數字化堆外核測量系統設計與實現

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)

數字化堆外核測量系統設計與實現

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的數字化改造需求，設計了一種基于LabVIEW平臺的堆外核測量系統，并解決了該系統傳統上位機顯示功能單一、無數據記錄和存儲功能、無運行性能監測功能、無用戶管理功能等問題。充分運用該平臺的內存優化、面向對象編程、高級控件應用、報表工具包等技術，建立了一套集就地音頻控制、數據采集和處理于一體的上位機系統，并使之滿足數字化系統的要求。該系統在運行性能監測、故障自診斷等方面作了創新性研究，在監測范圍、數據可靠性和顯示等方面作了重大提升。綜合運用計算機和數據庫等多學科技術，詳細闡述了程序架構的設計、人機交互界面的設計、通信網絡搭建、子界面的動態調用等實現方法。陽江核電廠3號機組的堆上試驗結果表明，該系統具有配置方便、易擴展、運行穩定、數據處理能力強等優點。

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

0 引言

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

本文結合數字化堆外核測量系統的特點[1]，設計了更加穩定、可靠的上位機軟件。系統通過數據記錄和監控(datalogging and supervisory control，DSC)模塊存儲計數率、平均功率、電流和倍增時間等關鍵數據，并以歷史趨勢曲線和實時數據曲線2種方式加以顯示[2]；使用SQL Server關系型數據庫保存原始數據報文，并可生成任意時刻所有變量的數值或狀態報表，實現了數據的可追溯；將系統運行狀態監測定位到板卡級，實現了對故障點的快速跟蹤。通過監控網絡通信狀態和軟件運行性能，保證了系統在換料周期(18個月)內的平穩、安全運行。

系統上位機以LabVIEW 2015作為開發環境。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和大量的高級信號分析工具，可以與多種主流的工業現場總線通信，并與大多數通用標準的數據庫連接[3]。

1 總體框架

1.1 系統介紹

堆外核測量系統的主要功能包括：對測量的信號加以記錄和顯示，向操作員提供反應堆狀態信息；向反應堆控制系統提供控制信號；通過功率通道的信號，計算并測量反應堆徑向功率傾斜和軸向功率偏差等；向保護系統提供信號，觸發反應堆緊急停堆[1]。該系統主要設備包括中子探測器、4組保護機柜、1組控制機柜以及配套硬件設備和應用軟件。上位機在控制機柜中的工業計算機中運行。

數字化堆外核測量系統與模擬儀控系統相比，主要區別在于前者引入了數字化技術。其體現在以下2個方面：①以微處理器或FPGA技術作為保護機柜的控制處理單元，取代了純硬件模擬電路設計方法；②采用以數字化為基礎的軟件技術，實現系統功能。中子探測器信號經保護機柜處理后，通過用戶數據報協議(user datagram protocol，UDP)傳送到控制機柜中，以指示和記錄當前反應堆的運行狀態。反應堆從啟動至滿功率運行的過程中，系統采用3種不同量程(共8個通道)來測量反應堆功率，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 上位機程序結構設計

系統上位機負責接收Ⅰ～Ⅳ保護機柜傳送的原始數據報文，并對數據進行運算和邏輯處理；以虛擬語言取代下層保護機柜的部分信號處理電路，降低了開發成本，提高了數據的可靠性。系統程序架構設計分為交互層、處理層和接口層。

①交互層：負責處理操作員的操作請求和顯示信息，包括監測通道界面的切換、系統參數配置、中子注量率水平及對應報警指示、歷史數據和曲線查詢、中英文顯示轉換等。

②處理層：作為軟件的核心部分，負責實時報文數據解析、參數運算處理、變量邏輯變換、用戶管理及登陸權限管控[5]、DSC模塊中報警和事件的處理算法，以及數據庫的讀寫操作等。

③接口層：采用UDP搭建數據傳輸鏈路，開放9個特定端口與下位機系統建立通信連接，實時監控保護機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?；謴凸δ?。

系統上位機功能架構框圖如圖1所示。

圖1 上位機功能架構框圖

2 系統設計

2.1 人機交互界面設計

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

人機界面共有4個Tab頁，分別是主監測區、配置區、記錄區和說明區[6-7]。主監測區包括13個監測界面，用于顯示各通道測量的堆功率、系統運行工況、通信狀態、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1個板卡狀態監測子界面，顯示該通道所包含功能板卡的運行狀態；配置區負責連接軟件與SQL Server數據庫，切換中英文顯示方式切換以及配置UDP通信協議配置等；記錄區負責打印網絡數據報表，報警和事件記錄表等；說明區包含系統功能介紹和軟件使用說明。

Office風格的界面切換控件采用XControl技術開發。雖然LabVIEW提供了豐富的控件，且每個控件是面向對象的層次繼承結構，但其屬性和方法都是相對固定的[2]。

XControl技術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行；屬性和方法則允許用戶以編程方式配置控件，用于實現其強大的顯示功能。本文設計了Office功能選板控件的“數據”、“狀態”、“外觀”和“初始化”4種功能。Office Data.ctl定義了控件輸出的數據類型為“字符串”；Office State.ctl定義了1個簇，包含控件內部傳輸的數據及其數據類型；Office Init.vi包含系統初始化時，控件需要執行的初始化內容；Office Facade.vi以事件形式定義控件的功能，即通過“數據更改”、“顯示狀態更改”、“方向更改”、“執行狀態更改”和“控件按鈕值改變”這5個事件結構，依次實現更新外觀、功能分區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外觀、識別被按下的命令按鈕等功能。

