，其次通過深度學(xué)習(xí)獲得的推理模型的有效性目前尚處于較低水平，與核電控制的確定性和安全性要求相差較大。核電智能控制的未來不能僅考慮大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)一條發(fā)展路徑，而且要研究基于確定論的小數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模糊控制、預(yù)測(cè)控制和遺傳算法等等也有可能解決核電智能控制問題。
Q4 核電DCS采集的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和范圍是否充分？
從核電設(shè)備智能運(yùn)維的角度，核電控制系統(tǒng)是最重要的數(shù)據(jù)來源，由于信號(hào)采集硬件采集速率和IO通訊總線帶寬的限制，目前DCS的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集周期最小一般是50ms；同樣由于服務(wù)器處理能力和數(shù)據(jù)庫架構(gòu)問題，在DCS歷史數(shù)據(jù)庫保存的歷史數(shù)據(jù)記錄周期大多在0.5或1秒，這意味著從歷史數(shù)據(jù)庫保存的數(shù)據(jù)只能反映較慢的變化過程，無法提供瞬變狀態(tài)的信息，造成核電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)供應(yīng)不足，智能運(yùn)維分析能力受限。
Q5 核電DCS的信息安全如何保證？
針對(duì)核電的惡意攻擊行為之中危險(xiǎn)性最高的是APT攻擊，依賴單一技術(shù)手段很難實(shí)現(xiàn)對(duì)有組織的多專業(yè)組合APT攻擊的有效防護(hù)，需要借鑒核電領(lǐng)域常用的多樣性縱深防御措施，重重設(shè)防，及時(shí)發(fā)現(xiàn)，快速響應(yīng)，斬?cái)嗌煜蚝穗姲踩暮谑帧：穗奃CS處于安全一區(qū)，需要符合等保三級(jí)要求，但核電DCS的智能化勢(shì)必要打通與安全二區(qū)和安全三區(qū)的雙向通訊通道，同時(shí)也帶來了外部網(wǎng)絡(luò)攻擊的潛在威脅。除了采用傳統(tǒng)的網(wǎng)閘、防火墻、網(wǎng)絡(luò)審計(jì)等外掛式安全增強(qiáng)手段，還應(yīng)該提高DCS自身的安全能力，通過控制器硬件架構(gòu)、嵌入式操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制軟件、控制組態(tài)軟件、安全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的安全升級(jí)同時(shí)滿足功能安全與信息安全的要求。
新一代核電控制系統(tǒng)智能化升級(jí)的方向
預(yù)期的新一代核電控制系統(tǒng)智能化升級(jí)方向主要包括：
1 研究新的智能控制算法解決經(jīng)典控制論和現(xiàn)代控制論難以解決的非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合的核電復(fù)雜工藝系統(tǒng)控制魯棒性問題。
2 研究圖像、視頻、音頻等多媒體信息與傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量等工業(yè)過程參數(shù)的融合感知和實(shí)時(shí)分析方法，通過基于多傳感器和圖像信息融合的多維度復(fù)合控制方法能有效提高控制的敏感度和響應(yīng)性。
3 升級(jí)DCS硬件，增加高速輸入模塊和遠(yuǎn)程IO單元；提高IO總線速率，支持光纖和銅纜傳輸介質(zhì)；采用高性能的多核CPU和固態(tài)存儲(chǔ)器，滿足高速數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的要求；采用服務(wù)器集群方式提高數(shù)據(jù)服務(wù)和計(jì)算服務(wù)能力。
4 設(shè)計(jì)全新的DCS組態(tài)集成開發(fā)環(huán)境（IDE），支持服務(wù)器和單機(jī)兩種工程開發(fā)模式以及C/S和B/S客戶端，提供版本控制功能滿足分布式多版本同步開發(fā)；支持IEC61131-3編程語言、編譯型的C/C++語言和解釋型的python語言；支持創(chuàng)建多個(gè)周期、中斷和連續(xù)運(yùn)行任務(wù)；支持基于OPC UA的層次化對(duì)象模型。
5 控制站支持虛擬化運(yùn)行模式，部署Hypervisor軟件，允許創(chuàng)建控制虛機(jī)和計(jì)算虛機(jī)，分別支持實(shí)時(shí)控制任務(wù)和非實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)。
6 控制站提供開放的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線，支持與安裝在現(xiàn)場(chǎng)的智能傳感器和執(zhí)行器的雙向通訊。
7 控制站的實(shí)時(shí)控制軟件與IO通道解耦，支持IO通道虛擬化和跨站分配。
8 用內(nèi)生安全設(shè)計(jì)，支持基于國密算法的數(shù)據(jù)細(xì)粒度加密傳輸和存儲(chǔ)，采用雙體系可信計(jì)算架構(gòu)，支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)度量，滿足等保三級(jí)要求。
核電數(shù)字化控制系統(tǒng)的智能化升級(jí)不但需要滿足未來新建機(jī)組的要求，同時(shí)也需要考慮在役機(jī)組的升級(jí)改造的要求。
伴隨著中國核電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)模型、分布式服務(wù)接口的新一代核電數(shù)字化控制系統(tǒng)必將為智慧核電的建設(shè)提供強(qiáng)有力的支撐。（作者：朱毅明）
作者介紹
朱毅明， 現(xiàn)任和利時(shí)集團(tuán)中央研究院總工程師，教授級(jí)高工，國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化專家咨詢組專家。長期從事工業(yè)自動(dòng)化和信息系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)工作，主持并完成了多項(xiàng)核高基、863計(jì)劃等國家級(jí)科技項(xiàng)目，包括和利時(shí)第五代模塊化DCS、支持GOA4級(jí)全自動(dòng)駕駛的地鐵調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、自主可控大型PLC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集成開發(fā)平臺(tái)和內(nèi)生信息安全的DCS等。