反應堆壓力容器視頻檢查控制系統

朱傳雨，林　戈，王賢彬，金國棟

(中廣核檢測技術有限公司， 蘇州 215021)

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反應堆壓力容器視頻檢查控制系統

朱傳雨，林戈，王賢彬，金國棟

(中廣核檢測技術有限公司， 蘇州 215021)

摘要：反應堆壓力容器是核電廠和核動力系統裝置中最重要的設備之一，在一回路系統中承受高溫、高壓和強烈的中子輻照。為了完成對其視頻檢查的無損檢測目標，設計了基于可編程邏輯控制器(PLC)為主控制器的反應堆壓力容器視頻檢查控制系統，實現了反應堆壓力容器堆焊層的視頻檢查。系統現已用于核電站的役前和在役檢查中，取到了較好的效果。

關鍵詞：反應堆壓力容器；視頻檢查；可編程邏輯控制器

反應堆壓力容器(Reactor pressure vessel, RPV)作為一回路主設備，一方面是為了滿足高承壓運行工況的機械性能要求,選用合金鋼(通常是碳鋼)作為基體材料;另一方面考慮到一回路工作介質對反應堆中子慢化的需要,須使用含硼的硼酸水，但硼酸水對碳鋼具有一定的腐蝕性，碳鋼設備在與硼酸水接觸的內表面必須增加不銹鋼堆焊層來隔離一回路中硼酸水對合金鋼的腐蝕[1]。鑒于堆焊層的重要作用，在核電廠和核動力裝置的檢驗規范和大綱中，對容器的堆焊層有著無損檢驗的強制要求[2-3]，需要按時、定期地對堆焊層進行目視檢查，以確定堆焊層狀態的完好。

但是，上述檢測部位處于核電站的高放射性環境區域，不容許人員靠近來進行直接的目視檢查。為了完成對該部分的視頻檢查，筆者設計了反應堆壓力容器視頻檢查控制系統，采用攝像機對其拍攝的方法進行間接目視檢查。

1設備控制系統設計

該視頻檢查控制系統主要由機械設備、電氣控制設備以及上位機控制軟件構成，系統整體設計方案如圖1所示[4-6]。

機械設備主要包括4個攝像頭、3個旋轉云臺、4個高亮LED燈以及與其配套使用的固定安裝支架等整體設備[5]。

圖1　控制系統構成示意

電氣控制部分是整個控制系統的核心，采用了可編程控制器PLC(Programmable Logic Controller)配以相應的模擬、數字量輸入輸出I/O模塊，實現對旋轉云臺、攝像頭光圈、聚焦與視場范圍、LED燈亮度等進行調節和控制。

PLC采用MODBUS/TCP通信協議,通過以太網與上位控制計算機連接，同時用3根長50 m的光纖來傳輸攝像頭采集的視頻信號和網絡信號。

1.1　機械設備

實際檢測中，機械設備是在水下進行作業的，故需選用防水、密封性能好的攝像單元。這里除管嘴攝像單元，其他攝像單元(見圖1)選用由攝像頭、旋轉云臺、LED燈以及支持模塊部分組成的一體化攝像機，整體結構如圖2所示。

圖2　水下完整攝像單元外觀

其中，攝像頭像素為28萬、36倍光學變焦，供電電壓11～30 VDC。

旋轉云臺內有兩個直流電機，供電電壓24 VDC，扭矩13.56 N·m，具有上下、左右旋轉的能力，控制這兩個方向運動的主要電氣接口參數：Tilt CCW：+24 V控制云臺向下(逆時針)運動；Tilt CW ：+24 V控制云臺向上(順時針)運動；Pan CW：+24 V控制云臺向左(順時針)運動；Pan CCW ：+24 V控制云臺向右(逆時針)運動。

采用照度與鹵素燈相似而功耗小(功率45 W)的LED燈代替24 V/250 W的鹵素燈，亮度在0～10 V間連續可調，控制簡便。采用開關電源替代環形變壓器，消除了可控硅調相電路可能對視頻信號的干擾。

4#攝像頭專用于管嘴檢測，自帶照明、抗輻照、44萬像素和10倍光學變焦。

1.2　電氣控制設備

系統硬件設計結構框圖如圖3所示，核心控制器選用可編程智能控制器PLC APAX5520KW。APAX-5520KW連接不同的APAX-5000系列的通用I/O模塊，文章選用24通道數字量通用輸入模塊DI-5040(1塊，DP0)，24通道數字量通用輸出模塊DO-5046(2塊，DP1，DP2)和模擬量通用輸出模塊AO-5028(1塊，DP3)來構成PLC控制系統，實現系統所需的3個旋轉云臺控制、4個攝像頭調焦、光圈等控制、4個LED燈開關控制任務和3個模擬量控制。其中，用DP1-5046 DO控制1#，2#攝像頭的旋轉云臺、LED燈開關和攝像頭(光圈、聚焦等)，DP2-5046 DO控制3#攝像頭旋轉云臺、LED燈開關和攝像頭(光圈、聚焦等)，DP3-5028 AO控制1#、2#、3#LED燈亮度調節。

