★ 北京廣利核系統工程有限公司 孫翔宇，賈虎軍，朱劍

關鍵詞：閉環；邏輯測試；核電；分布式控制系統；虛擬仿真模型

在國家能源戰略轉型和“雙碳”目標的推動下，核能作為清潔低碳、安全高效的能源形式，在能源結構中的地位日益凸顯。核電站數字化分布式控制系統（Distributed Control System， DCS）作為核電廠的核心控制設備，其研發質量直接關系到核電廠的安全穩定運行。在DCS的研發全生命周期中，測試環節是確保產品質量和實現工程應用成功的關鍵環節。然而，傳統邏輯測試方法存在諸多局限性，亟需進行優化和創新。

傳統邏輯測試方法存在以下主要問題：首先，測試周期冗長。從廠內測試到現場調試，整個過程通常需要耗時數月至數年，導致核電廠投入運營的時間成本居高不下[1] ；其次，測試內容重復。廠內測試與現場調試之間缺乏有效銜接，導致大量重復性工作，降低了測試效率[2] ；再次，測試環境復雜且費時費力。傳統測試需要搭建實體DCS系統，涉及大量機柜和復雜布線，不僅占用空間，而且增加了測試環境的搭建難度和維護成本。更為關鍵的是，修復成本大[3]。傳統開環測試方法無法在早期發現現場的系統缺陷， 一旦在后期現場調試中發現問題，往往需要投入大量的人力物力進行整改，造成巨大的成本浪費。

本研究的創新點在于將虛擬仿真技術與閉環邏輯測試相結合，構建了完整的虛擬測試環境，實現了邏輯測試的前移和閉環控制。這一方法的應用不僅能夠顯著提升核電站DCS系統的研發效率，而且為其他工業控制系統的測試方法優化提供了有益借鑒。

1   方案

針對上述問題，本研究提出了一種基于全虛擬仿真技術的閉環邏輯測試方法。該方法通過由軟件實現的核電廠虛擬仿真工藝模型與虛擬DCS系統直接相連形成閉環，將現場調試過程前移至廠內，實現了邏輯測試的虛擬化、閉環化和智能化。如圖1所示，虛擬DCS根據設定值對仿真工藝模型進行強制與監視，工藝仿真模型接收到虛擬DCS發送過來的強制信號之后進行運算處理并返回參數信號。

相較于傳統邏輯測試方法，基于仿真核電廠工藝模型的閉環邏輯測試方法，首先，大幅縮短了測試周期。它通過虛擬仿真技術，將原本需要在現場完成的調試工作提前至廠內進行，減少了重復測試內容，提高了測試效率；其次，降低了測試環境搭建成本。它僅需幾臺主機即可完成環境搭建，無需實體DCS設備和復雜布線，顯著降低了空間占用和布線需求。最后，節約了修復成本。它通過依據現場電站的工藝手冊而非僅僅依據DCS本身需求進行測試并根據大綱提前開展驗證，提高了發現缺陷的及時性，可以提早發現系統缺陷，降低了缺陷修復成本。

圖1 閉環原理圖

1.1   架構

為了實現閉環邏輯測試，本研究將整個閉環邏輯測試系統進行模塊化設計， 分為三個模塊（見圖2） ，即虛擬安全級DCS（1E-DCS）、虛擬非安全級DCS （NC-DCS）以及仿真工藝模型。1E-DCS和NC-DCS分別用于實現核電廠中安全級與非安全級控制系統的虛擬化。虛擬DCS系統設計的核心功能涵蓋五個方面，即控制邏輯模擬、顯示操作模擬、數據采集與輸出模擬、網絡通信模擬以及組態配置模擬。仿真工藝模型系統是基于GENUS圖形工程站開發的一種強大的仿真軟件，其不僅為核電廠提供了100%FP的模擬運行狀態，還可以為虛擬1E-DCS與NC-DCS提供數據交互。

圖2 閉環邏輯測試總體架構

1.2   數據流向

為了實現三個模塊之間的互聯互通， 模塊間的數據交互如圖3所示，主要為3種數據流向：首先虛擬DCS發送控制信號至仿真工藝模型，以調節系統內的設備狀態。這些控制信號包括閥門、執行機構、斷路器等設備的運行指令和反饋狀態，用于模擬設備在不同工況下的響應和行為；其次仿真工藝模型接收到控制信號后，向虛擬DCS發送核電廠模型的關鍵參數信號（例如壓力、液位、流量等）以及仿真指令。這些信號反映了核電廠模型的實時工況，以供虛擬DCS進行監控和分析；最后虛擬DCS之間通過仿真工藝模型作為中轉進行信號傳遞，如調屏信號等，確保各系統在統一數據接口下實現實時信息同步，保證系統間的數據流通和協同操作。

