★ 北京广利核系统工程有限公司 赵小鹏，武方杰

关键词：核电DCS；逻辑组态；自动测试；仿真技术；虚拟验证

1   引言

由于核电厂DCS系统的功能多样性和结构复杂性，如何证明DCS系统的正确性、可靠性及运行问题定位的准确性、有效性是国内外业界共同的难题， DCS逻辑组态的验证便是其中难题之一。对于DCS逻辑组态验证方式的选择，需要结合测试的目的及需求来选择合适的方式，目前业界一般通过仿真模拟（Simulation）、虚拟（Emulation）及实物模拟（Stimulation）三种方法验证DCS逻辑组态[1,2]。

从DCS工程实现的角度， 面对DCS出厂测试、现场调试及运行维护的需求，实际DCS工程开展过程中主要采用“实物模拟验证”的验证方式。对于设备生产商，通常先在工程供货机基础上开展实物仿真，完成设备的工厂测试（FT）及工厂接受测试（FAT）， 达到出厂质量要求。设备出厂后，面临现场调试及运维改造验证需求，通过在工厂内搭建验证环境，可对DCS逻辑组态进行改造方案验证及问题复现。然而，在工程不断增长的过程中，无法不计成本地投入人力、设备，搭建与现场一致的实物模拟验证环境。另外，传统DCS逻辑组态验证因厂内条件限制，主要采用在控制机柜中信号短接或者信号发生器产生输入开展测试。该测试方式通过手动产生测试信号， 易引入人因错误， 并且难以准确反映DCS与现场工艺连接的整体状态。某些系统设计错误以及与现场设备的匹配问题只能在现场调试期间发现， 问题解决难度大、风险高， 有必要对面向现场调试的DCS逻辑组态测试系统进行研究。

结合数字化及仿真技术发展， “虚拟验证”技术越来越被同行业专家及运营者所接受，采用虚拟仿真技术开展DCS验证的研究及工作日益增多[2~4]。上海交通大学开发了验证模拟机对DCS单个功能进行验证，并结合岭澳一期核电站原始试验报告工况信息对模拟机进行了模型验证，得到了基本一致的验证结论。中核武汉核电运行技术股份有限公司，针对核电DCS设计验证，利用仿真技术模拟电厂工艺系统， 设计了验证平台，以验证规程及DCS主控室人机界面。但目前虚拟验证主要关注于设计阶段的模型及规程验证，结合现场工艺系统的DCS逻辑组态自动验证研究较少，而该方式对工程项目现场调试问题发现及在役DCS改造验证是亟需研究的方向[5,6]。

综上，针对以上DCS应用及验证中的问题，本研究提出基于仿真环境的DCS逻辑组态自动测试系统研究。以非安全级DCS为验证对象，研究和建立一套包含现场典型工艺系统的仿真验证环境， 并结合现场调试程序研究给出基于仿真的核电DCS逻辑组态自动测试方法。最后，针对反应堆冷却剂系统（RCP）设备级自动测试，验证了所构建系统的有效性。

2   基于仿真的DCS逻辑组态自动测试系统和描述

2.1   系统原理

基于仿真的DCS逻辑组态自动测试系统由一系列子系统构成， 包括： 虚拟DCS、自动测试系统、工艺仿真系统3大组成部分。其中，虚拟DCS包括非安全级（NC）虚拟DCS和安全级（1E）虚拟DCS。通过开展自动测试工具接口技术研究，形成虚拟DCS与工艺仿真模型相结合的DCS逻辑组态自动测试系统，从而提供可以开展DCS逻辑组态自动测试的全范围仿真环境。基于仿真的DCS逻辑组态自动测试系统的组成原理，如图1所示。

