核電站主泵法蘭連接螺栓超聲檢測控制系統(tǒng)設(shè)計

陶澤勇 ，趙 琛，周路生，裴方晟，趙曉艷

TAO Ze-yong1 ,ZHAO Chen1,ZHOU Lu-sheng1,PEI Fang-sheng1,ZHAO Xiao-yan2

（1.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233；2.江蘇省水文水資源勘測局揚(yáng)州分局，高郵 225600）

0 引言

核電站主泵法蘭連接螺栓是作為連接主泵和法蘭盤之間的緊固件，長期在高溫高壓輻照等在役環(huán)境下使用時，易形成疲勞損傷等各種缺陷，影響核電站運(yùn)行安全，為保證其可靠性，在ASME規(guī)范規(guī)定下，需對主泵法蘭連接螺栓進(jìn)行在役檢查，以排除其安全隱患[1]。

傳統(tǒng)手動超聲檢測方式，存在檢測效率低、漏檢率高和耗費(fèi)大量人力物力等問題，且難于適應(yīng)主泵法蘭連接螺栓檢測的可靠性高、標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格等要求[2,3]。為增強(qiáng)檢測自動化程度同時提高檢測結(jié)果可靠性，減少操作人員輻射傷害，通過對被檢測的反應(yīng)堆主泵法蘭連接螺栓材質(zhì)、尺徑、形狀、各類影響在役使用性能的缺陷等進(jìn)行了解，根據(jù)主泵法蘭連接螺栓自動超聲檢測機(jī)械裝置的檢測需求，設(shè)計了一套可進(jìn)行核電站主泵在線超聲檢測的控制系統(tǒng)。

1 自動檢測系統(tǒng)組成及特點

1.1 機(jī)械裝置本體

主泵法蘭連接螺栓超聲檢測運(yùn)動控制機(jī)械裝置如圖1所示，由軌道、滑座、公轉(zhuǎn)驅(qū)動組件、徑向驅(qū)動組件、傾斜自適應(yīng)調(diào)整彈簧組件、徑向微調(diào)組件和超聲檢測組件等組成，驅(qū)動選用MAXON RE系列有刷伺服電機(jī)，額定電壓為48V。

圖1 機(jī)械裝置本體

機(jī)械裝置通過快接裝置、定位銷快速安裝于主泵泵殼外壁。公轉(zhuǎn)驅(qū)動組件用于對超聲掃查裝置沿主泵泵殼外壁進(jìn)行周向移動，達(dá)到全面掃查主泵法蘭連接螺栓的目的；徑向驅(qū)動組件用于超聲掃查裝置沿主泵泵殼外壁對主泵法蘭連接螺栓進(jìn)行超聲檢測，完成主泵法蘭連接螺栓的周向掃查和徑向掃查；傾斜自適應(yīng)調(diào)整彈簧組件固定于公轉(zhuǎn)驅(qū)動組件上，實現(xiàn)超聲探頭掃查過程的徑向微調(diào)。各組件的傳動采用絲桿轉(zhuǎn)動和螺母移動方式進(jìn)行，之間相互配合，根據(jù)上位機(jī)控制命令，完成對伺服電機(jī)的精確控制，達(dá)到各主泵螺栓超聲檢測的目的。

1.2 自動檢測系統(tǒng)組成

主泵法蘭連接螺栓自動超聲檢測系統(tǒng)的控制主要是利用GALIL DMC-2183運(yùn)動控制器實現(xiàn)對機(jī)械裝置的各動力部件——伺服電機(jī)的精確控制，保證檢測裝置按照預(yù)定的掃查策略進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動操作，其超聲檢測控制系統(tǒng)總體方案框圖如圖2所示。系統(tǒng)以超聲探頭和數(shù)字超聲檢測儀構(gòu)成的超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以工控機(jī)為控制核心，輔以驅(qū)動機(jī)械載體組成整套超聲檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對核電站主泵法蘭連接螺栓缺陷自動超聲檢測。系統(tǒng)根據(jù)所檢測的主泵法蘭連接螺栓選擇掃查策略，確定掃查參數(shù)，通過上位機(jī)控制軟件發(fā)送控制指令驅(qū)動機(jī)械裝置各行走機(jī)構(gòu)直流伺服電機(jī)的運(yùn)動，同時，超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對超聲探頭采集到的主泵法蘭連接螺栓數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理后，再在顯示器上顯示出來，分析處理后形成缺陷檢測數(shù)據(jù)報告[4～6]。

