核反應堆壓力容器主螺栓檢測裝置系統設計＊

國核電站運行服務技術有限公司 沈杰 趙琛 趙曉敏 王一帆

核反應堆壓力容器主螺栓是連接核反應堆壓力容器頂蓋與筒體的緊固密封件,屬于受力易損部件，對其需進行定期的缺陷檢測。本文基于PLC 與EtherCat 總線控制，采用分布式控制的方案，通過總線傳輸運動控制的命令，由下層的智能伺服驅動模塊完成對應的各軸運動，同時有效保證主螺栓缺陷定位的準確性。

1 系統方案設計

1.1 研究背景

反應堆壓力容器主螺栓主螺母是反應堆壓力容器本體和頂蓋之間的連接緊固件，長期處于高溫高輻照環境之下，在其制造或換料大修期間，需對其結構如是否存在損傷裂紋進行檢測評估。本系統設計不僅優化機械裝置，使其可適應不同規格螺栓，如AP1000、CAP1400 等，而且采用集成度更高的BECKHOFF 總線模塊、Elmo 驅動模塊等，大大簡化了系統的結構和控制系統，提高便攜性和操控靈活。

1.2 系統結構設計

整個主螺栓檢測裝置大致可分為：底座支撐裝置、抱緊裝置、運動裝置、供水裝置。如圖1 所示。

圖1 主螺栓監測裝置系統結構圖Fig.1 System structure diagram of main bolt monitoring device

（1）底座支撐裝置由底座旋轉平臺及立柱框架組成，為整個機械裝置及被檢件（主螺栓）提供支撐，底座增加了一定的配重，且安裝有4 個可調整水平并固定的萬向地腳螺栓。（2）抱緊裝置位于放置螺栓中部區域，其可有效防止螺栓旋轉時發生傾覆，使得螺栓位于轉臺組件中心以確保運動平穩，使探超聲頭沿螺栓孔下降過程中，保證其垂直性，促使探頭夾具的運動以及檢測信號采集的穩定可靠。（3）運動裝置包括三部分：1）旋轉運動：底座轉臺組件包含主運動電機及減速器和中空的旋轉支撐平臺，其中減速器和旋轉支撐平臺之間采用齒輪傳動，保證傳動精度；2）垂直運動：配一有刷電機并通過齒輪齒條進行傳動，從而帶動導桿進行豎直方向運動，探頭從螺栓中心孔傳入，隨導桿運動至螺栓底部，其上配有傳感器，以保障其向下運動的安全性；3）水平運動：可調水平裝置，需保證與立柱垂直性，在驅動水平導桿垂直運動時，左右兩端和自動對中位置均安裝有檢測傳感器，已達到螺栓放入底座上即可自動對中的要求。（4）供水裝置通過供水箱供水與回收，蠕動泵將水位升至所需高度作為耦合劑，通過正反轉并切換不同水路以達到供水和排水。供水組件管道與閥門集成于立柱框架上，運輸方便。檢測時通過立柱框架上安裝的攝像頭以及旋轉裝置底部液位傳感器實時檢測水位，以控制水泵的啟停。

2 電氣控制系統設計

2.1 系統框圖

本系統所用驅動器可通過其自身含有的網絡接口接入系統，實現EtherCat 總線控制，如圖2 所示。其中嵌入式控制器CX9020 作為EtherCat 網絡中的主站，Gold Twitter 驅動器作為EtherCat 從站，依次連接，實現分布式控制。同時，PLC 控制器通過網線與控制電腦連接，通訊協議為TCP/IP，裝置頂部的高清攝像頭也通過網線與控制電腦連接實現實時監控，本系統中控制部分所采用均為總線模塊，如IO 模塊、通訊模塊、模擬量輸入輸出模塊等，其擴展性極強，為后續功能的添加預留了空間。

圖2 系統框圖Fig.2 System block diagram

2.2 系統控制

控制部分主要分電機運動控制，耦合劑供給控制，網絡監控。

（1）運動控制部分主要包括：控制單元和Elmo 伺服驅動單元兩部分。控制單元為一款導軌式安裝的緊湊型以太網控制器和總線模塊等，其強大的運算能力，可迅速完成電機編碼器信息的處理，外圍模擬量采集運算，位置閉環功能等。特點如下：

