★ 北京廣利核系統工程有限公司 趙小鵬，武方杰

關鍵詞：核電DCS；邏輯組態；自動測試；仿真技術；虛擬驗證

1   引言

由于核電廠DCS系統的功能多樣性和結構復雜性，如何證明DCS系統的正確性、可靠性及運行問題定位的準確性、有效性是國內外業界共同的難題， DCS邏輯組態的驗證便是其中難題之一。對于DCS邏輯組態驗證方式的選擇，需要結合測試的目的及需求來選擇合適的方式，目前業界一般通過仿真模擬（Simulation）、虛擬（Emulation）及實物模擬（Stimulation）三種方法驗證DCS邏輯組態[1,2]。

從DCS工程實現的角度， 面對DCS出廠測試、現場調試及運行維護的需求，實際DCS工程開展過程中主要采用“實物模擬驗證”的驗證方式。對于設備生產商，通常先在工程供貨機基礎上開展實物仿真，完成設備的工廠測試（FT）及工廠接受測試（FAT）， 達到出廠質量要求。設備出廠后，面臨現場調試及運維改造驗證需求，通過在工廠內搭建驗證環境，可對DCS邏輯組態進行改造方案驗證及問題復現。然而，在工程不斷增長的過程中，無法不計成本地投入人力、設備，搭建與現場一致的實物模擬驗證環境。另外，傳統DCS邏輯組態驗證因廠內條件限制，主要采用在控制機柜中信號短接或者信號發生器產生輸入開展測試。該測試方式通過手動產生測試信號， 易引入人因錯誤， 并且難以準確反映DCS與現場工藝連接的整體狀態。某些系統設計錯誤以及與現場設備的匹配問題只能在現場調試期間發現， 問題解決難度大、風險高， 有必要對面向現場調試的DCS邏輯組態測試系統進行研究。

結合數字化及仿真技術發展， “虛擬驗證”技術越來越被同行業專家及運營者所接受，采用虛擬仿真技術開展DCS驗證的研究及工作日益增多[2~4]。上海交通大學開發了驗證模擬機對DCS單個功能進行驗證，并結合嶺澳一期核電站原始試驗報告工況信息對模擬機進行了模型驗證，得到了基本一致的驗證結論。中核武漢核電運行技術股份有限公司，針對核電DCS設計驗證，利用仿真技術模擬電廠工藝系統， 設計了驗證平臺，以驗證規程及DCS主控室人機界面。但目前虛擬驗證主要關注于設計階段的模型及規程驗證，結合現場工藝系統的DCS邏輯組態自動驗證研究較少，而該方式對工程項目現場調試問題發現及在役DCS改造驗證是亟需研究的方向[5,6]。

綜上，針對以上DCS應用及驗證中的問題，本研究提出基于仿真環境的DCS邏輯組態自動測試系統研究。以非安全級DCS為驗證對象，研究和建立一套包含現場典型工藝系統的仿真驗證環境， 并結合現場調試程序研究給出基于仿真的核電DCS邏輯組態自動測試方法。最后，針對反應堆冷卻劑系統（RCP）設備級自動測試，驗證了所構建系統的有效性。

2   基于仿真的DCS邏輯組態自動測試系統和描述

2.1   系統原理

基于仿真的DCS邏輯組態自動測試系統由一系列子系統構成， 包括： 虛擬DCS、自動測試系統、工藝仿真系統3大組成部分。其中，虛擬DCS包括非安全級（NC）虛擬DCS和安全級（1E）虛擬DCS。通過開展自動測試工具接口技術研究，形成虛擬DCS與工藝仿真模型相結合的DCS邏輯組態自動測試系統，從而提供可以開展DCS邏輯組態自動測試的全范圍仿真環境。基于仿真的DCS邏輯組態自動測試系統的組成原理，如圖1所示。

