核电厂控制棒定位器线圈测试软件设计及实现

卢 建，朱鹏飞，蔡昊廷，黄 靖

（中核核电运行管理有限公司 维修三处，浙江 海盐 314300）

0 引言

核电厂控制棒定位器线圈在每年的大修时都需要进行检修，检修的对象包括33组原边线圈、辅助线圈、A组线圈、B组线圈、C组线圈、D组线圈、E组线圈，检测项目包括绝缘电阻和直流电阻。

由于仅仅测试绝缘电阻和直流电阻，无法全面地反映控制棒定位器线圈的特性，现有的测量方式效率较低，同时具有安全隐患。因此，本文设计了一套专用测试平台，用于对33组控制棒定位线圈的绝缘电阻、直流电阻、电感、电容进行测试（测试平台如图1）。

本软件是运行在该平台中的专用测试软件，用于进行人机交互，控制设备进行测试以及进行测试数据的记录以及二次分析处理。

1 软件功能分析

1.1 功能分解

根据设备实际的使用场景，本软件主要需实现如下功能：

图1 测试平台结构图Fig.1 Test platform structure diagram

1）测试前的自检功能

① 在测试前，软件需控制设备完成自检操作，保证设备功能正常，具备进行测试的条件；② 主要检查上下位机通讯是否正常，高压输出、接口卡控制是否正常。

2）主界面人机交互功能

① 可实现测试项的项目选择和顺序调整；② 可进行测试模式的选择，模式提供一键自动测试或手动测试两种测试模式。

3）测试设置功能

① 绝缘电阻测试设置：可对绝缘电阻的合格判据进行设置，由于绝缘测试完毕后需要进行充分地放电，因而软件需要可对放电时间进行设置。

② 直流电阻测试设置：可对直流电阻的合格判据进行设置。

③ 电感测试设置：可对电感的测试频率进行设置，可对电感测试的合格判据进行设置。

④ 电容测试设置：可对电容的测试频率进行设置，可对电容测试的合格判据进行设置。

4）测量及结果显示功能

① 绝缘电阻测量及结果显示：可进行绝缘电阻的测量及显示，测量完成后，将自动进行放电操作。

② 直流电阻测量、电感测量、电容测量及结果显示：可进行直流电阻的测量操作并显示测量值，测量时根据测试设置的频率值提供测试频率，根据测试设置的合格判据对测量值进行判定，同时显示是否合格的信息。

5）报表导出功能

测试完成后，可根据测试结果自动生成测试报表。

1.2 运行流程

根据对软件功能需求的分析，本测试软件的整体运行流程图如图2。

图2 软件运行整体流程图Fig.2 Overall flow chart of software operation

2 开发语言

本软件相关器使用的软件开发环境为LabVIEW，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，LabVIEW使用图形化的编程语言G编写程序。与其他的计算机语言不同，G语言通过一个个逻辑控件与程序框图来代替文本进行编程，具有强大的数据处理功能以及简便的控制虚拟仪器的能力。其图形化的界面使软件开发变得更加容易，可以更快速地构建各种应用所需的工具，快速地解决实际工程问题，提高了开发的效率。本软件相关的软件部分运行在Windows10操作系统，使用的LabVIEW版本为LabVIEW2020的版本。

图3 测试软件整体架构图Fig.3 Overall architecture of the test software

3 技术路线

根据软件需求分析，本系统软件使用“上/下位机”软件组织架构，以便发挥它们各自的特点进行协作配合，共同完成测试工作。

上位机软件是面向操作人员的，所以让其运行在Microsoft Windows操作系统上。该操作系统也是广大操作人员所熟悉的操作系统，操作人员易于接受和使用。上位机软件提供“GUI图形操作人员界面”给操作人员来操作本“测试系统”。“GUI图形操作人员界面”相比文本界面，操作和显示将更为直观，人机交互更为友好，表达信息的能力更强。

