反應堆壓力容器主管道焊縫射線檢查設備控制系統的設計與實現

葉 峰 劉 順 汪雙印 陳 衡 肖曉南

(中廣核檢測技術有限公司)

反應堆壓力容器主管道焊縫射線檢查設備控制系統的設計與實現

葉 峰 劉 順 汪雙印 陳 衡 肖曉南

(中廣核檢測技術有限公司)

針對核電站的特殊情況，設計了反應堆壓力容器主管道焊縫射線檢查設備控制系統，給出了該系統的硬件結構和軟件實現方法。經驗證，該系統能夠穩定、快速并且高精度地到達焊縫位置，效果良好。

控制系統 反應堆壓力容器 射線檢查

反應堆壓力容器位于核電站反應堆廠房中心，是反應堆廠房乃至核電站最核心的設備，是保證核電設備正常運行和安全的關鍵設備。作為防止一回路放射性物質泄漏的屏障之一，反應堆壓力容器承受著一回路冷卻劑的高溫、高壓和高放射性[1]。因此，對于反應堆壓力容器安全端焊縫射線檢查做出了強制性的要求，需要進行投入使用前的役前檢查和運行后的在役檢查。由于放射源進行射線檢查時人員不能近距離操作，而且在役期間反應堆水池附近照射劑量高，使得反應堆壓力容器安全端的射線檢查必須采用遠距離的電氣和機械控制，以保證人員的安全，因此筆者設計了一套反應堆壓力容器主管道焊縫射線檢查設備控制系統。

1 檢查部位

檢查部位為進、出口接管安全端兩端距離反應堆筒體軸心約3 190mm處的同種鋼焊縫、距離同種鋼焊縫112mm靠近反應堆壓力容器側的異種鋼焊縫和緊貼異種鋼的預堆邊焊縫。圖1為焊縫位置示意圖。

圖1 焊縫位置示意圖

2 射線檢查設備的設計

反應堆壓力容器主管道焊縫射線檢查設備控制系統主要分為控制系統和機械系統。圖2為整個控制系統的框圖。

圖2 反應堆壓力容器主管道焊縫射線檢查設備控制系統框圖

控制系統主要包含有通信部分、壓力控制部分、開關量控制部分和運動控制部分，硬件主要由上位機電腦、通信線纜、控制卡、驅動器和各個傳感器實現。該系統的主要功能為控制氣動機構的壓力大小，處理壓力傳感器返回的模擬信號，控制氣動系統電磁閥的通斷，處理接近開關返回的數字信號，處理返回的編碼器信號并通過閉環控制電機運動的精確定位。控制卡通過網線與電腦進行通信，將數據傳送到上位機進行處理，并且接收上位機的控制命令。

機械系統主要包含載具運動機構，出源、收源機構，設備支撐機構和氣囊機構，硬件上主要由電機、導軌、源機、氣動支撐腿及氣囊等構成。該系統的主要功能為保證設備整體在管道內的定位、支撐，保證設備的足夠強度，提供載具的運動支持，保證整個設備系統的氣密封性，并且保證在設備進行射線檢查時能夠排開焊縫處的水，以減少水對射線的衰減作用。

3 控制系統的設計與實現

本設備控制系統最核心的部分是運動控制卡，它具有非常強大的功能，如高速通信，提供RS232和12Mb/s USB或者10 BaseT Ethenet兩種通信接口，高速編碼器反饋接收，高抗干擾，提供了4MB Flash的非易失性存儲空間，可提供8軸的運動控制，提供帶光電隔離的8路數字輸入8路數字輸出，可擴展8路的模擬量接口，支持正負限位，具備急停的功能，并且提供了輸入輸出可擴展的互聯模塊和模擬量模塊[2]。

運動控制卡是為專門解決復雜運動而設計的，是一種高性能的獨立控制器，可完成多個軸的雙閉環速度環和位置環伺服控制，能夠用于JOG、PTP定位、多軸聯動、矢量定位、電子齒輪同步、電子凸輪、多任務及輪廓運動等。圖3為控制卡的內部框圖。

圖3 運動控制卡內部框圖

3.1 運動控制

在控制卡中獨立的運動控制分為兩種，一種是定位控制，用于設備載具運動，將氣囊送到指定位置；另一種是JOG點動運動，用于源機的收源、出源運動。

在進行定位控制時，首先通過上位機設定相應的加速度、減速度和速度值，然后給到某軸一個目標位置信息(可以使用絕對位置和相對位置)，使能并給出開始運動信號后(在沒有接收到限位信號的前提下)電機開始加速到設定速度，然后維持速度，最后在到達目標位置前減速，形成一個梯形或者三角形的速度-時間曲線。運動時，控制卡實時通過高速的主編碼器接口采集當前位置信息，通過內部的閉環運算，得到目標值和當前位置值的誤差，通過誤差的大小和設定速度來決定輸出到電機驅動器接口的模擬量信號值(16位分辨率，±10V)的大小。定位控制方式主要用于載具的移動控制，控制框圖如圖4所示。

圖4 定位控制框圖

也可使用JOG點動運動方式。JOG運動控制方式非常靈活，在運動期間可以隨時改變速度、加速度和方向。當開始運動命令發出后，電機立即加速到設定的速度，并且以此速度持續運轉，直到有新的命令。如果運動期間改變運動速度，控制器就會控制電機按照設定加速或者減速到新的速度。JOG模式主要用于源機的出源、收源控制。

