核动力院安全级数字化控制系统(DCS)NicSys®8000N平台取证成功

2023-08-24 10:18  来源:核动力院    核动力院  DCS  核电设备  数字核电  仪控与电气

8月18日,国家核安全局正式向中国核动力研究设计院中核控制核电厂安全级数字化控制系统(DCS)NicSys®8000N平台颁发了民用核安全电气设备设计和制造许可证,标志着中核控制在核电安全级DCS系统方面具备了从研发设计、生产制造到设备供货全过程服务的能力和资质,这将进一步提升核仪控技术水平,助力核电产业长足发展。


8月18日,国家核安全局正式向中国核动力研究设计院中核控制核电厂安全级数字化控制系统(DCS)NicSys®8000N平台颁发了民用核安全电气设备设计和制造许可证,标志着中核控制在核电安全级DCS系统方面具备了从研发设计、生产制造到设备供货全过程服务的能力和资质,这将进一步提升核仪控技术水平,助力核电产业长足发展。

NicSys®8000N平台取证后,核动力院成为国内首家同时拥有自主知识产权的基于微处理器技术的核安全级DCS龙鳞平台和基于FPGA技术的核安全级DCSNicSys®8000N平台,以及非安全级DCS龙鳍平台,从而形成了“龙鳞+龙鳍”、“NicSys®8000N+龙鳍”两种全厂DCS平台。

作为核设施的“安全守护神”,NicSys®8000N平台是中核控制潜心十余年打造的具有完全自主知识产权的安全级产品,其最大的技术特点就是采用了在航空航天等领域广泛应用的FPGA(现场可编程门阵列)技术。十年来,中核控制NicSys®8000N研发团队勇担时代之梁,拨开浮云遇见星光,完成了新技术新产品的突破。

八千里路云和月,中核控制一路走来……

自主研制从无到有

起步

早在2010年,国内外核仪控厂商就已经积极推广将FPGA技术应用于核电仪控系统,并积极布局基于FPGA技术的核级DCS平台研制和应用。虽然基于微处理器技术的核级DCS系统当前仍处于主流地位,但基于FPGA技术的控制系统在快速响应、简单可靠、信息安全、运行维护以及国产化芯片替代等方面具有天然的优势,更适用于实现核电厂具有较高功能安全要求的控制保护功能。可以预见,未来核电DCS系统将会以微处理器和FPGA技术共存的方式发展。作为核仪控设备及服务整体解决方案专业化公司,中核控制决定采用FPGA技术路线研制NicSys®8000N平台。“比较来说,微处理器技术就像行驶的汽车,可以自由变换车道,灵活方便;FPGA技术犹如奔驰的高铁,在既定轨道上高速前行,稳定高效。”中核控制总经理助理、项目负责人王冬形象地比喻道。

2011年,王冬赴法国参加国际原子能机构(IAEA)举办的“FPGA在核电厂仪控系统应用研讨会”。虽说是一个研讨会,但实际上更像是一个产品推介会,欧美核电强国,包括日本、韩国的同行纷纷介绍本国基于FPGA技术的控制系统,特别是一位国外技术专家介绍他们的平台将用于国内核电厂,而我们那时还不完全清楚研制该类平台的关键技术都有哪些,差距不言而喻。王冬永远都忘不了那天会上的场景:他走向那位国外同行,向他请教技术问题,对方却微笑答复“这些是商业机密,你们可以直接购买我们产品应用。”

攻关

自主研发,简简单单的四个字,却蕴含了多少技术难关!技术路线的确定只是第一步,新技术的研发注定不会是一条平坦大路,接下的一系列技术难题挑战着研发团队的每一根神经。

“现场应用工程师是否具备编写基于FPGA技术的核安全级平台代码的能力?即使能编写,如何验证代码的正确性?”“我认为基于FPGA技术的平台不如基于微处理器技术的平台配置方便。”面对行业内的各种质疑,研发团队背负着巨大的压力!不可否认,当时的FPGA技术确实会因系统配置方式增加维护时间与成本。“这个问题必须解决!”说干就干,技术负责人刘志凯带着团队开始了全力攻关。

随着工作逐渐深入,研发团队越发强烈地感觉到,任务之艰巨大大地超出原先的预期,团队中越来越多质疑的声音,不可行!做不到!刘志凯一边安抚成员情绪,一边带着大家查阅资料、拜访专家,经历了无数日夜的思考、查阅国内外相关文献、探讨验证之后,研发团队提出了一种“图形化预开发算法块组态(PDB)技术”,问题得到有效解决。PDB技术是将应用控制策略提前固化到FPGA芯片中,并按照最严格等级进行预先验证,以“纯硬件”的方式执行核电厂运行的安全功能。通过图形化配置软件,应用工程师可以轻松地通过“搭积木”的方式完成工程实施,就像普通PLC控制器那样简单。

