基于虛擬儀器技術(shù)的快堆組件形位測量控制系統(tǒng)研究

劉云焰，孫 玉，申鳳陽 ，吳純良，李 興，高繼寧，谷春星，李國才

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京102413；2.國核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京102209)

基于虛擬儀器技術(shù)的快堆組件形位測量控制系統(tǒng)研究

劉云焰1，2，孫 玉1，申鳳陽1，吳純良1，李 興1，高繼寧1，谷春星1，李國才1

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京102413；2.國核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京102209)

利用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計了一套快堆組件形位測量控制系統(tǒng)，用于中國實驗快堆屏蔽層組件和反射層組件熱沖擊試驗課題中組件形狀尺寸測量。采用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件，采用Labview平臺編制了系統(tǒng)的軟件。該系統(tǒng)具有控制功能、測量功能和數(shù)據(jù)處理功能，實現(xiàn)快堆組件的偏心值、扭曲度和彎曲度等形狀尺寸的測量功能。試驗表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確、功能齊全、安全測控，達到設(shè)計目的。

中國實驗快堆；形位儀；測控系統(tǒng)；計算模型；組件

I-1008型組件形位測量儀(簡稱形位儀)是中國實驗快堆(簡稱CEFR)從意大利引進的一臺大型專用于快堆組件形狀尺寸測量的精密設(shè)備。在CEFR屏蔽層組件和反射層組件沖擊試驗課題研究中，組件熱沖擊試驗前后必須利用該設(shè)備測量組件的形狀尺寸。然而該設(shè)備控制系統(tǒng)老舊、無備品備件，不便于維保，其測量系統(tǒng)已經(jīng)損壞。因此研制了一套配套的快堆組件形位測控系統(tǒng)以恢復(fù)其原有功能。

虛擬儀器技術(shù)是出現(xiàn)于20世紀90年代初期的一種新型儀器技術(shù)。它將許多以前由儀器硬件完成的信號分析或者程序控制工作，交由計算機軟件進行處理，實現(xiàn)了儀器的硬件功能的軟件化[1-2]。本文研制了一套基于虛擬技術(shù)的快堆組件形位測控系統(tǒng)，用于在CEFR屏蔽層組件和反射層組件沖擊試驗課題中組件熱沖擊試驗前后測量組件的形狀尺寸。

1 形位測控系統(tǒng)的改造

1.1 組件形位測量儀介紹

I-1008型組件形位測量儀具有精確測量快堆組件的偏心值、扭曲度和彎曲度等形狀尺寸的功能。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

最大測量長度：4000mm；

同軸分度頭誤差：0.005mm；

同軸滑動頭誤差：0.005mm；

直線行程：±0.02mm/4000mm；

測量滑塊最大速度：46mm/s，

測量時：5～10mm/s；

滑動頭最大速度：46mm/s；

位移探頭測量時：10～20mm/s。

1.2 形位測控系統(tǒng)的要求

該系統(tǒng)的總體構(gòu)成：計算機1臺、數(shù)據(jù)采集卡及配套端子板1套、控制柜1個、配套軟件1套。

該系統(tǒng)能完成原有測控系統(tǒng)的全部功能。包括：控制功能、測量功能和數(shù)據(jù)處理功能。

控制功能有：滑動頭的上升、下降和停止控制；測量滑塊的上升、下降和停止控制；位移探頭靠近待測面和遠離待測面運動控制；裝卸臂夾塊的松開和夾緊控制；裝卸臂上升和下降控制；各種控制聯(lián)鎖。

測量功能有：各限位開關(guān)狀態(tài)測量、4個位移探頭測量、測量滑塊高度測量。

數(shù)據(jù)處理功能有：能根據(jù)測量出的各高度段上4個位移探頭測量到的原始數(shù)據(jù)，可計算出各高度上的組件各面尺寸變化值、面對邊距離、面扭曲度、面偏心值、組件扭曲度、組件彎曲度、組件偏心值，并作出相應(yīng)的圖表，根據(jù)組件偏心值做出組件偏心投影圖。

1.3 形位測控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

工控機采用研華610H。

數(shù)據(jù)采集卡NI-PCI6221(68針)主要參數(shù)：16路16位AI，信號最大輸入范圍±10V；2路16位AO，輸出范圍±10V；2路32位COUTER。其配套端子板型號為TBX-68。

