袁 駿，張 鵬，何志軍

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

裝卸料機(jī)是壓水堆核電站燃料操作與貯存系統(tǒng)的大型關(guān)鍵設(shè)備，用于反應(yīng)堆核燃料組件的裝料和換料[1]。它的連續(xù)、可靠運(yùn)行將直接影響核電站的經(jīng)濟(jì)效益。隨著國產(chǎn)自主研發(fā)核電站全自動數(shù)控裝卸料機(jī)的投入使用[2]，設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)測和設(shè)備性能的優(yōu)化已成為科研人員的主要研究方向。無論是對裝卸料機(jī)進(jìn)行監(jiān)測還是優(yōu)化，都需要在較長時間的運(yùn)行調(diào)試中獲得有價值的試驗數(shù)據(jù)，以便從中分析出設(shè)備的問題及出現(xiàn)問題的原因。因此，裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集具有重要意義。

國產(chǎn)裝卸料機(jī)目前缺少專用于運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，同時國外核電站裝卸料機(jī)研究機(jī)構(gòu)對于運(yùn)行數(shù)據(jù)相關(guān)的研究成果始終處于保密狀態(tài)[3]。鑒于裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)多、信號類型多、存儲要求高、數(shù)據(jù)后處理復(fù)雜等特點[4]，采集系統(tǒng)須具有多通道實時同步采集、實時存儲等功能。

針對上述需求，本文基于實驗室虛擬儀器工程平臺(laboratory virtual instrument engineering workbench,LabVIEW)軟件[5]，從軟硬件平臺的選擇、數(shù)據(jù)存儲文件類型、軟件編程實現(xiàn)方法等方面入手，設(shè)計了一套多通道、大數(shù)據(jù)、高實時性、快速存儲和易于查詢的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)軟硬件平臺

1.1 系統(tǒng)軟件平臺

本文設(shè)計的裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以虛擬儀器領(lǐng)域使用較為廣泛的LabVIEW作為編程工具。LabVIEW是1種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，具有數(shù)據(jù)采集與分析、信號發(fā)生與處理、輸入輸出控制等功能[6-7]。其特點是用數(shù)據(jù)流流程圖代替文本語言編程，可任意構(gòu)造自己的儀器面板而無需進(jìn)行繁瑣的計算機(jī)程序代碼編寫，從而大大簡化程序的設(shè)計過程。在LabVIEW中開發(fā)的程序被稱為虛擬儀器(virtual instrument,VI)，包含前面板、程序框圖以及圖標(biāo)3部分[8-9]。其中，前面板是圖形化用戶界面。該界面上有交互式的輸入和輸出兩類控件，用于數(shù)據(jù)輸入和觀察量輸出的設(shè)置；程序框圖是用于實現(xiàn)VI邏輯功能的圖形化源代碼；圖標(biāo)/連線端口用于將程序定義為子程序，以便在其他程序中調(diào)用。

1.2 系統(tǒng)硬件平臺

根據(jù)裝卸料機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，平臺需對軸的運(yùn)動信號、編碼器信號、載荷稱重信號、報警信號、狀態(tài)信號和指令信號進(jìn)行實時采集和存儲。由以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)(Ethernet control automation technology,EtherCAT)現(xiàn)場總線串聯(lián)組成采集回路，相關(guān)信號由輸入/輸出(input/output,I/O)模塊和伺服驅(qū)動器通過該采集回路傳遞至控制器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行在控制器內(nèi)的實時系統(tǒng)，并接收通過以上采集回路傳遞來的數(shù)據(jù)，最終在上位機(jī)內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析和查詢。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

2 數(shù)據(jù)存儲文件類型

核電站大修換料期間，一般裝卸料機(jī)要連續(xù)運(yùn)行一周。因此，確保運(yùn)行數(shù)據(jù)的可靠、便捷、有序、快速和實時存儲，是軟件設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

針對運(yùn)行數(shù)據(jù)需求，存儲文件類型應(yīng)具備以下特點。

①文件寫入數(shù)據(jù)速度快，向文件追加寫入數(shù)據(jù)速度快。

②寫文件速度與文件大小無關(guān)。

③文件體積適中，須滿足上位機(jī)硬盤存儲空間要求，數(shù)據(jù)組織緊湊有序。

通過對比LabVIEW編程工具上支持的各種文件類型，數(shù)據(jù)存儲文件類型分類如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)存儲文件類型分類

