反應(yīng)堆壓力容器主螺栓超聲檢查設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱傳雨，林 戈，陳懷東，王賢彬，馬官兵

（中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215004）

反應(yīng)堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）又稱反應(yīng)堆壓力殼，在一回路系統(tǒng)中承受高溫、高壓和強(qiáng)烈的中子輻照 ，是核電廠和核動(dòng)力系統(tǒng)裝置中最重要的設(shè)備之一，是保證核動(dòng)力裝置設(shè)備安全、正常運(yùn)行的關(guān)鍵［1］。RPV主要由反應(yīng)堆容器和頂蓋兩部分組成，其中，反應(yīng)堆容器由下法蘭（含接管）、筒體和半球形下封頭焊接組成，頂蓋部分由半球形上封頭和上法蘭焊接組成。根據(jù)核反應(yīng)堆型的不同（如CPR1000，EPR，AP1000等），上、下法蘭面上均勻地分布著數(shù)量不等的螺栓孔位。而主螺栓是通過(guò)上、下法蘭面連接反應(yīng)堆容器和頂蓋，對(duì)防止反應(yīng)堆內(nèi)放射性物質(zhì)外溢起著重要的作用。在核電廠和核動(dòng)力裝置檢驗(yàn)規(guī)范和大綱中，對(duì)反應(yīng)堆壓力容器主螺栓有無(wú)損檢驗(yàn)的強(qiáng)制要求，包括役前檢查（PSI Per－Service Inspection）和在役檢查（ISI In－Service Inspection）［2］。法國(guó)RSME標(biāo)準(zhǔn)《核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》中規(guī)定，對(duì)主螺栓的無(wú)損檢測(cè)主要采用超聲波和渦流檢測(cè)技術(shù)［2］。

CPR1000堆型核電廠中使用的主螺栓材料為40NCDV7－03，規(guī)格為155mm×4mm。其中超聲波檢驗(yàn)范圍包括螺栓的上、下螺紋區(qū)以及螺紋區(qū)之間的光桿區(qū)（非螺紋區(qū)），具體檢測(cè)部位見(jiàn)圖1。為了完成該部分的檢驗(yàn)，在自動(dòng)化超聲檢查中，要求運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備具有軸向（上下）和周向（旋轉(zhuǎn)）兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)能力。為此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆壓力容器主螺栓自動(dòng)化超聲檢查設(shè)備控制系統(tǒng)。

圖1 反應(yīng)堆壓力容器主螺栓的檢測(cè)部位

1 設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反應(yīng)堆壓力容器主螺栓自動(dòng)化超聲檢查設(shè)備主要由機(jī)械設(shè)備、電氣控制和超聲信號(hào)采集系統(tǒng)三部分組成，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

機(jī)械設(shè)備主要包括直流電機(jī)、軸向和周向的編碼器、上/下限位開(kāi)關(guān)、超聲探頭、探頭架以及固定螺栓的螺栓架等。

電氣控制系統(tǒng)主要由電氣控制箱和裝有運(yùn)動(dòng)控制軟件的計(jì)算機(jī)組成，它們之間通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

超聲信號(hào)采集系統(tǒng)是由超聲儀和裝有超聲數(shù)據(jù)采集軟件的計(jì)算機(jī)構(gòu)成，超聲儀與計(jì)算機(jī)之間也是通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。超聲儀采集的數(shù)據(jù)經(jīng)超聲數(shù)據(jù)分析軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲數(shù)據(jù)的精確分析。探頭和超聲儀之間通過(guò)探頭線（專用電纜）進(jìn)行連接，電氣控制箱和機(jī)械設(shè)備之間通過(guò)控制信號(hào)電纜進(jìn)行連接，該信號(hào)電纜包括電機(jī)、編碼器等信號(hào)線。超聲儀和運(yùn)動(dòng)控制箱之間通過(guò)編碼器信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)同步。

1.1 機(jī)械設(shè)備

機(jī)械設(shè)備部分除了固定螺栓的螺栓架外，還包括驅(qū)動(dòng)單元和掃查單元兩個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)單元直接放置在螺栓的頂端，用于驅(qū)動(dòng)掃查單元，掃查單元由運(yùn)動(dòng)絲桿和絲桿前端連接的組合接觸式超聲探頭（兩個(gè)）構(gòu)成。在實(shí)際檢測(cè)中，探頭插入封頭螺栓的中心孔中，在驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)下，使掃查單元（即探頭）實(shí)現(xiàn)軸向（上下）和周向（旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)主螺栓的掃查。

驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部主要包括兩個(gè)電機(jī)，通過(guò)齒輪等機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)探頭軸向和周向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況，選用相應(yīng)電機(jī)型號(hào)，其中實(shí)現(xiàn)周向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)是48V、90W直流有刷電機(jī)，在電機(jī)軸末端裝有TTL電平輸出的增量式光電編碼器；實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)是48V、150W直流有刷電機(jī)，同樣，在電機(jī)軸的末端裝有增量式光電編碼器。另，在上、下運(yùn)動(dòng)的極限位置安裝有接近開(kāi)關(guān)，用于電機(jī)運(yùn)動(dòng)上、下極限位置的硬件限位。

1.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)的主要功能是精確控制驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)周向和軸向兩個(gè)方向的電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)探頭在螺栓中心孔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，最終完成對(duì)主螺栓的檢查。整個(gè)電氣控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。其核心是電氣控制箱（命名為CBUS），它主要由直流電源、運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器三部分組成［3］。其中，控制周向軸、軸向軸的伺服驅(qū)動(dòng)器接收來(lái)自運(yùn)動(dòng)控制器的模擬信號(hào)，根據(jù)接收到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)帶的編碼器信號(hào)返回至控制卡（互聯(lián)模塊），及時(shí)修正誤差，形成閉環(huán)控制。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)向控制器發(fā)送相應(yīng)的控制命令（上位機(jī)程序），運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)接收的命令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，產(chǎn)生速度－時(shí)間函數(shù)V（t）和所需位置 －時(shí)間函數(shù)R（t），R（t）描述電機(jī)在每一采樣時(shí)刻應(yīng)在的位置，一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)速度－時(shí)間V（t）和位置－時(shí)間函數(shù)R（t）如圖4所示。運(yùn)動(dòng)分析和閉環(huán)是獨(dú)立的功能，運(yùn)動(dòng)分析確定了電機(jī)在采樣時(shí)刻應(yīng)在的位置，而閉環(huán)迫使電機(jī)跟隨命令位置運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)命令結(jié)束后，伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣比較電機(jī)實(shí)際位置（編碼器反饋）和理論位置R（t）的差值，產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)動(dòng)的所需模擬信號(hào)，從而達(dá)到電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)定位。

圖3 電氣控制系統(tǒng)框圖

圖4 運(yùn)動(dòng)速度、位置曲線

首先，電源模塊部分保證可以輸出＋48，＋24，±12，＋5V直流電，供給整個(gè)控制箱（包括給控制卡、驅(qū)動(dòng)器，編碼器以及接近開(kāi)關(guān)等器件）。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用脈寬調(diào)制型（Pulse With Modulation，PWM）伺服放大器，它可接收±10V模擬指令信號(hào)。在一定的工作模式下，它可以按照±10V指令產(chǎn)生所需最大電流原則來(lái)設(shè)置放大器增益，其輸出功率可達(dá)100W，持續(xù)電流4A，峰值電流10A。此外，它還具有使能、復(fù)位等一些功能。

運(yùn)動(dòng)控制器選用數(shù)字運(yùn)動(dòng)卡及互聯(lián)模塊，它使用16位DAC輸出±10V模擬信號(hào)指令及具有速度/加速度前饋、凹陷濾波、低通濾波和積分限制的高級(jí)PID濾波器，因此具有超精密控制特性。該運(yùn)動(dòng)控制卡的功能框圖如圖5所示。它具有高速通信、非易失程序存儲(chǔ)、高速編碼器反饋接收和高抗干擾性（EMI）等諸多強(qiáng)大功能，可完成多個(gè)軸的雙閉環(huán)（速度環(huán)和位置環(huán)）伺服控制［4］。有JOG、PTP定位、直線、圓弧插補(bǔ)、電子齒輪同步、電子凸輪多任務(wù)、輪廓運(yùn)動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)模式［5］。同時(shí)，由于該控制器加、減速時(shí)具有軌跡平滑處理的可編程特點(diǎn)，從而大大減小運(yùn)動(dòng)沖擊。另外為了與外部事件同步，控制器提供了通用I/O接口，包括光電隔離數(shù)字輸入/輸出，通用模擬信號(hào)（用于手操桿、各種傳感器等）輸入，同時(shí)，為正/負(fù)向限位、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)、急停提供專用光電隔離輸入接口。此外，還有64位I/O擴(kuò)展接口，如果不使用第二輔助編碼器，還可以獲得更多的I/O口。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)部功能框圖

1.3 超聲波信號(hào)采集系統(tǒng)

