水下射線檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶澤勇,趙曉敏,田 野

(國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司,上海200233)

水下射線檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶澤勇,趙曉敏,田 野

(國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司,上海200233)

為了提高反應(yīng)堆壓力容器(RPV)接管焊縫射線檢測(cè)裝置的自動(dòng)化程度,設(shè)計(jì)并制作了水下射線檢查裝置的控制系統(tǒng)。RPV接管焊縫射線自動(dòng)檢測(cè)裝置以AT89S52單片機(jī)為基礎(chǔ),完成氣囊的充放氣、氣缸的橫向進(jìn)給和氣囊壓力控制;應(yīng)用霍爾傳感器完成焊縫的定位,采用CCD攝像頭實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的定位狀況。對(duì)接管焊縫進(jìn)行水下射線試驗(yàn),結(jié)果表明,該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),定位精度滿足要求。

射線檢測(cè);AT89S52單片機(jī);控制系統(tǒng);RPV安全端焊縫

反應(yīng)堆壓力容器(RPV)接管安全端焊縫,及接管與主管道連接的奧氏體不銹鋼焊縫,是核電站核承壓邊界的重要組成部分,也是核電站反應(yīng)堆壓力容器制造過程核管道現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中實(shí)施難度最大、產(chǎn)生問題最多的焊縫,且一旦核電站投入運(yùn)行,其將長(zhǎng)期工作于高溫、高壓、高輻射環(huán)境下,易于形成疲勞損傷。因此,依據(jù)核電站建造、安裝和運(yùn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),包括ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì))規(guī)范和RSEM(壓水堆核電廠在役檢查規(guī)則)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)上述焊縫進(jìn)行定期質(zhì)量檢查是核電站役前檢查和在役檢查的重要內(nèi)容,其質(zhì)量對(duì)于保障一回路系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要[1－2]。

對(duì)于管道中心曝光照相,除了要求射線源位于管道周向中心位置,同時(shí)還要求射線源位于焊縫周向平面上[3]。為了提高檢測(cè)靈敏度,要求預(yù)堆邊照相的射線源位置在預(yù)堆邊斜線延長(zhǎng)線與管道軸線相交位置上。因此所設(shè)計(jì)的射線檢查裝置能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)中心定位和軸向移動(dòng)自動(dòng)定位功能。

針對(duì)壓力容器接管安全端焊縫射線檢測(cè)裝置,研究設(shè)計(jì)了一套基于AT89S52的電氣控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)水下射線的自動(dòng)化操作,且該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。

1 射線檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 RPV接管安全端射線檢測(cè)裝置組成

水下射線檢測(cè)裝置主要由放射源中心定位機(jī)構(gòu)、軸向定位機(jī)構(gòu)、排水氣囊、放射源輸送機(jī)構(gòu)、浮力裝置及長(zhǎng)柄操作工具、CCD攝像頭、電氣控制系統(tǒng)(包括操作平臺(tái)、氣源和氣動(dòng)控制等)、上下位機(jī)控制系統(tǒng)等組成。水下射線檢測(cè)裝置系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 RPV接管安全端射線檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

人機(jī)界面即上位計(jì)算機(jī)控制界面,主要完成上下位機(jī)通信、指令的生成和發(fā)送,以及傳感器信號(hào)反饋等功能。壓力傳感器主要用于檢測(cè)氣囊內(nèi)部壓力,它可顯示氣囊壓力,并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸送給AT89S52單片機(jī)[4]?；魻杺鞲衅鞴灿袃蓚€(gè),一個(gè)用于壓力容器筒體和安全端的定位,另一個(gè)用于安全端和接管焊縫的定位。操作面板相當(dāng)于手動(dòng)控制面板,位于電路控制箱正面,具有完成射線裝置定位的功能按鈕和相應(yīng)的指示燈,壓力表實(shí)時(shí)顯示氣囊內(nèi)部壓力。射線裝置的拍片過程是在RPV模擬體水池中進(jìn)行的,系統(tǒng)的定位由氣囊的充氣和放氣、頭部支撐的收縮和伸長(zhǎng)、尾部支撐的收縮和伸長(zhǎng)、定位環(huán)支撐的前進(jìn)和后退等一系列動(dòng)作完成,主要執(zhí)行部件是氣缸。RPV接管安全端射線檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)電路主要由電磁閥控制電路、傳感器信號(hào)電路、串口通信電路、電源模塊及擴(kuò)展接口模塊電路組成。射線裝置的中心定位結(jié)構(gòu)為兩組傘狀支撐組件,每組支撐組件有兩個(gè)氣缸,即中心定位組件中有4個(gè)氣缸,軸向定位組件由定位圓盤和滑套組成,也有兩個(gè)氣缸。