數(shù)據(jù)采集卡NI-PCI6515主要參數(shù)：32路DI，最大輸入范圍±30V；32路DO，每路輸出電流125mA。其配套端子板型號為SCB-100。

位移探頭主要參數(shù)：型號WYD-10，工作電壓24VDC，測量范圍10mm，測量精度0.05%，輸出信號：0～5V。

1.4 形位測控系統(tǒng)的計算模型

為了能計算出各面尺寸變化值、面對邊距離、面扭曲度、面偏心值、組件扭曲度、組件彎曲度、組件偏心值，建立了各種參數(shù)的計算模型。

I-1008形位儀待測組件及位移探頭結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖1所示。

圖1 組件及位移探頭結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Schematic of assembly and displacement sensors structure model

1.4.1 組件外形參數(shù)計算

(1) 面尺寸變化值計算

各對面尺寸變化值公式為：

VRAD=(P1AD+P2AD
+P3AD+P3AD)/2-FF

(1)

式中：VRAD——組件AD面的尺寸變化值，mm；

P1AD-P4AD——1號～4號位移探頭測量值；

FF——CEFR組件理論面對邊距，取59mm。

公式(1)為組件AD面的尺寸變化值，BE面、CF面同理可得，下同。

(2) 面對邊距計算

各對面對邊距公式為：

DMAD=VRAD+FF

(2)

式中：DMAD——AD面的面對邊距，mm。

(3) 面扭曲度計算

各面扭曲公式為：

TWA=arctan[(P1AD-P3AD)/FE]

(3)

(4)

式中：TWA——A面的扭曲度，°；

TWD——D面的扭曲度，°；

FE——1號位移探頭距3號位移探頭理論距離或者2號位移探頭距4號位移探頭理論距離，mm；

(4) 面扭曲度計算

各對面偏心值公式為：

FCAD=(P1AD-P2AD+P3AD-P4AD)/4

(5)

式中：FCAD——AD面的偏心值，mm。

(5) 組件偏心值計算

組件偏心值公式：

EXAD=FCAD

(6)

EYAD=0.577(FCBE+FCCF)

(7)

(8)

式中：EXAD、EYAD、EAD——組件在X方向、Y方向、總的偏心值，mm。

(6) 組件彎曲度計算

組件彎曲度公式：

BD=arctan(ΔEAD/ΔH)

(9)

式中：BD——組件的彎曲度，°；

ΔEAD——相對下端面組件偏心值，mm；

ΔH——相對下端面高度值，mm。

(7) 組件扭曲度計算

組件扭曲度和相對扭曲度公式如下：

(10)

式中：TW——組件的扭曲度，°；

1.5 形位測控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

本軟件是由Labview編寫的。Labview為圖形化編程語言，使用簡單，可以快速的開發(fā)測控系統(tǒng)[3-4]。本軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 形位儀軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of software structure of shape and size measuring instrument

本軟件首先調(diào)用登陸界面，操作員輸入登陸名稱和密碼才能運行測控程序，進入測控界面。另外通過登陸界面，管理員可以進入登錄管理界面進行登陸管理。登陸之后可進入測控軟件界面。

測控軟件主要由四部分組成：測量校準(zhǔn)，運動部件的控制及狀態(tài)測量，位移探頭測量數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，數(shù)采存儲和讀取。

其中測量校準(zhǔn)包括位移探頭測量結(jié)果校準(zhǔn)、導(dǎo)軌校準(zhǔn)、零點高度校準(zhǔn)和安裝校準(zhǔn)。通常情況下不必使用該功能，當(dāng)要求獲得更高測量精度時可以利用該功能。

運動部件的控制及狀態(tài)測量主要包括滑動頭控制、測量滑塊控制和高度測量、位移探頭控制、裝卸臂控制、夾具控制及限位開關(guān)狀態(tài)測量與控制。軟件中為每一個運動部件提供了單一的控制界面，并且這些界面中設(shè)計了運動部件外形簡圖和運動動畫。通過這些界面，操作員可以方便操作運動部件及觀察其狀態(tài)。