上位机软件使用组态软件进行开发，组态软件具备简明、直观、易用的图形编程方式特点，开发和维护效率高。

下位机软件运行于实时操作系统内，具备“实时响应”的特点，有利于下位机软件在规定时间内完成某项测试动作，因此使用下位机软件进行“测试执行”。

“上位机”软件和“下位机”软件使用网络通讯等方式进行数据交互。

本文仅对上位机软件进行说明。

4 软件整体架构

核电厂控制棒定位器线圈测试软件整体架构如图3。软件整体架构包含4层，由下至上依次为：硬件层、设备控制层、测试层、人机交互层。

4.1 硬件层

硬件层主要包括本软件的硬件控制对象，主要包括绝缘测量卡、LCR电桥、接口卡、高压模块等。

表1 软件功能实现对照表Table 1 Software function realization comparison table

4.2 设备控制层

设备控制层主要包括对下位机测试装置的控制函数，包括电桥设置控制.vi、高压模块控制.vi、接口卡控制.vi、接口卡模式控制.vi以及更加底层的串口发送指令.vi、串口接收指令.vi、高压模块采集指令.vi、高压模块档位指令.vi、高压模块控制指令.vi、建立连接.vi、接口卡复位控制指令.vi、接口卡模式控制指令.vi、接口卡通道控制指令.vi、状态查询指令.vi等。

4.3 测试层

测试层主要包括软件执行测试操作时涉及的函数，包括高压自检.vi、自检函数.vi、电桥测试.vi、高压测试.vi、运行函数.vi、放电函数.vi等。

4.4 人机交互层

人机交互层主要包括软件中与人机交互相关的函数，包括主界面.vi、存储配置.vi、读取配置.vi、配置路径.vi等。

5 设计实现

5.1 功能实现对照表

前文的软件架构图是从横向的层次结构对软件进行了一个划分，如果从纵向功能结构对软件进行划分的话，会得到表1。

下面分层对重要函数的实现进行介绍。

5.2 设备控制层功能实现

5.2.1 电桥设置控制功能

由于电桥采用标准设备，该设备提供了标准的RS232串口通讯用于远程控制设备的测量操作。本测试软件需要使用到电桥的电阻、电感、电容测量功能，因此本软件需具备电桥的模式设置功能、参数配置功能、数据传输功能等。这些功能通过测试功能设定以及串口发送指令函数实现，具体程序实现框图如图4。

图4 电桥设置控制功能程序图Fig.4 Program diagram of bridge setting control function

图5 高压模块控制功能程序图Fig.5 High-voltage module control function program diagram

5.2.2 高压模块控制功能

高压模块控制功能用于绝缘电阻测量模式时，提供高压信号的控制。当该模块运行时，首先判断当前的测试要求与上一次的测试要求（高压值）是否相同。若相同，则不需要再进行高压档位的切换；若不相同，则需根据设定的高压值切换至相应的档位，然后进行高压输出指令输出，程序实现如图5。

5.2.3 接口卡控制功能

接口卡的主要功能为在33组测量通道间进行切换，板卡上主要的元器件为高压继电器。接口卡控制功能在接收到继电器切换通道的指令后，同样地会先比较本次测试的通道号与上次测试的通道号是否相同。若相同，则保持上次的通道；若不同，则接口卡复位后根据测试项的通道重新进行切换。同时接口卡的状态受外部指令控制，为“开”状态时，接口卡可接受通道切换的指令；为“关”状态时，接口卡即置于复位状态。一般测试时，会将状态设定为“开”，测试完成后设定为“关”。程序实现如图6。

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

图7 电桥测试程序图Fig.7 Bridge test program diagram

5.3 测试层功能实现

5.3.1 电桥测试函数

电桥测试函数用于实现采用电桥进行测量的数据的显示与判断。若电桥测量出的数据在合格范围内，则输出测量数据以及“合格”；若测量的数据在和合格范围外，则输出“O.L”以及“不合格”。程序实现如图7。

5.3.2 高压测试函数

高压测试函数用于测试高压输出是否正常。若回采的电压值大于100V，则认为高压输出正常；若采集的电压值小于100V，则认为高压输出不正常。程序实现如图8。

5.3.3 放电函数

放电函数用于每次绝缘测量后的放电操作，放电操作具体为在接收到放电指令后，对接口卡进行模式控制，控制接口卡切换到需要放电的通道，并且保持设定的时间（此值操作人员可通过配置界面进行设置，当前为最小值200ms）后断开。程序实现如图9。

