基于數(shù)字信號(hào)處理的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特征點(diǎn)測(cè)量方法

【摘 要】控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）的特征點(diǎn)位置是一個(gè)用于判定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及電源狀態(tài)的重要參數(shù)。 常用的特征點(diǎn)位置測(cè)量方法是使用數(shù)字記錄儀測(cè)量各線(xiàn)圈電流波形，并使用人工測(cè)量的方式尋找特征點(diǎn)。在本文中，提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理的自動(dòng)特征點(diǎn)測(cè)量方法，并使用LabVIEW語(yǔ)言編制了相應(yīng)的測(cè)量程序用于工程使用。 試驗(yàn)結(jié)果表明，使用該方法可以對(duì)特征點(diǎn)位置進(jìn)行正確的識(shí)別。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號(hào)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；測(cè)量

【Abstract】The feature point of Control Rod Drive Mechanism （CRDM） is an important parameter to determine the status of CRDM and RGL.A common measuring method is to record current waveform of coils and measure feature points manually. In this article， an automatic measuring method to feature point is presented， and applied with LabVIEW for engineering. The experiment results show that this method can recognize feature point correctly.

【Key words】Digital signal； Drive mechanism； measurement

0 簡(jiǎn)介

在目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的商業(yè)壓水堆（pressurized water reactor， PWR）中，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（control rod drive mechanism， CRDM）是對(duì)其反應(yīng)性進(jìn)行控制的主要設(shè)備。因此，當(dāng)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生卡棒、滑棒等故障時(shí)會(huì)對(duì)反應(yīng)堆的運(yùn)行造成很大影響，嚴(yán)重危害反應(yīng)堆的安全。

由于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)機(jī)電一體化的設(shè)備，其可能的故障原因可分為兩類(lèi)。一類(lèi)故障是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械部件磨損或損壞導(dǎo)致的故障，當(dāng)出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)可以觀測(cè)到線(xiàn)圈電流波形中的動(dòng)作點(diǎn)位置異?；驘o(wú)法測(cè)得。另一類(lèi)故障則是由棒電源或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈異常所導(dǎo)致的故障，當(dāng)出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，可以觀測(cè)到線(xiàn)圈電流的時(shí)序、幅值、紋波或上升/下降時(shí)間等方面的異常。

由于以往技術(shù)條件的限制，之前國(guó)內(nèi)大部分核電站難以對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，只有在控制棒給定棒位與實(shí)測(cè)棒位之間出現(xiàn)較大偏差時(shí)才能發(fā)現(xiàn)故障。但是，此時(shí)故障已可能使得驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)線(xiàn)損壞，甚至使控制棒落下，導(dǎo)致反應(yīng)堆意外停堆，嚴(yán)重影響核電站安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行和核電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

因此，有必要設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法[1]。通過(guò)使用自動(dòng)化的測(cè)試可以在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重故障之前就發(fā)現(xiàn)故障的征兆，使得故障得到及時(shí)的處理。本文中，主要介紹這一檢測(cè)方法中對(duì)線(xiàn)圈電流特征點(diǎn)的測(cè)量算法及實(shí)現(xiàn)。

1 特征點(diǎn)定義

壓水堆核電站中的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，主要運(yùn)動(dòng)部件包括保持鉤爪和傳遞鉤爪。這些部件分別受到保持線(xiàn)圈（SGC）、傳遞線(xiàn)圈（MGC）和提升線(xiàn)圈（LC）通電時(shí)發(fā)出的磁場(chǎng)的控制。當(dāng)這些移動(dòng)部件按照一定順序抱緊、提升、釋放時(shí)，控制棒也隨之移動(dòng)[2]。下表是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升時(shí)的典型時(shí)序。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照上表動(dòng)作一輪后，鉤爪與銜鐵返回初始位置，控制棒提升1步。在這一過(guò)程中，鉤爪與銜鐵的移動(dòng)順序是否正確，機(jī)構(gòu)的動(dòng)作是否順暢都是檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和棒電源是否正常運(yùn)行的重要參數(shù)。在工程中，由于無(wú)法直接觀察鉤爪和銜鐵的動(dòng)作情況，必須通過(guò)線(xiàn)圈電流波形和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)對(duì)其進(jìn)行判斷。對(duì)于每一步的線(xiàn)圈電流波形，通常需要監(jiān)測(cè)以下參數(shù)。

