陶澤勇 ，趙 琛，周路生，裴方晟，趙曉艷

TAO Ze-yong1 ,ZHAO Chen1,ZHOU Lu-sheng1,PEI Fang-sheng1,ZHAO Xiao-yan2

（1.國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233；2.江蘇省水文水資源勘測局揚州分局，高郵 225600）

0 引言

核電站主泵法蘭連接螺栓是作為連接主泵和法蘭盤之間的緊固件，長期在高溫高壓輻照等在役環(huán)境下使用時，易形成疲勞損傷等各種缺陷，影響核電站運行安全，為保證其可靠性，在ASME規(guī)范規(guī)定下，需對主泵法蘭連接螺栓進行在役檢查，以排除其安全隱患[1]。

傳統(tǒng)手動超聲檢測方式，存在檢測效率低、漏檢率高和耗費大量人力物力等問題，且難于適應(yīng)主泵法蘭連接螺栓檢測的可靠性高、標準嚴格等要求[2,3]。為增強檢測自動化程度同時提高檢測結(jié)果可靠性，減少操作人員輻射傷害，通過對被檢測的反應(yīng)堆主泵法蘭連接螺栓材質(zhì)、尺徑、形狀、各類影響在役使用性能的缺陷等進行了解，根據(jù)主泵法蘭連接螺栓自動超聲檢測機械裝置的檢測需求，設(shè)計了一套可進行核電站主泵在線超聲檢測的控制系統(tǒng)。

1 自動檢測系統(tǒng)組成及特點

1.1 機械裝置本體

主泵法蘭連接螺栓超聲檢測運動控制機械裝置如圖1所示，由軌道、滑座、公轉(zhuǎn)驅(qū)動組件、徑向驅(qū)動組件、傾斜自適應(yīng)調(diào)整彈簧組件、徑向微調(diào)組件和超聲檢測組件等組成，驅(qū)動選用MAXON RE系列有刷伺服電機，額定電壓為48V。

圖1 機械裝置本體

機械裝置通過快接裝置、定位銷快速安裝于主泵泵殼外壁。公轉(zhuǎn)驅(qū)動組件用于對超聲掃查裝置沿主泵泵殼外壁進行周向移動，達到全面掃查主泵法蘭連接螺栓的目的；徑向驅(qū)動組件用于超聲掃查裝置沿主泵泵殼外壁對主泵法蘭連接螺栓進行超聲檢測，完成主泵法蘭連接螺栓的周向掃查和徑向掃查；傾斜自適應(yīng)調(diào)整彈簧組件固定于公轉(zhuǎn)驅(qū)動組件上，實現(xiàn)超聲探頭掃查過程的徑向微調(diào)。各組件的傳動采用絲桿轉(zhuǎn)動和螺母移動方式進行，之間相互配合，根據(jù)上位機控制命令，完成對伺服電機的精確控制，達到各主泵螺栓超聲檢測的目的。

1.2 自動檢測系統(tǒng)組成

主泵法蘭連接螺栓自動超聲檢測系統(tǒng)的控制主要是利用GALIL DMC-2183運動控制器實現(xiàn)對機械裝置的各動力部件——伺服電機的精確控制，保證檢測裝置按照預定的掃查策略進行相應(yīng)的運動操作，其超聲檢測控制系統(tǒng)總體方案框圖如圖2所示。系統(tǒng)以超聲探頭和數(shù)字超聲檢測儀構(gòu)成的超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以工控機為控制核心，輔以驅(qū)動機械載體組成整套超聲檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對核電站主泵法蘭連接螺栓缺陷自動超聲檢測。系統(tǒng)根據(jù)所檢測的主泵法蘭連接螺栓選擇掃查策略，確定掃查參數(shù)，通過上位機控制軟件發(fā)送控制指令驅(qū)動機械裝置各行走機構(gòu)直流伺服電機的運動，同時，超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對超聲探頭采集到的主泵法蘭連接螺栓數(shù)據(jù)信息進行處理后，再在顯示器上顯示出來，分析處理后形成缺陷檢測數(shù)據(jù)報告[4～6]。

