數(shù)字化堆外核測量系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

馬軍超，袁任重，郭 偉，黃自平

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

數(shù)字化堆外核測量系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

馬軍超，袁任重，郭 偉，黃自平

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

為滿足核電廠堆外核測量系統(tǒng)的數(shù)字化改造需求，設(shè)計了一種基于LabVIEW平臺的堆外核測量系統(tǒng)，并解決了該系統(tǒng)傳統(tǒng)上位機(jī)顯示功能單一、無數(shù)據(jù)記錄和存儲功能、無運(yùn)行性能監(jiān)測功能、無用戶管理功能等問題。充分運(yùn)用該平臺的內(nèi)存優(yōu)化、面向?qū)ο缶幊?、高級控件?yīng)用、報表工具包等技術(shù)，建立了一套集就地音頻控制、數(shù)據(jù)采集和處理于一體的上位機(jī)系統(tǒng)，并使之滿足數(shù)字化系統(tǒng)的要求。該系統(tǒng)在運(yùn)行性能監(jiān)測、故障自診斷等方面作了創(chuàng)新性研究，在監(jiān)測范圍、數(shù)據(jù)可靠性和顯示等方面作了重大提升。綜合運(yùn)用計算機(jī)和數(shù)據(jù)庫等多學(xué)科技術(shù)，詳細(xì)闡述了程序架構(gòu)的設(shè)計、人機(jī)交互界面的設(shè)計、通信網(wǎng)絡(luò)搭建、子界面的動態(tài)調(diào)用等實(shí)現(xiàn)方法。陽江核電廠3號機(jī)組的堆上試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有配置方便、易擴(kuò)展、運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

核電儀控； 堆外核測量系統(tǒng)； LabVIEW； UDP； XControl； SubPanel； DSC模塊； .NET技術(shù)

0 引言

堆外核測量系統(tǒng)采用分布于反應(yīng)堆壓力容器外的一系列中子探測器，測量反應(yīng)堆功率、功率變化率以及功率的軸向分布等信息，是關(guān)系到反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)之一。它的可靠運(yùn)行離不開穩(wěn)定、高效的上位機(jī)。傳統(tǒng)上位機(jī)具有顯示監(jiān)測的反應(yīng)堆功率、功率變化率等信息，提供中子注量率計數(shù)以及相應(yīng)的報警信號等功能。

本文結(jié)合數(shù)字化堆外核測量系統(tǒng)的特點(diǎn)[1]，設(shè)計了更加穩(wěn)定、可靠的上位機(jī)軟件。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控(datalogging and supervisory control，DSC)模塊存儲計數(shù)率、平均功率、電流和倍增時間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并以歷史趨勢曲線和實(shí)時數(shù)據(jù)曲線2種方式加以顯示[2]；使用SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫保存原始數(shù)據(jù)報文，并可生成任意時刻所有變量的數(shù)值或狀態(tài)報表，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可追溯；將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測定位到板卡級，實(shí)現(xiàn)了對故障點(diǎn)的快速跟蹤。通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)和軟件運(yùn)行性能，保證了系統(tǒng)在換料周期(18個月)內(nèi)的平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

系統(tǒng)上位機(jī)以LabVIEW 2015作為開發(fā)環(huán)境。LabVIEW是美國NI公司推出的圖形化編程語言，它提供了各種信號處理函數(shù)和大量的高級信號分析工具，可以與多種主流的工業(yè)現(xiàn)場總線通信，并與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫連接[3]。

1 總體框架

1.1 系統(tǒng)介紹

堆外核測量系統(tǒng)的主要功能包括：對測量的信號加以記錄和顯示，向操作員提供反應(yīng)堆狀態(tài)信息；向反應(yīng)堆控制系統(tǒng)提供控制信號；通過功率通道的信號，計算并測量反應(yīng)堆徑向功率傾斜和軸向功率偏差等；向保護(hù)系統(tǒng)提供信號，觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆[1]。該系統(tǒng)主要設(shè)備包括中子探測器、4組保護(hù)機(jī)柜、1組控制機(jī)柜以及配套硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件。上位機(jī)在控制機(jī)柜中的工業(yè)計算機(jī)中運(yùn)行。

數(shù)字化堆外核測量系統(tǒng)與模擬儀控系統(tǒng)相比，主要區(qū)別在于前者引入了數(shù)字化技術(shù)。其體現(xiàn)在以下2個方面：①以微處理器或FPGA技術(shù)作為保護(hù)機(jī)柜的控制處理單元，取代了純硬件模擬電路設(shè)計方法；②采用以數(shù)字化為基礎(chǔ)的軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。中子探測器信號經(jīng)保護(hù)機(jī)柜處理后，通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(user datagram protocol，UDP)傳送到控制機(jī)柜中，以指示和記錄當(dāng)前反應(yīng)堆的運(yùn)行狀態(tài)。反應(yīng)堆從啟動至滿功率運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)采用3種不同量程(共8個通道)來測量反應(yīng)堆功率，即2個源量程通道、2個中間量程通道和4個功率量程通道[4]。

