基于Galil卡的管道掃查器控制設計

陶澤勇，劉 震，周路生，田 野

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

基于Galil卡的管道掃查器控制設計

陶澤勇，劉 震，周路生，田 野

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

0 引言

主管道是核電站核承壓邊界的重要組成部分。同時，主管道連接焊縫是核電站核管道現場安裝過程中實施難度較大、產生問題較多的焊縫，且一旦核電站投入運行，其將長期工作于高溫高壓高輻射環境下，易于形成疲勞損傷。因此，依據核電站建造、安裝和運行相關標準包括ASME規范和RSEM標準，對上述焊縫進行定期質量檢查是核電站役前和在役檢查的重要內容，它們的質量對于保障一回路系統的完整性至關重要[1]。

在核電站運行過程中，主管道處在輻射環境下，對其焊縫進行超聲檢測工作的難度極大，耗資昂貴。用人工作業通常存在效率低，時間長，可重復性差，定位誤差大等問題，且對操作工人的身體健康有較大危害。發達國家如美國、英國、丹麥和日本等國均在該領域做過深入研究并形成自己的管道焊縫檢測裝置產品[2]。本設計針對管道直徑從300mm～1000mm，研究設計了一個基于Galil DMC控制器的管道自動檢測系統，可以實現管道焊縫超聲檢測的自動化操作，且該系統具有良好的擴展性和穩定性。

1 管道掃查器基本功能方案

對于管道焊縫進行檢測常用的方法有超聲或射線檢測，因射線檢測無法對缺陷進行定量，故通常采用超聲檢測方法[3]。管道掃查器由導軌、掃查運動機構、探頭組件、伺服電機、控制線纜和超聲信號線纜組成。上位控制計算機根據預先設定的掃查條件（如檢測范圍，掃查方式、檢測速度等），在上位機軟件控制下，驅動安裝在管道掃查器上的兩個電機實現相對管道環焊縫方向的運動。其中一個電機驅動掃查器沿著管道圓周方向運動，另一個電機驅動探頭調整模塊來帶動探頭組件完成沿管道軸向的往復運動，實現對管道環焊縫全范圍、高精度的超聲檢測。掃查方式通常有兩種，一種是軸向柵格掃查（即垂直焊縫方向掃查），這種掃查方式下超聲探頭組件沿著與焊縫垂直的方向往復運動，周向運動電機每步進一個固定長度（即掃查間距），軸向電機隨機切換掃查方向；另一種是周向柵格掃查（即平行焊縫方向掃查），這種掃查方式下掃查器沿著平行焊縫的方向作旋轉運動，軸向電機每步進一個固定長度，掃查器隨即反向運動。周向（平行焊縫）和軸向（垂直焊縫）柵格掃查方式如圖1所示。超聲探頭耦合劑選擇去離子水，通過水泵和水流收集器實現耦合劑水的重復利用。控制方式選擇PC+運動控制卡+伺服電機+以太網的開放式運動控制平臺，易于搭建并利于后續功能的擴展。

圖1 管道掃查器掃查方式示意圖

2 控制系統硬件組成

控制系統主要由上位控制計算機、運動控制卡、電機驅動器、直流伺服電機、耦合劑水泵、網絡攝像頭構成。控制核心選用Galil DMC2143四軸運動控制卡，Galil DMC系列運動控制卡采用32位微處理器，通過高速以太網與PC 機進行數據通信，適用于單軸或多軸的運動控制，且各軸可設為獨立的伺服電機和步進電機控制軸，能提供速度控制，點對點定位，2D線性及圓弧插補，電子齒輪等多種運動模式[4]。電機驅動器選擇Galil AMP20540驅動器，該驅動器可為每軸提供500W，驅動多達4軸的有刷或無刷電機。同時AMP20540可通過96針的DIN接口與DMC2143無縫對接，極大地簡化了系統接線，提高了控制系統的穩定性。管道掃查器控制系統硬件組成如圖2所示。

圖2 射線裝置系統組成

電機的選擇應結合掃查速度、絲杠參數、摩擦力等因素綜合考慮，周向和軸向電機均選擇Maxon RE系列直列有刷伺服電機[5]，配置HEDL5540增量編碼器，電機主要參數如表1所示。

表1 電機參數表

上位控制PC機主要用于完成程序邏輯，設定系統參數，實時顯示掃查器位置狀態，讀取電機參數，是掃查器和操作者進行交流的人機界面。Galil DMC運動控制卡作為下位機，通過以太網接口接受上位控制PC機發送的控制信號，同時將系統實時運行狀態信息通過以太網總線傳送給上位機。

耦合劑水泵選擇便攜式醫用齒輪泵，泵的起停和水流速度均可通過RS485接口總線來控制。為了便于觀察運動過程中超聲探頭與管道表面的貼合情況，在管道掃查器上安裝網絡攝像頭，其采集到的圖像通過以太網實時傳送給上位控制計算機。

3 控制系統軟件設計

系統軟件主要具有以下功能：界面顯示、人機交互、視頻顯示、水泵控制、電機閉環控制等。從程序實現上，應包括：系統準備模塊、手動控制模塊、自動掃查模塊、系統狀態監控模塊和系統功能狀態調試模塊等。上位機程序采用VC++編寫，主要實現指令的發送、掃查參數的設定、實時位置信息顯示和上下位機通信等功能。上位機程序主要通過Galil提供的API函數來編寫。下位機軟件為Galil DMC卡內運動控制程序，控制程序根據Galil特有的兩字符命令集編寫，程序編寫完成后可由上位機通過DMCDownloadFile（）函數從硬盤下載到卡內并可根據需要隨時啟動運行。

圖3 系統軟件功能模塊組成

圖4 掃查軟件程序流程圖

4 結束語

本文給出了管道焊縫掃查器自動化控制方法，控制系統以Galil DMC2143為核心，完成對伺服電機的控制、耦合劑水泵的控制，并輔以網絡高清攝像頭，實現了管道焊縫超聲檢測的可視化和高精度定位。管道掃查器試驗結果表明控制系統運行平穩，定位精度符合要求。

[1]壓水堆核電廠核島機械設備設計規范[M].中國標準出版社,1996.12.

[2]李娜.國外管道焊縫缺陷超聲波檢測現狀[J].機械工程師,2008,(12):148-149.

[3]曹先偉.管道環焊縫掃查機器人研究[D].哈爾濱工程大學,2009.

[4]DMC-21x3 Amplifiers & Accessories.DMC控制卡使用手冊[Z].2008.

[5]Maxon電機使用手冊[Z].2012.

Control design of pipe scanner based on galil card

TAO Ze-yong, LIU Zhen, ZHOU Lu-sheng, TIAN Ye

為了提高管道焊縫超聲檢測的自動化程度，設計并制作了管道焊縫自動掃查器的控制系統。管道掃查器以Galil DMC為控制核心，完成周向和軸向運動控制、耦合劑水泵遠程控制。采用CCD攝像頭實時顯示機構運動和系統的定位狀況。管道掃查器試驗結果表明該系統運行平穩，定位精度滿足要求。

運動控制卡；管道焊縫；掃查器；控制系統

陶澤勇（1983 -），男，碩士研究生，主要從事核電機器人的研究工作。

TP242

B

1009-0134(2015)12(上)-0108-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.32

2015-08-06