圖2 超聲檢測系統(tǒng)方案框圖

系統(tǒng)各驅(qū)動機構(gòu)所對應(yīng)直流伺服電機的控制采用PWM脈寬調(diào)制方式進行，通過控制算法，讀取各伺服電機編碼器反饋值來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和啟停，形成一個PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保檢測組件的精確定位，同時避免掃查器運行狀態(tài)的不穩(wěn)定引起主泵法蘭連接螺栓缺陷誤檢、漏檢以及損傷機械裝置等情況的發(fā)生，保障了超聲檢測系統(tǒng)的高穩(wěn)定性、高準確性。

2 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計

控制系統(tǒng)以虛擬儀器語言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，以面向?qū)ο蟮腉語言編程方式進行設(shè)計，具有模塊化、開發(fā)快速、穩(wěn)定靈活等特點[7,8]。采用LabVIEW編寫控制程序，上位控制計算機和Galil運動控制卡之間通過TCP/IP進行網(wǎng)絡(luò)通信。Galil運動控制器包含了兼容LabVIEW的API接口程序，并提供了一些簡單易用的功能VI和動態(tài)鏈接庫DLL供調(diào)用。

2.1 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

控制系統(tǒng)與機械裝置之間需要實時進行信息交互，各驅(qū)動行走機構(gòu)、探頭調(diào)整機構(gòu)的數(shù)據(jù)均需準確且及時的傳輸給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)對各驅(qū)動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時管理。在LabVIEW環(huán)境下實現(xiàn)上位機和Galil控制卡之間通信通常有兩種方式，一種是調(diào)用DMC32.dll動態(tài)鏈接庫，另一種是通過調(diào)用ActiveX工具包DMCOCX32。本系統(tǒng)采用ActiveX技術(shù)實現(xiàn)控制PC和Galil控制卡之間的網(wǎng)絡(luò)通信，下位機接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)指令，同時完成各傳感器采集數(shù)據(jù)的反饋[9,10]。其通信程序框圖如圖3所示。

圖3 通信程序框圖

LabVIEW采用ActiveX自動化技術(shù)實現(xiàn)與Galil運動控制卡程序的鏈接，通過屬性節(jié)點進行運動控制器的序列號和IP選擇，設(shè)置屬性節(jié)點connection，調(diào)用屬性節(jié)點command完成上位機和Galil運動控制卡的通信，上位機指令便可從command接口發(fā)送控制命令至Galil，實現(xiàn)指定掃描策略的運動，傳輸采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用上位機控制軟件中的文件保存模塊進行原始數(shù)據(jù)處理與保存，以供后續(xù)查詢和調(diào)用。

2.2 探頭調(diào)整機構(gòu)模塊

探頭調(diào)整機構(gòu)的目的在于更為精確進行主泵法蘭連接螺栓缺陷檢測，讓超聲探頭進行左右、前后、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等掃查運動時，超聲探頭在調(diào)整機構(gòu)的作用下始終以最佳狀態(tài)貼于主泵法蘭連接螺栓內(nèi)壁[9,10]。檢測組件中探頭矯正機構(gòu)啟動后，位置傳感器在每一采樣時刻接收期望位置與實際位置的偏差量，控制器將根據(jù)偏差位置加以邏輯控制處理，控制絲桿螺母驅(qū)動電機沿螺栓軸向運動來調(diào)整位置偏差，運行過程無需任何指令輸入，直至完成一次完整的超聲檢測掃查軌跡曲線，具體實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 探頭調(diào)整機構(gòu)控制流程

2.3 狀態(tài)顯示模塊

當用戶發(fā)送指令到控制系統(tǒng)中時，自動檢測裝置運行狀態(tài)數(shù)據(jù)也必須動態(tài)的顯示在前面板界面上，用戶便可對指定軸電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、扭矩，以及單螺栓掃查進度等信息進行觀測和分析，通過調(diào)用SendCommand.VI快速做出相應(yīng)操作，提高檢測精度和效率[11～13]。在掃查過程中，通過command接口向Galil卡發(fā)送“TPA”、“TTA”指令實時查詢A軸當前位置和扭矩信息。定時器開始計數(shù)時，調(diào)用DMC Command()實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，上位機每隔10ms在界面上進行采集數(shù)據(jù)刷新顯示[14]，當運動軸出現(xiàn)異常，將以布爾燈紅色閃爍提醒，數(shù)據(jù)顯示程序如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)顯示程序

