閥門電氣控制柜自動測試方法研究

摘" 要：隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，自動測試技術(shù)已經(jīng)得到廣泛運(yùn)用。閥門電氣控制柜作為核電控制系統(tǒng)中的重要組成部分，傳統(tǒng)的測試方法依賴于人工操作，測試效率和準(zhǔn)確性較低。該文首先分析閥門電氣控制柜測試原理及傳統(tǒng)測試方法的局限性，隨后詳細(xì)闡述基于LabVIEW的自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、總體架構(gòu)，軟硬件組成和關(guān)鍵的測試流程。通過實(shí)際測試驗(yàn)證該系統(tǒng)在提高測試效率方面的顯著優(yōu)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(shí)也為其他類似設(shè)備的自動測試提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：閥門電氣控制柜；自動測試；LabVIEW；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號：TL362.7" " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)中不可或缺的組成部分，其主要功能是對閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)、調(diào)節(jié)、監(jiān)視等功能，對于保障工藝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用[1]。同時(shí)閥門電氣控制柜還廣泛應(yīng)用于石油、化工、水處理等領(lǐng)域，因此對閥門電氣控制柜進(jìn)行定期、準(zhǔn)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(yè)自動化水平的不斷提高，自動測試技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。自動測試系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)的測試用例和自動化腳本，模擬用戶行為，自動執(zhí)行測試流程，并實(shí)時(shí)收集和分析測試結(jié)果。不僅能夠大幅度減少人工測試的工作量和時(shí)間成本，還提高了測試的覆蓋率和準(zhǔn)確性。對于閥門控制柜這種具有高度重復(fù)性的工作，采用自動測試系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)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(guān)閉以及監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)的集成電氣控制設(shè)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(tài)監(jiān)視單元、電氣管理單元和人機(jī)交互界面等，以實(shí)現(xiàn)對閥門的遠(yuǎn)程操作和狀態(tài)監(jiān)視。以下是閥門電氣控制柜的幾個關(guān)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動控制功能，通過接觸器來控制動力回路的通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對下游閥門的打開、關(guān)斷、中?？刂?。

保護(hù)功能，閥門控制單元為閥門電機(jī)提供熱過載、短路等電氣保護(hù)，對控制線路提供短路保護(hù)。故障情況下能迅速動作，防止電氣火災(zāi)或設(shè)備損壞，保障人員和財(cái)產(chǎn)安全。

監(jiān)視功能，在閥門電氣控制柜上顯示控制電源狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)視閥門的工作狀態(tài)，并將閥門運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警等信號通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上層監(jiān)控設(shè)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(nèi)容主要是對閥門電氣控制單元的控制和監(jiān)視功能進(jìn)行檢查。通過模擬上層設(shè)備的開閥、關(guān)閥指令，檢查閥門控制單元是否按照指令正常動作；同時(shí)還需要模擬下游閥門的反饋狀態(tài)指令，檢查閥門狀態(tài)監(jiān)視單元的指示狀態(tài)，以及發(fā)送的遠(yuǎn)傳狀態(tài)信號指示是否正確；測試過程中，通過電腦監(jiān)視閥門動作狀態(tài)的外部通信指示是否正確。

2.2" 常規(guī)測試方法

2.2.1" 測試環(huán)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(jìn)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(dǎo)致測試過程中信號模擬和采集測量點(diǎn)存在多樣性。常規(guī)的手動測試工作主要包括信號模擬、信號測量和信號監(jiān)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(huán)境如圖1所示。

2.2.2" 測試方法

以某核電項(xiàng)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(hù)開關(guān)分別置于“投入”和“切除”狀態(tài)下，測試人員A模擬上層設(shè)備開閥（關(guān)閥）操作，測試人員B檢查控制單元開閥（關(guān)閥）接觸器狀態(tài)；測試人員A在超時(shí)保護(hù)時(shí)間定值內(nèi)（或超過定值情況下）模擬開閥（關(guān)閥）到位信號，測試人員B檢查對應(yīng)閥門開啟（關(guān)閉）狀態(tài)輸出信號觸點(diǎn)狀態(tài)；期間測試人員C通過電腦監(jiān)視對應(yīng)閥門的外部通信信號（Modbus/RTU協(xié)議），并做好試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。

2.2.3" 方法缺點(diǎn)

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(fù)進(jìn)行開關(guān)閥信號狀態(tài)模擬和測量。而在一個核電項(xiàng)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(jìn)行測試，這就導(dǎo)致測試需要投入的人力成本比較多。同時(shí)在反復(fù)的人工測試操作中，不可避免地出現(xiàn)人因差錯的問題，導(dǎo)致測試結(jié)果的準(zhǔn)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(diǎn)，利用LabVIEW軟件能夠直接與各種硬件設(shè)備（如傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、測量儀器等）通信的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合利用現(xiàn)在成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一套測試裝置實(shí)現(xiàn)自動模擬上層設(shè)備的閥門操作指令，并模擬閥門就地的狀態(tài)反饋信號，同時(shí)記錄通信數(shù)據(jù)的功能。自動測試系統(tǒng)包括硬件和軟件2部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對閥門電氣控制柜的控制功能的自動測試，并輸出詳細(xì)的測試報(bào)告[2]。從而避免了測試效率低、易出現(xiàn)人因差錯的問題。

2.3.1" 設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)