圖2 超聲檢測系統(tǒng)方案框圖

系統(tǒng)各驅(qū)動機(jī)構(gòu)所對應(yīng)直流伺服電機(jī)的控制采用PWM脈寬調(diào)制方式進(jìn)行，通過控制算法，讀取各伺服電機(jī)編碼器反饋值來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和啟停，形成一個PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保檢測組件的精確定位，同時避免掃查器運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定引起主泵法蘭連接螺栓缺陷誤檢、漏檢以及損傷機(jī)械裝置等情況的發(fā)生，保障了超聲檢測系統(tǒng)的高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確性。

2 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計

控制系統(tǒng)以虛擬儀器語言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，以面向?qū)ο蟮腉語言編程方式進(jìn)行設(shè)計，具有模塊化、開發(fā)快速、穩(wěn)定靈活等特點[7,8]。采用LabVIEW編寫控制程序，上位控制計算機(jī)和Galil運(yùn)動控制卡之間通過TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。Galil運(yùn)動控制器包含了兼容LabVIEW的API接口程序，并提供了一些簡單易用的功能VI和動態(tài)鏈接庫DLL供調(diào)用。

2.1 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

控制系統(tǒng)與機(jī)械裝置之間需要實時進(jìn)行信息交互，各驅(qū)動行走機(jī)構(gòu)、探頭調(diào)整機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)均需準(zhǔn)確且及時的傳輸給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)對各驅(qū)動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時管理。在LabVIEW環(huán)境下實現(xiàn)上位機(jī)和Galil控制卡之間通信通常有兩種方式，一種是調(diào)用DMC32.dll動態(tài)鏈接庫，另一種是通過調(diào)用ActiveX工具包DMCOCX32。本系統(tǒng)采用ActiveX技術(shù)實現(xiàn)控制PC和Galil控制卡之間的網(wǎng)絡(luò)通信，下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)指令，同時完成各傳感器采集數(shù)據(jù)的反饋[9,10]。其通信程序框圖如圖3所示。

圖3 通信程序框圖

LabVIEW采用ActiveX自動化技術(shù)實現(xiàn)與Galil運(yùn)動控制卡程序的鏈接，通過屬性節(jié)點進(jìn)行運(yùn)動控制器的序列號和IP選擇，設(shè)置屬性節(jié)點connection，調(diào)用屬性節(jié)點command完成上位機(jī)和Galil運(yùn)動控制卡的通信，上位機(jī)指令便可從command接口發(fā)送控制命令至Galil，實現(xiàn)指定掃描策略的運(yùn)動，傳輸采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用上位機(jī)控制軟件中的文件保存模塊進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理與保存，以供后續(xù)查詢和調(diào)用。

2.2 探頭調(diào)整機(jī)構(gòu)模塊

探頭調(diào)整機(jī)構(gòu)的目的在于更為精確進(jìn)行主泵法蘭連接螺栓缺陷檢測，讓超聲探頭進(jìn)行左右、前后、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等掃查運(yùn)動時，超聲探頭在調(diào)整機(jī)構(gòu)的作用下始終以最佳狀態(tài)貼于主泵法蘭連接螺栓內(nèi)壁[9,10]。檢測組件中探頭矯正機(jī)構(gòu)啟動后，位置傳感器在每一采樣時刻接收期望位置與實際位置的偏差量，控制器將根據(jù)偏差位置加以邏輯控制處理，控制絲桿螺母驅(qū)動電機(jī)沿螺栓軸向運(yùn)動來調(diào)整位置偏差，運(yùn)行過程無需任何指令輸入，直至完成一次完整的超聲檢測掃查軌跡曲線，具體實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 探頭調(diào)整機(jī)構(gòu)控制流程

2.3 狀態(tài)顯示模塊

當(dāng)用戶發(fā)送指令到控制系統(tǒng)中時，自動檢測裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)也必須動態(tài)的顯示在前面板界面上，用戶便可對指定軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、扭矩，以及單螺栓掃查進(jìn)度等信息進(jìn)行觀測和分析，通過調(diào)用SendCommand.VI快速做出相應(yīng)操作，提高檢測精度和效率[11～13]。在掃查過程中，通過command接口向Galil卡發(fā)送“TPA”、“TTA”指令實時查詢A軸當(dāng)前位置和扭矩信息。定時器開始計數(shù)時，調(diào)用DMC Command()實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，上位機(jī)每隔10ms在界面上進(jìn)行采集數(shù)據(jù)刷新顯示[14]，當(dāng)運(yùn)動軸出現(xiàn)異常，將以布爾燈紅色閃爍提醒，數(shù)據(jù)顯示程序如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)顯示程序

3 控制軟件功能設(shè)計

自動掃描控制裝置是主泵法蘭連接螺栓超聲檢測控制系統(tǒng)的核心，以現(xiàn)代超聲檢測技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、超聲成像技術(shù)以及機(jī)電一體化技術(shù)開發(fā)了核電站主泵法蘭連接螺栓超聲檢測控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)軟件界面

