劉云焰，孫 玉，申鳳陽(yáng) ，吳純良，李 興，高繼寧，谷春星，李國(guó)才

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413；2.國(guó)核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京102209)

基于虛擬儀器技術(shù)的快堆組件形位測(cè)量控制系統(tǒng)研究

劉云焰1，2，孫 玉1，申鳳陽(yáng)1，吳純良1，李 興1，高繼寧1，谷春星1，李國(guó)才1

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413；2.國(guó)核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京102209)

利用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套快堆組件形位測(cè)量控制系統(tǒng)，用于中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆屏蔽層組件和反射層組件熱沖擊試驗(yàn)課題中組件形狀尺寸測(cè)量。采用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件，采用Labview平臺(tái)編制了系統(tǒng)的軟件。該系統(tǒng)具有控制功能、測(cè)量功能和數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)快堆組件的偏心值、扭曲度和彎曲度等形狀尺寸的測(cè)量功能。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、功能齊全、安全測(cè)控，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆；形位儀；測(cè)控系統(tǒng)；計(jì)算模型；組件

I-1008型組件形位測(cè)量?jī)x(簡(jiǎn)稱(chēng)形位儀)是中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(簡(jiǎn)稱(chēng)CEFR)從意大利引進(jìn)的一臺(tái)大型專(zhuān)用于快堆組件形狀尺寸測(cè)量的精密設(shè)備。在CEFR屏蔽層組件和反射層組件沖擊試驗(yàn)課題研究中，組件熱沖擊試驗(yàn)前后必須利用該設(shè)備測(cè)量組件的形狀尺寸。然而該設(shè)備控制系統(tǒng)老舊、無(wú)備品備件，不便于維保，其測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)損壞。因此研制了一套配套的快堆組件形位測(cè)控系統(tǒng)以恢復(fù)其原有功能。

虛擬儀器技術(shù)是出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代初期的一種新型儀器技術(shù)。它將許多以前由儀器硬件完成的信號(hào)分析或者程序控制工作，交由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了儀器的硬件功能的軟件化[1-2]。本文研制了一套基于虛擬技術(shù)的快堆組件形位測(cè)控系統(tǒng)，用于在CEFR屏蔽層組件和反射層組件沖擊試驗(yàn)課題中組件熱沖擊試驗(yàn)前后測(cè)量組件的形狀尺寸。

1 形位測(cè)控系統(tǒng)的改造

1.1 組件形位測(cè)量?jī)x介紹

I-1008型組件形位測(cè)量?jī)x具有精確測(cè)量快堆組件的偏心值、扭曲度和彎曲度等形狀尺寸的功能。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

最大測(cè)量長(zhǎng)度：4000mm；

同軸分度頭誤差：0.005mm；

同軸滑動(dòng)頭誤差：0.005mm；

直線行程：±0.02mm/4000mm；

測(cè)量滑塊最大速度：46mm/s，

測(cè)量時(shí)：5～10mm/s；

滑動(dòng)頭最大速度：46mm/s；

位移探頭測(cè)量時(shí)：10～20mm/s。

1.2 形位測(cè)控系統(tǒng)的要求

該系統(tǒng)的總體構(gòu)成：計(jì)算機(jī)1臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡及配套端子板1套、控制柜1個(gè)、配套軟件1套。

該系統(tǒng)能完成原有測(cè)控系統(tǒng)的全部功能。包括：控制功能、測(cè)量功能和數(shù)據(jù)處理功能。

控制功能有：滑動(dòng)頭的上升、下降和停止控制；測(cè)量滑塊的上升、下降和停止控制；位移探頭靠近待測(cè)面和遠(yuǎn)離待測(cè)面運(yùn)動(dòng)控制；裝卸臂夾塊的松開(kāi)和夾緊控制；裝卸臂上升和下降控制；各種控制聯(lián)鎖。

測(cè)量功能有：各限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)測(cè)量、4個(gè)位移探頭測(cè)量、測(cè)量滑塊高度測(cè)量。

數(shù)據(jù)處理功能有：能根據(jù)測(cè)量出的各高度段上4個(gè)位移探頭測(cè)量到的原始數(shù)據(jù)，可計(jì)算出各高度上的組件各面尺寸變化值、面對(duì)邊距離、面扭曲度、面偏心值、組件扭曲度、組件彎曲度、組件偏心值，并作出相應(yīng)的圖表，根據(jù)組件偏心值做出組件偏心投影圖。