1.2 上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)上位機(jī)負(fù)責(zé)接收Ⅰ～Ⅳ保護(hù)機(jī)柜傳送的原始數(shù)據(jù)報文，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和邏輯處理；以虛擬語言取代下層保護(hù)機(jī)柜的部分信號處理電路，降低了開發(fā)成本，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。系統(tǒng)程序架構(gòu)設(shè)計分為交互層、處理層和接口層。

①交互層：負(fù)責(zé)處理操作員的操作請求和顯示信息，包括監(jiān)測通道界面的切換、系統(tǒng)參數(shù)配置、中子注量率水平及對應(yīng)報警指示、歷史數(shù)據(jù)和曲線查詢、中英文顯示轉(zhuǎn)換等。

②處理層：作為軟件的核心部分，負(fù)責(zé)實(shí)時報文數(shù)據(jù)解析、參數(shù)運(yùn)算處理、變量邏輯變換、用戶管理及登陸權(quán)限管控[5]、DSC模塊中報警和事件的處理算法，以及數(shù)據(jù)庫的讀寫操作等。

③接口層：采用UDP搭建數(shù)據(jù)傳輸鏈路，開放9個特定端口與下位機(jī)系統(tǒng)建立通信連接，實(shí)時監(jiān)控保護(hù)機(jī)柜上傳的指定格式報文。接口層具備通信故障自檢和通信異?；謴?fù)功能。

系統(tǒng)上位機(jī)功能架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 上位機(jī)功能架構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 人機(jī)交互界面設(shè)計

目前，核電廠的電氣、儀控等系統(tǒng)都以圖像顯示單元作為人機(jī)交互的平臺。堆外核測量系統(tǒng)是核電廠保護(hù)的重要系統(tǒng)之一，因而其更加需要具備良好的人機(jī)交互能力。上位機(jī)采用Office風(fēng)格的功能選板作為人機(jī)交互的主要方式，其界面劃分如圖2所示。

人機(jī)界面共有4個Tab頁，分別是主監(jiān)測區(qū)、配置區(qū)、記錄區(qū)和說明區(qū)[6-7]。主監(jiān)測區(qū)包括13個監(jiān)測界面，用于顯示各通道測量的堆功率、系統(tǒng)運(yùn)行工況、通信狀態(tài)、報警和事件的記錄等信息。其中，源量程、中間量程、功率量程的8個通道各對應(yīng)1個板卡狀態(tài)監(jiān)測子界面，顯示該通道所包含功能板卡的運(yùn)行狀態(tài)；配置區(qū)負(fù)責(zé)連接軟件與SQL Server數(shù)據(jù)庫，切換中英文顯示方式切換以及配置UDP通信協(xié)議配置等；記錄區(qū)負(fù)責(zé)打印網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報表，報警和事件記錄表等；說明區(qū)包含系統(tǒng)功能介紹和軟件使用說明。

Office風(fēng)格的界面切換控件采用XControl技術(shù)開發(fā)。雖然LabVIEW提供了豐富的控件，且每個控件是面向?qū)ο蟮膶哟卫^承結(jié)構(gòu)，但其屬性和方法都是相對固定的[2]。

XControl技術(shù)拓展了期望的屬性和方法。XControl控件由功能、屬性和方法組成。XControl功能組件保證了控件的正常運(yùn)行；屬性和方法則允許用戶以編程方式配置控件，用于實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大的顯示功能。本文設(shè)計了Office功能選板控件的“數(shù)據(jù)”、“狀態(tài)”、“外觀”和“初始化”4種功能。Office Data.ctl定義了控件輸出的數(shù)據(jù)類型為“字符串”；Office State.ctl定義了1個簇，包含控件內(nèi)部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)類型；Office Init.vi包含系統(tǒng)初始化時，控件需要執(zhí)行的初始化內(nèi)容；Office Facade.vi以事件形式定義控件的功能，即通過“數(shù)據(jù)更改”、“顯示狀態(tài)更改”、“方向更改”、“執(zhí)行狀態(tài)更改”和“控件按鈕值改變”這5個事件結(jié)構(gòu)，依次實(shí)現(xiàn)更新外觀、功能分區(qū)Tab頁面切換、控件伸縮和禁用指定功能、模式變化時更新相應(yīng)外觀、識別被按下的命令按鈕等功能。

