核電廠控制棒定位器線圈測試軟件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

盧 建，朱鵬飛，蔡昊廷，黃 靖

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修三處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

核電廠控制棒定位器線圈在每年的大修時都需要進(jìn)行檢修，檢修的對象包括33組原邊線圈、輔助線圈、A組線圈、B組線圈、C組線圈、D組線圈、E組線圈，檢測項(xiàng)目包括絕緣電阻和直流電阻。

由于僅僅測試絕緣電阻和直流電阻，無法全面地反映控制棒定位器線圈的特性，現(xiàn)有的測量方式效率較低，同時具有安全隱患。因此，本文設(shè)計了一套專用測試平臺，用于對33組控制棒定位線圈的絕緣電阻、直流電阻、電感、電容進(jìn)行測試（測試平臺如圖1）。

本軟件是運(yùn)行在該平臺中的專用測試軟件，用于進(jìn)行人機(jī)交互，控制設(shè)備進(jìn)行測試以及進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的記錄以及二次分析處理。

1 軟件功能分析

1.1 功能分解

根據(jù)設(shè)備實(shí)際的使用場景，本軟件主要需實(shí)現(xiàn)如下功能：

圖1 測試平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Test platform structure diagram

1）測試前的自檢功能

① 在測試前，軟件需控制設(shè)備完成自檢操作，保證設(shè)備功能正常，具備進(jìn)行測試的條件；② 主要檢查上下位機(jī)通訊是否正常，高壓輸出、接口卡控制是否正常。

2）主界面人機(jī)交互功能

① 可實(shí)現(xiàn)測試項(xiàng)的項(xiàng)目選擇和順序調(diào)整；② 可進(jìn)行測試模式的選擇，模式提供一鍵自動測試或手動測試兩種測試模式。

3）測試設(shè)置功能

① 絕緣電阻測試設(shè)置：可對絕緣電阻的合格判據(jù)進(jìn)行設(shè)置，由于絕緣測試完畢后需要進(jìn)行充分地放電，因而軟件需要可對放電時間進(jìn)行設(shè)置。

② 直流電阻測試設(shè)置：可對直流電阻的合格判據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

③ 電感測試設(shè)置：可對電感的測試頻率進(jìn)行設(shè)置，可對電感測試的合格判據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

④ 電容測試設(shè)置：可對電容的測試頻率進(jìn)行設(shè)置，可對電容測試的合格判據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

4）測量及結(jié)果顯示功能

① 絕緣電阻測量及結(jié)果顯示：可進(jìn)行絕緣電阻的測量及顯示，測量完成后，將自動進(jìn)行放電操作。

② 直流電阻測量、電感測量、電容測量及結(jié)果顯示：可進(jìn)行直流電阻的測量操作并顯示測量值，測量時根據(jù)測試設(shè)置的頻率值提供測試頻率，根據(jù)測試設(shè)置的合格判據(jù)對測量值進(jìn)行判定，同時顯示是否合格的信息。

5）報表導(dǎo)出功能

測試完成后，可根據(jù)測試結(jié)果自動生成測試報表。

1.2 運(yùn)行流程

根據(jù)對軟件功能需求的分析，本測試軟件的整體運(yùn)行流程圖如圖2。

圖2 軟件運(yùn)行整體流程圖Fig.2 Overall flow chart of software operation

2 開發(fā)語言

本軟件相關(guān)器使用的軟件開發(fā)環(huán)境為LabVIEW，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，LabVIEW使用圖形化的編程語言G編寫程序。與其他的計算機(jī)語言不同，G語言通過一個個邏輯控件與程序框圖來代替文本進(jìn)行編程，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能以及簡便的控制虛擬儀器的能力。其圖形化的界面使軟件開發(fā)變得更加容易，可以更快速地構(gòu)建各種應(yīng)用所需的工具，快速地解決實(shí)際工程問題，提高了開發(fā)的效率。本軟件相關(guān)的軟件部分運(yùn)行在Windows10操作系統(tǒng)，使用的LabVIEW版本為LabVIEW2020的版本。