a.電流時(shí)序：各線(xiàn)圈電流變換開(kāi)始點(diǎn)的順序，該參數(shù)表示了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中鉤爪與銜鐵的動(dòng)作順序。

b.轉(zhuǎn)換時(shí)間：各線(xiàn)圈電流變換所用時(shí)間，該時(shí)間決定了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能否在限定的時(shí)間內(nèi)完成步進(jìn)動(dòng)作。

c.鉤爪特征點(diǎn)：線(xiàn)圈電流突變時(shí)間點(diǎn)，該時(shí)間點(diǎn)表示了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中鉤爪實(shí)際吸合動(dòng)作的點(diǎn)。

在實(shí)際測(cè)量中，需要測(cè)量所有線(xiàn)圈①電流開(kāi)始變化的點(diǎn)，②電流結(jié)束變化的點(diǎn)和③電流突變的點(diǎn)，這些點(diǎn)在本文中稱(chēng)為特征點(diǎn)。在對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后，就可以得到以上需要的參數(shù)。

2 特征點(diǎn)測(cè)量方法

2.1 信號(hào)的預(yù)處理

對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先要獲得SGC、MGC和LC的電流波形。但在工程中，獲得的電流波形總是充滿(mǎn)著各種干擾。通常來(lái)說(shuō)，對(duì)測(cè)量影響較大的干擾有以下兩種：

a.高頻的電磁干擾：此類(lèi)干擾包括測(cè)量環(huán)境中的背景電磁噪聲、棒電源中斬波電路開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的干擾和測(cè)量時(shí)引入的干擾等。這些信號(hào)頻率一般遠(yuǎn)高于有效信號(hào)的頻域，在時(shí)域上表現(xiàn)為隨機(jī)出現(xiàn)的尖峰與毛刺。

b.工頻的電磁干擾：此類(lèi)干擾是一種基波頻率為150Hz的干擾。該干擾在波形上的表現(xiàn)為一系列頻率固定的半圓形波動(dòng)，俗稱(chēng)“饅頭波”。 此類(lèi)干擾存在與否由RGL的原理決定。如秦山二期、大亞灣核電站等反應(yīng)堆的RGL采用了可控硅主電路方案，該類(lèi)方案將工頻交流電用可控硅整流后直接輸出至CRDM，導(dǎo)致了測(cè)得的CRDM線(xiàn)圈電流疊加有工頻的干擾。而若RGL采用了以脈寬調(diào)制為控制手段的IGBT主電路方案[3]，則輸入的工頻交流電經(jīng)整流濾波后轉(zhuǎn)化為直流， 再使用IGBT變頻后輸出至CRDM，將會(huì)使得測(cè)得的CRDM線(xiàn)圈電流無(wú)上述工頻干擾。

對(duì)于以上干擾，除了使用濾波電路等硬件方法處理外，還必須在測(cè)量算法中設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在某些測(cè)量系統(tǒng)[4]中，采用了一種專(zhuān)用的濾波器對(duì)兩種干擾進(jìn)行處理。這一濾波器平均化處理每個(gè)干擾區(qū)間的數(shù)值，其輸出結(jié)果基本消除了工頻干擾，且時(shí)間延遲技校。這類(lèi)專(zhuān)用的濾波器對(duì)于特定形式的干擾有很好的濾除效果，但當(dāng)采樣頻率變化或干擾類(lèi)別變化時(shí)，必須對(duì)濾波器進(jìn)行較大的修改。在本文中，根據(jù)兩種干擾的共同特性，設(shè)計(jì)了一種IIR濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波[5]。IIR濾波器的算法為：

由圖 1可以看出，通過(guò)使用式1的算法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波后，位于高頻段的干擾信號(hào)被有效濾除，可以方便的進(jìn)行下一步的特征點(diǎn)測(cè)量。