5.4 人机交互层设计

5.4.1 界面设计方法

本系统中，“测试软件”具有面向操作人员的人机界面。作为面向操作人员的人机界面，应能方便操作人员使用，因此本系统软件采用了以下的界面设计方法。

图8 高压测试程序图Fig.8 High voltage test program diagram

图9 放电函数程序图Fig.9 Discharge function program diagram

5.4.1.1 图形化

本“测试系统”管理的测试设备众多，为易于操作人员使用，人机界面上主要采用图形化的方式。

图形化的方式，具备生动、形象的特点，结合行业通用的标识符，可让操作人员不用改变使用习惯，轻松识别被测对象，轻松进行测试工作等。

5.4.1.2 GUI操作人员界面设计规范

良好的GUI操作人员界面设计可方便操作人员的使用，本软件采用如下的设计规范：

1）统一的风格布局。比如各种对话框窗口，其窗口内的确定、取消按钮尽可能放在窗口的某一个固定方向。

2）界面配色统一，且采用素淡色系为主，简洁明快。颜色选择避免太多，对于特别强调的地方使用红色、黄色、绿色等鲜明的基础颜色。

3）界面元素标识统一。比如一个AI信号，在所有的界面上都统一使用同一种标识，便于操作人员一眼就看清楚是何种信号，尤其在本系统中，信号数量庞大，通过这种统一标识，有利于减轻操作人员负担。

4）形状标识。界面中某些地方，除了以颜色等来标识外，还尽可能配合采用形状标识，便于操作人员快速识别。

5）主要功能去菜单化。不要将主要功能放在菜单中，而是使用一眼可以看到的界面元素来代替。

6）快捷操作设计。界面元素除了使用鼠标操作外，还要尽量设置键盘热键，便于操作人员快捷操作；遵从使用习惯。遵从操作人员长久以来形成的使用习惯，比如“Esc”键就是关闭窗口并取消输入，“Enter”键就是窗口默认按钮并表示确认输入，“F1”键一般用于在线帮助等。

人机交互界面是与使用者直接相关的界面，所有人机交互的功能均通过界面进行体现。界面设计的是否合理很大程度上影响了本软件的实际运行效果，下面重点介绍本软件的主界面、测试配置界面和测试界面。

5.4.2 主界面

主界面包含自动测试、绝缘电阻测试、直流电阻测试、电容测试、电感测试选项。在进行自动测试时，可以将绝缘电阻、直流电阻、电容、电感一次性测试完，也可以调整测试顺序，在测试界面选择测试项后启用测试，点击开始后，系统将会开始进行自动测试。主界面如图10。

图11 测试配置界面图Fig.11 Test configuration interface diagram

图10 主界面图Fig.10 Main interface diagram

5.4.3 测试配置界面

测试配置界面可以设置绝缘电阻、直流电阻、电容、电感的合格判据上限及下限，以及测量电压、测量时间以及测量频率等，测试配置界面如图11。

5.4.4 测试界面

测试界面以绝缘电阻测试为例进行说明。在进行绝缘电阻测试时，测试表格内容依次为棒束（位置）、内容、测量电压，测量值、合格判据、采集时间以及测试结果，绝缘电阻测量界面右侧的选项卡可以进行全选，也可以自由勾选；在勾选完成后，点击右下方的“开始”选项进行测试；测试完成后，可以点击“生成报表”将测试的数据生成报表保存在电脑中。其测试的量程为1MΩ～50MΩ，测量精度为2.0级，绝缘电阻测量界面如图12。

6 结束语

本软件已成功应用在核电厂控制棒定位器线圈专用测试装置上，并已于秦二厂现场进行了测试。软件操作基本满足现场测试要求，在界面的表现上还需要进行优化调整。该软件基于LabVIEW实现，可运行于核电厂控制棒定位器线圈专用测试平台，通过使用该软件，能够大大简化测试人员的测试流程，提高测试效率和安全性，并可一键导出测试数据，可用于后续的分析处理。

图12 绝缘电阻测试界面Fig.12 Insulation resistance test interface