1.3 形位測(cè)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

工控機(jī)采用研華610H。

數(shù)據(jù)采集卡NI-PCI6221(68針)主要參數(shù)：16路16位AI，信號(hào)最大輸入范圍±10V；2路16位AO，輸出范圍±10V；2路32位COUTER。其配套端子板型號(hào)為T(mén)BX-68。

數(shù)據(jù)采集卡NI-PCI6515主要參數(shù)：32路DI，最大輸入范圍±30V；32路DO，每路輸出電流125mA。其配套端子板型號(hào)為SCB-100。

位移探頭主要參數(shù)：型號(hào)WYD-10，工作電壓24VDC，測(cè)量范圍10mm，測(cè)量精度0.05%，輸出信號(hào)：0～5V。

1.4 形位測(cè)控系統(tǒng)的計(jì)算模型

為了能計(jì)算出各面尺寸變化值、面對(duì)邊距離、面扭曲度、面偏心值、組件扭曲度、組件彎曲度、組件偏心值，建立了各種參數(shù)的計(jì)算模型。

I-1008形位儀待測(cè)組件及位移探頭結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖1所示。

圖1 組件及位移探頭結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Schematic of assembly and displacement sensors structure model

1.4.1 組件外形參數(shù)計(jì)算

(1) 面尺寸變化值計(jì)算

各對(duì)面尺寸變化值公式為：

VRAD=(P1AD+P2AD
+P3AD+P3AD)/2-FF

(1)

式中：VRAD——組件AD面的尺寸變化值，mm；

P1AD-P4AD——1號(hào)～4號(hào)位移探頭測(cè)量值；

FF——CEFR組件理論面對(duì)邊距，取59mm。

公式(1)為組件AD面的尺寸變化值，BE面、CF面同理可得，下同。

(2) 面對(duì)邊距計(jì)算

各對(duì)面對(duì)邊距公式為：

DMAD=VRAD+FF

(2)

式中：DMAD——AD面的面對(duì)邊距，mm。

(3) 面扭曲度計(jì)算

各面扭曲公式為：

TWA=arctan[(P1AD-P3AD)/FE]

(3)

(4)

式中：TWA——A面的扭曲度，°；

TWD——D面的扭曲度，°；

FE——1號(hào)位移探頭距3號(hào)位移探頭理論距離或者2號(hào)位移探頭距4號(hào)位移探頭理論距離，mm；

(4) 面扭曲度計(jì)算

各對(duì)面偏心值公式為：

FCAD=(P1AD-P2AD+P3AD-P4AD)/4

(5)

式中：FCAD——AD面的偏心值，mm。

(5) 組件偏心值計(jì)算

組件偏心值公式：

EXAD=FCAD

(6)

EYAD=0.577(FCBE+FCCF)

(7)

(8)

式中：EXAD、EYAD、EAD——組件在X方向、Y方向、總的偏心值，mm。

(6) 組件彎曲度計(jì)算

組件彎曲度公式：

BD=arctan(ΔEAD/ΔH)

(9)

式中：BD——組件的彎曲度，°；

ΔEAD——相對(duì)下端面組件偏心值，mm；

ΔH——相對(duì)下端面高度值，mm。

(7) 組件扭曲度計(jì)算

組件扭曲度和相對(duì)扭曲度公式如下：

(10)

式中：TW——組件的扭曲度，°；

1.5 形位測(cè)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

本軟件是由Labview編寫(xiě)的。Labview為圖形化編程語(yǔ)言，使用簡(jiǎn)單，可以快速的開(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)[3-4]。本軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 形位儀軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of software structure of shape and size measuring instrument

本軟件首先調(diào)用登陸界面，操作員輸入登陸名稱(chēng)和密碼才能運(yùn)行測(cè)控程序，進(jìn)入測(cè)控界面。另外通過(guò)登陸界面，管理員可以進(jìn)入登錄管理界面進(jìn)行登陸管理。登陸之后可進(jìn)入測(cè)控軟件界面。

測(cè)控軟件主要由四部分組成：測(cè)量校準(zhǔn)，運(yùn)動(dòng)部件的控制及狀態(tài)測(cè)量，位移探頭測(cè)量數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，數(shù)采存儲(chǔ)和讀取。

其中測(cè)量校準(zhǔn)包括位移探頭測(cè)量結(jié)果校準(zhǔn)、導(dǎo)軌校準(zhǔn)、零點(diǎn)高度校準(zhǔn)和安裝校準(zhǔn)。通常情況下不必使用該功能，當(dāng)要求獲得更高測(cè)量精度時(shí)可以利用該功能。

