閥門電氣控制柜自動測試方法研究

摘" 要：隨著工業自動化水平的不斷提高，自動測試技術已經得到廣泛運用。閥門電氣控制柜作為核電控制系統中的重要組成部分，傳統的測試方法依賴于人工操作，測試效率和準確性較低。該文首先分析閥門電氣控制柜測試原理及傳統測試方法的局限性，隨后詳細闡述基于LabVIEW的自動測試系統的設計原理、總體架構，軟硬件組成和關鍵的測試流程。通過實際測試驗證該系統在提高測試效率方面的顯著優勢。該自動測試方法為閥門電氣控制柜提供一套高效、可靠的測試手段，同時也為其他類似設備的自動測試提供參考和借鑒。

關鍵詞：閥門電氣控制柜；自動測試；LabVIEW；硬件設計；軟件設計

中圖分類號：TL362.7" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0153-05

Abstract： With the continuous improvement of the level of industrial automation， automatic test technology has been widely used. As an important part of the nuclear power control system， the valve electrical control cabinet relies on manual operation， and the test efficiency and accuracy are low. This paper first analyzes the testing principle of the valve electrical control cabinet and the limitations of traditional testing methods， and then expounds in detail the design principle， overall architecture， software and hardware composition and key testing processes of the automatic test system based on LabVIEW. Practical tests verify the significant advantages of the system in improving test efficiency. This automatic testing method provides a set of efficient and reliable testing methods for valve electrical control cabinets， and also provides reference for automatic testing of other similar equipment.

Keywords： valve electrical control cabinet; automatic test; LabVIEW; hardware design; software design

閥門電氣控制柜作為核電工藝控制系統中不可或缺的組成部分，其主要功能是對閥門進行遠程控制，實現閥門的開關、調節、監視等功能，對于保障工藝系統的安全穩定運行具有至關重要的作用[1]。同時閥門電氣控制柜還廣泛應用于石油、化工、水處理等領域，因此對閥門電氣控制柜進行定期、準確的測試具有重要意義。

目前，閥門電氣控制柜的測試工作主要依賴于人工操作，存在測試效率低、易受人為因素影響等問題。隨著工業自動化水平的不斷提高，自動測試技術已經得到了廣泛的應用。自動測試系統通過預設的測試用例和自動化腳本，模擬用戶行為，自動執行測試流程，并實時收集和分析測試結果。不僅能夠大幅度減少人工測試的工作量和時間成本，還提高了測試的覆蓋率和準確性。對于閥門控制柜這種具有高度重復性的工作，采用自動測試系統具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。

1" 閥門電氣控制柜

閥門電氣控制柜是用于控制閥門開啟、關閉以及監控其運行狀態的集成電氣控制設備。它包含多種類型閥門電氣控制單元（電動閥、電磁閥等）、閥門狀態監視單元、電氣管理單元和人機交互界面等，以實現對閥門的遠程操作和狀態監視。以下是閥門電氣控制柜的幾個關鍵組成部分和功能介紹。

控制功能，閥門電氣控制柜可接收上層操作指令實現相應的驅動控制功能，通過接觸器來控制動力回路的通斷狀態，實現對下游閥門的打開、關斷、中停控制。

保護功能，閥門控制單元為閥門電機提供熱過載、短路等電氣保護，對控制線路提供短路保護。故障情況下能迅速動作，防止電氣火災或設備損壞，保障人員和財產安全。

監視功能，在閥門電氣控制柜上顯示控制電源狀態，實時監視閥門的工作狀態，并將閥門運行狀態、故障報警等信號通過網絡發送給上層監控設備。

2" 閥門電氣控制柜測試

2.1" 測試原理

閥門電氣控制柜的功能測試內容主要是對閥門電氣控制單元的控制和監視功能進行檢查。通過模擬上層設備的開閥、關閥指令，檢查閥門控制單元是否按照指令正常動作；同時還需要模擬下游閥門的反饋狀態指令，檢查閥門狀態監視單元的指示狀態，以及發送的遠傳狀態信號指示是否正確；測試過程中，通過電腦監視閥門動作狀態的外部通信指示是否正確。

