朱傳雨，林　戈，王賢彬，金國(guó)棟

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司， 蘇州 215021)

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反應(yīng)堆壓力容器視頻檢查控制系統(tǒng)

朱傳雨，林戈，王賢彬，金國(guó)棟

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司， 蘇州 215021)

摘要：反應(yīng)堆壓力容器是核電廠和核動(dòng)力系統(tǒng)裝置中最重要的設(shè)備之一，在一回路系統(tǒng)中承受高溫、高壓和強(qiáng)烈的中子輻照。為了完成對(duì)其視頻檢查的無損檢測(cè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯控制器(PLC)為主控制器的反應(yīng)堆壓力容器視頻檢查控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆壓力容器堆焊層的視頻檢查。系統(tǒng)現(xiàn)已用于核電站的役前和在役檢查中，取到了較好的效果。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆壓力容器；視頻檢查；可編程邏輯控制器

反應(yīng)堆壓力容器(Reactor pressure vessel, RPV)作為一回路主設(shè)備，一方面是為了滿足高承壓運(yùn)行工況的機(jī)械性能要求,選用合金鋼(通常是碳鋼)作為基體材料;另一方面考慮到一回路工作介質(zhì)對(duì)反應(yīng)堆中子慢化的需要,須使用含硼的硼酸水，但硼酸水對(duì)碳鋼具有一定的腐蝕性，碳鋼設(shè)備在與硼酸水接觸的內(nèi)表面必須增加不銹鋼堆焊層來隔離一回路中硼酸水對(duì)合金鋼的腐蝕[1]。鑒于堆焊層的重要作用，在核電廠和核動(dòng)力裝置的檢驗(yàn)規(guī)范和大綱中，對(duì)容器的堆焊層有著無損檢驗(yàn)的強(qiáng)制要求[2-3]，需要按時(shí)、定期地對(duì)堆焊層進(jìn)行目視檢查，以確定堆焊層狀態(tài)的完好。

但是，上述檢測(cè)部位處于核電站的高放射性環(huán)境區(qū)域，不容許人員靠近來進(jìn)行直接的目視檢查。為了完成對(duì)該部分的視頻檢查，筆者設(shè)計(jì)了反應(yīng)堆壓力容器視頻檢查控制系統(tǒng)，采用攝像機(jī)對(duì)其拍攝的方法進(jìn)行間接目視檢查。

1設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該視頻檢查控制系統(tǒng)主要由機(jī)械設(shè)備、電氣控制設(shè)備以及上位機(jī)控制軟件構(gòu)成，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示[4-6]。

機(jī)械設(shè)備主要包括4個(gè)攝像頭、3個(gè)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、4個(gè)高亮LED燈以及與其配套使用的固定安裝支架等整體設(shè)備[5]。

圖1　控制系統(tǒng)構(gòu)成示意

電氣控制部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，采用了可編程控制器PLC(Programmable Logic Controller)配以相應(yīng)的模擬、數(shù)字量輸入輸出I/O模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、攝像頭光圈、聚焦與視場(chǎng)范圍、LED燈亮度等進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

PLC采用MODBUS/TCP通信協(xié)議,通過以太網(wǎng)與上位控制計(jì)算機(jī)連接，同時(shí)用3根長(zhǎng)50 m的光纖來傳輸攝像頭采集的視頻信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。

1.1　機(jī)械設(shè)備

實(shí)際檢測(cè)中，機(jī)械設(shè)備是在水下進(jìn)行作業(yè)的，故需選用防水、密封性能好的攝像單元。這里除管嘴攝像單元，其他攝像單元(見圖1)選用由攝像頭、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、LED燈以及支持模塊部分組成的一體化攝像機(jī)，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　水下完整攝像單元外觀

其中，攝像頭像素為28萬(wàn)、36倍光學(xué)變焦，供電電壓11～30 VDC。

旋轉(zhuǎn)云臺(tái)內(nèi)有兩個(gè)直流電機(jī)，供電電壓24 VDC，扭矩13.56 N·m，具有上下、左右旋轉(zhuǎn)的能力，控制這兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的主要電氣接口參數(shù)：Tilt CCW：+24 V控制云臺(tái)向下(逆時(shí)針)運(yùn)動(dòng)；Tilt CW ：+24 V控制云臺(tái)向上(順時(shí)針)運(yùn)動(dòng)；Pan CW：+24 V控制云臺(tái)向左(順時(shí)針)運(yùn)動(dòng)；Pan CCW ：+24 V控制云臺(tái)向右(逆時(shí)針)運(yùn)動(dòng)。

采用照度與鹵素?zé)粝嗨贫男?功率45 W)的LED燈代替24 V/250 W的鹵素?zé)?，亮度?～10 V間連續(xù)可調(diào)，控制簡(jiǎn)便。采用開關(guān)電源替代環(huán)形變壓器，消除了可控硅調(diào)相電路可能對(duì)視頻信號(hào)的干擾。