圖1 基于仿真的DCS邏輯組態自動測試系統原理圖

根據圖1所示，各子系統之間均存在數據連接，包括虛擬DCS和工藝仿真系統的連接、自動測試系統與虛擬DCS的連接、自動測試系統與工藝仿真系統的連接。

2.2   虛擬DCS和工藝仿真系統的連接

二者之間可獨立構成一套完整的電站仿真系統，二者之間可以交換虛擬DCS系統與電站工藝仿真系統的過程控制信號，包括但不限于溫度、壓力、流量、液位等工藝過程參數，閥門、執行機構、斷路器等設備運行指令和狀態。

2.3    自動測試系統與虛擬DCS的連接

自動測試系統與虛擬DCS之間通過通信網絡連接，其中：

（1）自動測試系統NC虛擬DCS之間通過維護網絡（M-NET）通信協議數據連接，實現自動測試系統對NC系統變量的強制和監視功能。

（2）本項目測試對象為NC虛擬DCS，不需要建立自動測試系統與1E虛擬DCS之間的數據連接。

2.4    自動測試系統與工藝仿真系統的連接

本架構提出一種自動測試系統與工藝仿真系統間接連接方式，通過自動測試系統-NC虛擬DCS-工藝仿真系統實現，用以交換虛擬DCS系統與電站仿真系統的過程控制信號。

作為被測對象，當前NC虛擬DCS邏輯組態產品已比較成熟，1E級虛擬DCS承擔陪測系統功能。因此，基于仿真的DCS邏輯組態自動測試系統實現，需要關注的技術難點包括：

（1）結合現場工藝的核電DCS邏輯組態測試設計。

（2）支持核電DCS邏輯組態自動測試的測試裝置及工藝仿真環境實現。

3   基于仿真的DCS邏輯組態自動測試系統研究

3.1   結合現場工藝的核電DCS邏輯組態測試設計

組成一座核電站的工藝系統近300個，這些工藝系統可以劃分為核島（NI）系統、常規島（CI）系統、輔助系統（BOP）和電氣等系統。其中，核島系統負責核燃料裂變控制，安全要求最高，主要系統包括反應堆冷卻劑系統（RCP）及應急給水系統（ASG）等。常規島系統利用核島產生的蒸汽驅動汽輪機發電機組發電，主要系統包括給水泵系統（APA），及低壓給水加熱器系統（ABP）等。輔助系統為核島和常規島提供支持，保障核電機組正常運行，主要系統有輔助蒸汽生產系統（XCA）及輔助蒸汽分配系統（SVA）等。

3.1.1   現場調試分析

現場機組投入運行前要經過系統、嚴謹的現場調試，調試過程遵循由簡到繁、由設備到系統、由系統到機組的原則，整個調試過程可分為冷態功能試驗（CFAT）、熱態功能試驗（HFAT）、首次裝料及機組啟動試驗，從現場調試程序對象分級的角度，可以依據設備、系統及機組劃分三個調試階段（見表1）。

表1

在試驗準備階段會對被調系統進行初步試驗以初步確認基本安裝及功能，并開展電機、機械、系統沖洗、特殊設備、密封性及閥門試驗檢查設備基本功能，其中邏輯控制通道試驗（TP09）主要對設備相關控制邏輯、報警功能進行試驗，是在核電DCS與現場工藝連接后邏輯組態的整體測試，該部分內容在常規工廠測試中按照控制邏輯圖進行測試，應作為仿真環境測試程序重點考慮環節。

冷態及熱態功能試驗階段，包括系統部分啟動試驗以及系統功能試驗。其中，系統部分啟動試驗在系統充水但一般未達到正常運行工況的情況下進行，在流體環境下驗證系統配電、關鍵設備（如泵、風機、閥門等）及運行配套系統功能正常，與DCS儀控系統關聯較少。系統功能試驗驗證正常工況下單系統的運行控制功能，包括模擬量控制系統調節特性及邏輯量控制系統的連鎖、控制及報警功能，是仿真環境測試程序重點考慮環節。