運(yùn)動(dòng)部件的控制及狀態(tài)測(cè)量主要包括滑動(dòng)頭控制、測(cè)量滑塊控制和高度測(cè)量、位移探頭控制、裝卸臂控制、夾具控制及限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)測(cè)量與控制。軟件中為每一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件提供了單一的控制界面，并且這些界面中設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)部件外形簡(jiǎn)圖和運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)。通過(guò)這些界面，操作員可以方便操作運(yùn)動(dòng)部件及觀察其狀態(tài)。

位移探頭測(cè)量數(shù)據(jù)采集、處理和顯示是本軟件的重點(diǎn)和難點(diǎn)部分。為方便使用，軟件會(huì)將每次位移探頭測(cè)量時(shí)的測(cè)量滑塊高度、測(cè)量面、四個(gè)位移探頭的測(cè)量值按照順序記錄在一個(gè)測(cè)量結(jié)果列表中，而且軟件設(shè)置了按照測(cè)量滑塊高度、測(cè)量面自動(dòng)排列測(cè)量結(jié)果順序的功能。在完成全部高度測(cè)量之后，將獲得一個(gè)完成的測(cè)量結(jié)果列表。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)處理按鈕，軟件會(huì)自動(dòng)按照各計(jì)算模型計(jì)算出組件各面尺寸變化值、面對(duì)邊距離、面扭曲度、面偏心值、組件扭曲度、組件彎曲度、組件偏心值等值，并以圖形的形式顯示出來(lái)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取功能：保存位移探頭測(cè)量結(jié)果表和各外形尺寸計(jì)算結(jié)果圖、表；讀取位移探頭測(cè)量結(jié)果表，以便于重新進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 形位測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試

該測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試工作主要包括控制功能測(cè)試、限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)測(cè)量和報(bào)警功能測(cè)試和定量技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)等。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1 測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表Table 1 Test results of measurement and control system

3 組件測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)的目的：通過(guò)完整的組件測(cè)量實(shí)驗(yàn)來(lái)完善組件測(cè)量方法及流程，進(jìn)一步驗(yàn)證形位儀組件座和上固定件的固定效果、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)功能；獲得待測(cè)的模擬標(biāo)準(zhǔn)組件、反射層組件和屏蔽層組件形狀尺寸數(shù)據(jù)，積累組件形狀尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；完成數(shù)據(jù)處理軟件的測(cè)試；通過(guò)測(cè)量所得組件數(shù)據(jù)，可對(duì)形位儀的組件測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)、估計(jì)測(cè)量誤差。

3.1 組件測(cè)量系統(tǒng)誤差分析實(shí)驗(yàn)

根據(jù)本測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成，可以分析出位移探頭測(cè)量誤差主要來(lái)源有：位移探頭、探頭架運(yùn)動(dòng)、組件旋轉(zhuǎn)和測(cè)量滑塊運(yùn)動(dòng)。其中位移探頭的主要誤差來(lái)源為位移探頭自身、數(shù)據(jù)采集卡和探頭架的細(xì)微抖動(dòng)。為了獲得位移探頭、探頭架運(yùn)動(dòng)、組件旋轉(zhuǎn)和測(cè)量滑塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的最大誤差，分別進(jìn)行了位移探頭測(cè)量穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、同高度同測(cè)量面位移探頭重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、同高度組件旋轉(zhuǎn)之后位移探頭重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、不同高度同測(cè)量面位移探頭重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。誤差分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 誤差分析實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表Table 2 Results of error analysis experiment

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，位移探頭產(chǎn)生的最大誤差為0.01mm、探頭架運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的最大誤差為0.005mm、組件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大誤差為0.0035mm、測(cè)量滑塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的最大誤差可以忽略。根據(jù)誤差合成方法，位移探頭總誤差等于以上四個(gè)誤差的方和根，為0.012mm。

位移探頭產(chǎn)生的誤差 、探頭架運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的可通過(guò)增加測(cè)量和采集次數(shù)求平均值的方法來(lái)減小。組件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差不能通過(guò)上述辦法減小。需要對(duì)組件座進(jìn)行修改，增加組件固定結(jié)構(gòu)。根據(jù)組件參數(shù)計(jì)算模型分析可知，組件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差雖然影響4個(gè)位移探頭具體的測(cè)量值，但只會(huì)影響面扭曲度和組件扭曲度的值，對(duì)其他參數(shù)如面尺寸變化值、面對(duì)邊距、面偏心值、組件偏心值和組件彎曲度等沒(méi)有影響。根據(jù)計(jì)算模型估計(jì)，組件旋轉(zhuǎn)120°產(chǎn)生的面扭曲度為0.019°。若從測(cè)量組件AD面開(kāi)始，旋轉(zhuǎn)60°測(cè)量組件BE面，再旋轉(zhuǎn)60°測(cè)量組件CF面。則完成組件全部三個(gè)對(duì)面測(cè)量后由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的組件扭曲度偏差估計(jì)為：0.057°。

