核電在役檢查設備的監測技術研究和實現

薛亞軍，陳思遠，王 靜

（中廣核檢測技術有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

反應堆壓力容器（RPV）作為核電站重要部件，其質量直接關系到核電站的安全運行。為保證RPV 的安全，根據相關規范要求，反應堆壓力容器法蘭面、焊縫、螺栓孔、中子高通量區域等部位提出了無損檢測的強制性要求，在指定投入運行和運行一定時間間隔后必須實施役前及在役檢查，其檢查結果作為分析評定壓力容器運行狀態、延壽的重要依據[1]。某公司自主研制的反應堆壓力容器11 軸自動檢查設備，完成了CPR 堆型和EPR堆型多個機組的RPV 役前和在役無損檢查項目，自動檢查設備的狀態直接影響了項目的實施。其中，控制系統是整套檢查設備的核心組成之一，涉及到運動控制、軌跡規劃、氣動控制等多個關鍵環節。

1 系統狀態監測

由于反應堆壓力容器本身運行在高輻射環境[2]，直接與其接觸的自動化檢查設備具有輻射劑量率高的特點，大大增加了設備的維修難度和成本。因此，有必要對檢查設備的控制系統采取有效的狀態監測手段，及時發現故障隱患。目前西班牙Tecnatom 公司研制的反應堆壓力容器檢查裝置的控制系統中包括了安保系統，利用集成在檢查機的傳感元件，在線實時獲取與狀況相關的信息，如應力、氣密性、電壓等[3]。國內思默特科技公司是國內研發并量產模塊化智能配電柜的廠家，其智能配電柜具有過壓、欠壓等多個功能，提高了供電裝置的安全性和可靠性。

核電站大型在役自動化檢查設備的狀態監測對象主要包括涉及運動控制的硬件，如電機驅動電源、電機運動電流、限位狀態、急停保護等；氣動系統中的開關量和氣密性，如電磁閥動作、電氣裝配盒氣壓數值、氣源狀態等；整套檢查系統的總供電狀況，如三相電壓、漏電保護等。本項目基于現有檢查設備的控制和供電系統，提出了設備狀態監測技術并研制了運動控制監測裝置、氣動監測系統和可視化配電柜三套裝置，以提高該自動化檢查設備現場檢查和日常維護中的工作效率，降低人員負荷。

2 監測系統方案設計

2.1 運動控制監測裝置

運動控制監測裝置在尺寸和重量體現輕便的基礎上，需要實現單軸運動控制、電流位移圖、電壓監測等功能。該裝置主要基于控制器+低噪線性放大器構成運動控制環路，其中硬件主要包括單軸運動控制器、電機驅動放大器、模擬量處理模塊、電源模塊和軟件控制平臺等（圖1）?？刂栖浖哂羞\動控制、限位保護、電壓監測、電流位移圖以及報警提示等功能，軟件基于Visual Studio 和C#編程語言開發（圖2）。核心元器件選型主要包括運動控制器Galil DMC-30012、驅動器GLENTEK SMA-5005 和電源MEAN WELL NDR-480。

圖2 軟件操作界面

運動控制監測裝置最重要的功能是準確反饋電機運動過程的電流值，本運動控制裝置采用實時數值顯示和電流—位移圖兩種方式進行監測。基本思路是在電機驅動電路中增加電流—電壓轉換模塊，將電流值轉換成電壓模擬量，下位機通過I/O模擬量輸入接口識別電壓信號，上位機向下位機發送查詢指令“MG AN[n]”得到數值，最終由控制軟件按照一定的比例關系換算出電流數值并在軟件Current 模塊中進行顯示。電流—位移圖則是基于ZedGraph 實現電流值和位移值的實時曲線繪制，能夠直觀體現電機工作電流的波動情況和趨勢，從而為設備故障分析提供參考。

2.2 氣動控制監測系統

上位機通過網線經路由器與控制柜進行通信，發送控制命令及監測控制柜狀態，該系統主要實現氣源監測和主輔氣源切換功能（圖3）。

圖3 氣動控制結構

主輔氣源狀態監測依靠壓力開關傳感器實現：當主進氣壓力高于壓力開關設定值，壓力開關的舌簧開關閉合，供上位機監測用的TST_AIRPR 置高，繼電器RL1 動作導致電磁閥ELV8 動作，實現主進氣；當主進氣壓力低于PRE2 設定值時，壓力開關不導通，監測信號TST_AIRPR 懸空，RL1 不動作，則輔助進氣的電磁閥ELV7 動作，實現輔助進氣。此時，通過壓力開關PRE1監測輔助進氣的壓力，若高于設定值，PRE1 動作，TST_AIREM置高，輔助進氣壓力滿足檢查需求，可繼續進行工作；若輔助進氣壓力值也不滿足設定值，則TST_AIREM 懸空，表明主進氣及輔助進氣均已失效，需進行故障排查（圖4）。

圖4 主輔氣源切換原理

開關狀態顯示則由光耦器件來實現，即當軟件開關閉合后，通過光耦輸出信號反饋到控制器中（圖5）。

圖5 開關控制狀態原理

2.3 可視化配電柜

針對現有配電柜在現場使用過程中的不足，對配電柜增加了實時監測三相電壓、實時電流、功率、頻率等電能參數的功能（圖6）。

圖6 可視化配電柜電氣原理

3 測試與應用

連接整個系統后對3 種裝置進行功能測試驗證。對比電機正常運動和異常運動的電流—位移圖，設備維護人員對異常運動的單元進行檢修，發現齒輪卡澀，導致電機輸出力矩不穩定（圖7）。

圖7 監控軟件的電流—位移圖界面

當切換氣動柜主輔氣源時，軟件界面可隨時進行提示，還可正確顯示出不同開關的工作狀態（圖8）。

圖8 監控軟件切換氣源界面

整套自動化檢查設備在現場使用過程中，配電柜可實時顯示出檢查設備總的電壓、電流和功率等重要參數（圖9）。

圖9 可視化配電柜參數顯示

4 結束語

針對現有核電站大型在役自動化檢查設備的特點和需求，提出了設備狀態監測技術，并研制出具備監測功能的運動控制裝置、氣動監測系統和可視化配電柜，為檢查設備的工作狀態建立了實時監測系統。測試與實際應用結果表明，所研制的裝置能夠有效監測核電站大型在役自動化檢查設備的關鍵性能參數和狀態，為工作人員現場檢查、設備故障分析和維修提供了參考和技術手段，具有一定的實用價值。