4#攝像頭專用于管嘴檢測(cè)，自帶照明、抗輻照、44萬(wàn)像素和10倍光學(xué)變焦。

1.2　電氣控制設(shè)備

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，核心控制器選用可編程智能控制器PLC APAX5520KW。APAX-5520KW連接不同的APAX-5000系列的通用I/O模塊，文章選用24通道數(shù)字量通用輸入模塊DI-5040(1塊，DP0)，24通道數(shù)字量通用輸出模塊DO-5046(2塊，DP1，DP2)和模擬量通用輸出模塊AO-5028(1塊，DP3)來構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的3個(gè)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)控制、4個(gè)攝像頭調(diào)焦、光圈等控制、4個(gè)LED燈開關(guān)控制任務(wù)和3個(gè)模擬量控制。其中，用DP1-5046 DO控制1#，2#攝像頭的旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、LED燈開關(guān)和攝像頭(光圈、聚焦等)，DP2-5046 DO控制3#攝像頭旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、LED燈開關(guān)和攝像頭(光圈、聚焦等)，DP3-5028 AO控制1#、2#、3#LED燈亮度調(diào)節(jié)。

圖3　硬件控制結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1APAX-5520KW工作模式選擇

APAX-5520KW是一款支持XScale PXA270 CPU和Windows CE.NET操作系統(tǒng)的緊湊型可編程控制器，具有低功耗、無需散熱的特點(diǎn)，具有更高的可靠性。Windows CE的操作系統(tǒng)安裝在內(nèi)置閃存卡中，無需外部硬盤或CF卡。此外，APAX-5520KW還提供了一個(gè)內(nèi)置CF卡插槽用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，支持兩種操作模式：

(1) 當(dāng)連接至APAX-5000 I/O模塊時(shí)作為一臺(tái)獨(dú)立的控制器，編程環(huán)境為PLC的IEC-61131-3軟邏輯編程工具KW-MultiProg。 KW-MultiProg支持指令表(IL)、結(jié)構(gòu)文本(ST)、功能塊圖(FBD)、順序功能圖(SFC)和梯形圖(LD)。編程完成之后，程序下載至APAX-5520KW，內(nèi)置KW-ProConOS核會(huì)控制程序的執(zhí)行。

(2) APAX-5520KW與其他CPU模塊結(jié)合，控制提供了雙CPU機(jī)構(gòu)。在這種架構(gòu)中，APAX-5520具有更好的APAX-5000 I/O模塊控制以及實(shí)時(shí)控制性能；而其他CPU模塊執(zhí)行其他需要更高計(jì)算性能的任務(wù)，如HMI/SCADA、數(shù)據(jù)庫(kù)、通信和方法等。如果CPU模塊出現(xiàn)任何故障或者掛起，APAX-5520KW會(huì)繼續(xù)執(zhí)行I/O控制任務(wù)以保證系統(tǒng)可靠性。

文章選用第一種模式，即KW MultiProg+ProConOS的模式，APAX-5520KW作為一臺(tái)獨(dú)立的控制器，具有實(shí)時(shí)I/O控制性能。

1.2.2通信協(xié)議

APAX-5520KW控制器與上位機(jī)之間通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信，APAX-5520KW支持Modbus功能。Modbus能為用戶應(yīng)用提供高擴(kuò)展性和高適應(yīng)性的強(qiáng)大功能，其中包括以下幾個(gè)方面：① Modbus/RTU Master功能,連接Modbus/RTU遠(yuǎn)程I/O模塊。② Modbus/RTU Slave功能,連接HMI/SCADA軟件或通過串口連接Modbus Master設(shè)備。③ Modbus/TCP Server功能,通過以太網(wǎng)連接HMI/SCADA軟件。④ Modbus/TCP Client功能,連接Modbus/TCP遠(yuǎn)程I/O模塊。

上述Modbus/RTU Slave功能和Modbus/TCP Server功能唯一不同的是Modbus/RTU通過串口操作，而Modbus/TCP通過以太網(wǎng)操作。筆者選用第三種功能，即APAX-5520KW控制器通過以太網(wǎng)支持Modbus/TCP server功能，為Modbus功能保留的16 k Bytes存儲(chǔ)空間支持Modbus/TCP server功能與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過軟件直接存取其存儲(chǔ)空間的I/O點(diǎn)。

2軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)和上位機(jī)監(jiān)視控制兩部分，下位機(jī)PLC的組態(tài)編程在KW-Multiprog V4.6軟件上實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)監(jiān)控控制軟件采用高級(jí)C語(yǔ)言來設(shè)計(jì)完成。

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，主要利用PLC編程梯形圖(LD)來完成要求的設(shè)計(jì)任務(wù)[7-8]，包括以下模塊部分。

(1) 云臺(tái)旋轉(zhuǎn)控制模塊

用梯形圖編程控制云臺(tái)的正反與上下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)攝像頭運(yùn)動(dòng)而到達(dá)被檢測(cè)區(qū)域。其中，正反旋轉(zhuǎn)的梯形圖設(shè)計(jì)如圖4所示。在攝像頭電源打開的情況下，即常開觸點(diǎn)CAM_VCC_1置1的前提下，用輔助觸點(diǎn)A_PAN_CW和A_PAN_CWW的點(diǎn)動(dòng)互鎖模式來控制云臺(tái)正(PAN_CW_1)、反(PAN_CCW_1)轉(zhuǎn)。