3.2 IO控制

對于數字IO控制，直接使用互聯模塊上的8輸入8輸出通用IO。所有的通用IO都采用了光耦進行隔離，提高了系統的抗干擾和安全性能。輸出IO提供給外部的接口為集電極開路，在使用繼電器等感性負載時，務必要在負載上并聯一個續流二極管，以防燒壞光耦輸出側(圖5)。

圖5 輸出接口連接方式

數字IO主要用于設備的電磁閥控制和接近開關。電磁閥主要控制設備支撐腿的伸出與收回，用以設備在管道內部的固定。接近開關信號主要來自設備在壓力容器內壁定位的接觸信號。

3.3 模擬量控制

設備需要實時監控各個氣動部件的氣壓，這就需要用到模擬量擴展模塊。該模塊包含8通道模擬量輸入(12或16位分辨率，±10V)和40個可編程數字IO。對于模擬的輸出，可采用電機接口中的模擬量輸出接口，直接使用TL指令即可簡單快速地設置輸出電壓，用于控制比例調節閥輸出相應的氣壓供給設備氣動部分。

4 程序編寫與上位機實現

控制卡可以運行事先下載到內部Flash存儲器的程序，也可使用上位機實時發送控制指令運行。

在終端上編寫好程序，利用終端的燒寫功能將程序下載到控制卡內部，上電后程序會自動運行。一段重復10次運動到1 000的位置的內部程序(指令)和說明如下：

#BEGIN 程序標號

Count=10 循環計數器置初值

#LOOP 循環程序標號

PA1000 絕對位置1 000

BGA 開始運動

AMA 等待運動完成

WT100 暫停100ms

PA0 返回絕對位置0點

BGA 開始運動

AMA 等待運動完成

WT100 等待100ms

Count=Count-1 循環計數器減1

JP#LOOP,Count>0 通過循環測試10次

EN 程序結束

用戶可以利用API函數使用VB、VC、C/C++及LabVIEW等高級語言來編寫滿足特殊應用需求的程序?？刂瓶ㄌ峁┝朔浅Ｈ娴目刂浦噶詈透呒壵Z言的API函數，極大地減少了用戶編寫上位機的工作量。編寫的上位機界面如圖6所示。

5 結束語

反應堆壓力容器主管道焊縫射線檢查設備控制系統在實際應用中可靠度較高，能夠穩定、快速并且高精度地到達焊縫位置，多次長時間超7天不間斷使用未出現任何設備故障。該系統已經用于國內多家核電站的役前和在役檢查，取得了良好的效果，圓滿完成業主的各項檢查任務。

圖6 上位機界面

[1] 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.

[2] 占小猛,楊林,任仲偉.基于DMC運動控制卡的開放式數控系統研究[J]. 機械制造與自動化,2011,40(2):128～130.

《化工自動化及儀表》2017年征稿簡則

1.專業范圍

報道化工、石油化工、冶金、電力、醫藥、造紙、紡織等行業過程控制理論與應用、計算機技術及其應用、檢測技術研究與應用、控制裝置設計及應用、儀器儀表技術開發與應用、企業技術改造經驗等。

2.報道內容

◆綜述與評論。博采眾覽，兼收并蓄，及時、準確、全面地反映國內外過程控制技術、檢測技術、計算機技術及儀器儀表技術的發展動態、趨勢和水平。著文要求準確性和權威性，信息量大，能夠較全面地闡明命題的過去、現狀及發展。

◆過程控制。報道現代控制理論的研究與應用，新型控制策略及控制技術的應用實例；先進控制系統及控制裝置的現場應用；國家重大科技攻關項目及成果。

◆檢測與儀表。報道國內外先進的檢測技術、自動化儀器儀表技術的開發與應用。

◆研究與應用。報道控制技術、檢測技術、計算機技術、儀器儀表技術等的研發及其在工業生產中的應用。

◆技改與創新。報道技術改造和技術成果，系統及儀表的日常檢測與維修經驗等，著文要求突出實用性。

3.投稿要求

◆文稿應簡明扼要，突出重點，公式、數據準確。

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◆每篇文章請附150～200字中、英文摘要，4～6個中、英文關鍵詞，作者所在單位的中、英文名稱。

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◆公式另行居中書寫，大/小寫、上/下標標注清楚。

◆為使您的稿件能夠被及時處理，投稿時請務必提供每位作者的詳細信息，包括郵編、聯系地址、工作單位、電話等。

4.稿件受理

◆來稿收到后即以電子郵件方式給以回復，并分配稿件登記號，以便于查詢。

◆投稿后若有變動(如撤稿，作者通訊地址、聯系方式改變等)，請務必通知編輯部。

◆審稿周期為15個工作日。

◆刊物出版后，向作者贈送兩本當期刊物。

DesignandImplementationofControlSystemforMainPipelineWeldRadiographicInspectionEquipmentofReactorPressureVessels

YE Feng, LIU Shun, WANG Shuang-yin, CHEN Heng, XIAO Xiao-nan

(ChinaNuclearPowerInspectionTechnologyCo.,Ltd.)

Considering special situation of nuclear power station, the control system of radiographic inspection equipment for main pipeline’s welding seam was designed and its hardware structure and software configuration were presented. Application results show that, this system can reach welding seam steadily and rapidly along with a better control effect.

control system，reactor pressure vessel, radiographic inspection

TH865

B

1000-3932(2017)01-0044-04

葉峰(1965-)，工程師,從事核電站在役役前檢查工作。

聯 系 人：陳衡(1987-)，助理工程師，從事核電站在役役前檢查工作， chen-heng@cgnpc.com.cn。

2016-07-05，

2016-11-30)