2.2" 常規測試方法

2.2.1" 測試環境

閥門電氣控制柜一般會包含多個閥門控制單元，需逐個對閥門單元進行測試。各控制單元的閥門類型可能一樣，雖然測試原理是一致的，但是信號接線不完全一樣，這就導致測試過程中信號模擬和采集測量點存在多樣性。常規的手動測試工作主要包括信號模擬、信號測量和信號監視3部分，這就要求至少3個測試人員配合才能完成操作。典型的測試環境如圖1所示。

2.2.2" 測試方法

以某核電項目典型的通用電動閥控制單元為例，需將閥門控制單元保護開關分別置于“投入”和“切除”狀態下，測試人員A模擬上層設備開閥（關閥）操作，測試人員B檢查控制單元開閥（關閥）接觸器狀態；測試人員A在超時保護時間定值內（或超過定值情況下）模擬開閥（關閥）到位信號，測試人員B檢查對應閥門開啟（關閉）狀態輸出信號觸點狀態；期間測試人員C通過電腦監視對應閥門的外部通信信號（Modbus/RTU協議），并做好試驗數據記錄。

2.2.3" 方法缺點

通過上述閥門控制單元的測試方法分析，每個閥門控制單元都需要至少3個測試人員配合，反復進行開關閥信號狀態模擬和測量。而在一個核電項目中，往往有多臺閥門電氣控制柜上百個閥門控制單元需要進行測試，這就導致測試需要投入的人力成本比較多。同時在反復的人工測試操作中，不可避免地出現人因差錯的問題，導致測試結果的準確性降低。

2.3" 自動測試方法

為解決人工測試方法的效率低的缺點，利用LabVIEW軟件能夠直接與各種硬件設備（如傳感器、數據采集卡、測量儀器等）通信的優點，結合利用現在成熟的計算機技術、網絡通信技術，設計一套測試裝置實現自動模擬上層設備的閥門操作指令，并模擬閥門就地的狀態反饋信號，同時記錄通信數據的功能。自動測試系統包括硬件和軟件2部分，能夠實現對閥門電氣控制柜的控制功能的自動測試，并輸出詳細的測試報告[2]。從而避免了測試效率低、易出現人因差錯的問題。

2.3.1" 設計原則與目標

在設計閥門電氣控制柜自動測試系統時，遵循了以下原則：首先，系統具有高可靠性和穩定性，能夠長時間穩定運行；其次是有易用性和可擴展性，方便操作和維護，并適應不同類型的閥門控制單元的測試需求；最后系統具有高效性和準確性，能夠快速完成測試工作并準確判斷測試結果。

2.3.2" 系統組成與工作原理

閥門電氣控制柜自動測試系統主要由測試裝置機柜和上位機組成，其中測試裝置由電源模塊、主控模塊、開關量輸入（DI）模塊、開關量輸出（DO）模塊和交換機組成。測試裝置分別與上位機和閥門電氣控制柜之間通過網絡進行連接，測試系統原理示意圖如圖2所示。

自動測試系統根據上位機預設的測試用例，主控模塊控制DO模塊給閥門控制單元發送開閥/關閥指令，以及閥門狀態反饋信號，再通過DI模塊信號采集閥門控制單元的實際狀態，通信模塊獲取閥門控制單元的網絡信號，最后將采集的信號發送給上位機。上位機軟件對測試數據進行分析和處理，將測試結果實時展示給用戶，并生成詳細的測試報告。

