陶澤勇，劉 震，周路生，田 野

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

基于Galil卡的管道掃查器控制設(shè)計(jì)

陶澤勇，劉 震，周路生，田 野

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

0 引言

主管道是核電站核承壓邊界的重要組成部分。同時(shí)，主管道連接焊縫是核電站核管道現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中實(shí)施難度較大、產(chǎn)生問(wèn)題較多的焊縫，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規(guī)范和RSEM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和在役檢查的重要內(nèi)容，它們的質(zhì)量對(duì)于保障一回路系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要[1]。

在核電站運(yùn)行過(guò)程中，主管道處在輻射環(huán)境下，對(duì)其焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)工作的難度極大，耗資昂貴。用人工作業(yè)通常存在效率低，時(shí)間長(zhǎng)，可重復(fù)性差，定位誤差大等問(wèn)題，且對(duì)操作工人的身體健康有較大危害。發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、丹麥和日本等國(guó)均在該領(lǐng)域做過(guò)深入研究并形成自己的管道焊縫檢測(cè)裝置產(chǎn)品[2]。本設(shè)計(jì)針對(duì)管道直徑從300mm～1000mm，研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Galil DMC控制器的管道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)管道焊縫超聲檢測(cè)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 管道掃查器基本功能方案

對(duì)于管道焊縫進(jìn)行檢測(cè)常用的方法有超聲或射線檢測(cè)，因射線檢測(cè)無(wú)法對(duì)缺陷進(jìn)行定量，故通常采用超聲檢測(cè)方法[3]。管道掃查器由導(dǎo)軌、掃查運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭組件、伺服電機(jī)、控制線纜和超聲信號(hào)線纜組成。上位控制計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的掃查條件（如檢測(cè)范圍，掃查方式、檢測(cè)速度等），在上位機(jī)軟件控制下，驅(qū)動(dòng)安裝在管道掃查器上的兩個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)相對(duì)管道環(huán)焊縫方向的運(yùn)動(dòng)。其中一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃查器沿著管道圓周方向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭調(diào)整模塊來(lái)帶動(dòng)探頭組件完成沿管道軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道環(huán)焊縫全范圍、高精度的超聲檢測(cè)。掃查方式通常有兩種，一種是軸向柵格掃查（即垂直焊縫方向掃查），這種掃查方式下超聲探頭組件沿著與焊縫垂直的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，周向運(yùn)動(dòng)電機(jī)每步進(jìn)一個(gè)固定長(zhǎng)度（即掃查間距），軸向電機(jī)隨機(jī)切換掃查方向；另一種是周向柵格掃查（即平行焊縫方向掃查），這種掃查方式下掃查器沿著平行焊縫的方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，軸向電機(jī)每步進(jìn)一個(gè)固定長(zhǎng)度，掃查器隨即反向運(yùn)動(dòng)。周向（平行焊縫）和軸向（垂直焊縫）柵格掃查方式如圖1所示。超聲探頭耦合劑選擇去離子水，通過(guò)水泵和水流收集器實(shí)現(xiàn)耦合劑水的重復(fù)利用?？刂品绞竭x擇PC+運(yùn)動(dòng)控制卡+伺服電機(jī)+以太網(wǎng)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，易于搭建并利于后續(xù)功能的擴(kuò)展。

圖1 管道掃查器掃查方式示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)主要由上位控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流伺服電機(jī)、耦合劑水泵、網(wǎng)絡(luò)攝像頭構(gòu)成?？刂坪诵倪x用Galil DMC2143四軸運(yùn)動(dòng)控制卡，Galil DMC系列運(yùn)動(dòng)控制卡采用32位微處理器，通過(guò)高速以太網(wǎng)與PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，適用于單軸或多軸的運(yùn)動(dòng)控制，且各軸可設(shè)為獨(dú)立的伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制軸，能提供速度控制，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位，2D線性及圓弧插補(bǔ)，電子齒輪等多種運(yùn)動(dòng)模式[4]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇Galil AMP20540驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可為每軸提供500W，驅(qū)動(dòng)多達(dá)4軸的有刷或無(wú)刷電機(jī)。同時(shí)AMP20540可通過(guò)96針的DIN接口與DMC2143無(wú)縫對(duì)接，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)接線，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。管道掃查器控制系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 射線裝置系統(tǒng)組成