3.2 組件測(cè)量及數(shù)據(jù)分析

3.2.1 組件測(cè)量及數(shù)據(jù)分析

完成了組件測(cè)量系統(tǒng)誤差分析實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行了組件測(cè)量實(shí)驗(yàn)，包括模擬標(biāo)準(zhǔn)組件測(cè)量實(shí)驗(yàn)、屏蔽層組件測(cè)量實(shí)驗(yàn)和反射層組件測(cè)量實(shí)驗(yàn)。模擬標(biāo)準(zhǔn)組件面對(duì)邊距比較表見(jiàn)表3，模擬標(biāo)準(zhǔn)組件面對(duì)邊距的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與出廠檢驗(yàn)結(jié)果最大偏差為0.016mm，遠(yuǎn)低于快堆組件允許的最大偏差0.1mm要求，證明該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足快堆組件的面對(duì)邊距測(cè)量精度要求。

表3 模擬標(biāo)準(zhǔn)組件面對(duì)邊距比較表Table 3 Comparision of face edge distance measurement of simulate standard assembly

測(cè)量得到的各組件的主要參數(shù)比較表見(jiàn)表4。根據(jù)表4可以看出，模擬標(biāo)準(zhǔn)組件各項(xiàng)參數(shù)均明顯優(yōu)于屏蔽層組件和反射層組件的，模擬組件具有最高的精度。屏蔽層組件和反射層組件的主要參數(shù)基本相同，具有相同的精度。因此，可以進(jìn)一步認(rèn)為形位儀測(cè)量結(jié)果是正確的，該形位儀具備了快堆組件形狀尺寸測(cè)量功能[5-6]。

表4 組件的主要參數(shù)測(cè)量表Table 4 Results of main parameters measurement of different assemblies

4 結(jié)論

本測(cè)控系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量快堆組件的偏心值、扭曲度和彎曲度等形狀尺寸的功能。本系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、功能齊全、安全測(cè)控等特點(diǎn)。能夠完成形位儀各運(yùn)動(dòng)部件的控制及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)聯(lián)鎖；各運(yùn)動(dòng)部件能靈活運(yùn)動(dòng)、無(wú)異響；各限位開(kāi)關(guān)能正常動(dòng)作，其狀態(tài)信息能夠采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)報(bào)警；測(cè)量滑塊高度測(cè)量準(zhǔn)確。并且獲得了待測(cè)的模擬標(biāo)準(zhǔn)組件、反射層組件和屏蔽層組件形狀尺寸數(shù)據(jù)，積累了組件形狀尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

致謝

感謝中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆屏蔽層組件和反射層組件沖擊實(shí)驗(yàn)形位測(cè)量系統(tǒng)課題組成員的通力合作，感謝錢(qián)順發(fā)老師、張振燦老師、高永光老師等專(zhuān)家在工作中給予的技術(shù)指導(dǎo)和幫助。感謝運(yùn)研部部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)和同事們的支持和幫助。感謝結(jié)構(gòu)室等兄弟部門(mén)的合作與支持。

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Research of Shape Measurement and Control System for Fast Reactor Assembly Based on Virtual Instrument Technology

LIU Yun-yan1，2，SUN Yu1，SHEN Feng-yang1，WU Chun-liang1，LI Xing1，GAO Ji-ning1，GU Chun-xing1，LI Guo-cai1

(1.China Institute of Automatic Energy，Beijing 102413，China；2.State Nuclear Power Technology Research & Development Centre，Beijing 102209，China)

Using virtual instrument technology，a shape dimension measurement and control system is designed for the assembly shape and size measurementsin the experimental thermal shock tests of the shielding layer assembly and the reflective layer assembly of Chinese Experimental Fast Reactor.The hardware of the system is realized using NI’s data acquisition cards，on which the software is developed using the Labview platform.The system with control，measurement，and data processing functions，can accomplish the shape and size measurements，i.e.the eccentricity，twist，and bend degree of assembly of fast reactor.Experiments show that the system achieves the design goals of stability，accurate measurement full function，and sefety in operation.

China Experimental Fast Reactor；Shape and size measurement instrument；Measurement and control system；Calculation model；Assembly

2016-12-28

劉云焰(1977—)，男，江西人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事反應(yīng)堆工程與核測(cè)控方向的科研工作

TL375

A

0258-0918(2017)01-0017-06