圖3 測試軟件整體架構(gòu)圖Fig.3 Overall architecture of the test software

3 技術(shù)路線

根據(jù)軟件需求分析，本系統(tǒng)軟件使用“上/下位機(jī)”軟件組織架構(gòu)，以便發(fā)揮它們各自的特點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作配合，共同完成測試工作。

上位機(jī)軟件是面向操作人員的，所以讓其運(yùn)行在Microsoft Windows操作系統(tǒng)上。該操作系統(tǒng)也是廣大操作人員所熟悉的操作系統(tǒng)，操作人員易于接受和使用。上位機(jī)軟件提供“GUI圖形操作人員界面”給操作人員來操作本“測試系統(tǒng)”?！癎UI圖形操作人員界面”相比文本界面，操作和顯示將更為直觀，人機(jī)交互更為友好，表達(dá)信息的能力更強(qiáng)。

上位機(jī)軟件使用組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，組態(tài)軟件具備簡明、直觀、易用的圖形編程方式特點(diǎn)，開發(fā)和維護(hù)效率高。

下位機(jī)軟件運(yùn)行于實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)，具備“實(shí)時響應(yīng)”的特點(diǎn)，有利于下位機(jī)軟件在規(guī)定時間內(nèi)完成某項(xiàng)測試動作，因此使用下位機(jī)軟件進(jìn)行“測試執(zhí)行”。

“上位機(jī)”軟件和“下位機(jī)”軟件使用網(wǎng)絡(luò)通訊等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

本文僅對上位機(jī)軟件進(jìn)行說明。

4 軟件整體架構(gòu)

核電廠控制棒定位器線圈測試軟件整體架構(gòu)如圖3。軟件整體架構(gòu)包含4層，由下至上依次為：硬件層、設(shè)備控制層、測試層、人機(jī)交互層。

4.1 硬件層

硬件層主要包括本軟件的硬件控制對象，主要包括絕緣測量卡、LCR電橋、接口卡、高壓模塊等。

表1 軟件功能實(shí)現(xiàn)對照表Table 1 Software function realization comparison table

4.2 設(shè)備控制層

設(shè)備控制層主要包括對下位機(jī)測試裝置的控制函數(shù)，包括電橋設(shè)置控制.vi、高壓模塊控制.vi、接口卡控制.vi、接口卡模式控制.vi以及更加底層的串口發(fā)送指令.vi、串口接收指令.vi、高壓模塊采集指令.vi、高壓模塊檔位指令.vi、高壓模塊控制指令.vi、建立連接.vi、接口卡復(fù)位控制指令.vi、接口卡模式控制指令.vi、接口卡通道控制指令.vi、狀態(tài)查詢指令.vi等。

4.3 測試層

測試層主要包括軟件執(zhí)行測試操作時涉及的函數(shù)，包括高壓自檢.vi、自檢函數(shù).vi、電橋測試.vi、高壓測試.vi、運(yùn)行函數(shù).vi、放電函數(shù).vi等。

4.4 人機(jī)交互層

人機(jī)交互層主要包括軟件中與人機(jī)交互相關(guān)的函數(shù)，包括主界面.vi、存儲配置.vi、讀取配置.vi、配置路徑.vi等。

5 設(shè)計實(shí)現(xiàn)

5.1 功能實(shí)現(xiàn)對照表

前文的軟件架構(gòu)圖是從橫向的層次結(jié)構(gòu)對軟件進(jìn)行了一個劃分，如果從縱向功能結(jié)構(gòu)對軟件進(jìn)行劃分的話，會得到表1。

下面分層對重要函數(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

5.2 設(shè)備控制層功能實(shí)現(xiàn)

5.2.1 電橋設(shè)置控制功能

由于電橋采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，該設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口通訊用于遠(yuǎn)程控制設(shè)備的測量操作。本測試軟件需要使用到電橋的電阻、電感、電容測量功能，因此本軟件需具備電橋的模式設(shè)置功能、參數(shù)配置功能、數(shù)據(jù)傳輸功能等。這些功能通過測試功能設(shè)定以及串口發(fā)送指令函數(shù)實(shí)現(xiàn)，具體程序?qū)崿F(xiàn)框圖如圖4。