綜合比較，本文設(shè)計系統(tǒng)選擇美國國家儀器有限公司(national instrument,NI)主推的技術(shù)數(shù)據(jù)管理流 (technical data management stream,TDMS)數(shù)據(jù)存儲文件格式。TDMS采用二進(jìn)制格式進(jìn)行存儲。其優(yōu)勢是文件體積相對較小，讀寫速度較快。此外，TDMS文件有3層結(jié)構(gòu)[11]，分別為文件、組和通道。每個文件可以有多個組。每個組可以有多個通道。在每個層次上都可以定義一些屬性來添加若干附件信息。在查詢時，可以通過這些附件信息來查詢所需要的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)計過程采用了模塊化的設(shè)計思路。首先，根據(jù)裝卸料機(jī)的總體需求，將系統(tǒng)劃分為3個功能模塊，分別為監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、故障報警數(shù)據(jù)采集和異常事件數(shù)據(jù)采集。接著，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)內(nèi)容，對數(shù)據(jù)的各邏輯層分別命名和定義屬性。當(dāng)需要添加新的功能時，只需將新的功能加入到功能模塊中即可。這可以提高系統(tǒng)的開放性。

此外，在設(shè)計過程中，為了避免采集速度與存儲速度不匹配而造成的數(shù)據(jù)被覆蓋或丟失，本文采用了隊列的數(shù)據(jù)傳遞方法[12]，實現(xiàn)了在多個條件結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)采集與存儲。隊列按照先進(jìn)先出(first in first out,FIFO)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。 隊列的緩沖區(qū)可以暫存未被TDMS文件寫入的數(shù)據(jù)。這樣就不會造成數(shù)據(jù)丟失。

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能

裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能界面，由數(shù)據(jù)信息輸入?yún)^(qū)、監(jiān)控數(shù)據(jù)選擇區(qū)、操作區(qū)和實時采集信號顯示區(qū)4部分組成。界面左側(cè)是數(shù)據(jù)信息輸入?yún)^(qū)，包括監(jiān)測人員、數(shù)據(jù)監(jiān)測名稱、采樣頻率、標(biāo)簽、注釋和說明等信息。界面右側(cè)是監(jiān)控數(shù)據(jù)選擇區(qū)，用戶可以根據(jù)監(jiān)測需求任意選取需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被分門別類地放置在選項卡的不同區(qū)域內(nèi)，易于查找。目前設(shè)計的裝卸料機(jī)監(jiān)控數(shù)據(jù)為52個。界面中部是操作區(qū)。用戶可以啟動、停止采集數(shù)據(jù)和查看數(shù)據(jù)文件，并在操作區(qū)設(shè)置采集數(shù)據(jù)實時時間。界面下方是實時采集信號顯示區(qū)，可以顯示實時的采集數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能采集到的數(shù)據(jù)文件按照不同的監(jiān)測名稱順序排列。每組文件可以記錄不同組合的數(shù)據(jù)通道。

3.2 故障報警數(shù)據(jù)采集功能

裝卸料機(jī)運(yùn)行時如發(fā)生停機(jī)故障，操作人員以往只能通過查看程序或電控柜電子器件狀態(tài)作故障分析，而沒有設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計了故障報警數(shù)據(jù)采集功能。

首先，對裝卸料機(jī)的停機(jī)故障進(jìn)行梳理，按設(shè)備組成共分為26個故障。停機(jī)故障分類如表2所示。

表2 停機(jī)故障分類

接著，對每個停機(jī)故障需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以主提升纜繩斷繩故障為例，需在故障發(fā)生時刻記錄13個通道數(shù)據(jù)，包括主提升載荷1、主提升載荷2、主提升位置1、主提升位置2、主提升速度、主提升力矩、主提升狀態(tài)、抓具嚙合位置、抓具脫扣位置、聯(lián)鎖旁路、燃料選擇輕、燃料選擇重和燃料選擇自動模式。

裝卸料機(jī)運(yùn)行發(fā)生停機(jī)故障報警時，故障報警數(shù)據(jù)采集功能將會自動采集該時刻的相關(guān)通道數(shù)據(jù)。目前，根據(jù)裝卸料機(jī)故障的嚴(yán)重程度確定了故障報警數(shù)據(jù)采集功能的26個故障及其記錄通道。未來，用戶還可根據(jù)需求增加或刪除自動采集故障個數(shù)及其記錄通道。

3.3 異常事件數(shù)據(jù)采集功能

裝卸料機(jī)運(yùn)行時發(fā)生的非停機(jī)異常事件需要被用戶及時發(fā)現(xiàn)。異常事件是指主提升制動器磨損、電視桿制動器磨損、抓具氣壓低、絕緣電阻異常和浪涌保護(hù)異常。因此，本系統(tǒng)設(shè)計了異常事件數(shù)據(jù)采集功能。該功能監(jiān)測實際運(yùn)行數(shù)值與設(shè)定數(shù)值的差值。當(dāng)差值超過異常范圍時，該功能將會自動采集異常事件相關(guān)通道的數(shù)據(jù)，直至差值正?；蛴脩敉Ｖ共杉⒃诮缑嬷酗@示該事件的時間標(biāo)志和說明信息，使用戶及時掌握設(shè)備運(yùn)行工況。