图1 基于仿真的DCS逻辑组态自动测试系统原理图

根据图1所示，各子系统之间均存在数据连接，包括虚拟DCS和工艺仿真系统的连接、自动测试系统与虚拟DCS的连接、自动测试系统与工艺仿真系统的连接。

2.2   虚拟DCS和工艺仿真系统的连接

二者之间可独立构成一套完整的电站仿真系统，二者之间可以交换虚拟DCS系统与电站工艺仿真系统的过程控制信号，包括但不限于温度、压力、流量、液位等工艺过程参数，阀门、执行机构、断路器等设备运行指令和状态。

2.3    自动测试系统与虚拟DCS的连接

自动测试系统与虚拟DCS之间通过通信网络连接，其中：

（1）自动测试系统NC虚拟DCS之间通过维护网络（M-NET）通信协议数据连接，实现自动测试系统对NC系统变量的强制和监视功能。

（2）本项目测试对象为NC虚拟DCS，不需要建立自动测试系统与1E虚拟DCS之间的数据连接。

2.4    自动测试系统与工艺仿真系统的连接

本架构提出一种自动测试系统与工艺仿真系统间接连接方式，通过自动测试系统-NC虚拟DCS-工艺仿真系统实现，用以交换虚拟DCS系统与电站仿真系统的过程控制信号。

作为被测对象，当前NC虚拟DCS逻辑组态产品已比较成熟，1E级虚拟DCS承担陪测系统功能。因此，基于仿真的DCS逻辑组态自动测试系统实现，需要关注的技术难点包括：

（1）结合现场工艺的核电DCS逻辑组态测试设计。

（2）支持核电DCS逻辑组态自动测试的测试装置及工艺仿真环境实现。

3   基于仿真的DCS逻辑组态自动测试系统研究

3.1   结合现场工艺的核电DCS逻辑组态测试设计

组成一座核电站的工艺系统近300个，这些工艺系统可以划分为核岛（NI）系统、常规岛（CI）系统、辅助系统（BOP）和电气等系统。其中，核岛系统负责核燃料裂变控制，安全要求最高，主要系统包括反应堆冷却剂系统（RCP）及应急给水系统（ASG）等。常规岛系统利用核岛产生的蒸汽驱动汽轮机发电机组发电，主要系统包括给水泵系统（APA），及低压给水加热器系统（ABP）等。辅助系统为核岛和常规岛提供支持，保障核电机组正常运行，主要系统有辅助蒸汽生产系统（XCA）及辅助蒸汽分配系统（SVA）等。

3.1.1   现场调试分析

现场机组投入运行前要经过系统、严谨的现场调试，调试过程遵循由简到繁、由设备到系统、由系统到机组的原则，整个调试过程可分为冷态功能试验（CFAT）、热态功能试验（HFAT）、首次装料及机组启动试验，从现场调试程序对象分级的角度，可以依据设备、系统及机组划分三个调试阶段（见表1）。

表1

在试验准备阶段会对被调系统进行初步试验以初步确认基本安装及功能，并开展电机、机械、系统冲洗、特殊设备、密封性及阀门试验检查设备基本功能，其中逻辑控制通道试验（TP09）主要对设备相关控制逻辑、报警功能进行试验，是在核电DCS与现场工艺连接后逻辑组态的整体测试，该部分内容在常规工厂测试中按照控制逻辑图进行测试，应作为仿真环境测试程序重点考虑环节。

冷态及热态功能试验阶段，包括系统部分启动试验以及系统功能试验。其中，系统部分启动试验在系统充水但一般未达到正常运行工况的情况下进行，在流体环境下验证系统配电、关键设备（如泵、风机、阀门等）及运行配套系统功能正常，与DCS仪控系统关联较少。系统功能试验验证正常工况下单系统的运行控制功能，包括模拟量控制系统调节特性及逻辑量控制系统的连锁、控制及报警功能，是仿真环境测试程序重点考虑环节。