圖3　硬件控制結構框圖

1.2.1APAX-5520KW工作模式選擇

APAX-5520KW是一款支持XScale PXA270 CPU和Windows CE.NET操作系統的緊湊型可編程控制器，具有低功耗、無需散熱的特點，具有更高的可靠性。Windows CE的操作系統安裝在內置閃存卡中，無需外部硬盤或CF卡。此外，APAX-5520KW還提供了一個內置CF卡插槽用于數據的存儲，支持兩種操作模式：

(1) 當連接至APAX-5000 I/O模塊時作為一臺獨立的控制器，編程環境為PLC的IEC-61131-3軟邏輯編程工具KW-MultiProg。 KW-MultiProg支持指令表(IL)、結構文本(ST)、功能塊圖(FBD)、順序功能圖(SFC)和梯形圖(LD)。編程完成之后，程序下載至APAX-5520KW，內置KW-ProConOS核會控制程序的執行。

(2) APAX-5520KW與其他CPU模塊結合，控制提供了雙CPU機構。在這種架構中，APAX-5520具有更好的APAX-5000 I/O模塊控制以及實時控制性能；而其他CPU模塊執行其他需要更高計算性能的任務，如HMI/SCADA、數據庫、通信和方法等。如果CPU模塊出現任何故障或者掛起，APAX-5520KW會繼續執行I/O控制任務以保證系統可靠性。

文章選用第一種模式，即KW MultiProg+ProConOS的模式，APAX-5520KW作為一臺獨立的控制器，具有實時I/O控制性能。

1.2.2通信協議

APAX-5520KW控制器與上位機之間通過以太網接口進行通信，APAX-5520KW支持Modbus功能。Modbus能為用戶應用提供高擴展性和高適應性的強大功能，其中包括以下幾個方面：① Modbus/RTU Master功能,連接Modbus/RTU遠程I/O模塊。② Modbus/RTU Slave功能,連接HMI/SCADA軟件或通過串口連接Modbus Master設備。③ Modbus/TCP Server功能,通過以太網連接HMI/SCADA軟件。④ Modbus/TCP Client功能,連接Modbus/TCP遠程I/O模塊。

上述Modbus/RTU Slave功能和Modbus/TCP Server功能唯一不同的是Modbus/RTU通過串口操作，而Modbus/TCP通過以太網操作。筆者選用第三種功能，即APAX-5520KW控制器通過以太網支持Modbus/TCP server功能，為Modbus功能保留的16 k Bytes存儲空間支持Modbus/TCP server功能與其他設備交換數據，上位機通過軟件直接存取其存儲空間的I/O點。

2軟件實現

系統軟件設計包括下位機和上位機監視控制兩部分，下位機PLC的組態編程在KW-Multiprog V4.6軟件上實現，上位機監控控制軟件采用高級C語言來設計完成。

下位機軟件設計是整個控制系統設計的核心，主要利用PLC編程梯形圖(LD)來完成要求的設計任務[7-8]，包括以下模塊部分。

(1) 云臺旋轉控制模塊

用梯形圖編程控制云臺的正反與上下旋轉，帶動攝像頭運動而到達被檢測區域。其中，正反旋轉的梯形圖設計如圖4所示。在攝像頭電源打開的情況下，即常開觸點CAM_VCC_1置1的前提下，用輔助觸點A_PAN_CW和A_PAN_CWW的點動互鎖模式來控制云臺正(PAN_CW_1)、反(PAN_CCW_1)轉。

圖4　云臺正反轉向梯形圖設計示意

(2) 攝像頭聚焦、光圈等控制模塊

包括攝像頭聚焦、光圈和視角范圍的調節控制，可使檢測區域的拍攝更加清晰。其中，聚焦調節梯形圖設計如圖5所示。在攝像頭電源打開的情況下，即常開觸點CAM_VCC_1置1的前提下，用輔助觸點A_Focus_H和A__Focus_L的點動互鎖模式來控制焦距縮放(Focus_H_1,Focus_L_1)。