2.3.3" 硬件架構

閥門電氣控制柜自動測試系統硬件采用美國國家儀器（NI）公司開發的PXI 硬件平臺，主要由電源模塊、通信交換機，以及基于實時PXI終端作為下位機組成。下位機主控制器采用NI嵌入式控制器（PXIe-8840），使用2.6 GHz四核處理器，可用于處理器密集型、模塊化儀器和數據采集應用。信號采集和輸出采用NI數字可重配置模塊（PXIe-7820），提供用戶可編程的FPGA，借助LabVIEW FPGA，數字線可單獨配置為輸入、輸出。閥門控制柜單元要求的開關量輸入和輸出信號都要求無源，而PXIe-7820模塊采用電壓信號作為邏輯判斷，因此搭配ATM32和ATM33調理板卡轉換為無源開關量信號使用。上位機采用裝有LabVIEW軟件的Windows系統計算機。測試系統硬件架構如圖3所示。

2.3.4" 軟件架構

系統軟件采用美國國家儀器（NI）公司推出的圖形化編程語言（LabVIEW）編寫，通過拖拽和連接圖標（VI，Virtual Instrument）構建程序，具有直觀、簡便的特點。搭配PXI硬件平臺，能夠實現高效的搭建自動控制系統軟件。軟件主要包括測試流程控制、數據分析與處理、人機交互界面幾部分[3]。系統主程序流程圖如圖4所示。

軟件主要有手動和自動2種工作模式。在手動測試模式下，測試人員通過上位機界面對某個閥門單元發送控制指令，上位機上實時顯示閥門的狀態及通信狀態，供測試人員判斷結果是否正確，因此可通過模擬各種實際工況，對閥門控制單元進行全面測試。而自動測試功能是軟件的核心，通過導入預設的測試用例，軟件通過控制DO模塊向閥門電氣控制柜發送控制指令，以及閥門狀態反饋信號，實時讀取DI模塊采集的反饋信號。采用LabVIEW中的Modbus通信模塊[4]，實時讀取網絡信號，判斷閥門控制單元是否按照預設的要求進行動作，并將測試結果保存，如圖5所示。

為了方便進行操作和查看測試結果，通過LabVIEW開發了一套直觀的人機交互界面。界面設計簡潔明了，操作便捷。測試人員可以通過界面設置測試參數、啟動測試流程、查看實時測試數據和測試結果等。

2.4" 應用效果對比

為了驗證自動測試系統的有效性和可靠性，通過對某核電項目的一臺閥門電氣控制柜進行測試。該閥門電氣控制柜共有閥門控制單元30個（包含通用電動閥單元22個，電磁閥控制單元8個）。采用常規人工測試方法平均每個閥門單元用時約8 min，而采用自動測試系統時平均用時可縮短至2 min（主要受限制于不同閥門單元保護延時測試的等待時間），測試效率可提高約75%，并且沒有測試差錯出現。從多方面對自動測試方法的優劣進行評估，包括測試效率、準確性、測試投入等[5]，見表1。

在測試效率上，自動測試方法比常規測試方法有很大的優勢；在準確性上，自動測試系統準確性更高；人力投入上，常規測試方法人力投入更多；而在設備投入上，自動測試系統成本更高，但是考慮到設備長期使用，并可通過軟件升級適應其他設備測試需求，因此實際綜合投入并不高。

3" 結束語

本文分析了閥門電氣控制柜的原理和測試方法，設計了一套基于LabVIEW的自動測試系統，實現了對閥門電氣控制柜自動測試，并生成詳細的測試記錄。通過試驗驗證了該系統相較于傳統方法具有高效的特點。但仍存在一些需要改進的地方，系統的智能化程度也需要進一步加強，例如，測試過程中的開關狀態切換仍需依賴于人工操作。該系統能夠為閥門電氣控制柜的自動測試提供了有力支持，也為其他類似設備的自動測試提供參考和借鑒。

參考文獻：

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[4] 李江全.LabVIEW虛擬儀器入門與測控應用100例[M].北京：電子工業出版社，2022.

[5] 文景，賀先建，陳釗.核電廠安全級DCS系統響應時間自動測試方法研究[J].儀器儀表用戶，2019（12）：51-55.