★ 北京广利核系统工程有限公司 孙翔宇，贾虎军，朱剑

关键词：闭环；逻辑测试；核电；分布式控制系统；虚拟仿真模型

在国家能源战略转型和“双碳”目标的推动下，核能作为清洁低碳、安全高效的能源形式，在能源结构中的地位日益凸显。核电站数字化分布式控制系统（Distributed Control System， DCS）作为核电厂的核心控制设备，其研发质量直接关系到核电厂的安全稳定运行。在DCS的研发全生命周期中，测试环节是确保产品质量和实现工程应用成功的关键环节。然而，传统逻辑测试方法存在诸多局限性，亟需进行优化和创新。

传统逻辑测试方法存在以下主要问题：首先，测试周期冗长。从厂内测试到现场调试，整个过程通常需要耗时数月至数年，导致核电厂投入运营的时间成本居高不下[1] ；其次，测试内容重复。厂内测试与现场调试之间缺乏有效衔接，导致大量重复性工作，降低了测试效率[2] ；再次，测试环境复杂且费时费力。传统测试需要搭建实体DCS系统，涉及大量机柜和复杂布线，不仅占用空间，而且增加了测试环境的搭建难度和维护成本。更为关键的是，修复成本大[3]。传统开环测试方法无法在早期发现现场的系统缺陷， 一旦在后期现场调试中发现问题，往往需要投入大量的人力物力进行整改，造成巨大的成本浪费。

本研究的创新点在于将虚拟仿真技术与闭环逻辑测试相结合，构建了完整的虚拟测试环境，实现了逻辑测试的前移和闭环控制。这一方法的应用不仅能够显著提升核电站DCS系统的研发效率，而且为其他工业控制系统的测试方法优化提供了有益借鉴。

1   方案

针对上述问题，本研究提出了一种基于全虚拟仿真技术的闭环逻辑测试方法。该方法通过由软件实现的核电厂虚拟仿真工艺模型与虚拟DCS系统直接相连形成闭环，将现场调试过程前移至厂内，实现了逻辑测试的虚拟化、闭环化和智能化。如图1所示，虚拟DCS根据设定值对仿真工艺模型进行强制与监视，工艺仿真模型接收到虚拟DCS发送过来的强制信号之后进行运算处理并返回参数信号。

相较于传统逻辑测试方法，基于仿真核电厂工艺模型的闭环逻辑测试方法，首先，大幅缩短了测试周期。它通过虚拟仿真技术，将原本需要在现场完成的调试工作提前至厂内进行，减少了重复测试内容，提高了测试效率；其次，降低了测试环境搭建成本。它仅需几台主机即可完成环境搭建，无需实体DCS设备和复杂布线，显著降低了空间占用和布线需求。最后，节约了修复成本。它通过依据现场电站的工艺手册而非仅仅依据DCS本身需求进行测试并根据大纲提前开展验证，提高了发现缺陷的及时性，可以提早发现系统缺陷，降低了缺陷修复成本。

图1 闭环原理图

1.1   架构

为了实现闭环逻辑测试，本研究将整个闭环逻辑测试系统进行模块化设计， 分为三个模块（见图2） ，即虚拟安全级DCS（1E-DCS）、虚拟非安全级DCS （NC-DCS）以及仿真工艺模型。1E-DCS和NC-DCS分别用于实现核电厂中安全级与非安全级控制系统的虚拟化。虚拟DCS系统设计的核心功能涵盖五个方面，即控制逻辑模拟、显示操作模拟、数据采集与输出模拟、网络通信模拟以及组态配置模拟。仿真工艺模型系统是基于GENUS图形工程站开发的一种强大的仿真软件，其不仅为核电厂提供了100%FP的模拟运行状态，还可以为虚拟1E-DCS与NC-DCS提供数据交互。

图2 闭环逻辑测试总体架构

1.2   数据流向

为了实现三个模块之间的互联互通， 模块间的数据交互如图3所示，主要为3种数据流向：首先虚拟DCS发送控制信号至仿真工艺模型，以调节系统内的设备状态。这些控制信号包括阀门、执行机构、断路器等设备的运行指令和反馈状态，用于模拟设备在不同工况下的响应和行为；其次仿真工艺模型接收到控制信号后，向虚拟DCS发送核电厂模型的关键参数信号（例如压力、液位、流量等）以及仿真指令。这些信号反映了核电厂模型的实时工况，以供虚拟DCS进行监控和分析；最后虚拟DCS之间通过仿真工艺模型作为中转进行信号传递，如调屏信号等，确保各系统在统一数据接口下实现实时信息同步，保证系统间的数据流通和协同操作。