无数个日日夜夜艰苦奋战,研发团队陆续攻克了双FPGA架构协同、高速并行冗余计算、预开发组态、高可靠通信、安全显示、高覆盖率内建自诊断和系统维护等关键技术,NicSys®8000N平台研发难题逐一击破。

▶ 2015年9月,该平台关键技术方案通过原理样机验证。

▶ 2016年11月,该平台全范围产品的设备摸底鉴定试验全部完成。

▶ 2017年8月,完成基于该平台的反应堆保护系统工程样机系统验证。

圆梦

2016年,NicSys®8000N平台通过IAEA组织的来自美国、法国、匈牙利和乌克兰等国的核仪控领域权威专家审查,成为国内首个获得国际权威机构认可的基于FPGA技术的核安全级数字化控制系统平台。

IAEA独立审评报告中写道:中核控制已高质量完成了NicSys®8000N平台的设计开发工作,产品的设计、开发、验证与确认等方面均符合IAEA安全导则SSG-39《核电厂仪表与控制系统设计安全导则》的要求。该平台的安全性、可靠性和稳定性得到了充分的验证,能够满足核能领域的严格要求。报告还特别提及,会将NicSys®8000N平台的10项良好技术实践向IAEA所有成员国推荐参考。在一次IAEA主办的核电仪控研讨会上,团队成员惊喜地发现,“图形化预开发算法块组态技术”成为许多国外老牌核仪控厂商借鉴的技术。

回想起2011年赴法国参加研讨会的场景,王冬不由感慨,展骐骥之跃何其不易,骑马踏平川又是何其酣畅淋漓、扬眉吐气。今天,中核控制以自主创新成果为核行业作出了卓越贡献,提升了核仪控技术在国际上的影响力。

从无到有、从有到优、从优到精、从精到特,中核控制安全级DCS平台NicSys®8000N从技术构思、开发预研到产品实现,是凝心聚力的奋斗征程,更是千淘万漉始到金的硕果盈枝。这条披星戴月的路虽艰辛却辉煌,研发团队的工程师们用努力和追求、用坚持和拼搏、用辛勤和智慧,不断创新和完善技术,成就了该平台的高质量、高性能和高安全。

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积极探求应用出路

路在何方,路在脚下

新平台、新技术有了,如何取信市场?快速实现应用是摆在团队当前的新问题。研发团队了解到处于前期设计阶段的卡拉奇华龙一号机组核测量系统,正因二次仪表的数字化方案如何优化而困扰,大家敏锐地察觉这正是NicSys®8000N平台的用武之机。团队深入分析技术规格要求,积极主动与设计方沟通,量身定制的解决方案得到业主认可,至此,平台成功应用于海外华龙一号首堆,跻身国际核仪控市场,这是一条来之不易的路。

时间来到2017年12月7日,寒风刺骨,刘志凯额头却冒出细密的汗珠,基于NicSys®8000N的堆外核测系统样机即将进行首次堆上试验,但突如其来的噪声打断了试验进程,他正在全神贯注地寻找噪声来源,确保系统关键的“倍增周期计算功能”试验通过。试验现场极其复杂,探测器与NicSys®8000N机柜之间的线缆长达100多米,是不是调理机箱放大器把采集到的微弱信号中的环境噪声放大了?大胆假设,小心求证,抓取数据,变换分析,确认了噪声的来源和特征,他果断对系统数字化自适应滤波参数进行调整,问题迎刃而解。

常备不懈,待时而动

继反应堆堆外核测系统成功应用后,团队成员又将视线转移到核电厂多样性保护系统(DAS)上。DAS系统作为安全级系统多样化解决方案,对核电厂安全运行具有至关重要的作用,在系统设计上要求与反应堆保护系统采用不同技术路线的控制系统平台,以避免共因故障。作为基于FPGA技术的NicSys®8000N平台具有得天独厚的优势,与基于“微处理器”技术的反应堆保护系统有着本质区别,团队开启了平台多样性领域的应用攻关。

漳州核电项目作为“华龙一号“批量化建设的首堆,若在该项目实现突破,可谓事半功倍。研发团队通过建立1:1样机进行验证,验证结果得到业主、设计方和采购方的认可。在随后的项目实施过程中,因方案变更,项目团队顶住压力寻找解决手段,逐一分析工艺流程,从规模庞大的平台数据库中寻找合适的模块,不断尝试设计优化方式……

