錢艷平，胡 娜，韓小雷

（1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430000；2.臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司，廣東臺(tái)山 529200）

0 引言

蒸汽發(fā)生器（Steam Generator，SG）作為核電站關(guān)鍵承壓設(shè)備，每個(gè)維修周期都需要進(jìn)行人孔蓋板的開(kāi)蓋及關(guān)蓋密封作業(yè)。以往采用力矩扳手裝拆螺栓螺母，旋緊過(guò)程中螺牙因粘連燒結(jié)易導(dǎo)致發(fā)生螺栓咬死現(xiàn)象。現(xiàn)在大多數(shù)核電站改為采用螺栓拉伸的方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)蓋作業(yè)，咬死狀況大為改善。

整體拉伸式螺栓拉伸機(jī)（以下稱“螺栓拉伸機(jī)”）可以將蒸汽發(fā)生器一次側(cè)人孔所有的螺栓同時(shí)、同步的拉伸，這種對(duì)所有螺栓同時(shí)、同步的拉伸能最大限度地滿足密封的需要。其控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)拉伸機(jī)對(duì)螺栓的可控高精度拉伸，減少操作人員的輻照計(jì)量。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

螺栓拉伸機(jī)控制系統(tǒng)分為氣液系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。

（1）氣液系統(tǒng)采用液壓超高壓技術(shù)對(duì)人孔蓋鎖緊螺栓進(jìn)行可控拉伸，以實(shí)現(xiàn)人孔蓋開(kāi)蓋拆卸及預(yù)緊密封關(guān)蓋（圖1）。氣液系統(tǒng)的主要功能包括：給拉伸機(jī)輸出超高壓、小流量的液壓油；將氣源壓力穩(wěn)定調(diào)節(jié)至設(shè)定壓力；遠(yuǎn)程控制進(jìn)入氣液泵氣體的流量與壓力；實(shí)時(shí)反饋氣液泵的出口壓力；壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)的安全溢流功能；高壓油手動(dòng)卸荷功能。

圖1 氣液系統(tǒng)原理

（2）電控系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)拉伸量和壓力數(shù)據(jù)控制氣液系統(tǒng)氣路的開(kāi)關(guān)及流量，對(duì)氣液系統(tǒng)輸出的高壓油的流量、壓力進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)拉伸過(guò)程的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)實(shí)行分級(jí)拉伸，確保多個(gè)螺栓拉伸的均衡性。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 氣液系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣液系統(tǒng)由手動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)閥、減壓閥、空氣開(kāi)關(guān)閥、流量控制閥、單向調(diào)速閥、氣液泵、壓力變送器、高壓卸荷閥、溢流閥等組成。其中，手動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)閥用于手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉氣源進(jìn)氣；減壓閥用于準(zhǔn)確調(diào)節(jié)氣源壓力，并且將工作氣壓穩(wěn)定在2～7 bar（0.2～0.7 MPa）；空氣開(kāi)關(guān)閥與電控箱連接，用于遠(yuǎn)程控制氣源啟閉；流量控制閥通過(guò)控制流入氣液泵的氣體流量來(lái)控制液壓油升壓的速率，從而控制拉伸速率；單向調(diào)速閥用于當(dāng)流量控制閥斷開(kāi)時(shí)進(jìn)行單向節(jié)流，使氣液泵每分鐘沖程數(shù)≤20 次/min；氣液泵通過(guò)流經(jīng)氣源控制閥的氣體壓縮活塞，將油箱中的液壓油抽出并增壓；溢流閥用于當(dāng)壓力超出系統(tǒng)設(shè)定壓力（出廠時(shí)設(shè)定120 MPa）時(shí)，將高壓液壓油排入油箱；壓力變送器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣液泵的出口油壓；高壓卸荷閥用于高壓油手動(dòng)卸荷。

2.2 電控系統(tǒng)

2.2.1 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)組成的系統(tǒng)控制方案。其中，下位機(jī)采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的NI Compact RIO 平臺(tái)，選用NI cRIO-9075 集成化系統(tǒng)，它集成了400 MHz 工業(yè)實(shí)時(shí)處理器和LX25 FPGA，并具有4 個(gè)用于NI C 系列I/O 模塊的插槽，在cRIO-9075 中插入數(shù)據(jù)輸入輸出模塊以及串口通信模塊，完成系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集以及通信功能；上位機(jī)選用X86 架構(gòu)的工業(yè)平板電腦，配備高性能Intel 處理器，15 寸LCD 顯示器，面板帶按鍵控制（圖2）。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2.2 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.2.1 控制邏輯

