核電廠控制棒定位器線圈測試軟件設計及實現

盧 建，朱鵬飛，蔡昊廷，黃 靖

（中核核電運行管理有限公司 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，現有的測量方式效率較低，同時具有安全隱患。因此，本文設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、電容進行測試（測試平臺如圖1）。

本軟件是運行在該平臺中的專用測試軟件，用于進行人機交互，控制設備進行測試以及進行測試數據的記錄以及二次分析處理。

1 軟件功能分析

1.1 功能分解

根據設備實際的使用場景，本軟件主要需實現如下功能：

圖1 測試平臺結構圖Fig.1 Test platform structure diagram

1）測試前的自檢功能

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

2）主界面人機交互功能

① 可實現測試項的項目選擇和順序調整；② 可進行測試模式的選擇，模式提供一鍵自動測試或手動測試兩種測試模式。

3）測試設置功能

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

② 直流電阻測試設置：可對直流電阻的合格判據進行設置。

③ 電感測試設置：可對電感的測試頻率進行設置，可對電感測試的合格判據進行設置。

④ 電容測試設置：可對電容的測試頻率進行設置，可對電容測試的合格判據進行設置。

4）測量及結果顯示功能

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

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

5）報表導出功能

測試完成后，可根據測試結果自動生成測試報表。

1.2 運行流程

根據對軟件功能需求的分析，本測試軟件的整體運行流程圖如圖2。

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

2 開發語言

本軟件相關器使用的軟件開發環境為LabVIEW，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，LabVIEW使用圖形化的編程語言G編寫程序。與其他的計算機語言不同，G語言通過一個個邏輯控件與程序框圖來代替文本進行編程，具有強大的數據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變得更加容易，可以更快速地構建各種應用所需的工具，快速地解決實際工程問題，提高了開發的效率。本軟件相關的軟件部分運行在Windows10操作系統，使用的LabVIEW版本為LabVIEW2020的版本。

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

3 技術路線

根據軟件需求分析，本系統軟件使用“上/下位機”軟件組織架構，以便發揮它們各自的特點進行協作配合，共同完成測試工作。

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

上位機軟件使用組態軟件進行開發，組態軟件具備簡明、直觀、易用的圖形編程方式特點，開發和維護效率高。

下位機軟件運行于實時操作系統內，具備“實時響應”的特點，有利于下位機軟件在規定時間內完成某項測試動作，因此使用下位機軟件進行“測試執行”。

“上位機”軟件和“下位機”軟件使用網絡通訊等方式進行數據交互。

本文僅對上位機軟件進行說明。

4 軟件整體架構

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

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 軟件功能實現對照表Table 1 Software function realization comparison table

4.2 設備控制層

設備控制層主要包括對下位機測試裝置的控制函數，包括電橋設置控制.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、狀態查詢指令.vi等。

4.3 測試層

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

4.4 人機交互層

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

5 設計實現

5.1 功能實現對照表

前文的軟件架構圖是從橫向的層次結構對軟件進行了一個劃分，如果從縱向功能結構對軟件進行劃分的話，會得到表1。

下面分層對重要函數的實現進行介紹。

5.2 設備控制層功能實現

5.2.1 電橋設置控制功能

由于電橋采用標準設備，該設備提供了標準的RS232串口通訊用于遠程控制設備的測量操作。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置功能、參數配置功能、數據傳輸功能等。這些功能通過測試功能設定以及串口發送指令函數實現，具體程序實現框圖如圖4。

圖4 電橋設置控制功能程序圖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。當該模塊運行時，首先判斷當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，則不需要再進行高壓檔位的切換；若不相同，則需根據設定的高壓值切換至相應的檔位，然后進行高壓輸出指令輸出，程序實現如圖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，則接口卡復位后根據測試項的通道重新進行切換。同時接口卡的狀態受外部指令控制，為“開”狀態時，接口卡可接受通道切換的指令；為“關”狀態時，接口卡即置于復位狀態。一般測試時，會將狀態設定為“開”，測試完成后設定為“關”。程序實現如圖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 測試層功能實現

5.3.1 電橋測試函數

電橋測試函數用于實現采用電橋進行測量的數據的顯示與判斷。若電橋測量出的數據在合格范圍內，則輸出測量數據以及“合格”；若測量的數據在和合格范圍外，則輸出“O.L”以及“不合格”。程序實現如圖7。

5.3.2 高壓測試函數

高壓測試函數用于測試高壓輸出是否正常。若回采的電壓值大于100V，則認為高壓輸出正常；若采集的電壓值小于100V，則認為高壓輸出不正常。程序實現如圖8。

5.3.3 放電函數

放電函數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，并且保持設定的時間（此值操作人員可通過配置界面進行設置，當前為最小值200ms）后斷開。程序實現如圖9。

5.4 人機交互層設計

5.4.1 界面設計方法

本系統中，“測試軟件”具有面向操作人員的人機界面。作為面向操作人員的人機界面，應能方便操作人員使用，因此本系統軟件采用了以下的界面設計方法。

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

圖9 放電函數程序圖Fig.9 Discharge function program diagram

5.4.1.1 圖形化

本“測試系統”管理的測試設備眾多，為易于操作人員使用，人機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，結合行業通用的標識符，可讓操作人員不用改變使用習慣，輕松識別被測對象，輕松進行測試工作等。

5.4.1.2 GUI操作人員界面設計規范

良好的GUI操作人員界面設計可方便操作人員的使用，本軟件采用如下的設計規范：

1）統一的風格布局。比如各種對話框窗口，其窗口內的確定、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，對于特別強調的地方使用紅色、黃色、綠色等鮮明的基礎顏色。

3）界面元素標識統一。比如一個AI信號，在所有的界面上都統一使用同一種標識，便于操作人員一眼就看清楚是何種信號，尤其在本系統中，信號數量龐大，通過這種統一標識，有利于減輕操作人員負擔。

4）形狀標識。界面中某些地方，除了以顏色等來標識外，還盡可能配合采用形狀標識，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）快捷操作設計。界面元素除了使用鼠標操作外，還要盡量設置鍵盤熱鍵，便于操作人員快捷操作；遵從使用習慣。遵從操作人員長久以來形成的使用習慣，比如“Esc”鍵就是關閉窗口并取消輸入，“Enter”鍵就是窗口默認按鈕并表示確認輸入，“F1”鍵一般用于在線幫助等。

人機交互界面是與使用者直接相關的界面，所有人機交互的功能均通過界面進行體現。界面設計的是否合理很大程度上影響了本軟件的實際運行效果，下面重點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。在進行自動測試時，可以將絕緣電阻、直流電阻、電容、電感一次性測試完，也可以調整測試順序，在測試界面選擇測試項后啟用測試，點擊開始后，系統將會開始進行自動測試。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置絕緣電阻、直流電阻、電容、電感的合格判據上限及下限，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行說明。在進行絕緣電阻測試時，測試表格內容依次為棒束（位置）、內容、測量電壓，測量值、合格判據、采集時間以及測試結果，絕緣電阻測量界面右側的選項卡可以進行全選，也可以自由勾選；在勾選完成后，點擊右下方的“開始”選項進行測試；測試完成后，可以點擊“生成報表”將測試的數據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 結束語

本軟件已成功應用在核電廠控制棒定位器線圈專用測試裝置上，并已于秦二廠現場進行了測試。軟件操作基本滿足現場測試要求，在界面的表現上還需要進行優化調整。該軟件基于LabVIEW實現，可運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，并可一鍵導出測試數據，可用于后續的分析處理。

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