在設(shè)計(jì)閥門電氣控制柜自動測試系統(tǒng)時(shí)，遵循了以下原則：首先，系統(tǒng)具有高可靠性和穩(wěn)定性，能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；其次是有易用性和可擴(kuò)展性，方便操作和維護(hù)，并適應(yīng)不同類型的閥門控制單元的測試需求；最后系統(tǒng)具有高效性和準(zhǔn)確性，能夠快速完成測試工作并準(zhǔn)確判斷測試結(jié)果。

2.3.2" 系統(tǒng)組成與工作原理

閥門電氣控制柜自動測試系統(tǒng)主要由測試裝置機(jī)柜和上位機(jī)組成，其中測試裝置由電源模塊、主控模塊、開關(guān)量輸入（DI）模塊、開關(guān)量輸出（DO）模塊和交換機(jī)組成。測試裝置分別與上位機(jī)和閥門電氣控制柜之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，測試系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。

自動測試系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)預(yù)設(shè)的測試用例，主控模塊控制DO模塊給閥門控制單元發(fā)送開閥/關(guān)閥指令，以及閥門狀態(tài)反饋信號，再通過DI模塊信號采集閥門控制單元的實(shí)際狀態(tài)，通信模塊獲取閥門控制單元的網(wǎng)絡(luò)信號，最后將采集的信號發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，將測試結(jié)果實(shí)時(shí)展示給用戶，并生成詳細(xì)的測試報(bào)告。

2.3.3" 硬件架構(gòu)

閥門電氣控制柜自動測試系統(tǒng)硬件采用美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的PXI 硬件平臺，主要由電源模塊、通信交換機(jī)，以及基于實(shí)時(shí)PXI終端作為下位機(jī)組成。下位機(jī)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(shù)據(jù)采集應(yīng)用。信號采集和輸出采用NI數(shù)字可重配置模塊（PXIe-7820），提供用戶可編程的FPGA，借助LabVIEW FPGA，數(shù)字線可單獨(dú)配置為輸入、輸出。閥門控制柜單元要求的開關(guān)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(diào)理板卡轉(zhuǎn)換為無源開關(guān)量信號使用。上位機(jī)采用裝有LabVIEW軟件的Windows系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3所示。

2.3.4" 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)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(biāo)（VI，Virtual Instrument）構(gòu)建程序，具有直觀、簡便的特點(diǎn)。搭配PXI硬件平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的搭建自動控制系統(tǒng)軟件。軟件主要包括測試流程控制、數(shù)據(jù)分析與處理、人機(jī)交互界面幾部分[3]。系統(tǒng)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(jī)界面對某個閥門單元發(fā)送控制指令，上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示閥門的狀態(tài)及通信狀態(tài)，供測試人員判斷結(jié)果是否正確，因此可通過模擬各種實(shí)際工況，對閥門控制單元進(jìn)行全面測試。而自動測試功能是軟件的核心，通過導(dǎo)入預(yù)設(shè)的測試用例，軟件通過控制DO模塊向閥門電氣控制柜發(fā)送控制指令，以及閥門狀態(tài)反饋信號，實(shí)時(shí)讀取DI模塊采集的反饋信號。采用LabVIEW中的Modbus通信模塊[4]，實(shí)時(shí)讀取網(wǎng)絡(luò)信號，判斷閥門控制單元是否按照預(yù)設(shè)的要求進(jìn)行動作，并將測試結(jié)果保存，如圖5所示。

為了方便進(jìn)行操作和查看測試結(jié)果，通過LabVIEW開發(fā)了一套直觀的人機(jī)交互界面。界面設(shè)計(jì)簡潔明了，操作便捷。測試人員可以通過界面設(shè)置測試參數(shù)、啟動測試流程、查看實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果等。

2.4" 應(yīng)用效果對比

為了驗(yàn)證自動測試系統(tǒng)的有效性和可靠性，通過對某核電項(xiàng)目的一臺閥門電氣控制柜進(jìn)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(guī)人工測試方法平均每個閥門單元用時(shí)約8 min，而采用自動測試系統(tǒng)時(shí)平均用時(shí)可縮短至2 min（主要受限制于不同閥門單元保護(hù)延時(shí)測試的等待時(shí)間），測試效率可提高約75%，并且沒有測試差錯出現(xiàn)。從多方面對自動測試方法的優(yōu)劣進(jìn)行評估，包括測試效率、準(zhǔn)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(guī)測試方法有很大的優(yōu)勢；在準(zhǔn)確性上，自動測試系統(tǒng)準(zhǔn)確性更高；人力投入上，常規(guī)測試方法人力投入更多；而在設(shè)備投入上，自動測試系統(tǒng)成本更高，但是考慮到設(shè)備長期使用，并可通過軟件升級適應(yīng)其他設(shè)備測試需求，因此實(shí)際綜合投入并不高。

3" 結(jié)束語

本文分析了閥門電氣控制柜的原理和測試方法，設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的自動測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對閥門電氣控制柜自動測試，并生成詳細(xì)的測試記錄。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)方法具有高效的特點(diǎn)。但仍存在一些需要改進(jìn)的地方，系統(tǒng)的智能化程度也需要進(jìn)一步加強(qiáng)，例如，測試過程中的開關(guān)狀態(tài)切換仍需依賴于人工操作。該系統(tǒng)能夠?yàn)殚y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(shè)備的自動測試提供參考和借鑒。

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