螺栓拉伸機(jī)控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)人孔蓋的開(kāi)關(guān)操作，控制關(guān)孔拉伸和開(kāi)孔拉伸操作。關(guān)孔拉伸分為三次拉伸，開(kāi)孔拉伸為一次拉伸，每一次拉伸流程類似。

關(guān)孔拉伸通過(guò)控制兩個(gè)氣路電磁閥—空氣開(kāi)關(guān)閥和流量控制閥來(lái)控制液壓系統(tǒng)，從而最終控制螺栓拉伸的長(zhǎng)度。第一次拉伸和第二次拉伸動(dòng)作停止均取決于設(shè)定的液壓系統(tǒng)壓力值：當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力低于初設(shè)值時(shí)，空氣開(kāi)關(guān)閥和流量控制閥系統(tǒng)打開(kāi)，系統(tǒng)處于較快速的拉伸階段；當(dāng)壓力值達(dá)到初設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉流量控制閥，系統(tǒng)進(jìn)入慢速的精細(xì)拉伸階段；當(dāng)壓力值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉空氣開(kāi)關(guān)閥，拉伸動(dòng)作停止。

第三次拉伸動(dòng)作的停止取決于拉伸過(guò)程滿足兩個(gè)條件之一：一是液壓系統(tǒng)的設(shè)定壓力，二是螺栓拉伸量。液壓系統(tǒng)壓力低于第三次拉伸初設(shè)值時(shí)，打開(kāi)空氣開(kāi)關(guān)閥和流量控制閥，進(jìn)入較快速拉伸階段。壓力達(dá)到初設(shè)值時(shí)關(guān)閉流量控制閥，拉伸進(jìn)入慢速的精細(xì)拉伸階段。

2.2.2.2 軟件模塊

確定螺栓拉伸機(jī)控制系統(tǒng)硬件配置方案和控制邏輯后，使用Lab VIEW2012 的開(kāi)發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了螺栓拉伸機(jī)控制系統(tǒng)軟件。控制系統(tǒng)下位機(jī)為Compact RIO 平臺(tái)，采用VxWorks 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。上位機(jī)為X86 架構(gòu)的工業(yè)平板PC（Personal Computer，個(gè)人計(jì)算機(jī)），采用WIN 7 操作系統(tǒng)。

（1）上位機(jī)軟件。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：提供控制系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；發(fā)出控制指令到下位機(jī)；對(duì)拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理及導(dǎo)入導(dǎo)出；與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；打印功能。

（2）下位機(jī)軟件。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)時(shí)采集壓力和拉伸值數(shù)據(jù)；對(duì)實(shí)時(shí)采集的壓力和拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相關(guān)的控制參數(shù)；接收上位機(jī)命令，與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；能獨(dú)立控制兩個(gè)氣路電磁閥，上位機(jī)斷電時(shí)不會(huì)造成螺栓過(guò)拉伸；報(bào)警與保護(hù)功能（表1）。其中，F(xiàn)PGA 為Field Programmable Gate Array 的縮寫(xiě)，是在PAL、GAL 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物；RT 是RealText 的簡(jiǎn)寫(xiě)。

表1 系統(tǒng)軟件模塊功能

3 結(jié)論

本控制系統(tǒng)采用性能可靠的NI cRIO-9075 集成化系統(tǒng)作控制系統(tǒng)，結(jié)合Lab VIEW2012 開(kāi)發(fā)環(huán)境的良好人機(jī)開(kāi)發(fā)界面，實(shí)現(xiàn)了螺栓拉伸機(jī)對(duì)螺栓的的可控高精度拉伸。通過(guò)功能驗(yàn)證試驗(yàn)，本控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)螺栓拉伸機(jī)的全自動(dòng)控制，能對(duì)螺栓拉伸量、剩余拉伸量、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制、記錄、打印，操作簡(jiǎn)便，且在斷電情況下也不會(huì)造成螺栓的過(guò)拉伸，安全可靠。