4 設(shè)計驗證

出于驗證裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能、隊列的數(shù)據(jù)傳遞方法和TDMS文件特點等方面考慮，本文設(shè)計了裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計驗證平臺，并進(jìn)行了多組試驗。

裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計驗證平臺由上位機(jī)、下位機(jī)、I/O模塊、伺服驅(qū)動器等硬件組成，以EtherCAT現(xiàn)場總線為通信方式。該平臺將驅(qū)動器的位置反饋、速度反饋、力矩反饋、狀態(tài)反饋信號和編碼器信號分別接入數(shù)據(jù)采集通道，利用裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能界面進(jìn)行設(shè)計驗證操作。該平臺與實際裝卸料機(jī)相比，只是執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器數(shù)量有差異。所采用的技術(shù)手段和設(shè)計功能二者相比無差異，驗證結(jié)果可以用于指導(dǎo)裝卸料機(jī)的研發(fā)工作。

4.1 多通道設(shè)計驗證試驗

本試驗分別從單通道采集到4通道同時采集數(shù)據(jù)，共進(jìn)行4組測試。采樣頻率設(shè)定為10 Hz,即數(shù)據(jù)讀寫時間為0.1 s,采集時間為180 s。此外，對4組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，包括文件大小、存儲速率、實際每通道采樣個數(shù)和誤差率。多通道設(shè)計驗證試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。

表3 多通道設(shè)計驗證試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4.2 隊列方法設(shè)計驗證試驗

隊列方法設(shè)計驗證試驗通過5個通道同時采集數(shù)據(jù)，采集時間均為180 s，分別利用隊列方法和直接采集數(shù)據(jù)的方式，采樣時間選取0.30 s、0.20 s、0.10 s、0.05 s和0.01 s，共進(jìn)行了10組試驗。對10組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，包括理論每通道采集數(shù)據(jù)個數(shù)、直接采集存儲數(shù)據(jù)個數(shù)、隊列方法采集存儲數(shù)據(jù)個數(shù)。隊列方法設(shè)計驗證試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4所示。

表4 隊列方法設(shè)計驗證試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4.3 設(shè)計驗證結(jié)論

經(jīng)以上若干組設(shè)計驗證試驗，可分析得出以下結(jié)論。

①在役核電站裝卸料機(jī)最大運(yùn)行速度為0.2 m/s，因此運(yùn)行數(shù)據(jù)采樣時間選取為0.1 s，可以滿足裝卸料機(jī)對運(yùn)行數(shù)據(jù)采集實時性的要求。多通道設(shè)計驗證試驗以0.1 s為采樣時間。試驗結(jié)果表明，采集誤差率不超過1.50%。隊列方法設(shè)計驗證試驗以0.1 s為采樣時間時，試驗結(jié)果表明采集誤差率不超過1.10%。以上數(shù)據(jù)的采集誤差率滿足核電站裝卸料機(jī)要求。裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以完成實時采集數(shù)據(jù)，以及實時存儲數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)文件等功能。

②以裝卸料機(jī)一個換料周期為例，結(jié)合在役核電站裝卸料機(jī)使用頻率，設(shè)定采集時間為7 d(604 800 s)，采集通道為52個，每通道的存儲速率為1 KB/s。據(jù)此推算，將采集時間、采集通道數(shù)量、存儲速率相乘，可估算出理論上會生成30 GB數(shù)量級的數(shù)據(jù)存儲文件。該文件大小合適，主流上位機(jī)硬盤存儲空間均可滿足裝卸料機(jī)換料周期內(nèi)連續(xù)滿通道采集數(shù)據(jù)的要求。

③采用隊列的數(shù)據(jù)傳遞方法，按照FIFO的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，提高了存儲數(shù)據(jù)個數(shù)，在一定程度上避免了數(shù)據(jù)的丟失。

④采集數(shù)據(jù)誤差率隨采樣時間縮短而變大，因此數(shù)據(jù)采集時應(yīng)在滿足工藝和設(shè)備需求的同時選擇合適的采樣時間。

5 結(jié)論

本文以LabVIEW為編程工具，設(shè)計開發(fā)了裝卸料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能、故障報警數(shù)據(jù)采集功能和異常事件數(shù)據(jù)采集功能，采用隊列的數(shù)據(jù)傳遞方法保證了數(shù)據(jù)的完整性，且采用了TDMS數(shù)據(jù)存儲文件格式以加快文件存儲速度。該系統(tǒng)可以為裝卸料機(jī)的運(yùn)行調(diào)試和設(shè)計優(yōu)化提供完整的大數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有國內(nèi)裝卸料機(jī)缺少專門的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足，具有廣闊的工程應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。