射線裝置的頭部、尾部和定位環(huán)處各有兩個(gè)氣缸,氣缸的行程是通過電磁閥的通斷來控制的。電磁閥為SMC三位五通雙電控電磁閥,由于單片機(jī)輸出的高電平為＋5 V,電磁閥工作電壓為＋24 V,這就需用繼電器來驅(qū)動(dòng)電磁閥。氣囊壓力傳感器采用的是SMC ISE30 A多功能壓力傳感器,NPN型單端輸出,工作電壓為24 V。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到氣囊壓力達(dá)到預(yù)期設(shè)定值時(shí),S1O1輸出＋24 V,繼電器接通,單片機(jī)P1.4腳將接收到低電平。

AT89S52單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通信UART,由于AT89S52的TTL電平與RS232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的邏輯電平不兼容,二者之間若要進(jìn)行連接必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)時(shí)采用SP232作為電平轉(zhuǎn)換芯片。

2.2 軸向定位設(shè)計(jì)

射線檢測(cè)裝置要對(duì)對(duì)接管與安全端焊縫、預(yù)堆邊、安全端與主管道焊縫三個(gè)位置處進(jìn)行射線照相,需要裝置對(duì)三個(gè)位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。其中安全端與主管道焊縫和預(yù)堆邊采用兩個(gè)霍爾位置傳感器定位,接管與安全端焊縫采用機(jī)械限位。當(dāng)軸向移動(dòng)結(jié)構(gòu)推動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)到安全端與主管道焊縫時(shí),位置傳感器S1輸出低電平信號(hào),單片機(jī)接收到信號(hào)后關(guān)閉電磁閥,氣缸停止工作,之后中心定位氣缸啟動(dòng)進(jìn)行中心定位,定位后則可對(duì)該焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)。預(yù)堆邊位置定位是通過位置傳感器S2實(shí)現(xiàn)的,過程同上。

2.3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣源、氣缸、控制柜、氣管、分配器等部件,其主要功能有為中心定位機(jī)構(gòu)、軸向定位調(diào)整機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力和曝光位置充氣氣囊排水等功能。系統(tǒng)對(duì)氣動(dòng)控制部分的要求為:控制6個(gè)氣缸、1個(gè)氣囊的進(jìn)氣和排氣動(dòng)作、操作手柄動(dòng)作。其中,一路電磁閥可以同時(shí)控制兩個(gè)氣缸,氣囊的進(jìn)氣和排氣需要一路電磁閥加壓力傳感器組合控制。設(shè)計(jì)采用便攜式的操作盒,面板上配置常用按鈕,完成頭部支撐動(dòng)作、尾部支撐動(dòng)作、定位環(huán)支撐動(dòng)作及傳感器校準(zhǔn)等功能。操作盒內(nèi)布置有:5路電磁閥及相應(yīng)氣動(dòng)管路、控制電路板、直流電源和壓力傳感器。其中3路電磁閥分別對(duì)應(yīng)頭部支撐、尾部支撐、定位環(huán)支撐氣缸控制,氣囊的充氣和抽氣由一路電磁閥加壓力傳感器控制實(shí)現(xiàn),手柄動(dòng)作由另一路電磁閥完成。系統(tǒng)氣路控制回路見圖3。