超聲波采集裝置選用8通道MIDAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，原理框圖如圖6。系統(tǒng)采用客戶端（Client）/服務(wù)器（Service）結(jié)構(gòu)模型，主要由硬件超聲波板卡、硬件控制部分（Service端）和軟件（Client端）三部分組成［6］。其中，MIDAS硬件系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器/接收器模塊（PR）、采集模塊（AM）及用網(wǎng)絡(luò)通AM鏈接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。圖中的編碼器信號(hào)來(lái)自電機(jī)末端編碼器，即編碼器信號(hào)傳給控制箱CBUS構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制的同時(shí)，也傳給MIDAS超聲儀，用來(lái)保證它們之間運(yùn)動(dòng)的同步。

圖6 超聲信號(hào)原理框圖

2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 電氣設(shè)備控制軟件

運(yùn)動(dòng)控制卡采用直觀易懂的兩字符命令，支持用戶利用API函數(shù)C/C＋＋、C＃、VB、Labview等高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)滿足特殊需要的應(yīng)用程序。為了獲得良好的人機(jī)界面，這里使用VC＋＋開(kāi)發(fā)制作用戶操作界面，采用模塊化的設(shè)計(jì)，界面如圖7所示。該軟件除了具有可以設(shè)置周向（ROTATOR）和軸向（LINEAR）電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)時(shí)顯示周向和軸向電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置的基本功能外，還可以設(shè)置電機(jī)的運(yùn)動(dòng)掃查方式（絕對(duì)ABS、相對(duì)REL、梳狀Combo等），軟件的限位、位置重定義、選擇掃查軸、步進(jìn)軸等功能。其中軟件限位值的設(shè)置、位置的重定義通過(guò)點(diǎn)擊主控制界面Setup按鈕，在接下來(lái)彈出對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置。整個(gè)軟件控制進(jìn)度高、調(diào)速快、操作簡(jiǎn)單，大大降低人為失誤造成的損失，安全性高，實(shí)用性強(qiáng)。

在實(shí)際檢查中，超聲探頭采用如圖8所示鋸齒狀掃查方式，其中X為探頭周向運(yùn)動(dòng)方向，Y為軸向運(yùn)動(dòng)方向。探頭軸向移動(dòng)速度不超過(guò)25mm/s，周向步進(jìn)距離（探頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，在螺栓內(nèi)表面圓周上掃過(guò)的距離）不超過(guò)探頭晶片尺寸的50%，探頭沿螺栓軸向每移動(dòng)1mm進(jìn)行一次超聲數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，也可以選擇梳狀（Combo）掃查運(yùn)動(dòng)方式，如圖9所示。

圖7 設(shè)備控制軟件的主界面

圖8 鋸齒狀掃查運(yùn)動(dòng)方式

圖9 Combo掃查運(yùn)動(dòng)方式

2.2 超聲信號(hào)采集和分析

MIDAS超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集軟件可同時(shí)顯示A，B，C和D掃描數(shù)據(jù)信號(hào)，軟件采集界面如圖10所示。

圖10 超聲波采集軟件界面

超聲數(shù)據(jù)分析采用專用MASERA－NT數(shù)據(jù)分析軟件。此軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種采集文件的準(zhǔn)確分析，包括SUMIDAS，TOMOSCAN和RDTIFF等，主要用于對(duì)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、測(cè)量和定量。

3 總結(jié)

主螺栓的超聲波檢查是一種自動(dòng)化程度高的檢測(cè)技術(shù)，需要綜合考慮機(jī)械、電氣控制、超聲儀器參數(shù)等諸多因素。針對(duì)核電站檢查的特點(diǎn)與特殊要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆壓力容器主螺栓超聲檢查設(shè)備控制系統(tǒng)，并已用于核電站的役前和在役檢查之中，達(dá)到良好的效果。

［1］廣東核電培訓(xùn)中心編.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］.北京：原子能出版社，2005.

［2］RSE－M核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則［S］.

［3］李明，陳懷東，肖學(xué)柱，等.核電站反應(yīng)堆壓力容器超聲檢查技術(shù)及裝備研究［C］.電力系第十一屆無(wú)損檢測(cè)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.青海西寧：中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)火力發(fā)電分會(huì)，2009：71－82.

［4］占小猛，楊林，任仲偉.基于DMC運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)研究［J］.電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2011，40（2）：128－130.

［5］云昭潔，韓波，申星，等.基于DMC的微小型無(wú)人直升機(jī)航跡跟蹤［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（17）：215－219.

［6］馬官兵，肖學(xué)柱，袁書(shū)現(xiàn).反應(yīng)堆壓力容器主螺栓超聲波檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2010，32（10）：770－772.