主泵法蘭連接螺栓超聲檢測控制系統(tǒng)主要具有以下功能：界面圖像顯示、人機(jī)交互、電機(jī)閉環(huán)控制、探頭機(jī)構(gòu)調(diào)整等。從程序?qū)崿F(xiàn)上，應(yīng)包括：參數(shù)設(shè)置、掃描方式設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、進(jìn)度顯示和報警處理等，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件界面功能設(shè)計

系統(tǒng)軟件運(yùn)行前初始化系統(tǒng)各參數(shù)值，再確定掃描速度、方式和路徑等數(shù)據(jù)，建立網(wǎng)絡(luò)通訊，掃描圖像和數(shù)據(jù)文件顯示于人機(jī)界面上，并通過傳感器反饋伺服電機(jī)狀態(tài)，同時將掃描數(shù)據(jù)和掃查參數(shù)進(jìn)行文件存儲，方便后續(xù)檢測人員調(diào)用和查詢，若出現(xiàn)掃查異常，將進(jìn)行急停處理，并報警通知操作人員，防止出現(xiàn)檢測裝置和主泵法蘭連接螺栓的損傷。上位機(jī)控制部分采用筆記本電腦，GALIL DMC-2183八軸運(yùn)動控制器、放大器模塊AMP-20540和AMP-20440、電源等元件模塊化安裝于便攜控制箱中，方便攜帶和接線，便攜控制箱通過航空插頭、電源接口與現(xiàn)場機(jī)械裝置本體進(jìn)行伺服電機(jī)、編碼器、傳感器等連接。控制系統(tǒng)人機(jī)界面如圖7所示。

圖7 人機(jī)界面

在上位機(jī)人機(jī)界面上，用戶可以清晰直觀的觀察掃描進(jìn)度和運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制主泵法蘭連接螺栓超聲檢測系統(tǒng)和超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，相互配合，實現(xiàn)超聲掃描和超聲數(shù)據(jù)采集的自動化，并進(jìn)行缺陷分析、處理和定位，若自動檢測過程中對某部位檢測圖像、數(shù)據(jù)有疑慮，可手動選擇探頭掃描范圍進(jìn)行來回掃描，以提供準(zhǔn)確可靠的檢測數(shù)據(jù)[15]。控制界面操作方式分為手動掃查和自動掃查，默認(rèn)選擇手動掃查方式，手動掃查操作可進(jìn)行周向、軸向速度調(diào)節(jié)，軸向上移、下移和周向順時針、逆時針轉(zhuǎn)動控制。自動掃查操作可實現(xiàn)橫向步進(jìn)掃查和縱向步進(jìn)掃查，根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)、規(guī)劃路徑進(jìn)行來回步進(jìn)掃查，實時顯示升降電機(jī)、轉(zhuǎn)動電機(jī)的扭矩和當(dāng)前被檢螺栓掃查進(jìn)度，并實現(xiàn)對缺陷位置進(jìn)行精確定位，操作人員可根據(jù)檢測需求進(jìn)行模式切換。

3.2 控制程序

具體編程時，針對不同檢測內(nèi)容制定預(yù)設(shè)掃描策略和掃描路徑，先掃查路徑的每段當(dāng)量步長距離移動，通過軟件插補(bǔ)運(yùn)算和時鐘中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)精確插補(bǔ)運(yùn)行控制，形成步進(jìn)脈沖，直到掃查至預(yù)設(shè)掃查路徑限定位置，完成插補(bǔ)，系統(tǒng)檢測停止[16]。檢測掃查流程如圖8所示。

圖8 檢測系統(tǒng)掃查流程圖

4 結(jié)語

對于該核電站主泵法蘭連接螺栓的超聲檢測控制系統(tǒng)的研究設(shè)計，目前該檢測系統(tǒng)的基本功能、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、檢測效率精度等均能滿足核電站相關(guān)超聲檢測應(yīng)用測試，滿足RSEM標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠確保核電站核電站主泵法蘭連接螺栓的運(yùn)行安全。在對主泵法蘭連接螺栓進(jìn)行超聲檢測時，通過優(yōu)化機(jī)械和控制系統(tǒng)、掃查方式，缺陷的檢測和定量，信號的采集和分析，合理搭配超聲檢測組件，能夠充分發(fā)掘該超聲檢測系統(tǒng)的功能，有利于主泵法蘭連接螺栓檢測業(yè)務(wù)的發(fā)展，為后續(xù)應(yīng)用于其他行業(yè)的類似大型螺栓檢測提供了技術(shù)基礎(chǔ)。