Система сварки элементов атомного реактора на базе ПК

Программируемый логический контроллер на платформе ПК способен обрабатывать до 8000 параметров в секунду.

Обеспечение надежности автоматической сварки компонентов атомного реактора требует особого процесса мониторинга и управления, который не может быть осуществлен при помощи обыкновенных технологий.

По заказу компании Advanced Nuclear Fuels (ANF) GmbH, Карлштейн, Германия, поставщик технологий сборки и микросборки Rohwedder AG создал современный сварочный цех для производства стальных решеток, используемых в качестве разделителей топливных стержней в атомных реакторах с кипящей водой (BWR) или с водой под давлением (PWR).

Важнейшими требованиями к цеху были высокая точность и надежность сварки, а также высокая скорость сборки конструкций. Во время процесса сварки необходимо передавать до 8000 параметров в течение цикла длительностью менее секунды для одной сварной точки. Для этой задачи компания Rohwedder выбрала программируемый логический контроллер на базе платформы ПК (или промышленный контроллер автоматизации, PAC) и технологии управления перемещениями компании Beckhoff.

Подробно о процессе сварки

Компания Rohwedder должна была создать сварочный цех, предназначенный для соединения изначально незакрепленных продольных и поперечных прутьев в жесткую стальную решетку при помощи точечной лазерной сварки. В цехе находятся две камеры, каждая из которых снабжена сварочным лазером, системой видеокамер и компьютером для визуального наблюдения, расположенным в пункте управления. Установку стальных компонент решетки осуществляет промышленный робот компании Kuka.

Сначала детали крепятся на специальном держателе. Затем они переносятся в сварочную камеру при помощи конвейерной ленты и устанавливаются в нужное положение роботом. "Компоненты сделаны из циркониевого сплава, сварка должна производиться в газовой камере с аргоном, поскольку в обычной атмосфере материал загорится”,- объясняет Питер Бломберг (Peter Blomberg), менеджер по технологии управления компании Rohwedder.

Как только держатель установлен в сварочном модуле, камера закрывается, и в ней создается вакуум. Затем камера заполняется аргоном.

Повышенные требования предъявляются и к техническим условиям сварочного процесса. Линейные приводы с высокими динамическими характеристиками позиционируют лазер над точками сварки. Затем металл очень точно плавится лазером, благодаря чему обеспечивается требуемое качество сварки. Мониторинг всего процесса осуществляется посредством видеокамер, установленных в камере. Система камер анализирует решетку перед завершением процесса. Обнаруженные дефекты сварных швов сразу же автоматически устраняются.

"Сварка — высокоточный и высокоскоростной процесс, во время которого снимается огромное количество показаний”,- говорит Бломберг.

Цех может обрабатывать более 50 стальных решеток одновременно, при этом 26 из них могут иметь различную конфигурацию. Некоторые решетки ассиметричны, некоторые имеют вырезы. "То есть, система должна поддерживать более чем 50 разновидностей компонент. Координаты положения, траектории, регулировка лазера, числовое программное управление (ЧПУ) и программное обеспечение системы видеокамер должны зависеть от заданных параметров или измеряемых величин" — продолжает Бломберг.

Для создания одного разделителя необходимо сделать до 1000 швов. Длительность сварочного цикла одного шва составляет менее секунды. В течение этого времени выполняются следующие действия: позиционирование и корректировка с помощью видеокамеры, лазерная сварка согласно набору команд (ручная, заданная ЧПУ или точечная сварка), анализ сварных точек.

Чтобы соответствовать высоким требованиям к системе управления, визуализации и приводных средств, Rohwedder использовала технологию управления на основе платформы ПК компании Beckhoff — программную систему автоматизации TwinCat NC I версии 2.9 и промышленный ПК C5102 2.4 GHz, встраиваемый в 19-дюймовую стойку в качестве управляющего компьютера. "Мы решили использовать TwinCat и открытую архитектуру ПК вместо традиционных модулей управления осевыми перемещениями и контроллеров ЧПУ. Подобный контроллер на базе ПК просто необходим в системах с точным позиционированием, быстрым перемещением, большими объемами данных и измерительных процессов, — отмечает Бломберг. — Мы не смогли бы справиться со столь сложной задачей, используя традиционный контроллер".