“功夫不负有心人”,项目实施不断取得最优解,并于2022年7月完成漳州核电项目首台套供货,为后续应用开创了新的局面。

洞察先机,多点开花

找到路,拓宽路,核测领域、多样性领域的成功应用将给团队注入持续发展的动能。团队通过调研,再次将重点聚焦在核化工领域高可靠性数字化控制系统应用上。

核化工领域的平台场景应用环境复杂多变,系统可靠性要求苛刻。平台要突破,要进入核化工领域乃至离散生产制造领域,必须从技术层面打消用户的质疑,而通过功能安全认证正是这块敲门砖。

无问西东,使命必达。2021年9月,经过近三年努力,NicSys®8000N平台获得德国TÜV 莱茵颁发的国内首张基于FPGA技术的功能安全SIL3证书,功能安全与可靠性达到了过程工业领域功能安全最高等级要求。

“我们每一项关键技术的突破,都是NicSys®8000N平台的自我突破,不仅使平台满足核化工领域高功能安全性的要求,还能增加平台在市场上的信任度和竞争力,每一次关键技术的成功应用,都是中核控制亮出的利剑。”刘志凯说道。

目前,基于NicSys®8000N平台的多样性保护系统(DAS)及堆外核测量系统,已应用于海外华龙一号K2/K3,国内华龙一号漳州1/2、海南3/4,玲龙一号海南小堆等多个项目上,同时也应用于四代核能和各类试验堆等领域。

2022年,NicSys®8000N平台顺利通过中核集团科技成果鉴定,由叶奇蓁院士任组长的专家组一致认为:本成果技术自主可控,总体技术达到了国际先进水平,部分技术指标达到国际领先水平。该平台先后获得中国设备管理协会科学技术进步奖一等奖、中国核能行业科学技术进步奖三等奖和中核集团科学技术进步奖三等奖。

十年磨炼宝器终成

2020年10月,中核控制在院的领导和大力支持下,向国家核安全局递交了民用核安全电气设备设计和制造许可证申请。为了证明中核控制核级DCS的设计制造能力,NicSys®8000N平台取证模拟件采用最先进的华龙一号机组需求规格书作为设计输入,在指标选取方面,按照最新、最高标准要求制造。

为了验证系统在极端环境下的运行情况,模拟件实施了长达600小时的高低温长期运行试验,抗震鉴定反应谱包络了福清、漳州及核化工领域相关项目要求。

验证和确认过程,按照国家核安全局新版HAD102/10《核动力厂仪表和控制系统设计》的最新要求,首次实施了全过程硬件V&V活动。硬件V&V的概念是业内一直在讨论的热门话题,但在核电领域,国内尚未有组织或单位成体系地开展过具体工作。面对新的要求,公司V&V团队迎难而上,构建起了一套硬件V&V实践体系,使模拟件生产、制造和集成的质量进一步提升。

“只有充分考虑产品的设计裕度,建立一整套严苛的验证和评价标准,才能确保在未来更严酷的环境条件下设备的安全可靠。”试验负责人张源说。张源曾在日本三菱电机从事核电DCS系统软件开发,先后完成多个机组DCS系统的升级改造工作。自2010年回国后即投入到安全级数字化控制系统的研制工作,全程参与了NicSys®8000N平台的研制过程。

2023年4月27日,抗震试验大厅,在生态环境部核与辐射安全中心和华北核与辐射安全监督站的共同见证下,NicSys®8000N平台将接受抗震试验,这是取得国家核安全局颁发许可证前的最后一项试验。上午10点,抗震试验准时开展,随着设备强烈地颠簸与晃动,现场团队每位成员的心也提到了嗓子眼。试验结束时,设备安然无恙,NicSys®8000N平台顺利通过了“抗震”考验,现场爆发出热烈的掌声,张源笑得像孩子一样,多年的心血终获认可,中核控制圆满完成了反应堆控制保护系统模拟件设计和制造的任务,具备了安全级数字化控制保护系统机柜的完整设计和制造能力,这一天他等了13年。

不忘初心,归来仍是少年。此刻,站在抗震试验大厅的张源,回顾NicSys®8000N平台的研制之路,眼眶中泪光闪烁,忘不了当初工作的初心是什么,更忘不了如何跟随中核控制一路走来,以自己独有的方式实现着强核报国的夙愿。

八千里路云和月,追风赶月莫停留。NicSys®8000N平台是中核控制对DCS技术的深度理解和创新研发,也是中核控制积极响应“集团公司统一、先进、自主知识产权的DCS业务平台和产业能力”战略目标的具体实践。

未来,中核控制将紧扣集团公司“三位一体”奋斗目标和院“一体两翼三高”奋斗目标,继续在核仪控技术领域深耕,向着成为迈向智能时代的核仪控技术和产业引领者奋进,持续助力我国核仪控行业整体水平提升,为国家能源安全和可持续发展作出新的更大贡献。

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