位移探頭測量數(shù)據(jù)采集、處理和顯示是本軟件的重點和難點部分。為方便使用，軟件會將每次位移探頭測量時的測量滑塊高度、測量面、四個位移探頭的測量值按照順序記錄在一個測量結(jié)果列表中，而且軟件設(shè)置了按照測量滑塊高度、測量面自動排列測量結(jié)果順序的功能。在完成全部高度測量之后，將獲得一個完成的測量結(jié)果列表。點擊數(shù)據(jù)處理按鈕，軟件會自動按照各計算模型計算出組件各面尺寸變化值、面對邊距離、面扭曲度、面偏心值、組件扭曲度、組件彎曲度、組件偏心值等值，并以圖形的形式顯示出來。

數(shù)據(jù)存儲和讀取功能：保存位移探頭測量結(jié)果表和各外形尺寸計算結(jié)果圖、表；讀取位移探頭測量結(jié)果表，以便于重新進行數(shù)據(jù)處理。

2 形位測控系統(tǒng)測試

該測控系統(tǒng)的測試工作主要包括控制功能測試、限位開關(guān)狀態(tài)測量和報警功能測試和定量技術(shù)指標(biāo)的檢測等。測試結(jié)果見表1所示。

表1 測控系統(tǒng)測試結(jié)果表Table 1 Test results of measurement and control system

3 組件測量實驗

本實驗的目的：通過完整的組件測量實驗來完善組件測量方法及流程，進一步驗證形位儀組件座和上固定件的固定效果、計算機測控系統(tǒng)功能；獲得待測的模擬標(biāo)準(zhǔn)組件、反射層組件和屏蔽層組件形狀尺寸數(shù)據(jù)，積累組件形狀尺寸測量實驗數(shù)據(jù)；完成數(shù)據(jù)處理軟件的測試；通過測量所得組件數(shù)據(jù)，可對形位儀的組件測量結(jié)果進行評價、估計測量誤差。

3.1 組件測量系統(tǒng)誤差分析實驗

根據(jù)本測量系統(tǒng)的構(gòu)成，可以分析出位移探頭測量誤差主要來源有：位移探頭、探頭架運動、組件旋轉(zhuǎn)和測量滑塊運動。其中位移探頭的主要誤差來源為位移探頭自身、數(shù)據(jù)采集卡和探頭架的細微抖動。為了獲得位移探頭、探頭架運動、組件旋轉(zhuǎn)和測量滑塊運動產(chǎn)生的最大誤差，分別進行了位移探頭測量穩(wěn)定性實驗、同高度同測量面位移探頭重復(fù)測量實驗、同高度組件旋轉(zhuǎn)之后位移探頭重復(fù)測量實驗、不同高度同測量面位移探頭重復(fù)測量實驗。誤差分析實驗結(jié)果見表2。

表2 誤差分析實驗計算結(jié)果表Table 2 Results of error analysis experiment

實驗結(jié)果表明，位移探頭產(chǎn)生的最大誤差為0.01mm、探頭架運動產(chǎn)生的最大誤差為0.005mm、組件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大誤差為0.0035mm、測量滑塊運動產(chǎn)生的最大誤差可以忽略。根據(jù)誤差合成方法，位移探頭總誤差等于以上四個誤差的方和根，為0.012mm。

位移探頭產(chǎn)生的誤差 、探頭架運動產(chǎn)生的可通過增加測量和采集次數(shù)求平均值的方法來減小。組件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差不能通過上述辦法減小。需要對組件座進行修改，增加組件固定結(jié)構(gòu)。根據(jù)組件參數(shù)計算模型分析可知，組件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差雖然影響4個位移探頭具體的測量值，但只會影響面扭曲度和組件扭曲度的值，對其他參數(shù)如面尺寸變化值、面對邊距、面偏心值、組件偏心值和組件彎曲度等沒有影響。根據(jù)計算模型估計，組件旋轉(zhuǎn)120°產(chǎn)生的面扭曲度為0.019°。若從測量組件AD面開始，旋轉(zhuǎn)60°測量組件BE面，再旋轉(zhuǎn)60°測量組件CF面。則完成組件全部三個對面測量后由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的組件扭曲度偏差估計為：0.057°。