圖2 人機(jī)界面結(jié)構(gòu)圖

2.2 通信設(shè)計

上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)報文流程如圖3所示。

圖3 上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)報文流程圖

上位機(jī)接收來自9個不同UDP端口的數(shù)據(jù)報文，但不被允許向安全級的保護(hù)機(jī)柜發(fā)送信號和控制命令。由于UDP是無連接服務(wù)協(xié)議，故在程序中對通信異常添加容錯處理機(jī)制[8-9]。每個端口號對應(yīng)1個采集探測器信號的通道，通過時間計時器計算在規(guī)定時間(5 s)內(nèi)能否接收到數(shù)據(jù)，并將其作為判斷依據(jù)。如果無數(shù)據(jù)，則需要檢查硬件電路或者通信網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生故障；如果收到數(shù)據(jù)，則再由程序判斷報文標(biāo)志位是否正確，以及報文字節(jié)長度是否與此通道一致。如果2個條件中的任意1個不成立，則該通道產(chǎn)生通信異常報警，刪除異常報文，并讀取下一組報文數(shù)據(jù)；如果2個條件都成立，則將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和運(yùn)算，表明此次通信完成。

2.3 SubPanel技術(shù)

軟件運(yùn)行時，涉及主界面、8個通道界面以及功能界面等13個子界面的相互切換。LabVIEW有多種方法實(shí)現(xiàn)多個子界面相互切換。采用動態(tài)載入子界面的方法，可以簡化程序框圖，適用于多界面同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測的情況[2]。子界面與主界面的通信可通過讀寫子界面控件引用的Value屬性來實(shí)現(xiàn)。使用Subpanel技術(shù)的具體步驟如下。

①將Subpanel作為1個容器。在主界面虛擬儀器(virtual instrument,VI)的前面板中放入該容器，并通過動態(tài)調(diào)用方式創(chuàng)建13個子VI引用數(shù)組。此時，所有界面的VI已經(jīng)載入內(nèi)存中，下一步只需通過調(diào)用方法即可打開子界面的前面板。

②用前面板XControl控件的功能按鈕來切換插入主界面的子界面引用，通過調(diào)用該引用的應(yīng)用屬性和方法來打開前面板。主界面和子VI通過消息隊(duì)列交互數(shù)據(jù)和命令，解決了窗口之間相互重疊的問題。

③退出軟件時，清除所有VI，同時關(guān)閉已打開的所有引用，釋放內(nèi)存。

動態(tài)調(diào)用子VI程序流程如圖4所示。

圖4 動態(tài)調(diào)用子VI程序流程圖

2.4 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

核電廠堆外核測量系統(tǒng)作為參與停堆保護(hù)的安全級系統(tǒng)，應(yīng)遵循單一故障、冗余配置設(shè)計和通道獨(dú)立性等多種設(shè)計原則。其上位機(jī)對數(shù)據(jù)完整性和安全性高于一般工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]。在1個完整的換料周期內(nèi)，以1 Hz的采樣率采集保護(hù)機(jī)柜傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文，并采用LabVIEW平臺的DSC模塊和SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫這2種方式實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲和查詢。

2.4.1 DSC模塊應(yīng)用

DSC模塊一般用于分布式監(jiān)測和控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了共享變量的功能，擴(kuò)展了LabVIEW平臺圖形化的開發(fā)環(huán)境，提供了各種工具查看數(shù)據(jù)的歷史趨勢和實(shí)時曲線[3]。反應(yīng)堆從啟動至滿功率運(yùn)行時，其核功率在3個量程中的動態(tài)變化表現(xiàn)為中子通量、電流和功率；倍增周期代表反應(yīng)堆功率變化趨勢、快慢和反應(yīng)堆所處的狀態(tài)；主泵轉(zhuǎn)速、一回路平均溫度用于修正功率變化率，也代表反應(yīng)堆功率輸出大小。因此，每個通道都會把這些參數(shù)解析后寫入共享變量中，從多變量編輯器中開啟記錄功能并設(shè)置死區(qū)為0.5%(單位為%FP的參數(shù))、精度為0.1，歷史趨勢曲線更新時間為0～12 min可調(diào)，曲線時間跨度為0～24 h內(nèi)的任意值。

DSC模塊的另一個重要功能是報警和事件管理，通過配置不同預(yù)警條件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時Alarm觸發(fā)和Event記錄。系統(tǒng)定義了與反應(yīng)堆功率變化有關(guān)的觸發(fā)信號、允許信號和閉鎖信號以及監(jiān)測的探測器狀態(tài)和通信狀態(tài)報警信號；系統(tǒng)工作狀態(tài)、操作模式以及機(jī)柜的通風(fēng)、門開關(guān)等則為事件。例如在堆功率上升階段，中間量程測量通道隨著堆功率的上升，所產(chǎn)生的允許信號、閉鎖信號、緊急停堆信號都是報警信號。

2.4.2 SQL Server數(shù)據(jù)庫應(yīng)用

SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫具有使用方便、可伸縮性好、與相關(guān)軟件集成度高的特點(diǎn)[11]。LabVIEW的“Database Connectivity Toolkit”支持所有SQL功能，可快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作。