图3 虚拟DCS与仿真工艺模型数据交互图

1.3   详细架构

本研究基于模块化处理的思想， 构建了层次分明的系统架构。图4展示了详细的闭环逻辑测试系统架构图。为了有效减少布线需求及网络通信点的接口数量、提高闭环逻辑测试系统的简洁性和数据传输效率，各个模块内部均通过TCP/IP协议进行数据传输，进而统一模块之间的接口协议，实现整个闭环逻辑测试系统的数据交互。

仿真工艺模型模块则采用经典的客户端/服务器（C/S）架构。客户端提供核电厂的图形化界面，涵盖详细模型参数、电厂参数修改与监视以及系统查找与定位等功能；服务器端则负责基础仿真功能，包括数据库服务、初始工况管理、模型解析、实时执行系统以及通讯连接等。客户端依据用户分为操作员、开发者和教练员三种模式，不同模式可以赋予不同的操作权限。两个虚拟DCS模块分为L1和L2两层。 L2层由工程师站(ENG)、操作员站（OPS） 以及安全显示单元（SCID） 组成。其中OPS与SCID为操作员提供可视化界面，使其通过人机交互对电厂状况进行监控、处理与应对，操作员可以直接查看报警信息并采取相应措施，同时工程师可通过ENG向核电厂下发对应的组态。 L1层则是基于两个SIM软件以及服务器实现对仿真信号的IO信号采集与算法处理、控制算法处理、仿真命令处理以及故障处理等功能。两个SIM软件接收到仿真工艺模型模块通过TCP网络传出的参数信号后， HoLLiAs- Sim将参数信号依次传递至IO服务器、实时计算服务器，然后形成报警信息并对其处理与管理，随后处理结果传递至OPS，同时历史服务器周期性存取实时计算服务器的模拟量、开关量的值及质量位；Firm-Sim则充当调度器、MCS执行器、网关执行器和数据管理器的集合体，直接将参数信号通过TCP网络传递至L2层。

图4 闭环逻辑测试详细架构

2   测试与验证

我们将闭环逻辑测试放于三澳核电站3、4号机组项目进行验证，验证系统为RCP（REACTOR COOLANT PUMP）系统的安全级设备，总计30个，设备名称如表1所示。我们将现场调试的逻辑通道试验调试程序、逻辑控制图以及定值手册作为输入。图5展示了闭环逻辑测试的启动流程图，从启动到测试执行整个流程约为5分钟， 启动过程中各个服务器均可同时启动， 大大节约了环境准备时间。测试结果如表2所示，共计发现缺陷4个，均为逻辑缺陷。

表1 RCP系统测试设备清单

表2 缺陷列表

图5 闭环逻辑测试启动流程图

3   展望

本研究方法将现场调试阶段工作迁移至厂内完成，有效缩短了测试周期，增加了电厂效益，同时其通过全虚拟逻辑测试方式大大降低了测试环境搭建难度，缩小了测试环境规模。在针对RCP系统的安全级设备测试中，应用结果证明，本测试方法可以发现逻辑错误，但是目前仍存在局限性：（1） 目前仅针对三澳项目，尚未在其他核电站项目或者工业控制系统中进行广泛验证；（2）当前测试主要集中在RCP系统的安全级设备，后续可扩展至整个核电站的所有系统的安全级与非安全级设备。未来的研究方向将包括进一步验证该方法在更多项目中的适用性，以及扩展测试对象，以全面评估其在不同场景下的有效性和可靠性。

作者简介：

孙翔宇（1994-），男，福建 人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核安全级仪控系统的系统测试工作。

参考文献：

[1] 严敏, 阮玖圣. 可移动式核电厂数字化仪控系统闭环测试装置的研究与设计[J]. 工业控制计算机, 2016, (8) : 50 - 1.

[2] 李明钢, 王嫘. 大亚湾核电站DCS改造全范围闭环测试系统研制与应用[J]. 核动力工程, 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《自动化博览》2026年4月刊