首次装料及机组启动试验阶段，主要开展瞬态工况下多系统、伪系统及整个机组的功能试验，验证瞬态工况下控制系统将机组主要参数调整到正常运行区域的能力，包括负荷线性变化瞬态试验、负荷阶跃变化瞬态试验及甩厂用电瞬态试验等，也是仿真环境测试程序需要设计的环节。

3.1.2   结合现场工艺的核电DCS逻辑组态测试策略

依据核电厂系统设计及安全运行要求，并结合被测DCS对象相应工艺系统确定系统功能及验证所需工况条件；同时，结合系统调试大纲，形成适用于核电DCS逻辑组态的测试方法；基于现场工艺系统的调试程序分析，进一步编写用于DCS逻辑组态的测试用例。进而，在测试执行的基础上，得到结合现场工艺的核电DCS逻辑组态测试报告。整体的测试策略如图2所示。

图2 结合现场工艺的核电DCS逻辑组态测试策略示意图

参考现场调试过程和方法，根据被测对象层级的不同将测试划分为3个阶段：设备级测试、系统级测试（单系统）、机组级测试（多系统或整体实验）。

（1）设备级测试

设备级测试是指基于全范围仿真环境DCS软件组态诊断系统，测试DCS相关的设备传动功能和逻辑功能是否正常。可分为设备操作测试（传动功能）和逻辑功能测试。

（2）系统级测试

在单个设备的控制功能测试完成后，进行单系统的功能测试，确认该系统的逻辑功能满足现场工艺要求。系统级测试按照控制信号类型可分为模拟量控制回路（有模拟量参与的控制回路）与逻辑量控制回路（参与控制的信号全部为逻辑量）。

（3）机组级测试

在确认单个系统的功能正常后，进行对系统联动测试，确认整个DCS系统功能满足现场运行要求。如系统瞬态功能验证测试，验证DCS系统在瞬态工况下将机组运行主要参数控制在正常运行区间的能力。测试人员在二层控制画面执行相关操作，触发目标工况，在趋势画面中建立实时趋势画面，对机组主要控制参数进行监视，验证DCS控制系统在瞬态工况下的动作响应是否满足核电站运行要求。

3.2   基于仿真的DCS逻辑组态自动测试环境设计

结合系统原理及测试设计，需要对支持核电DCS逻辑组态自动测试装置及工艺仿真环境开展实现技术研究。本研究中，虚拟DCS包括基于SH-N Sim的非安全级虚拟DCS（NC Sim）和基于FirmSim的安全级虚拟DCS（1E Sim），用以满足DCS的逻辑组态测试要求。SH-N Sim为系统测试对象，由服务器站、模型网关、工程师站及操作员站组成，为自动测试系统提供维护网（MNET）接口，为工艺模型系统提供IO信号和控制指令的接口；FirmSim为陪测系统，由安全级DCS仿真服务器、SCID模拟器及终端、工程师站工具构成。基于仿真的DCS逻辑组态自动测试环境架构示意图如图3所示。

图3 基于全范围仿真环境的DCS软件组态诊断测试系统架构示意图

3.2.1    自动测试系统

自动测试系统，需要实现非安全级维护网(M-NET)-服务器-系统网(S-NET)-NC虚拟控制站的路径通讯，并提供开展自动测试的能力。因此，系统需要包括测试通讯、测试操作及测试数据处理三大组件。相应环境硬件配置，由服务器和测试员站构成。自动测试系统组成示意图如图4所示。

图4  自动测试系统组成示意图

其中，服务器运行I/O管理服务、测试通讯服务、数据服务和模型网关服务。测试员站，为测试员提供测试界面和测试应用程序。

3.2.2   工艺仿真系统

支持DCS逻辑组态的工艺仿真环境需保持各项机组整体功能的完整性，涵盖核电厂一、二回路主要工艺系统、电气系统、第三方辅助仪控系统。支持核电机组的负荷上下行操作和机组瞬态过程的连续模拟，因此需要结合重点研究的工艺系统做模型升级调试。