3.2 組件測量及數(shù)據(jù)分析

3.2.1 組件測量及數(shù)據(jù)分析

完成了組件測量系統(tǒng)誤差分析實驗后，進行了組件測量實驗，包括模擬標(biāo)準(zhǔn)組件測量實驗、屏蔽層組件測量實驗和反射層組件測量實驗。模擬標(biāo)準(zhǔn)組件面對邊距比較表見表3，模擬標(biāo)準(zhǔn)組件面對邊距的實驗結(jié)果與出廠檢驗結(jié)果最大偏差為0.016mm，遠低于快堆組件允許的最大偏差0.1mm要求，證明該系統(tǒng)能夠滿足快堆組件的面對邊距測量精度要求。

表3 模擬標(biāo)準(zhǔn)組件面對邊距比較表Table 3 Comparision of face edge distance measurement of simulate standard assembly

測量得到的各組件的主要參數(shù)比較表見表4。根據(jù)表4可以看出，模擬標(biāo)準(zhǔn)組件各項參數(shù)均明顯優(yōu)于屏蔽層組件和反射層組件的，模擬組件具有最高的精度。屏蔽層組件和反射層組件的主要參數(shù)基本相同，具有相同的精度。因此，可以進一步認為形位儀測量結(jié)果是正確的，該形位儀具備了快堆組件形狀尺寸測量功能[5-6]。

表4 組件的主要參數(shù)測量表Table 4 Results of main parameters measurement of different assemblies

4 結(jié)論

本測控系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，實現(xiàn)了精確測量快堆組件的偏心值、扭曲度和彎曲度等形狀尺寸的功能。本系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確、功能齊全、安全測控等特點。能夠完成形位儀各運動部件的控制及相應(yīng)的運動聯(lián)鎖；各運動部件能靈活運動、無異響；各限位開關(guān)能正常動作，其狀態(tài)信息能夠采集進入計算機，同時發(fā)出相應(yīng)報警；測量滑塊高度測量準(zhǔn)確。并且獲得了待測的模擬標(biāo)準(zhǔn)組件、反射層組件和屏蔽層組件形狀尺寸數(shù)據(jù)，積累了組件形狀尺寸測量實驗數(shù)據(jù)。

致謝

感謝中國實驗快堆屏蔽層組件和反射層組件沖擊實驗形位測量系統(tǒng)課題組成員的通力合作，感謝錢順發(fā)老師、張振燦老師、高永光老師等專家在工作中給予的技術(shù)指導(dǎo)和幫助。感謝運研部部門領(lǐng)導(dǎo)和同事們的支持和幫助。感謝結(jié)構(gòu)室等兄弟部門的合作與支持。

[1] 鄧志新，王玲彬.秦山第二核電廠燃料組件輻照變形測量、分析及對策研究[J].核電技術(shù)，2013：307-311.

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Research of Shape Measurement and Control System for Fast Reactor Assembly Based on Virtual Instrument Technology

LIU Yun-yan1，2，SUN Yu1，SHEN Feng-yang1，WU Chun-liang1，LI Xing1，GAO Ji-ning1，GU Chun-xing1，LI Guo-cai1

(1.China Institute of Automatic Energy，Beijing 102413，China；2.State Nuclear Power Technology Research & Development Centre，Beijing 102209，China)

Using virtual instrument technology，a shape dimension measurement and control system is designed for the assembly shape and size measurementsin the experimental thermal shock tests of the shielding layer assembly and the reflective layer assembly of Chinese Experimental Fast Reactor.The hardware of the system is realized using NI’s data acquisition cards，on which the software is developed using the Labview platform.The system with control，measurement，and data processing functions，can accomplish the shape and size measurements，i.e.the eccentricity，twist，and bend degree of assembly of fast reactor.Experiments show that the system achieves the design goals of stability，accurate measurement full function，and sefety in operation.

China Experimental Fast Reactor；Shape and size measurement instrument；Measurement and control system；Calculation model；Assembly

2016-12-28

劉云焰(1977—)，男，江西人，高級工程師，現(xiàn)從事反應(yīng)堆工程與核測控方向的科研工作

TL375

A

0258-0918(2017)01-0017-06