2.2 信號(hào)的分段處理

在工程中，需要在控制棒連續(xù)的提升/下插的過(guò)程中對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。因此，在進(jìn)行測(cè)量前必須要先將每一步對(duì)應(yīng)的信號(hào)抽取出來(lái)。通過(guò)分析各工況下的電流時(shí)序表，可以看出

1）當(dāng)CRDM處于正常的提升/下插工況時(shí)，SG信號(hào)在+10ms時(shí)由半電流變?yōu)槿娏鳎?/p>

2）當(dāng)CRDM第一步提升時(shí)，MG信號(hào)在+10ms時(shí)由零電流變?yōu)槿娏鳌?/p>

因此，可以使用SG信號(hào)或MG信號(hào)的第一個(gè)上升沿作為觸發(fā)信號(hào)，截取其前10ms和后790ms一段的信號(hào)作為這一步中特征點(diǎn)測(cè)量的電流波形數(shù)據(jù)。

2.3 特征點(diǎn)的測(cè)量判據(jù)

將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和分段處理后，就可以對(duì)單步波形進(jìn)行特征點(diǎn)的測(cè)量。各線(xiàn)圈波形中的特征點(diǎn)可分為以下三類(lèi)：

a.電流由大電流/小電流/零電流開(kāi)始上升/下降的點(diǎn)；

b.電流結(jié)束上升/下降，到達(dá)大電流/小電流/零電流的點(diǎn)；

c.機(jī)構(gòu)動(dòng)作，電流突變的點(diǎn)。

對(duì)于a、b兩類(lèi)特征點(diǎn)，最簡(jiǎn)單的測(cè)量方法是使用電流值進(jìn)行判斷。在工程中，各線(xiàn)圈的全電流/半電流值經(jīng)過(guò)調(diào)試，可以認(rèn)為是定值。因此，這兩類(lèi)特征點(diǎn)的判據(jù)可以定義為濾波后信號(hào)上升/下降過(guò)程中通過(guò)閾值的點(diǎn)。

對(duì)于c類(lèi)特征點(diǎn)，則需要對(duì)濾波后波形進(jìn)行微分處理后再進(jìn)行測(cè)量。

機(jī)構(gòu)正常動(dòng)作時(shí)，SG和LG的電流波形在上升的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)如圖 2-a所示的向下的尖峰。由于在下尖峰的位置電流微分值di/dt<0；在動(dòng)作前電流上升，其微分值di/dt>0。因此，此時(shí)取di/dt=0的點(diǎn)作為特征點(diǎn)。

MG的電流波形和動(dòng)作異常的SG/LG的電流波形在機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)可能不會(huì)出現(xiàn)明顯的下尖峰，而會(huì)如圖 2-b出現(xiàn)一個(gè)較緩的臺(tái)階。此時(shí)，電流微分后最小值min（di/dt）>0，臺(tái)階開(kāi)始處的電流微分值最小，在臺(tái)階上升沿電流微分值最大，臺(tái)階前后的電流微分值介于兩者之間。因此，此時(shí)取max（di/dt）之前di/dt最小點(diǎn)作為特征點(diǎn)。

圖 2為對(duì)三類(lèi)特征點(diǎn)的測(cè)量示意圖，標(biāo)為①②③的點(diǎn)對(duì)應(yīng)以上a、b、c類(lèi)特征點(diǎn)。在實(shí)際測(cè)量中，特征點(diǎn)③的幅值有可能接近或大于特征點(diǎn)②的幅值。為了防止判斷失誤，c類(lèi)特征點(diǎn)前的特征點(diǎn)由前向后查找；c類(lèi)特征點(diǎn)后的特征點(diǎn)由后向前查找。以圖 2為例，首先分別由兩側(cè)查找特征點(diǎn)①和②，最后在特征點(diǎn)①和②之間查找特征點(diǎn)③。

3 測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)

