核電在役檢查設(shè)備的監(jiān)測技術(shù)研究和實現(xiàn)

薛亞軍，陳思遠(yuǎn)，王 靜

（中廣核檢測技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器（RPV）作為核電站重要部件，其質(zhì)量直接關(guān)系到核電站的安全運行。為保證RPV 的安全，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，反應(yīng)堆壓力容器法蘭面、焊縫、螺栓孔、中子高通量區(qū)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(jié)果作為分析評定壓力容器運行狀態(tài)、延壽的重要依據(jù)[1]。某公司自主研制的反應(yīng)堆壓力容器11 軸自動檢查設(shè)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(shè)備的狀態(tài)直接影響了項目的實施。其中，控制系統(tǒng)是整套檢查設(shè)備的核心組成之一，涉及到運動控制、軌跡規(guī)劃、氣動控制等多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

由于反應(yīng)堆壓力容器本身運行在高輻射環(huán)境[2]，直接與其接觸的自動化檢查設(shè)備具有輻射劑量率高的特點，大大增加了設(shè)備的維修難度和成本。因此，有必要對檢查設(shè)備的控制系統(tǒng)采取有效的狀態(tài)監(jiān)測手段，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患。目前西班牙Tecnatom 公司研制的反應(yīng)堆壓力容器檢查裝置的控制系統(tǒng)中包括了安保系統(tǒng)，利用集成在檢查機的傳感元件，在線實時獲取與狀況相關(guān)的信息，如應(yīng)力、氣密性、電壓等[3]。國內(nèi)思默特科技公司是國內(nèi)研發(fā)并量產(chǎn)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(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測對象主要包括涉及運動控制的硬件，如電機驅(qū)動電源、電機運動電流、限位狀態(tài)、急停保護等；氣動系統(tǒng)中的開關(guān)量和氣密性，如電磁閥動作、電氣裝配盒氣壓數(shù)值、氣源狀態(tài)等；整套檢查系統(tǒng)的總供電狀況，如三相電壓、漏電保護等。本項目基于現(xiàn)有檢查設(shè)備的控制和供電系統(tǒng)，提出了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)并研制了運動控制監(jiān)測裝置、氣動監(jiān)測系統(tǒng)和可視化配電柜三套裝置，以提高該自動化檢查設(shè)備現(xiàn)場檢查和日常維護中的工作效率，降低人員負(fù)荷。

2 監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 運動控制監(jiān)測裝置

運動控制監(jiān)測裝置在尺寸和重量體現(xiàn)輕便的基礎(chǔ)上，需要實現(xiàn)單軸運動控制、電流位移圖、電壓監(jiān)測等功能。該裝置主要基于控制器+低噪線性放大器構(gòu)成運動控制環(huán)路，其中硬件主要包括單軸運動控制器、電機驅(qū)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）。控制軟件具有運動控制、限位保護、電壓監(jiān)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(fā)（圖2）。核心元器件選型主要包括運動控制器Galil DMC-30012、驅(qū)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(jiān)測裝置最重要的功能是準(zhǔn)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(shù)值顯示和電流—位移圖兩種方式進(jìn)行監(jiān)測。基本思路是在電機驅(qū)動電路中增加電流—電壓轉(zhuǎn)換模塊，將電流值轉(zhuǎn)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(fā)送查詢指令“MG AN[n]”得到數(shù)值，最終由控制軟件按照一定的比例關(guān)系換算出電流數(shù)值并在軟件Current 模塊中進(jìn)行顯示。電流—位移圖則是基于ZedGraph 實現(xiàn)電流值和位移值的實時曲線繪制，能夠直觀體現(xiàn)電機工作電流的波動情況和趨勢，從而為設(shè)備故障分析提供參考。

2.2 氣動控制監(jiān)測系統(tǒng)

上位機通過網(wǎng)線經(jīng)路由器與控制柜進(jìn)行通信，發(fā)送控制命令及監(jiān)測控制柜狀態(tài)，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)氣源監(jiān)測和主輔氣源切換功能（圖3）。

圖3 氣動控制結(jié)構(gòu)

主輔氣源狀態(tài)監(jiān)測依靠壓力開關(guān)傳感器實現(xiàn)：當(dāng)主進(jìn)氣壓力高于壓力開關(guān)設(shè)定值，壓力開關(guān)的舌簧開關(guān)閉合，供上位機監(jiān)測用的TST_AIRPR 置高，繼電器RL1 動作導(dǎo)致電磁閥ELV8 動作，實現(xiàn)主進(jìn)氣；當(dāng)主進(jìn)氣壓力低于PRE2 設(shè)定值時，壓力開關(guān)不導(dǎo)通，監(jiān)測信號TST_AIRPR 懸空，RL1 不動作，則輔助進(jìn)氣的電磁閥ELV7 動作，實現(xiàn)輔助進(jìn)氣。此時，通過壓力開關(guān)PRE1監(jiān)測輔助進(jìn)氣的壓力，若高于設(shè)定值，PRE1 動作，TST_AIREM置高，輔助進(jìn)氣壓力滿足檢查需求，可繼續(xù)進(jìn)行工作；若輔助進(jìn)氣壓力值也不滿足設(shè)定值，則TST_AIREM 懸空，表明主進(jìn)氣及輔助進(jìn)氣均已失效，需進(jìn)行故障排查（圖4）。

圖4 主輔氣源切換原理

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

圖5 開關(guān)控制狀態(tài)原理

2.3 可視化配電柜

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

圖6 可視化配電柜電氣原理

3 測試與應(yīng)用

連接整個系統(tǒng)后對3 種裝置進(jìn)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(shè)備維護人員對異常運動的單元進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)齒輪卡澀，導(dǎo)致電機輸出力矩不穩(wěn)定（圖7）。

圖7 監(jiān)控軟件的電流—位移圖界面

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

圖8 監(jiān)控軟件切換氣源界面

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

圖9 可視化配電柜參數(shù)顯示

4 結(jié)束語

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