Сварочная камера снабжена сварочным лазером, системой видеокамер и компьютером для визуального наблюдения, расположенным в пункте управления. Установку стальных компонент решетки осуществляет промышленный робот компании Kuka

Технология управления на базе ПК также предоставляет преимущества при генерации набора команд. Все параметры набора команд, включая программу управления лазером и ЧПУ, задаются при помощи Microsoft Excel. Бломберг объясняет, что Rohwedder предпочитает Excel, так как "он позволяет наиболее просто работать с данными и не требует знаний программирования для создания наборов команд".

Файл Excel содержит информацию о компоненте — типе стальной решетки (например, размер, количество сварных точек, расстояние между прутьями и размеры всех разрезов), а также описание последовательности сварочных операций, включая параметры каждого сварного шва. В файле также записана программа ЧПУ, программа управления лазером и обработки изображений. "Данные из Excel считываются в соответствующую структуру данных ПЛК. Для каждой компоненты ПЛК создает файл данных, содержащий набор команд и технологические параметры, которые также используются высокоуровневой системой управления цеха, -объясняет Бломберг. — Генерация набора команд и процесс обработки различных компонент определяется заказчиком, который может моделировать эту процедуру в приложении ScopeVi-ew, входящем в состав TwinCat. Это позволяет обнаружить и исправить ошибки на раннем этапе, что оптимизирует весь процесс".

В качестве элементов ввода/вывода применялись терминалы со степенью защиты IP20 и модули fieldbus box I/O со степенью защиты IP67 и интерфейсом Profibus

Благодаря поддержке трехосной интерполяции в TwinCat NC I, компании Rohwedder уда-лость выполнить требования заказчика и реализовать трехосную интерполяцию в системе управления мощностью лазера. "То есть, например, на расстояниях от 4 до 18 мм лазер поддерживает изменение мощности в диапазоне 50-60%. Время позиционирования осей на стандартных решетках, как правило, составляет менее 300 миллисекунд для траектории длиной 12 мм" — отмечает Бломберг.

Двигатели, контроллеры и сети

Цех ANF использует 12 линейных приводов с водяным охлаждением, находящихся под управлением TwinCat NC I. В сочетании с приводной шиной SERCOS система приводов способна устанавливать положение нескольких осей одновременно. "Высокая скорость передачи данных, малая длительность циклов и защита от помех — вот доводы в пользу шины SERCOS, — объясняет Бломберг. — В нашем случае, когда высокая скорость является значимым фактором, особенно важен быстрый и надежный обмен данными между двигателем и контроллером"

Для организации обмена данными Beckhoff предоставила компании Rohwedder системы Profibus и SERCOS fieldbus, разработанные специально для быстрых контроллеров и задач реального времени, например, для позиционного управления приводами.

В качестве элементов ввода/вывода применялись терминалы со степенью защиты IP20 и модули fieldbus box I/O со степенью защиты IP67 и интерфейсом Profibus. По словам Бломберга, решающим фактором при выборе модулей IP67 стала их компактная и надежная конструкция, а также возможность расширения при помощи системы IP-Link и дополнительных модулей. Для подключения к сети Profibus используется шинный соединитель. Остальные модули ввода/вывода устанавливались через модули расширения. Шинный соединитель, подключенный к контроллеру высокого уровня, получает данные из модулей расширения по оптоволоконному каналу IP-Link.

Централизованный мониторинг и управление технологическим процессом обеспечивает система управления цехом AMS XP — собственная разработка Rohwedder. "AMS XP используется не только для визуализации технологического процесса, но и для архивации данных, управления заказами и статистического анализа. Функция трассирования становится для нас все более важной, — отмечает Бломберг, — весь процесс технического обслуживания документируется. Информация обо всех ошибках, повторных доработках, а также данные о продукции сторонних компаний хранятся в программе. В случае неполадки конечный пользователь сможет получить информацию об ее причине".