核反应堆压力容器检测机器人控制系统研发

蒋吉

身份证；321282197701291828  江苏泰州靖江214500

摘要：随着自动控制技术和核电技术的迅速发展，机器人技术被广泛应用于核工业领域。特别是在有放射性的核环境下，通过工作人员远程控制机器人完成相应的无损检测的任务，不但可以有效减少现场作业人员的辐射伤害并减轻工作负担，而且能提高无损检测效率和准确性。核反应堆压力容器和压力容器顶盖是核电站重要部件，在核电站役前和在役期间均需要进行必要的检查。由于工况的特殊性，人员无法进入压力容器内部或顶盖下方，同时出于无损检测重复性及稳定性的需要，针对压力容器及顶盖的检查主要由6轴/5轴机器人的末端携带超声或者其他检测探头进行自动检测。

关键词：核反应堆；压力容器；检测机器人；控制系统；

引言

核电站反应堆压力容器（RPV）是核安全一级部件，其中堆芯筒体辐照脆化问题是影响设备长期安全服役的关键技术问题。目前，主要采用线弹性断裂力学方法进行服役寿期末含缺陷RPV的结构完整性评估，如美国ASME规范Ⅺ卷附录G和法国RCC-M规范附录ZG，主要目的是防止RPV材料出现脆性断裂失效。

1压力容器

压力容器是一种密封设备，其主要用于承装液体以及气体，本身能够承载一定的压力，在我国的工业、农业、军工等多个领域发挥着较大的作用和价值，是我国综合国力提升以及经济发展必不可少的存在。随着时代的发展和人们对压力容器的诉求的提升，压力容器的类型也随之呈现出了多样化的发展状态，能够依据实际需求对压力容器的设计、制造等进行针对性的调整，并且为了保障压力容器的质量和安全性，我国还在压力容器的设计和制造等方面做出了相应的要求，设置了一定的标准，并且针对进口的压力容器，还设有相应的检验检测流程，只有获得安全检验证书的压力容器才能够被投入使用，未能通过检验的压力容器一律不允许进口，可见其重要性。

2检测机器人系统总体方案设计

检测机器人实施检查时，机器人安装于上、下部平台上，平台则坐落在法兰面和下部支撑块上，如图1所示。本控制系统主要包含轨迹规划层(远程PC)、位置速度控制层(运动控制器+FGPA模块)、电流控制层以及机器人本体四个部分。和现有控制系统有所不同的是，驱动控制器由常见的I/O卡、CPU卡、运动控制卡和旋变转换卡的组合更换为FPGA、固高控制卡的组合，FGPA控制模块使用FGPA作为主控制芯片，主要完成机器人关节旋转变压器的解码、机器人关节速度环的控制、接收上位机控制指令、产生电流环控制指令、监控驱动器工作状态。固高控制卡采用嵌入式工控机+多轴运动控制卡的方式，主要根据任务路径规划运动路径，完成机器人关节位置的控制，同时产生速度指令信号。驱动器根据机器人运行环境和检测对象的不同，分为PWM驱动模块与线性放大器模块。当机器人在岸上调试运行时，使用PWM驱动模块，当机器人携带端部效应器在压力容器水环境中进行巡检作业时，使用线性放大器驱动以减小对端部效应器的干扰。操作人员通过PC进行轨迹规划，并通过EthernetTCP/IP通讯方式给本地控制器发出运行指令，实现检测机器人的远程控制。

3智能辅助系统的版块及功能

在智能化快速发展的今天，要改变传统的探测方法，减少检测人员的劳动强度、对过程进行精确的控制，保证结果的正确性。为了更好地实现质量管理，我们可以引入一种智能的压力容器的定期检验辅助体系和测试方法，以达到规范、高效的目的。本系统由数据库、输入、数据采集、图形、逻辑判断、输出等六大模块组成。该数据库中包括了《压力容器》、《承压设备损伤模式识别》等压力容器的常规检测技术和标准。为了方便分析输入的信息，建立标准化、标准化的数据库，实现智能化的逻辑判定。这个数据库也记录定期的压力容器检验报告，当要求和要求时，分析、计算和评估测试数据，并把它写进检验记录和报表中。输入模块包括文字输入模式、语音输入模式、图像输入模式等，通过与测试设备的蓝牙接口，可以自动获取被测项目的数据。绘图模块包括绘图、自动生成和编辑简图，输入设备的参数，生成设备的二维图形。逻辑判定模块主要功能是进行逻辑判定，从输入模块中选取输入的数据，并根据有关的技术规范和标准进行相应的操作。输出模块包括检验设备信息、检验方案、检验数据和逻辑判定结果，并按照相应的文本格式输出。

4关节信号处理与轨迹规划

机器人的轨迹规划和速度控制是核反应堆压力容器检测机器人控制系统中的重要组成部分。即在机械手进行作业时，通过预设规划路径来设计起始位置到目标位置的合理路径，并且保证各自由度之间力矩平衡，各关节速度、位置无偏差，机械臂及超声检测扫查器与核反应堆压力容器内壁等环境结构无碰撞作业，针对不同的检测对象、不同的检测环境，配合末端超声扫查器完成不同速度的自动或手动检测任务。节控制信号的处理采用位置环、速度环和电流环组合的闭环控制系统，主要由双旋转变压器、调理电路和解码、控制FPGA板组成，双旋变关节信号处理。假设给定位置信号u1，检测实际转子位置信号u2，两者比较后得到位置误差信号Δu=u1－u2，该位置误差信号经过位置调节器PID调节后，通过FPGA输出转子转速给定信号ωr;由于实际转子转速信号经实际转子位置信号差分运算后得到ωf，则速度误差信号为指令转子速度与实际速度的差值Δω=ωr－ωf，该误差信号作为速度调节器的输入，再经过转速PID调节输出电流指令ir;系统旋转变压器供电电压为24V，其产生的计数脉冲为0～24V高低电平，检测到的电机实际电流值if，与输出电流指令ir比较后经电流调节器控制算法即可确定功率开关器件导通的占空比，输出相应的PWM波形，使转子按照控制要求运行，从而调整关节速度、位置。

5壁厚测定

对压力容器检验时，通常使用超声测厚的方式来测定压力容器壁厚。壁厚测定中既要保证选定的测点数足够，也要选择有代表性的测厚位置，如液位波动的部位、封头扳边处与最低点、接管部位、截面突变处等易受腐蚀与冲刷的部位。在宏观检验中发现可疑的部位尤其要重点关注。一般壁厚检测的同时要做好绘图记录，发现厚度出现异常时要对数值与详细位置进行记录。当出现壁厚减薄超过设计图纸规定的腐蚀裕量时必须进行强度校核，强度校核结果符合ＧＢ１５０《压力容器》标准中相关要求时，可继续使用，但应当缩短定期检验的周期，并提醒使用单位在该设备后续运行时加强监控。强度校核结果不符合相关要求时，可选择降压使用，但降压后使用压力低于设备所在工艺系统压力或者厚度减薄过于严重时应当及时判废，停止该设备的使用。壁厚测定能及时了解压力容器检验时的壁厚状况，对于正常使用的压力容器，壁厚保持在标准要求的范围内时，不容易出现安全事故。

结束语

通过对该控制系统进行样机实验仿真及现场测试，此系统的理论部分得到了验证，实际测试基本功能得到了满足，完成了既定控制目标。系统结构设计合理，集成度高，具有很强的通用性，软件模块可以进一步丰富，对其他的机器人运动控制系统也有一定的借鉴意义。

参考文献

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