圖3 虛擬DCS與仿真工藝模型數據交互圖

1.3   詳細架構

本研究基于模塊化處理的思想， 構建了層次分明的系統架構。圖4展示了詳細的閉環邏輯測試系統架構圖。為了有效減少布線需求及網絡通信點的接口數量、提高閉環邏輯測試系統的簡潔性和數據傳輸效率，各個模塊內部均通過TCP/IP協議進行數據傳輸，進而統一模塊之間的接口協議，實現整個閉環邏輯測試系統的數據交互。

仿真工藝模型模塊則采用經典的客戶端/服務器（C/S）架構。客戶端提供核電廠的圖形化界面，涵蓋詳細模型參數、電廠參數修改與監視以及系統查找與定位等功能；服務器端則負責基礎仿真功能，包括數據庫服務、初始工況管理、模型解析、實時執行系統以及通訊連接等。客戶端依據用戶分為操作員、開發者和教練員三種模式，不同模式可以賦予不同的操作權限。兩個虛擬DCS模塊分為L1和L2兩層。 L2層由工程師站(ENG)、操作員站（OPS） 以及安全顯示單元（SCID） 組成。其中OPS與SCID為操作員提供可視化界面，使其通過人機交互對電廠狀況進行監控、處理與應對，操作員可以直接查看報警信息并采取相應措施，同時工程師可通過ENG向核電廠下發對應的組態。 L1層則是基于兩個SIM軟件以及服務器實現對仿真信號的IO信號采集與算法處理、控制算法處理、仿真命令處理以及故障處理等功能。兩個SIM軟件接收到仿真工藝模型模塊通過TCP網絡傳出的參數信號后， HoLLiAs- Sim將參數信號依次傳遞至IO服務器、實時計算服務器，然后形成報警信息并對其處理與管理，隨后處理結果傳遞至OPS，同時歷史服務器周期性存取實時計算服務器的模擬量、開關量的值及質量位；Firm-Sim則充當調度器、MCS執行器、網關執行器和數據管理器的集合體，直接將參數信號通過TCP網絡傳遞至L2層。

圖4 閉環邏輯測試詳細架構

2   測試與驗證

我們將閉環邏輯測試放于三澳核電站3、4號機組項目進行驗證，驗證系統為RCP（REACTOR COOLANT PUMP）系統的安全級設備，總計30個，設備名稱如表1所示。我們將現場調試的邏輯通道試驗調試程序、邏輯控制圖以及定值手冊作為輸入。圖5展示了閉環邏輯測試的啟動流程圖，從啟動到測試執行整個流程約為5分鐘， 啟動過程中各個服務器均可同時啟動， 大大節約了環境準備時間。測試結果如表2所示，共計發現缺陷4個，均為邏輯缺陷。

表1 RCP系統測試設備清單

表2 缺陷列表

圖5 閉環邏輯測試啟動流程圖

3   展望

本研究方法將現場調試階段工作遷移至廠內完成，有效縮短了測試周期，增加了電廠效益，同時其通過全虛擬邏輯測試方式大大降低了測試環境搭建難度，縮小了測試環境規模。在針對RCP系統的安全級設備測試中，應用結果證明，本測試方法可以發現邏輯錯誤，但是目前仍存在局限性：（1） 目前僅針對三澳項目，尚未在其他核電站項目或者工業控制系統中進行廣泛驗證；（2）當前測試主要集中在RCP系統的安全級設備，后續可擴展至整個核電站的所有系統的安全級與非安全級設備。未來的研究方向將包括進一步驗證該方法在更多項目中的適用性，以及擴展測試對象，以全面評估其在不同場景下的有效性和可靠性。

作者簡介：

孫翔宇（1994-），男，福建 人，工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核安全級儀控系統的系統測試工作。

參考文獻：

[1] 嚴敏, 阮玖圣. 可移動式核電廠數字化儀控系統閉環測試裝置的研究與設計[J]. 工業控制計算機, 2016, (8) : 50 - 1.

[2] 李明鋼, 王嫘. 大亞灣核電站DCS改造全范圍閉環測試系統研制與應用[J]. 核動力工程, 2024, 45 (6) : 172.

[3] HOU D, LIN M, XU Z, et al. Development and application of an extensible engineering simulator for NPP DCS closed-loop test[J]. Annals of Nuclear Energy, 2011, 38 (1) : 49 - 55.

摘自《自動化博覽》2026年4月刊