使用NI LabVIEW和FieldPoint對核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)進行升級

作者:Neal Pederson - VI Control Systems and Sandia National Laboratories

行業(yè):航空/航天

產(chǎn)品:Compact FieldPoint, LabVIEW, PXI/CompactPCI

挑戰(zhàn):

使用適當?shù)臅r間和成本，將一個研究反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)替換為現(xiàn)代的、用戶友好、易于維護的控制系統(tǒng)。

解決方案:

使用九臺運行Windows 2000以及LabVIEW的PC構(gòu)成的以太網(wǎng)以及FieldPoint硬件，我們將運動控制硬件配置到兩臺PC上，將PCI-6602定時板卡配置到另一臺PC上，并且編寫了高效的LabVIEW代碼將任務(wù)分配到九臺PC上。

"與使用C語言對原系統(tǒng)編程所花費的時間相比，使用LabVIEW編寫新型系統(tǒng)將使軟件開發(fā)時間降低到十分之一。"

用五分之一的時間進行開發(fā)

在Sandia國家實驗室（SNL），環(huán)形鐵心研究反應(yīng)堆（ACRR）過去的控制系統(tǒng)由于設(shè)備過時、老化等原因，對維護和升級造成了困難。由于它是Sandia國家實驗室的核試驗與研究反應(yīng)堆，我們必須升級系統(tǒng)，并達到嚴格的反應(yīng)堆控制以及設(shè)備升級的靈活性要求。原系統(tǒng)的設(shè)計與安裝用了10年時間。該系統(tǒng)使用基于386的電腦，在DOS下運行C程序，使用已經(jīng)過時的數(shù)據(jù)采集、運動控制硬件以及基于PLC的通信設(shè)備。主要基于NI的軟件和硬件，我們在不到兩年的時間中，完成了替換系統(tǒng)的設(shè)計和安裝。

綜合系統(tǒng)設(shè)計

新型控制系統(tǒng)使用九臺在Windows 2000下運行LabVIEW的Pentium-III PC、FieldPoint I/O硬件、PCI-6602定時硬件、Delta Tau運動控制硬件以及以太網(wǎng)通信設(shè)備。較終的系統(tǒng)具有友好的用戶操作員界面，并且所使用的設(shè)備在維護和升級方面不僅更加方便而且成本也更低。

我們選擇以太網(wǎng)作為通信，是因為它的耐用性以及其在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛使用。一臺交換式集線器連接所有控制系統(tǒng)內(nèi)所有的PC以及所有六臺FieldPoint FP-2000網(wǎng)絡(luò)模塊。該網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)絡(luò)隔離，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。在其中一臺PC上運行DataSocket服務(wù)器，為九臺聯(lián)網(wǎng)PC之間提供通信平臺。每一臺PC都有對一個DataSocket數(shù)據(jù)集的寫權(quán)限，而所有九臺PC都可以讀取任何一個數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)。

環(huán)形鐵心研究反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的軟件使用LabVIEW 6.1編寫，便于修改、維護、部署到聯(lián)網(wǎng)的多臺PC中。

信號映射與比例變換

我們建立了一個信號數(shù)據(jù)表，將標簽名稱與FieldPoint I/O通道或DataSocket變量進行映射。在完成編輯后，我們將數(shù)據(jù)表保存為用TAB作為分界符的文本文件，供LabVIEW在每次啟動時讀取。其后，LabVIEW將標簽名稱映射為適當?shù)挠布�或DataSocket通道。電子表還包括高達5階多項式的單位轉(zhuǎn)換能力，可以將FieldPoint原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程單位。我們發(fā)現(xiàn)使用信號數(shù)據(jù)表十分靈活，因為使用數(shù)據(jù)表，我們可以方便地編輯信號名稱、位置以及單位換算，而不用修改LabVIEW代碼。在工作臺測試中，F(xiàn)ieldPoint設(shè)置與我們計劃使用的現(xiàn)場有所不同。我們可以方便地修改信號列表，將I/O通道與可用的FieldPoint硬件進行映射，從而使得對個別組件的軟件測試成為可能。

I/O仿真器

我們編寫了一個LabVIEW I/O仿真器，可以不使用硬件完成軟件測試。如果在settings.ini文本文件中關(guān)閉了硬件，我們可以設(shè)置LabVIEW FieldPoint和DataSocket I/O VI讀取和寫入仿真I/O信號。仿真器VI導(dǎo)入輸入信號，并返回輸出信號。我們沒有連接硬件，就可以完成軟件測試。這個方法對FieldPoint和DataSocket信號都適用，對數(shù)字信號和數(shù)值信號也都適用。仿真器VI使用由TAB作為分界符的文本文件進行保存和載入，方便調(diào)用不同的仿真設(shè)置。由于這些文件兼容電子表格格式，我們還可以使用Excel編輯這些設(shè)置。

所有九臺PC使用一個應(yīng)用程序

為九臺獨立的PC維護代碼、創(chuàng)建LabVIEW可執(zhí)行文件是一件困難的事情。各臺PC上大部分代碼是相同的。其中的困難在于我們需要九臺PC同時提供多個用戶接口——而不是因為代碼量過大。我們將軟件設(shè)計為單個程序進行運行，根各臺計算機的要求，分別顯示不同的程序。在啟動時，程序檢查本地的settings.ini文件進行自身身份獲取。其后，軟件載入適當?shù)挠脩艚缑�，并且運行該計算機所需要的I/O程序。通過這種方法，九臺PC機上只需發(fā)布和維護一個LabVIEW程序。兩臺運動控制計算機被放置在離控制室約100英尺的地方，一般不使用它們進行顯示。由于這些計算機包含相同的LabVIEW代碼，我們可以方便地從其他七臺計算機上，以只讀方式運行其用戶圖形界面。這樣，我們不回到控制室也可以方便地查看不同的參數(shù)了。

軟件健壯性與看門狗

系統(tǒng)使用離散邏輯硬件或NI PCI-6602定時板卡處理對時間要求嚴格的操作。程序的掃描時間更新以及相關(guān)的循環(huán)圖形顯示在每一臺屏幕上，就表明LabVIEW代碼工作正常。環(huán)形鐵心研究反應(yīng)堆的主計算機控制系統(tǒng)以50 ms的循環(huán)周期進行工作。九臺計算機中的三臺不斷地互相監(jiān)視，并具有看門狗關(guān)閉功能。如果三臺計算機中的任何一臺沒有每隔一秒通過DataSocket更新看門狗，另外兩臺計算機就會啟動看門狗關(guān)閉功能，中止反應(yīng)堆工作。這就防止了計算機崩潰以及網(wǎng)絡(luò)故障等問題。在這個系統(tǒng)中，我們不需要FieldPoint實時功能，但我們安裝了FP-2000實時模塊，以便將來進行升級。請注意我們使用獨立的電站保護系統(tǒng)確保反應(yīng)堆的安全，而不管控制系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常或工作故障。

堅固的、便于維護的控制系統(tǒng)

綜上所述，我們安裝了一個堅固的、易于維護的控制系統(tǒng)，用于替換位于Sandia國家實驗室的環(huán)形鐵心研究反應(yīng)堆的陳舊控制系統(tǒng)。新型系統(tǒng)提供了更美觀、更直觀的用戶界面，便于修改的基于LabVIEW的軟件以及成本低廉、便于維護的先進NI硬件。與使用C對原系統(tǒng)相編程所花費的時間相比，使用LabVIEW編寫新型系統(tǒng)將軟件開發(fā)時間降低到十分之一。

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