圖3 系統(tǒng)氣路控制回路示意

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)和下位單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)程序采用VC＋＋編寫,主要實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送、傳感器信息反饋和上下位機(jī)通信功能[5],其中上位機(jī)控制界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)控制界面

單片機(jī)程序在單片機(jī)常用編譯平臺(tái)Keil C下完成,主程序先進(jìn)行I/O端口、計(jì)時(shí)器的初始化,然后進(jìn)入單片機(jī)所要求的while(1)循環(huán),在循環(huán)中不斷判斷各個(gè)按鈕的狀態(tài),若按鈕被按下則執(zhí)行相應(yīng)的程序。

在此系統(tǒng)中,AT89S52單片機(jī)外接晶振頻率為11.059 2 MHz,串口通訊波特率設(shè)置為9 600。

4 接管安全端射線檢測(cè)裝置定位試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)射線檢測(cè)裝置的定位準(zhǔn)確度和定位精度,項(xiàng)目組進(jìn)行了多次試驗(yàn)。試驗(yàn)在廠房反應(yīng)堆模擬體水池中進(jìn)行。反應(yīng)堆壓力容器接管模擬體第一道焊縫距離接管端頭76.5 mm(稱為位置1或P1);預(yù)堆邊照相位置距離接管端頭170 mm(稱為位置2或P2);第二道焊縫距離接管端頭位置為192 mm (稱為位置3或P3)。射線檢測(cè)裝置定位精度控制數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

通過表1容易計(jì)算出,P1的標(biāo)準(zhǔn)方差σ1＝1.2, P2的標(biāo)準(zhǔn)方差σ2＝1.0,P3的標(biāo)準(zhǔn)方差σ3＝0.8。射線裝置的定位精度好于±2.5 mm,最大定位誤差為3.5 mm(目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的誤差范圍為±5 mm)。由此可見該系統(tǒng)的控制精度符合設(shè)計(jì)要求。

表1 射線檢測(cè)裝置定位精度控制數(shù)據(jù) mm

5 結(jié)語

RPV接管安全端焊縫水下射線檢測(cè)裝置以AT89S52為核心控制器,采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和手動(dòng)操作相結(jié)合、電氣分離控制技術(shù),并輔以壓力傳感器和霍爾傳感器及CCD攝像頭,實(shí)現(xiàn)了水下射線檢測(cè)的可視化和高精度定位。RPV接管安全端水下射線檢測(cè)裝置的模擬試驗(yàn)結(jié)果表明,該控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),定位精度符合要求。

[1] RCC-M 2000 壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S].

[2] 丁伯民.ASMEⅧ壓力容器規(guī)范分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[3] 王國偉.核島安裝管道對(duì)接環(huán)焊縫的檢測(cè)方法[J].核電子學(xué)與檢測(cè)技術(shù),2010,30(12):1668-1669.

[4] 孫育才.ATMEL新型AT89S52系列單片機(jī)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[5] 田敏,鄭瑤,李江全,等.Visual C＋＋數(shù)據(jù)采集與串口通信測(cè)控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)[M].北京:人民郵電出版社, 2010.

Design of Control Device for Underwaterγ-Ray Inspection

TAO Ze-yong,ZHAO Xiao-min,TIAN Ye
(State Nuclear Power Plant Service Company,Shanghai 200233,China)

In order to improve automation of RPV nozzle safe end weldγ-Ray inspection device,a control system was designed and manufactured.The RPV nozzle safe end weld automaticγ-Ray inspection device was based on MCU to implement inflating and deflating of the air bag,air cylinder feed control and the pressure control of the air bag.Hall sensors were used to position weld and CCD camera to display real time movement of the system.Test results show that the automatic control system of under waterγ-Ray inspection is stable and position accuracy meets the requirements.

γ-Ray inspection;AT89S52 single chip;Control system;RPV safe end weld

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0066-03

10.11973/wsjc201701016

2016-04-12

陶澤勇(1983－),男,碩士,工程師,主要從事核電特種機(jī)器人研發(fā)工作。

陶澤勇,E-mail:friendsmiles＠126.com。