工艺仿真系统硬件由1台高性能服务器、1个交换机、1台软盘台操作站和1台开发工程师站组成。图5为本研究工艺仿真系统设备组成示意图。

图5 工艺仿真系统组成示意图

4   基于仿真的DCS逻辑组态自动测试系统实现及应用

基于某基地核电堆型现场DCS过程基线版本，开发实现DCS逻辑组态自动测试的仿真测试系统，该系统交互界面如图6所示。

（1）

（2）

（3）

图6 基于仿真的DCS逻辑组态自动测试系统交互界面

其中，图6（1）为虚拟DCS二层主控室系统导览界面，通过该界面可快速切换至需控制系统，并可以对相应系统参数进行监视及报警查看。图6（2）为仿真工艺模型系统界面，支持核电机组工况加载和机组瞬态过程的连续模拟，实现机组整体功能同时可开展局部故障插入试验。图6（3）为自动测试系统执行界面，通过测试用例的选择及导入，开展对所关心测试对象的测试验证。

本研究以反应堆冷却剂系统（RCP）设备级自动测试为例，对研发DCS逻辑组态自动测试系统进行应用验证。所选设备为RCP6120VP-2号环路喷淋阀，相应逻辑组态涉及输入信号33个，输出信号19个，测试用例总24步。6120VP设备所在RCP系统位置及其相关DCS逻辑组态自动测试真值表局部示意如图7所示。

（1）

（2）

图7 RCP设备级DCS逻辑组态自动测试真值表局部示意图

其中，图7（1）显示该设备对象在RCP系统中为稳压器喷淋阀，图7（2）中输入信号状态组合是输出信号状态的判断依据。显示加载工况，执行6120VP的自动测试用例，当用例执行到第22步骤时，用例测试结果显示不通过，6120KS（2号喷淋阀正常）状态应为T，实际为F。经排查， 原因为逻辑组态与设计输入控制逻辑图（CLD）不一致，导致设备状态值不正确。向上反馈工程研发修订逻辑组态后，复测验证通过。

5   结论与展望

结合核电现场调试DCS逻辑组态验证需求，本文立足仿真验证技术应用潜力，结合现场调试输入信息，给出了基于仿真的核电DCS逻辑组态自动测试系统架构及设计实现策略。从现场调试程序对象分级的角度， 具体分析了设备、系统及机组三个层级对应调试阶段的调试内容及目的，给出了不同层级对于DCS逻辑组态测试应重点关注的环节。根据测试系统组成部分的成熟度，详细给出了支持核电DCS逻辑组态自动测试测的测试装置及工艺仿真环境的实现方式。实现了基于仿真的核电DCS逻辑组态自动测试系统的研发，并以RCP设备级自动测试为例，验证了所构建系统的有效性。

通过逻辑组态自动测试系统及测试方法的研究及应用，可结合现场调试工作在虚拟环境中对DCS逻辑组态进行验证，并可同步实现对相应调试程序的预验证，有利于提前发现工艺系统实际运行可能发生的问题，从而减少现场调试阶段的DCS缺陷，降低DCS缺陷带来的安全风险，缩短现场调试周期。

另外，对于DCS工厂测试和出厂验收测试，本研究可增加测试方法的多样性和覆盖度，提升DCS设计和制造的质量工厂测试环境的全面性，提高DCS产品出厂质量。与此同时，该系统还可以用于运行维护阶段，为核电数字化改造工期紧、难度大、风险高等难题提供测试环境解决途径。

作者简介：

赵小鹏（1986-），男，河北蔚县人，高级工程师，博士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事智能运维及核电DCS测试与验证方向的研究。

参考文献：

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[4] 王江, 姜夏岚, 刘泰丽. 仿真技术在国产三代核电控制系统验证的应用. 机电产品开发与创新. 2022.35 (1) :102 - 103.

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摘自《自动化博览》2026年7月刊