圖5　攝像頭聚焦調節梯形圖設計示意

(3) LED燈亮度調節模塊

使用模擬量輸出模塊APAX5028，使用寄存器緩存亮度調節值，配置成0～10 V連續可調，以達到調節燈光亮度的目的。

上位機軟件采用高級語言C來設計完成，設計流程圖如圖6所示。

圖6　上位機軟件設計流程圖

根據流程控制要求，設計上位機控制界面如圖7所示[9]，共可分為四大功能模塊，按鈕功能具體如下：Camera ON/OFF按鈕對攝像頭設備進行啟/停控制；Light ON/OFF按鈕對LED燈開/關控制，分別都設有相應軟件指示燈；上下左右四個箭頭按鈕用來控制云臺上、下、左、右旋轉；ZOOM?/?，FOCUS?/?,EXP?/?分別對攝像頭視角范圍、聚焦、光圈等進行縮放調節；上下滾動條用來調節燈光亮度，調節到最上端時，對應0 V輸出，燈光最暗，調節到最下端時，對應10 V輸出，燈光亮度最大；ON/OFF按鈕對所有攝像頭和LED燈的開/關控制。

圖7　上位機主控制界面圖片

整個控制界面結構清晰，可視性強，操作簡單，可以大大降低人為失誤造成的損失。該系統已在某核電站的役前和在役檢查中應用，結果表明系統控制精度高，調節速度快，實用性強，可快速有效完成堆焊層的間接目視檢查。圖8為國內某電廠反應堆壓力容器筒體堆焊層視頻檢查現場應用圖片，圖9為筒體堆焊層檢查的視頻拍攝圖像。

圖8　反應堆壓力容器現場視頻檢查圖片

圖9　筒體堆焊層檢查視頻圖像示例

3結語

綜合考慮了機械、電氣控制等方面諸多因素，利用上位機和PLC之間的遠程通訊，設計了基于可編程邏輯控制器為主控制器的反應堆壓力容器視頻檢查控制系統，成功實現了高放射性環境下反應堆壓力容器堆焊層的水下視頻檢查。該系統多次應用于國內核電機組(紅沿河、寧德、大亞灣、陽江和防城港電站等)的役前和在役檢查中，結果表明系統控制精度高、調節速度快、可快速有效完成堆焊層間接目視檢查。

參考文獻:

[1]陶于春,梁瞻翔,林忠元,等.壓水堆核電站在役檢測用無損檢測技術發展狀況[J].無損檢測,2009,31(12):959-966.

[2]RSE-M壓水堆核電廠核島機械部件在役檢查規則(1997版，2005補遺)[S].

[3]ASMEBoiler and pressure vessel code, section XI-rules for ISI of NPP components,2004[S].

[4]吳健榮，陳懷東,林戈，等.反應堆壓力容器檢查機支撐腿的設計及可靠性研究[J].無損檢測，2013,35(11):15-18.

[5]朱傳雨,林戈,陳懷東,等. 反應堆壓力容器主螺栓超聲檢查設備控制系統的設計與實現[J].無損檢測,2013,35(11):7-10.

[6]李明，陳懷東，肖學柱,等. 核電站反應堆壓力容器超聲檢查技術及裝備研究[C]. 電力系第十一屆無損檢測學術會議論文集. 西寧：中國電機工程學會火力發電分會，2009:71-82.

[7]陳潔. PLC入門與應用案例[M]. 北京：中國電力出版社，2011.

[8]汪明珠，范祖光，解苑明,等. 基于PLC的控制棒驅動機構復驗[J]. 核電子學與探測技術，2011，31(10):1140-1142.

[9] (英)JOHN Sharp. Visual C#2010從入門到精通[M].周靖,譯.北京：清華大學出版社，2011.

The VT Inspection Control Device in the RPV

ZHU Chuan-yu, LIN Ge, WANG Xian-bin, JIN Guo-dong

(CGNPC Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215021, China)

Abstract：As one of the key components of Nuclear Power Systems, Reactor Pressure Vessel (RPV) has to be applicable for the environment with high-pressure, high-temperature and strong radiation from neutrons. In order to monitor the RPV′s running conditions, and to avoid the dangerousness to human from touching, a video-inspection system has been designed and complimented, which is mainly based on the programmed logical circuit (PLC) to control RPV finely and perfectly with the considerations from mechanics and electronic connecting. The feedbacks from the engineering application proved the good efficiency of this system.

Key words:Reactor pressure vessel; Video testing; Programmed logical circuit

中圖分類號：TL38+6；TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)02-0052-04

DOI:10.11973/wsjc201602013

作者簡介：朱傳雨(1983- )，男，碩士，電氣工程師，主要從事核電無損檢測技術研究和設備研制工作。

收稿日期：2015-05-12