實(shí)現(xiàn)調(diào)用數(shù)據(jù)庫表的子函數(shù)流程如圖5所示。

圖5 子函數(shù)流程圖

在通信模塊中，如果數(shù)據(jù)報文有效，則首先通過數(shù)據(jù)庫連接引用。使用數(shù)據(jù)庫的API函數(shù)獲取本地計算機(jī)數(shù)據(jù)庫中的表目錄，并從目錄中搜索目標(biāo)表名稱。如果能夠找到目標(biāo)表，即執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲操作；如果搜索為空，則以目標(biāo)表為表名稱創(chuàng)建新表，并按照測量的通道數(shù)目共創(chuàng)建9個數(shù)據(jù)表。以日期和通道號相結(jié)合的方式作為目標(biāo)表名，每個表存儲24 h的原始數(shù)據(jù)。

2.5 .NET技術(shù)應(yīng)用

在反應(yīng)堆一個完整料周期內(nèi)，堆外核測量系統(tǒng)上位機(jī)必須不間斷運(yùn)行。因此，系統(tǒng)對軟件的運(yùn)行速度和內(nèi)存占用量有嚴(yán)格要求。而開發(fā)程序時大量的引用和字符串會占用系統(tǒng)分配的內(nèi)存，如果不及時清理必然造成內(nèi)存泄漏、程序崩潰。使用.NET技術(shù)可實(shí)現(xiàn)跨平臺操作，實(shí)時監(jiān)測軟件運(yùn)行性能。LabVIEW與外部程序的接口一般通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫(dynamic link library,DLL)中的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)[2]，而.NET又把需要的DLL函數(shù)變成了操作系統(tǒng)的一部分。因此，本文直接使用.NET的類服務(wù)調(diào)用系統(tǒng)功能。首先，在程序框圖使用“構(gòu)造器節(jié)點(diǎn)”創(chuàng)建.NET對象，用來設(shè)置對象的屬性、方法或處理事件；其次，在構(gòu)造器節(jié)點(diǎn)中創(chuàng)建PerformanceCounter對象的實(shí)例，分別獲取總的CPU使用率和當(dāng)前使用的內(nèi)存總數(shù)；最后，調(diào)用PerformanceCounter的“NextValue”，返回計數(shù)器對象的當(dāng)前值，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)測CPU使用率和軟件運(yùn)行內(nèi)存的目標(biāo)。

3 結(jié)束語

本文分析了數(shù)字化堆外核測量系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了采用LabVIEW平臺的動態(tài)調(diào)用、XControl控件、.NET應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫等多項(xiàng)技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)上位機(jī)的過程。與目前核電站應(yīng)用的系統(tǒng)相比，該上位機(jī)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、更穩(wěn)定的性能、模塊化的設(shè)計以及高內(nèi)聚、低耦合等特點(diǎn)。陽江核電廠3號機(jī)組的堆上試驗(yàn)結(jié)果表明：該上位機(jī)與數(shù)字化堆外核測量系統(tǒng)匹配良好，運(yùn)行流暢，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲和查詢等功能。

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DesignandImplementationforDigitalOuterReactorNuclearMeasurementSystem

MA Junchao，YUAN Renzhong，GUO Wei，HUANG Ziping

(China Nuclear Power Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)

To meet the demands for digitized retrofit of the outer reactor nuclear measurement system,a system for outer reactor nuclear measurement based on LabVIEW platform is designed to solve the problems of traditional host computer,e.g.,unitary display function,lack of data record and storage capabilities,running performance monitoring function and user management functions,etc.Making full use of the technologies of memory optimization,object-oriented programming,application of advanced controls and reporting toolkit,etc.,the host computer integrating the local audio control,data acquisition and processing is established,thus the demands for digitized system are satisfied.For this system,the innovative research on monitoring system performance and fault self-diagnosis is carried out,and significant upgrade on the scope of monitoring,data reliability and data display methods is made.By comprehensively using multidisciplinary technology of computer and database,the design of the human-computer interaction,the construction of communication network,and the implementing method of dynamic calling of sub-panels are expounded in detail.Through the tests for unit 3 of Yang Jiang nuclear power station,the result shows that this system has the advantages of convenient configuration,ease extension,good running stability and strong data processing capability,etc.

Nuchear power instrument control; Outer reactor nuclear measurement system； LabVIEW； UDP； XControl； Subpanel; DSC module; .NET technology

修改稿收到日期:2017-02-01

中廣核研究院院級科研基金資助項(xiàng)目(R-2016ZBERC001)

馬軍超(1987—)，男，碩士,工程師，主要從事核電站儀控系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計工作，E-mail:majunchao@cgnpc.com.cn

TH-3;TP311

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712010