首次裝料及機組啟動試驗階段，主要開展瞬態工況下多系統、偽系統及整個機組的功能試驗，驗證瞬態工況下控制系統將機組主要參數調整到正常運行區域的能力，包括負荷線性變化瞬態試驗、負荷階躍變化瞬態試驗及甩廠用電瞬態試驗等，也是仿真環境測試程序需要設計的環節。

3.1.2   結合現場工藝的核電DCS邏輯組態測試策略

依據核電廠系統設計及安全運行要求，并結合被測DCS對象相應工藝系統確定系統功能及驗證所需工況條件；同時，結合系統調試大綱，形成適用于核電DCS邏輯組態的測試方法；基于現場工藝系統的調試程序分析，進一步編寫用于DCS邏輯組態的測試用例。進而，在測試執行的基礎上，得到結合現場工藝的核電DCS邏輯組態測試報告。整體的測試策略如圖2所示。

圖2 結合現場工藝的核電DCS邏輯組態測試策略示意圖

參考現場調試過程和方法，根據被測對象層級的不同將測試劃分為3個階段：設備級測試、系統級測試（單系統）、機組級測試（多系統或整體實驗）。

（1）設備級測試

設備級測試是指基于全范圍仿真環境DCS軟件組態診斷系統，測試DCS相關的設備傳動功能和邏輯功能是否正常。可分為設備操作測試（傳動功能）和邏輯功能測試。

（2）系統級測試

在單個設備的控制功能測試完成后，進行單系統的功能測試，確認該系統的邏輯功能滿足現場工藝要求。系統級測試按照控制信號類型可分為模擬量控制回路（有模擬量參與的控制回路）與邏輯量控制回路（參與控制的信號全部為邏輯量）。

（3）機組級測試

在確認單個系統的功能正常后，進行對系統聯動測試，確認整個DCS系統功能滿足現場運行要求。如系統瞬態功能驗證測試，驗證DCS系統在瞬態工況下將機組運行主要參數控制在正常運行區間的能力。測試人員在二層控制畫面執行相關操作，觸發目標工況，在趨勢畫面中建立實時趨勢畫面，對機組主要控制參數進行監視，驗證DCS控制系統在瞬態工況下的動作響應是否滿足核電站運行要求。

3.2   基于仿真的DCS邏輯組態自動測試環境設計

結合系統原理及測試設計，需要對支持核電DCS邏輯組態自動測試裝置及工藝仿真環境開展實現技術研究。本研究中，虛擬DCS包括基于SH-N Sim的非安全級虛擬DCS（NC Sim）和基于FirmSim的安全級虛擬DCS（1E Sim），用以滿足DCS的邏輯組態測試要求。SH-N Sim為系統測試對象，由服務器站、模型網關、工程師站及操作員站組成，為自動測試系統提供維護網（MNET）接口，為工藝模型系統提供IO信號和控制指令的接口；FirmSim為陪測系統，由安全級DCS仿真服務器、SCID模擬器及終端、工程師站工具構成。基于仿真的DCS邏輯組態自動測試環境架構示意圖如圖3所示。

圖3 基于全范圍仿真環境的DCS軟件組態診斷測試系統架構示意圖

3.2.1    自動測試系統

自動測試系統，需要實現非安全級維護網(M-NET)-服務器-系統網(S-NET)-NC虛擬控制站的路徑通訊，并提供開展自動測試的能力。因此，系統需要包括測試通訊、測試操作及測試數據處理三大組件。相應環境硬件配置，由服務器和測試員站構成。自動測試系統組成示意圖如圖4所示。

圖4  自動測試系統組成示意圖

其中，服務器運行I/O管理服務、測試通訊服務、數據服務和模型網關服務。測試員站，為測試員提供測試界面和測試應用程序。

3.2.2   工藝仿真系統

支持DCS邏輯組態的工藝仿真環境需保持各項機組整體功能的完整性，涵蓋核電廠一、二回路主要工藝系統、電氣系統、第三方輔助儀控系統。支持核電機組的負荷上下行操作和機組瞬態過程的連續模擬，因此需要結合重點研究的工藝系統做模型升級調試。