圖4　云臺(tái)正反轉(zhuǎn)向梯形圖設(shè)計(jì)示意

(2) 攝像頭聚焦、光圈等控制模塊

包括攝像頭聚焦、光圈和視角范圍的調(diào)節(jié)控制，可使檢測(cè)區(qū)域的拍攝更加清晰。其中，聚焦調(diào)節(jié)梯形圖設(shè)計(jì)如圖5所示。在攝像頭電源打開的情況下，即常開觸點(diǎn)CAM_VCC_1置1的前提下，用輔助觸點(diǎn)A_Focus_H和A__Focus_L的點(diǎn)動(dòng)互鎖模式來控制焦距縮放(Focus_H_1,Focus_L_1)。

圖5　攝像頭聚焦調(diào)節(jié)梯形圖設(shè)計(jì)示意

(3) LED燈亮度調(diào)節(jié)模塊

使用模擬量輸出模塊APAX5028，使用寄存器緩存亮度調(diào)節(jié)值，配置成0～10 V連續(xù)可調(diào)，以達(dá)到調(diào)節(jié)燈光亮度的目的。

上位機(jī)軟件采用高級(jí)語(yǔ)言C來設(shè)計(jì)完成，設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)流程控制要求，設(shè)計(jì)上位機(jī)控制界面如圖7所示[9]，共可分為四大功能模塊，按鈕功能具體如下：Camera ON/OFF按鈕對(duì)攝像頭設(shè)備進(jìn)行啟/?？刂?；Light ON/OFF按鈕對(duì)LED燈開/關(guān)控制，分別都設(shè)有相應(yīng)軟件指示燈；上下左右四個(gè)箭頭按鈕用來控制云臺(tái)上、下、左、右旋轉(zhuǎn)；ZOOM?/?，F(xiàn)OCUS?/?,EXP?/?分別對(duì)攝像頭視角范圍、聚焦、光圈等進(jìn)行縮放調(diào)節(jié)；上下滾動(dòng)條用來調(diào)節(jié)燈光亮度，調(diào)節(jié)到最上端時(shí)，對(duì)應(yīng)0 V輸出，燈光最暗，調(diào)節(jié)到最下端時(shí)，對(duì)應(yīng)10 V輸出，燈光亮度最大；ON/OFF按鈕對(duì)所有攝像頭和LED燈的開/關(guān)控制。

圖7　上位機(jī)主控制界面圖片

整個(gè)控制界面結(jié)構(gòu)清晰，可視性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，可以大大降低人為失誤造成的損失。該系統(tǒng)已在某核電站的役前和在役檢查中應(yīng)用，結(jié)果表明系統(tǒng)控制精度高，調(diào)節(jié)速度快，實(shí)用性強(qiáng)，可快速有效完成堆焊層的間接目視檢查。圖8為國(guó)內(nèi)某電廠反應(yīng)堆壓力容器筒體堆焊層視頻檢查現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖片，圖9為筒體堆焊層檢查的視頻拍攝圖像。

圖8　反應(yīng)堆壓力容器現(xiàn)場(chǎng)視頻檢查圖片

圖9　筒體堆焊層檢查視頻圖像示例

3結(jié)語(yǔ)

綜合考慮了機(jī)械、電氣控制等方面諸多因素，利用上位機(jī)和PLC之間的遠(yuǎn)程通訊，設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯控制器為主控制器的反應(yīng)堆壓力容器視頻檢查控制系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了高放射性環(huán)境下反應(yīng)堆壓力容器堆焊層的水下視頻檢查。該系統(tǒng)多次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)核電機(jī)組(紅沿河、寧德、大亞灣、陽(yáng)江和防城港電站等)的役前和在役檢查中，結(jié)果表明系統(tǒng)控制精度高、調(diào)節(jié)速度快、可快速有效完成堆焊層間接目視檢查。

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The VT Inspection Control Device in the RPV

ZHU Chuan-yu, LIN Ge, WANG Xian-bin, JIN Guo-dong

(CGNPC Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215021, China)

Abstract：As one of the key components of Nuclear Power Systems, Reactor Pressure Vessel (RPV) has to be applicable for the environment with high-pressure, high-temperature and strong radiation from neutrons. In order to monitor the RPV′s running conditions, and to avoid the dangerousness to human from touching, a video-inspection system has been designed and complimented, which is mainly based on the programmed logical circuit (PLC) to control RPV finely and perfectly with the considerations from mechanics and electronic connecting. The feedbacks from the engineering application proved the good efficiency of this system.

Key words:Reactor pressure vessel; Video testing; Programmed logical circuit

中圖分類號(hào)：TL38+6；TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)02-0052-04

DOI:10.11973/wsjc201602013

作者簡(jiǎn)介：朱傳雨(1983- )，男，碩士，電氣工程師，主要從事核電無損檢測(cè)技術(shù)研究和設(shè)備研制工作。

收稿日期：2015-05-12