1）可掛載最大256 個IO 模塊；

2）ARM Cortex?-A8 CPU，1GHz；

3）Microsoft Windows CE 操作系統；

4）4ms 掃描周期。

Elmo 驅動器可降低動力回路與功率元件的負荷，兼具抗電磁噪聲干擾等功能，其連續功率輸出：975W，最大輸出電壓高達直流母線電壓的96%，支持EtherCat 總線。電機自整定功能可使電機優化至最佳，有效防止輸入的PID 參數誤差過大，造成電機發熱等問題，所采用位置閉環控制，利用負反饋，使運動速度在工作允許范圍內連續可調，且定位精準，同時使超聲探頭所采集的信號具有高信噪比便于分析。本系統采用的分布式控制將功能集中到不同的控制模塊中，且體積更小，不但減小了現場電纜的數量，更可為設備的維護節省時間成本。

（2）耦合劑供給控制：在實際超聲檢測過程中，要保證螺栓孔水位始終高于檢測探頭，否則超聲信號將不達標。在檢測過程中，水位會隨探頭下降而溢出螺栓，考慮到其具有一定的放射性，需要水位高度跟隨探頭下降而實時變化。

主螺栓以去離子水作為超聲耦合劑，如圖3 所示。選用可遠程控制轉速的水泵，Modbus 通訊，通過AO 模擬量輸出控制水流速度，控制器接收壓力傳感器反饋的數值，配合排水與補水水路的切換，以及水泵正轉與反轉可實時控制水位高低變換，以實現閉環控制，且可有效防止水流溢出螺栓孔。

圖3 供水原理圖Fig.3 Schematic diagram of water supply

（3）網絡監控：由于主螺栓屬于核一級部件，所用去離子水沾染放射性，現場工作人員采用遠程監控操作，設備中使用的POE 相機，通過瀏覽器顯示相機的實時圖像。

3 軟件系統設計

控制軟件分為PLC 內部程序與上位機控制程序兩部分構成，如圖4 所示。通過TWINCAT 實現PLC 與上位機的通訊，PLC 內部使用TwinCat3 進行編程，主要使用結構化文本編寫，實現主要功能為，驅動器的控制及狀態查詢，IO 模塊的控制。上位機控制軟件主要實現圖形化的人機控制界面，使用BECKHOFF 自帶TwinCAT.Ads.dll 實現與PLC 的相互通訊。編程語言使用C#，通過讀取或更改PLC 的內部變量值實現對PLC 控制及監控。

程序功能框圖如圖4 所示。

圖4 程序功能框圖Fig.4 Program function block diagram

內部程序有如下幾個功能模塊：

電機點動模塊（JOG）：用于電機的點動操作；

電機運動模塊（Motion）：用于電機的絕對位移及相對位移操作；

電機使能模塊（Servo）：用于電機的下使能；

錯誤復位模塊(Reset)：用于電機的錯誤復位制作；

電機停止模塊(STOP)：用于電機的停止/急停操作；

掃查模塊(Scan)：用于實現掃查運動；

置位模塊(Set Position)：用于電機的置位操作；

限位停止模塊(Limit Stop)：用于電機到達限位時停止；

水位控制模塊(Water)：用于超聲檢測水位控制。

4 結語

主螺栓超聲渦流檢測主要是針對其在核電特殊環境運行后產生的周向應力腐蝕裂紋和疲勞裂紋等缺陷。此開發的檢測裝置可以攜帶超聲探頭準確的進入螺栓中心孔內，通過裝置底部的旋轉平臺和垂直掃查機構的步進實現螺栓的自動超聲檢查，同步可進行螺栓上下端部渦流掃查。超聲渦流檢測一體，超聲檢測桿良好的對中能力，自動檢測運動及供水控制，系統的可操作性，極大的提高工作效率。

同時電氣控制箱內部良好接地，電機輸出端進行磁環降噪，減小電磁干擾，同軸信號線纜的最外層屏蔽兩端分別接MS5800 儀器外殼和裝置外殼（接地），有效的屏蔽自動檢測裝置的噪聲輸入。通過采用上述噪聲屏蔽方法，在螺栓的檢測靈敏度下，噪聲信號遠遠小于10%的滿屏高度，信噪比達到了20dB 以上。

引用

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