為了在實(shí)際設(shè)備中實(shí)現(xiàn)上述特征點(diǎn)測(cè)量方法，選用LabVIEW語(yǔ)言編制了相應(yīng)的程序。計(jì)算時(shí)，首先要對(duì)各線(xiàn)圈電流波形分別進(jìn)行分析。各單通道處理模塊的運(yùn)算邏輯類(lèi)似，但計(jì)算參數(shù)不同。如SGC的電流波形數(shù)據(jù)的處理模塊如圖3所示。

由于鉤爪吸合時(shí)電流波形變化較為劇烈，計(jì)算時(shí)對(duì)吸合時(shí)刻的前后特征點(diǎn)分別進(jìn)行處理。接收到波形數(shù)據(jù)后，首先由電流波形的兩側(cè)向中間查找特征點(diǎn)，依次找到除鉤爪吸合點(diǎn)以外的特征點(diǎn)。然后，截取吸合點(diǎn)兩側(cè)特征點(diǎn)之間的波形，并在這段波形中尋找電流跳變的位置。最后，按照順序?qū)⑺刑卣鼽c(diǎn)位置輸出。

各通道電流波形的處理結(jié)果在上層程序中進(jìn)行進(jìn)一步的分析，程序見(jiàn)下（圖5）。

上層程序以三個(gè)線(xiàn)圈的電流波形數(shù)據(jù)為輸入，計(jì)算時(shí)首先將各通道的電流波形數(shù)據(jù)分別輸入對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)測(cè)量模塊。單通道的處理模塊會(huì)計(jì)算出各通道信號(hào)的全部特征點(diǎn)。

接下來(lái)，上層程序根據(jù)MGC與LC第一個(gè)特征點(diǎn)的先后順序判斷當(dāng)前CRDM的運(yùn)行方向。 當(dāng)LC的第一個(gè)特征點(diǎn)位于MGC第一個(gè)特征點(diǎn)之后時(shí)認(rèn)為CRDM處于提升狀態(tài)，否則處于下插狀態(tài)。

最后，上層程序根據(jù)CRDM的運(yùn)行方向，按照要求順序組合三個(gè)線(xiàn)圈的特征點(diǎn)，輸出要求的特征點(diǎn)參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用

為驗(yàn)證測(cè)量算法及參數(shù)的正確性，我們將來(lái)自核電廠的CRDM線(xiàn)圈電流實(shí)測(cè)波形作為測(cè)試的輸入，比較自動(dòng)測(cè)量結(jié)果與手動(dòng)測(cè)量結(jié)果的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用以上測(cè)量程序可以很好的對(duì)特征點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)量。上層診斷程序通過(guò)比較測(cè)得的特征點(diǎn)位置與合格判據(jù)，可以很直接的判斷出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行是否正常。

可以看出，使用自動(dòng)測(cè)量程序可以正確測(cè)量出保持線(xiàn)圈特征點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)保持線(xiàn)圈零到全時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的故障。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，特征點(diǎn)測(cè)量程序作為重要算法模塊整合至驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)功能中。通過(guò)使用特征點(diǎn)測(cè)量程序，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了特征點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)行電流實(shí)時(shí)監(jiān)控等重要功能，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

本測(cè)量方法已成功應(yīng)用于海南昌江核電工程和福清核電工程3、4號(hào)機(jī)組，并在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的調(diào)試和試驗(yàn)過(guò)程中完成了CRDM動(dòng)作點(diǎn)等性能的監(jiān)測(cè)，為CRDM的正常運(yùn)行和維護(hù)提供了有力的支持，并極大減輕了維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)論

從海南昌江核電工程應(yīng)用的實(shí)際情況表明，本文所設(shè)計(jì)的特征點(diǎn)測(cè)量方法計(jì)算速度快，對(duì)特征點(diǎn)的測(cè)量準(zhǔn)確。通過(guò)使用該方法，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)功能可以對(duì)電流時(shí)序、轉(zhuǎn)換時(shí)間、動(dòng)作點(diǎn)等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，在故障發(fā)生的早期就可發(fā)現(xiàn)征兆，提高了CRDM運(yùn)行的可用性和可靠性。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]