数字化堆外核测量系统设计与实现

马军超，袁任重，郭 伟，黄自平

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000)

数字化堆外核测量系统设计与实现

马军超，袁任重，郭 伟，黄自平

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000)

为满足核电厂堆外核测量系统的数字化改造需求，设计了一种基于LabVIEW平台的堆外核测量系统，并解决了该系统传统上位机显示功能单一、无数据记录和存储功能、无运行性能监测功能、无用户管理功能等问题。充分运用该平台的内存优化、面向对象编程、高级控件应用、报表工具包等技术，建立了一套集就地音频控制、数据采集和处理于一体的上位机系统，并使之满足数字化系统的要求。该系统在运行性能监测、故障自诊断等方面作了创新性研究，在监测范围、数据可靠性和显示等方面作了重大提升。综合运用计算机和数据库等多学科技术，详细阐述了程序架构的设计、人机交互界面的设计、通信网络搭建、子界面的动态调用等实现方法。阳江核电厂3号机组的堆上试验结果表明，该系统具有配置方便、易扩展、运行稳定、数据处理能力强等优点。

核电仪控； 堆外核测量系统； LabVIEW； UDP； XControl； SubPanel； DSC模块； .NET技术

0 引言

堆外核测量系统采用分布于反应堆压力容器外的一系列中子探测器，测量反应堆功率、功率变化率以及功率的轴向分布等信息，是关系到反应堆安全运行的重要系统之一。它的可靠运行离不开稳定、高效的上位机。传统上位机具有显示监测的反应堆功率、功率变化率等信息，提供中子注量率计数以及相应的报警信号等功能。

本文结合数字化堆外核测量系统的特点[1]，设计了更加稳定、可靠的上位机软件。系统通过数据记录和监控(datalogging and supervisory control，DSC)模块存储计数率、平均功率、电流和倍增时间等关键数据，并以历史趋势曲线和实时数据曲线2种方式加以显示[2]；使用SQL Server关系型数据库保存原始数据报文，并可生成任意时刻所有变量的数值或状态报表，实现了数据的可追溯；将系统运行状态监测定位到板卡级，实现了对故障点的快速跟踪。通过监控网络通信状态和软件运行性能，保证了系统在换料周期(18个月)内的平稳、安全运行。

系统上位机以LabVIEW 2015作为开发环境。LabVIEW是美国NI公司推出的图形化编程语言，它提供了各种信号处理函数和大量的高级信号分析工具，可以与多种主流的工业现场总线通信，并与大多数通用标准的数据库连接[3]。

1 总体框架

1.1 系统介绍

堆外核测量系统的主要功能包括：对测量的信号加以记录和显示，向操作员提供反应堆状态信息；向反应堆控制系统提供控制信号；通过功率通道的信号，计算并测量反应堆径向功率倾斜和轴向功率偏差等；向保护系统提供信号，触发反应堆紧急停堆[1]。该系统主要设备包括中子探测器、4组保护机柜、1组控制机柜以及配套硬件设备和应用软件。上位机在控制机柜中的工业计算机中运行。

数字化堆外核测量系统与模拟仪控系统相比，主要区别在于前者引入了数字化技术。其体现在以下2个方面：①以微处理器或FPGA技术作为保护机柜的控制处理单元，取代了纯硬件模拟电路设计方法；②采用以数字化为基础的软件技术，实现系统功能。中子探测器信号经保护机柜处理后，通过用户数据报协议(user datagram protocol，UDP)传送到控制机柜中，以指示和记录当前反应堆的运行状态。反应堆从启动至满功率运行的过程中，系统采用3种不同量程(共8个通道)来测量反应堆功率，即2个源量程通道、2个中间量程通道和4个功率量程通道[4]。

1.2 上位机程序结构设计

系统上位机负责接收Ⅰ～Ⅳ保护机柜传送的原始数据报文，并对数据进行运算和逻辑处理；以虚拟语言取代下层保护机柜的部分信号处理电路，降低了开发成本，提高了数据的可靠性。系统程序架构设计分为交互层、处理层和接口层。

①交互层：负责处理操作员的操作请求和显示信息，包括监测通道界面的切换、系统参数配置、中子注量率水平及对应报警指示、历史数据和曲线查询、中英文显示转换等。

②处理层：作为软件的核心部分，负责实时报文数据解析、参数运算处理、变量逻辑变换、用户管理及登陆权限管控[5]、DSC模块中报警和事件的处理算法，以及数据库的读写操作等。

③接口层：采用UDP搭建数据传输链路，开放9个特定端口与下位机系统建立通信连接，实时监控保护机柜上传的指定格式报文。接口层具备通信故障自检和通信异常恢复功能。

系统上位机功能架构框图如图1所示。

图1 上位机功能架构框图

2 系统设计

2.1 人机交互界面设计

目前，核电厂的电气、仪控等系统都以图像显示单元作为人机交互的平台。堆外核测量系统是核电厂保护的重要系统之一，因而其更加需要具备良好的人机交互能力。上位机采用Office风格的功能选板作为人机交互的主要方式，其界面划分如图2所示。