圖4 電橋設(shè)置控制功能程序圖Fig.4 Program diagram of bridge setting control function

圖5 高壓模塊控制功能程序圖Fig.5 High-voltage module control function program diagram

5.2.2 高壓模塊控制功能

高壓模塊控制功能用于絕緣電阻測量模式時，提供高壓信號的控制。當(dāng)該模塊運(yùn)行時，首先判斷當(dāng)前的測試要求與上一次的測試要求（高壓值）是否相同。若相同，則不需要再進(jìn)行高壓檔位的切換；若不相同，則需根據(jù)設(shè)定的高壓值切換至相應(yīng)的檔位，然后進(jìn)行高壓輸出指令輸出，程序?qū)崿F(xiàn)如圖5。

5.2.3 接口卡控制功能

接口卡的主要功能為在33組測量通道間進(jìn)行切換，板卡上主要的元器件為高壓繼電器。接口卡控制功能在接收到繼電器切換通道的指令后，同樣地會先比較本次測試的通道號與上次測試的通道號是否相同。若相同，則保持上次的通道；若不同，則接口卡復(fù)位后根據(jù)測試項(xiàng)的通道重新進(jìn)行切換。同時接口卡的狀態(tài)受外部指令控制，為“開”狀態(tài)時，接口卡可接受通道切換的指令；為“關(guān)”狀態(tài)時，接口卡即置于復(fù)位狀態(tài)。一般測試時，會將狀態(tài)設(shè)定為“開”，測試完成后設(shè)定為“關(guān)”。程序?qū)崿F(xiàn)如圖6。

圖6 接口卡控制功能程序圖Fig.6 Interface card control function program diagram

圖7 電橋測試程序圖Fig.7 Bridge test program diagram

5.3 測試層功能實(shí)現(xiàn)

5.3.1 電橋測試函數(shù)

電橋測試函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)采用電橋進(jìn)行測量的數(shù)據(jù)的顯示與判斷。若電橋測量出的數(shù)據(jù)在合格范圍內(nèi)，則輸出測量數(shù)據(jù)以及“合格”；若測量的數(shù)據(jù)在和合格范圍外，則輸出“O.L”以及“不合格”。程序?qū)崿F(xiàn)如圖7。

5.3.2 高壓測試函數(shù)

高壓測試函數(shù)用于測試高壓輸出是否正常。若回采的電壓值大于100V，則認(rèn)為高壓輸出正常；若采集的電壓值小于100V，則認(rèn)為高壓輸出不正常。程序?qū)崿F(xiàn)如圖8。

5.3.3 放電函數(shù)

放電函數(shù)用于每次絕緣測量后的放電操作，放電操作具體為在接收到放電指令后，對接口卡進(jìn)行模式控制，控制接口卡切換到需要放電的通道，并且保持設(shè)定的時間（此值操作人員可通過配置界面進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)前為最小值200ms）后斷開。程序?qū)崿F(xiàn)如圖9。

5.4 人機(jī)交互層設(shè)計

5.4.1 界面設(shè)計方法

本系統(tǒng)中，“測試軟件”具有面向操作人員的人機(jī)界面。作為面向操作人員的人機(jī)界面，應(yīng)能方便操作人員使用，因此本系統(tǒng)軟件采用了以下的界面設(shè)計方法。

圖8 高壓測試程序圖Fig.8 High voltage test program diagram

圖9 放電函數(shù)程序圖Fig.9 Discharge function program diagram

5.4.1.1 圖形化

本“測試系統(tǒng)”管理的測試設(shè)備眾多，為易于操作人員使用，人機(jī)界面上主要采用圖形化的方式。

圖形化的方式，具備生動、形象的特點(diǎn)，結(jié)合行業(yè)通用的標(biāo)識符，可讓操作人員不用改變使用習(xí)慣，輕松識別被測對象，輕松進(jìn)行測試工作等。