電機(jī)的選擇應(yīng)結(jié)合掃查速度、絲杠參數(shù)、摩擦力等因素綜合考慮，周向和軸向電機(jī)均選擇Maxon RE系列直列有刷伺服電機(jī)[5]，配置HEDL5540增量編碼器，電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)表

上位控制PC機(jī)主要用于完成程序邏輯，設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示掃查器位置狀態(tài)，讀取電機(jī)參數(shù)，是掃查器和操作者進(jìn)行交流的人機(jī)界面。Galil DMC運(yùn)動(dòng)控制卡作為下位機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)接口接受上位控制PC機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)，同時(shí)將系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息通過(guò)以太網(wǎng)總線傳送給上位機(jī)。

耦合劑水泵選擇便攜式醫(yī)用齒輪泵，泵的起停和水流速度均可通過(guò)RS485接口總線來(lái)控制。為了便于觀察運(yùn)動(dòng)過(guò)程中超聲探頭與管道表面的貼合情況，在管道掃查器上安裝網(wǎng)絡(luò)攝像頭，其采集到的圖像通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送給上位控制計(jì)算機(jī)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要具有以下功能：界面顯示、人機(jī)交互、視頻顯示、水泵控制、電機(jī)閉環(huán)控制等。從程序?qū)崿F(xiàn)上，應(yīng)包括：系統(tǒng)準(zhǔn)備模塊、手動(dòng)控制模塊、自動(dòng)掃查模塊、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊和系統(tǒng)功能狀態(tài)調(diào)試模塊等。上位機(jī)程序采用VC++編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送、掃查參數(shù)的設(shè)定、實(shí)時(shí)位置信息顯示和上下位機(jī)通信等功能。上位機(jī)程序主要通過(guò)Galil提供的API函數(shù)來(lái)編寫(xiě)。下位機(jī)軟件為Galil DMC卡內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制程序，控制程序根據(jù)Galil特有的兩字符命令集編寫(xiě)，程序編寫(xiě)完成后可由上位機(jī)通過(guò)DMCDownloadFile（）函數(shù)從硬盤(pán)下載到卡內(nèi)并可根據(jù)需要隨時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)軟件功能模塊組成

圖4 掃查軟件程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了管道焊縫掃查器自動(dòng)化控制方法，控制系統(tǒng)以Galil DMC2143為核心，完成對(duì)伺服電機(jī)的控制、耦合劑水泵的控制，并輔以網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭，實(shí)現(xiàn)了管道焊縫超聲檢測(cè)的可視化和高精度定位。管道掃查器試驗(yàn)結(jié)果表明控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，定位精度符合要求。

[1]壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范[M].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996.12.

[2]李娜.國(guó)外管道焊縫缺陷超聲波檢測(cè)現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程師,2008,(12):148-149.

[3]曹先偉.管道環(huán)焊縫掃查機(jī)器人研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2009.

[4]DMC-21x3 Amplifiers & Accessories.DMC控制卡使用手冊(cè)[Z].2008.

[5]Maxon電機(jī)使用手冊(cè)[Z].2012.

Control design of pipe scanner based on galil card

TAO Ze-yong, LIU Zhen, ZHOU Lu-sheng, TIAN Ye

為了提高管道焊縫超聲檢測(cè)的自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)并制作了管道焊縫自動(dòng)掃查器的控制系統(tǒng)。管道掃查器以Galil DMC為控制核心，完成周向和軸向運(yùn)動(dòng)控制、耦合劑水泵遠(yuǎn)程控制。采用CCD攝像頭實(shí)時(shí)顯示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)的定位狀況。管道掃查器試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，定位精度滿足要求。

運(yùn)動(dòng)控制卡；管道焊縫；掃查器；控制系統(tǒng)

陶澤勇（1983 -），男，碩士研究生，主要從事核電機(jī)器人的研究工作。

TP242

B

1009-0134(2015)12(上)-0108-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.32

2015-08-06