人机界面共有4个Tab页，分别是主监测区、配置区、记录区和说明区[6-7]。主监测区包括13个监测界面，用于显示各通道测量的堆功率、系统运行工况、通信状态、报警和事件的记录等信息。其中，源量程、中间量程、功率量程的8个通道各对应1个板卡状态监测子界面，显示该通道所包含功能板卡的运行状态；配置区负责连接软件与SQL Server数据库，切换中英文显示方式切换以及配置UDP通信协议配置等；记录区负责打印网络数据报表，报警和事件记录表等；说明区包含系统功能介绍和软件使用说明。

Office风格的界面切换控件采用XControl技术开发。虽然LabVIEW提供了丰富的控件，且每个控件是面向对象的层次继承结构，但其属性和方法都是相对固定的[2]。

XControl技术拓展了期望的属性和方法。XControl控件由功能、属性和方法组成。XControl功能组件保证了控件的正常运行；属性和方法则允许用户以编程方式配置控件，用于实现其强大的显示功能。本文设计了Office功能选板控件的“数据”、“状态”、“外观”和“初始化”4种功能。Office Data.ctl定义了控件输出的数据类型为“字符串”；Office State.ctl定义了1个簇，包含控件内部传输的数据及其数据类型；Office Init.vi包含系统初始化时，控件需要执行的初始化内容；Office Facade.vi以事件形式定义控件的功能，即通过“数据更改”、“显示状态更改”、“方向更改”、“执行状态更改”和“控件按钮值改变”这5个事件结构，依次实现更新外观、功能分区Tab页面切换、控件伸缩和禁用指定功能、模式变化时更新相应外观、识别被按下的命令按钮等功能。

图2 人机界面结构图

2.2 通信设计

上位机读取数据报文流程如图3所示。

图3 上位机读取数据报文流程图

上位机接收来自9个不同UDP端口的数据报文，但不被允许向安全级的保护机柜发送信号和控制命令。由于UDP是无连接服务协议，故在程序中对通信异常添加容错处理机制[8-9]。每个端口号对应1个采集探测器信号的通道，通过时间计时器计算在规定时间(5 s)内能否接收到数据，并将其作为判断依据。如果无数据，则需要检查硬件电路或者通信网络是否发生故障；如果收到数据，则再由程序判断报文标志位是否正确，以及报文字节长度是否与此通道一致。如果2个条件中的任意1个不成立，则该通道产生通信异常报警，删除异常报文，并读取下一组报文数据；如果2个条件都成立，则将数据进行解析和运算，表明此次通信完成。

2.3 SubPanel技术

软件运行时，涉及主界面、8个通道界面以及功能界面等13个子界面的相互切换。LabVIEW有多种方法实现多个子界面相互切换。采用动态载入子界面的方法，可以简化程序框图，适用于多界面同时对数据进行监测的情况[2]。子界面与主界面的通信可通过读写子界面控件引用的Value属性来实现。使用Subpanel技术的具体步骤如下。

①将Subpanel作为1个容器。在主界面虚拟仪器(virtual instrument,VI)的前面板中放入该容器，并通过动态调用方式创建13个子VI引用数组。此时，所有界面的VI已经载入内存中，下一步只需通过调用方法即可打开子界面的前面板。

②用前面板XControl控件的功能按钮来切换插入主界面的子界面引用，通过调用该引用的应用属性和方法来打开前面板。主界面和子VI通过消息队列交互数据和命令，解决了窗口之间相互重叠的问题。

③退出软件时，清除所有VI，同时关闭已打开的所有引用，释放内存。

动态调用子VI程序流程如图4所示。

图4 动态调用子VI程序流程图

2.4 数据库技术

核电厂堆外核测量系统作为参与停堆保护的安全级系统，应遵循单一故障、冗余配置设计和通道独立性等多种设计原则。其上位机对数据完整性和安全性高于一般工业标准[10]。在1个完整的换料周期内，以1 Hz的采样率采集保护机柜传输的数据报文，并采用LabVIEW平台的DSC模块和SQL Server关系数据库这2种方式实现对数据的存储和查询。

2.4.1 DSC模块应用

DSC模块一般用于分布式监测和控制系统，增强了共享变量的功能，扩展了LabVIEW平台图形化的开发环境，提供了各种工具查看数据的历史趋势和实时曲线[3]。反应堆从启动至满功率运行时，其核功率在3个量程中的动态变化表现为中子通量、电流和功率；倍增周期代表反应堆功率变化趋势、快慢和反应堆所处的状态；主泵转速、一回路平均温度用于修正功率变化率，也代表反应堆功率输出大小。因此，每个通道都会把这些参数解析后写入共享变量中，从多变量编辑器中开启记录功能并设置死区为0.5%(单位为%FP的参数)、精度为0.1，历史趋势曲线更新时间为0～12 min可调，曲线时间跨度为0～24 h内的任意值。