工藝仿真系統硬件由1臺高性能服務器、1個交換機、1臺軟盤臺操作站和1臺開發工程師站組成。圖5為本研究工藝仿真系統設備組成示意圖。

圖5 工藝仿真系統組成示意圖

4   基于仿真的DCS邏輯組態自動測試系統實現及應用

基于某基地核電堆型現場DCS過程基線版本，開發實現DCS邏輯組態自動測試的仿真測試系統，該系統交互界面如圖6所示。

（1）

（2）

（3）

圖6 基于仿真的DCS邏輯組態自動測試系統交互界面

其中，圖6（1）為虛擬DCS二層主控室系統導覽界面，通過該界面可快速切換至需控制系統，并可以對相應系統參數進行監視及報警查看。圖6（2）為仿真工藝模型系統界面，支持核電機組工況加載和機組瞬態過程的連續模擬，實現機組整體功能同時可開展局部故障插入試驗。圖6（3）為自動測試系統執行界面，通過測試用例的選擇及導入，開展對所關心測試對象的測試驗證。

本研究以反應堆冷卻劑系統（RCP）設備級自動測試為例，對研發DCS邏輯組態自動測試系統進行應用驗證。所選設備為RCP6120VP-2號環路噴淋閥，相應邏輯組態涉及輸入信號33個，輸出信號19個，測試用例總24步。6120VP設備所在RCP系統位置及其相關DCS邏輯組態自動測試真值表局部示意如圖7所示。

（1）

（2）

圖7 RCP設備級DCS邏輯組態自動測試真值表局部示意圖

其中，圖7（1）顯示該設備對象在RCP系統中為穩壓器噴淋閥，圖7（2）中輸入信號狀態組合是輸出信號狀態的判斷依據。顯示加載工況，執行6120VP的自動測試用例，當用例執行到第22步驟時，用例測試結果顯示不通過，6120KS（2號噴淋閥正常）狀態應為T，實際為F。經排查， 原因為邏輯組態與設計輸入控制邏輯圖（CLD）不一致，導致設備狀態值不正確。向上反饋工程研發修訂邏輯組態后，復測驗證通過。

5   結論與展望

結合核電現場調試DCS邏輯組態驗證需求，本文立足仿真驗證技術應用潛力，結合現場調試輸入信息，給出了基于仿真的核電DCS邏輯組態自動測試系統架構及設計實現策略。從現場調試程序對象分級的角度， 具體分析了設備、系統及機組三個層級對應調試階段的調試內容及目的，給出了不同層級對于DCS邏輯組態測試應重點關注的環節。根據測試系統組成部分的成熟度，詳細給出了支持核電DCS邏輯組態自動測試測的測試裝置及工藝仿真環境的實現方式。實現了基于仿真的核電DCS邏輯組態自動測試系統的研發，并以RCP設備級自動測試為例，驗證了所構建系統的有效性。

通過邏輯組態自動測試系統及測試方法的研究及應用，可結合現場調試工作在虛擬環境中對DCS邏輯組態進行驗證，并可同步實現對相應調試程序的預驗證，有利于提前發現工藝系統實際運行可能發生的問題，從而減少現場調試階段的DCS缺陷，降低DCS缺陷帶來的安全風險，縮短現場調試周期。

另外，對于DCS工廠測試和出廠驗收測試，本研究可增加測試方法的多樣性和覆蓋度，提升DCS設計和制造的質量工廠測試環境的全面性，提高DCS產品出廠質量。與此同時，該系統還可以用于運行維護階段，為核電數字化改造工期緊、難度大、風險高等難題提供測試環境解決途徑。

作者簡介：

趙小鵬（1986-），男，河北蔚縣人，高級工程師，博士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事智能運維及核電DCS測試與驗證方向的研究。

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摘自《自動化博覽》2026年7月刊