3 控制軟件功能設(shè)計

自動掃描控制裝置是主泵法蘭連接螺栓超聲檢測控制系統(tǒng)的核心，以現(xiàn)代超聲檢測技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、超聲成像技術(shù)以及機電一體化技術(shù)開發(fā)了核電站主泵法蘭連接螺栓超聲檢測控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)軟件界面

主泵法蘭連接螺栓超聲檢測控制系統(tǒng)主要具有以下功能：界面圖像顯示、人機交互、電機閉環(huán)控制、探頭機構(gòu)調(diào)整等。從程序?qū)崿F(xiàn)上，應(yīng)包括：參數(shù)設(shè)置、掃描方式設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、進度顯示和報警處理等，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件界面功能設(shè)計

系統(tǒng)軟件運行前初始化系統(tǒng)各參數(shù)值，再確定掃描速度、方式和路徑等數(shù)據(jù)，建立網(wǎng)絡(luò)通訊，掃描圖像和數(shù)據(jù)文件顯示于人機界面上，并通過傳感器反饋伺服電機狀態(tài)，同時將掃描數(shù)據(jù)和掃查參數(shù)進行文件存儲，方便后續(xù)檢測人員調(diào)用和查詢，若出現(xiàn)掃查異常，將進行急停處理，并報警通知操作人員，防止出現(xiàn)檢測裝置和主泵法蘭連接螺栓的損傷。上位機控制部分采用筆記本電腦，GALIL DMC-2183八軸運動控制器、放大器模塊AMP-20540和AMP-20440、電源等元件模塊化安裝于便攜控制箱中，方便攜帶和接線，便攜控制箱通過航空插頭、電源接口與現(xiàn)場機械裝置本體進行伺服電機、編碼器、傳感器等連接?？刂葡到y(tǒng)人機界面如圖7所示。

圖7 人機界面

在上位機人機界面上，用戶可以清晰直觀的觀察掃描進度和運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制主泵法蘭連接螺栓超聲檢測系統(tǒng)和超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，相互配合，實現(xiàn)超聲掃描和超聲數(shù)據(jù)采集的自動化，并進行缺陷分析、處理和定位，若自動檢測過程中對某部位檢測圖像、數(shù)據(jù)有疑慮，可手動選擇探頭掃描范圍進行來回掃描，以提供準確可靠的檢測數(shù)據(jù)[15]?？刂平缑娌僮鞣绞椒譃槭謩訏卟楹妥詣訏卟?，默認選擇手動掃查方式，手動掃查操作可進行周向、軸向速度調(diào)節(jié)，軸向上移、下移和周向順時針、逆時針轉(zhuǎn)動控制。自動掃查操作可實現(xiàn)橫向步進掃查和縱向步進掃查，根據(jù)預設(shè)參數(shù)、規(guī)劃路徑進行來回步進掃查，實時顯示升降電機、轉(zhuǎn)動電機的扭矩和當前被檢螺栓掃查進度，并實現(xiàn)對缺陷位置進行精確定位，操作人員可根據(jù)檢測需求進行模式切換。

3.2 控制程序

具體編程時，針對不同檢測內(nèi)容制定預設(shè)掃描策略和掃描路徑，先掃查路徑的每段當量步長距離移動，通過軟件插補運算和時鐘中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)精確插補運行控制，形成步進脈沖，直到掃查至預設(shè)掃查路徑限定位置，完成插補，系統(tǒng)檢測停止[16]。檢測掃查流程如圖8所示。

圖8 檢測系統(tǒng)掃查流程圖

4 結(jié)語

對于該核電站主泵法蘭連接螺栓的超聲檢測控制系統(tǒng)的研究設(shè)計，目前該檢測系統(tǒng)的基本功能、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、檢測效率精度等均能滿足核電站相關(guān)超聲檢測應(yīng)用測試，滿足RSEM標準要求，能夠確保核電站核電站主泵法蘭連接螺栓的運行安全。在對主泵法蘭連接螺栓進行超聲檢測時，通過優(yōu)化機械和控制系統(tǒng)、掃查方式，缺陷的檢測和定量，信號的采集和分析，合理搭配超聲檢測組件，能夠充分發(fā)掘該超聲檢測系統(tǒng)的功能，有利于主泵法蘭連接螺栓檢測業(yè)務(wù)的發(fā)展，為后續(xù)應(yīng)用于其他行業(yè)的類似大型螺栓檢測提供了技術(shù)基礎(chǔ)。