DSC模块的另一个重要功能是报警和事件管理，通过配置不同预警条件，实现实时Alarm触发和Event记录。系统定义了与反应堆功率变化有关的触发信号、允许信号和闭锁信号以及监测的探测器状态和通信状态报警信号；系统工作状态、操作模式以及机柜的通风、门开关等则为事件。例如在堆功率上升阶段，中间量程测量通道随着堆功率的上升，所产生的允许信号、闭锁信号、紧急停堆信号都是报警信号。

2.4.2 SQL Server数据库应用

SQL Server关系型数据库具有使用方便、可伸缩性好、与相关软件集成度高的特点[11]。LabVIEW的“Database Connectivity Toolkit”支持所有SQL功能，可快速实现数据库操作。

实现调用数据库表的子函数流程如图5所示。

图5 子函数流程图

在通信模块中，如果数据报文有效，则首先通过数据库连接引用。使用数据库的API函数获取本地计算机数据库中的表目录，并从目录中搜索目标表名称。如果能够找到目标表，即执行数据存储操作；如果搜索为空，则以目标表为表名称创建新表，并按照测量的通道数目共创建9个数据表。以日期和通道号相结合的方式作为目标表名，每个表存储24 h的原始数据。

2.5 .NET技术应用

在反应堆一个完整料周期内，堆外核测量系统上位机必须不间断运行。因此，系统对软件的运行速度和内存占用量有严格要求。而开发程序时大量的引用和字符串会占用系统分配的内存，如果不及时清理必然造成内存泄漏、程序崩溃。使用.NET技术可实现跨平台操作，实时监测软件运行性能。LabVIEW与外部程序的接口一般通过调用动态链接库(dynamic link library,DLL)中的函数来实现[2]，而.NET又把需要的DLL函数变成了操作系统的一部分。因此，本文直接使用.NET的类服务调用系统功能。首先，在程序框图使用“构造器节点”创建.NET对象，用来设置对象的属性、方法或处理事件；其次，在构造器节点中创建PerformanceCounter对象的实例，分别获取总的CPU使用率和当前使用的内存总数；最后，调用PerformanceCounter的“NextValue”，返回计数器对象的当前值，实现了实时监测CPU使用率和软件运行内存的目标。

3 结束语

本文分析了数字化堆外核测量系统的特点，介绍了采用LabVIEW平台的动态调用、XControl控件、.NET应用和数据库等多项技术开发系统上位机的过程。与目前核电站应用的系统相比，该上位机系统具有更强的数据处理能力、更稳定的性能、模块化的设计以及高内聚、低耦合等特点。阳江核电厂3号机组的堆上试验结果表明：该上位机与数字化堆外核测量系统匹配良好，运行流畅，实现了数据存储和查询等功能。

[1] 谢学涛,张卫军.堆外核测量系统的数字化设计[J].核电子学与探测技术,2015,35(3):313-315.

[2] 陈树学,刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社,2014.

[3] 陈锡辉,张银鸿.LabVIEW程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2014:4-5.

[4] 毛欢,熊文彬,阙骥,等.核电站堆外核测量系统的原理及工程实践[J].核电子学与探测技术,2014,34(6):758-760.

[5] 万文略,崔冰波.LabVIEW在测控系统登录与管理中的应用[J].自动化仪表,2012,33(4):30-34.

[6] 张学刚.核电厂数字化人机界面运行技术研究[J].核科学与工程,2010,30(sl):58-61.

[7] SHNEIDERMAN B,PLAISANT C.用户界面设计:有效的人机交互策略[M].张国印,李健利,汪滨琦,等,译.北京:电子工业出版社,2011.

[8] 赵飞,叶震.UDP协议与TCP协议的对比分析与可靠性改进[J].计算机技术与发展,2006,16(9):219-221.

[9] 郑建军,杜克峰,孟海涛,等.多通道时频信号监测评估测试系统的设计与实现[J].自动化仪表,2017,38(1):65-68.

[10]彭锦,金思奇,黄美良.福岛后压水堆核电厂堆外核测量系统设计浅析[J].核科学与工程,2012,32(2):11-12.

[11]明日科技.SQL Server从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2012.

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

中广核研究院院级科研基金资助项目(R-2016ZBERC001)

马军超(1987—)，男，硕士,工程师，主要从事核电站仪控系统的研发和设计工作，E-mail:majunchao@cgnpc.com.cn

TH-3;TP311

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712010