圖2 人機界面結構圖

2.2 通信設計

上位機讀取數據報文流程如圖3所示。

圖3 上位機讀取數據報文流程圖

上位機接收來自9個不同UDP端口的數據報文，但不被允許向安全級的保護機柜發送信號和控制命令。由于UDP是無連接服務協議，故在程序中對通信異常添加容錯處理機制[8-9]。每個端口號對應1個采集探測器信號的通道，通過時間計時器計算在規定時間(5 s)內能否接收到數據，并將其作為判斷依據。如果無數據，則需要檢查硬件電路或者通信網絡是否發生故障；如果收到數據，則再由程序判斷報文標志位是否正確，以及報文字節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，則該通道產生通信異常報警，刪除異常報文，并讀取下一組報文數據；如果2個條件都成立，則將數據進行解析和運算，表明此次通信完成。

2.3 SubPanel技術

軟件運行時，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有多種方法實現多個子界面相互切換。采用動態載入子界面的方法，可以簡化程序框圖，適用于多界面同時對數據進行監測的情況[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屬性來實現。使用Subpanel技術的具體步驟如下。

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，并通過動態調用方式創建13個子VI引用數組。此時，所有界面的VI已經載入內存中，下一步只需通過調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，通過調用該引用的應用屬性和方法來打開前面板。主界面和子VI通過消息隊列交互數據和命令，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，同時關閉已打開的所有引用，釋放內存。

動態調用子VI程序流程如圖4所示。

圖4 動態調用子VI程序流程圖

2.4 數據庫技術

核電廠堆外核測量系統作為參與停堆保護的安全級系統，應遵循單一故障、冗余配置設計和通道獨立性等多種設計原則。其上位機對數據完整性和安全性高于一般工業標準[10]。在1個完整的換料周期內，以1 Hz的采樣率采集保護機柜傳輸的數據報文，并采用LabVIEW平臺的DSC模塊和SQL Server關系數據庫這2種方式實現對數據的存儲和查詢。

2.4.1 DSC模塊應用

DSC模塊一般用于分布式監測和控制系統，增強了共享變量的功能，擴展了LabVIEW平臺圖形化的開發環境，提供了各種工具查看數據的歷史趨勢和實時曲線[3]。反應堆從啟動至滿功率運行時，其核功率在3個量程中的動態變化表現為中子通量、電流和功率；倍增周期代表反應堆功率變化趨勢、快慢和反應堆所處的狀態；主泵轉速、一回路平均溫度用于修正功率變化率，也代表反應堆功率輸出大小。因此，每個通道都會把這些參數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置死區為0.5%(單位為%FP的參數)、精度為0.1，歷史趨勢曲線更新時間為0～12 min可調，曲線時間跨度為0～24 h內的任意值。

DSC模塊的另一個重要功能是報警和事件管理，通過配置不同預警條件，實現實時Alarm觸發和Event記錄。系統定義了與反應堆功率變化有關的觸發信號、允許信號和閉鎖信號以及監測的探測器狀態和通信狀態報警信號；系統工作狀態、操作模式以及機柜的通風、門開關等則為事件。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數據庫應用

SQL Server關系型數據庫具有使用方便、可伸縮性好、與相關軟件集成度高的特點[11]。LabVIEW的“Database Connectivity Toolkit”支持所有SQL功能，可快速實現數據庫操作。

實現調用數據庫表的子函數流程如圖5所示。

圖5 子函數流程圖

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

2.5 .NET技術應用

在反應堆一個完整料周期內，堆外核測量系統上位機必須不間斷運行。因此，系統對軟件的運行速度和內存占用量有嚴格要求。而開發程序時大量的引用和字符串會占用系統分配的內存，如果不及時清理必然造成內存泄漏、程序崩潰。使用.NET技術可實現跨平臺操作，實時監測軟件運行性能。LabVIEW與外部程序的接口一般通過調用動態鏈接庫(dynamic link library,DLL)中的函數來實現[2]，而.NET又把需要的DLL函數變成了操作系統的一部分。因此，本文直接使用.NET的類服務調用系統功能。首先，在程序框圖使用“構造器節點”創建.NET對象，用來設置對象的屬性、方法或處理事件；其次，在構造器節點中創建PerformanceCounter對象的實例，分別獲取總的CPU使用率和當前使用的內存總數；最后，調用PerformanceCounter的“NextValue”，返回計數器對象的當前值，實現了實時監測CPU使用率和軟件運行內存的目標。

3 結束語

本文分析了數字化堆外核測量系統的特點，介紹了采用LabVIEW平臺的動態調用、XControl控件、.NET應用和數據庫等多項技術開發系統上位機的過程。與目前核電站應用的系統相比，該上位機系統具有更強的數據處理能力、更穩定的性能、模塊化的設計以及高內聚、低耦合等特點。陽江核電廠3號機組的堆上試驗結果表明：該上位機與數字化堆外核測量系統匹配良好，運行流暢，實現了數據存儲和查詢等功能。

[1] 謝學濤,張衛軍.堆外核測量系統的數字化設計[J].核電子學與探測技術,2015,35(3):313-315.

[2] 陳樹學,劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業出版社,2014.

[3] 陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2014:4-5.

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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目(R-2016ZBERC001)

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

TH-3;TP311

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712010