5.4.1.2 GUI操作人員界面設(shè)計規(guī)范

良好的GUI操作人員界面設(shè)計可方便操作人員的使用，本軟件采用如下的設(shè)計規(guī)范：

1）統(tǒng)一的風(fēng)格布局。比如各種對話框窗口，其窗口內(nèi)的確定、取消按鈕盡可能放在窗口的某一個固定方向。

2）界面配色統(tǒng)一，且采用素淡色系為主，簡潔明快。顏色選擇避免太多，對于特別強(qiáng)調(diào)的地方使用紅色、黃色、綠色等鮮明的基礎(chǔ)顏色。

3）界面元素標(biāo)識統(tǒng)一。比如一個AI信號，在所有的界面上都統(tǒng)一使用同一種標(biāo)識，便于操作人員一眼就看清楚是何種信號，尤其在本系統(tǒng)中，信號數(shù)量龐大，通過這種統(tǒng)一標(biāo)識，有利于減輕操作人員負(fù)擔(dān)。

4）形狀標(biāo)識。界面中某些地方，除了以顏色等來標(biāo)識外，還盡可能配合采用形狀標(biāo)識，便于操作人員快速識別。

5）主要功能去菜單化。不要將主要功能放在菜單中，而是使用一眼可以看到的界面元素來代替。

6）快捷操作設(shè)計。界面元素除了使用鼠標(biāo)操作外，還要盡量設(shè)置鍵盤熱鍵，便于操作人員快捷操作；遵從使用習(xí)慣。遵從操作人員長久以來形成的使用習(xí)慣，比如“Esc”鍵就是關(guān)閉窗口并取消輸入，“Enter”鍵就是窗口默認(rèn)按鈕并表示確認(rèn)輸入，“F1”鍵一般用于在線幫助等。

人機(jī)交互界面是與使用者直接相關(guān)的界面，所有人機(jī)交互的功能均通過界面進(jìn)行體現(xiàn)。界面設(shè)計的是否合理很大程度上影響了本軟件的實(shí)際運(yùn)行效果，下面重點(diǎn)介紹本軟件的主界面、測試配置界面和測試界面。

5.4.2 主界面

主界面包含自動測試、絕緣電阻測試、直流電阻測試、電容測試、電感測試選項(xiàng)。在進(jìn)行自動測試時，可以將絕緣電阻、直流電阻、電容、電感一次性測試完，也可以調(diào)整測試順序，在測試界面選擇測試項(xiàng)后啟用測試，點(diǎn)擊開始后，系統(tǒng)將會開始進(jìn)行自動測試。主界面如圖10。

圖11 測試配置界面圖Fig.11 Test configuration interface diagram

圖10 主界面圖Fig.10 Main interface diagram

5.4.3 測試配置界面

測試配置界面可以設(shè)置絕緣電阻、直流電阻、電容、電感的合格判據(jù)上限及下限，以及測量電壓、測量時間以及測量頻率等，測試配置界面如圖11。

5.4.4 測試界面

測試界面以絕緣電阻測試為例進(jìn)行說明。在進(jìn)行絕緣電阻測試時，測試表格內(nèi)容依次為棒束（位置）、內(nèi)容、測量電壓，測量值、合格判據(jù)、采集時間以及測試結(jié)果，絕緣電阻測量界面右側(cè)的選項(xiàng)卡可以進(jìn)行全選，也可以自由勾選；在勾選完成后，點(diǎn)擊右下方的“開始”選項(xiàng)進(jìn)行測試；測試完成后，可以點(diǎn)擊“生成報表”將測試的數(shù)據(jù)生成報表保存在電腦中。其測試的量程為1MΩ～50MΩ，測量精度為2.0級，絕緣電阻測量界面如圖12。

6 結(jié)束語

本軟件已成功應(yīng)用在核電廠控制棒定位器線圈專用測試裝置上，并已于秦二廠現(xiàn)場進(jìn)行了測試。軟件操作基本滿足現(xiàn)場測試要求，在界面的表現(xiàn)上還需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。該軟件基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)，可運(yùn)行于核電廠控制棒定位器線圈專用測試平臺，通過使用該軟件，能夠大大簡化測試人員的測試流程，提高測試效率和安全性，并可一鍵導(dǎo)出測試數(shù)據(jù)，可用于后續(xù)的分析處理。

圖12 絕緣電阻測試界面Fig.12 Insulation resistance test interface