基于数字信号处理的驱动机构特征点测量方法

【摘 要】控制棒驱动机构（CRDM）的特征点位置是一个用于判定驱动机构及电源状态的重要参数。 常用的特征点位置测量方法是使用数字记录仪测量各线圈电流波形，并使用人工测量的方式寻找特征点。在本文中，提出了一种基于数字信号处理的自动特征点测量方法，并使用LabVIEW语言编制了相应的测量程序用于工程使用。 试验结果表明，使用该方法可以对特征点位置进行正确的识别。

【关键词】数字信号；驱动机构；测量

【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 简介

在目前国内常见的商业压水堆（pressurized water reactor， PWR）中，控制棒驱动机构（control rod drive mechanism， CRDM）是对其反应性进行控制的主要设备。因此，当控制棒驱动机构发生卡棒、滑棒等故障时会对反应堆的运行造成很大影响，严重危害反应堆的安全。

由于控制棒驱动机构是一个机电一体化的设备，其可能的故障原因可分为两类。一类故障是由驱动机构机械部件磨损或损坏导致的故障，当出现此类故障时可以观测到线圈电流波形中的动作点位置异常或无法测得。另一类故障则是由棒电源或驱动机构线圈异常所导致的故障，当出现此类故障时，可以观测到线圈电流的时序、幅值、纹波或上升/下降时间等方面的异常。

由于以往技术条件的限制，之前国内大部分核电站难以对驱动机构运行状态进行实时监测，只有在控制棒给定棒位与实测棒位之间出现较大偏差时才能发现故障。但是，此时故障已可能使得驱动机构或驱动线损坏，甚至使控制棒落下，导致反应堆意外停堆，严重影响核电站安全经济的运行和核电厂的经济效益。

因此，有必要设计一种自动化的驱动机构运行状态检测方法[1]。通过使用自动化的测试可以在驱动机构发生严重故障之前就发现故障的征兆，使得故障得到及时的处理。本文中，主要介绍这一检测方法中对线圈电流特征点的测量算法及实现。

1 特征点定义

压水堆核电站中的控制棒驱动机构中，主要运动部件包括保持钩爪和传递钩爪。这些部件分别受到保持线圈（SGC）、传递线圈（MGC）和提升线圈（LC）通电时发出的磁场的控制。当这些移动部件按照一定顺序抱紧、提升、释放时，控制棒也随之移动[2]。下表是驱动机构提升时的典型时序。

驱动机构按照上表动作一轮后，钩爪与衔铁返回初始位置，控制棒提升1步。在这一过程中，钩爪与衔铁的移动顺序是否正确，机构的动作是否顺畅都是检验驱动机构和棒电源是否正常运行的重要参数。在工程中，由于无法直接观察钩爪和衔铁的动作情况，必须通过线圈电流波形和驱动机构振动对其进行判断。对于每一步的线圈电流波形，通常需要监测以下参数。

a.电流时序：各线圈电流变换开始点的顺序，该参数表示了驱动机构中钩爪与衔铁的动作顺序。

b.转换时间：各线圈电流变换所用时间，该时间决定了驱动机构能否在限定的时间内完成步进动作。

c.钩爪特征点：线圈电流突变时间点，该时间点表示了驱动机构中钩爪实际吸合动作的点。

在实际测量中，需要测量所有线圈①电流开始变化的点，②电流结束变化的点和③电流突变的点，这些点在本文中称为特征点。在对特征点进行简单处理后，就可以得到以上需要的参数。

2 特征点测量方法

2.1 信号的预处理

对特征点进行测量时，首先要获得SGC、MGC和LC的电流波形。但在工程中，获得的电流波形总是充满着各种干扰。通常来说，对测量影响较大的干扰有以下两种：

a.高频的电磁干扰：此类干扰包括测量环境中的背景电磁噪声、棒电源中斩波电路开关器件动作时产生的干扰和测量时引入的干扰等。这些信号频率一般远高于有效信号的频域，在时域上表现为随机出现的尖峰与毛刺。

b.工频的电磁干扰：此类干扰是一种基波频率为150Hz的干扰。该干扰在波形上的表现为一系列频率固定的半圆形波动，俗称“馒头波”。 此类干扰存在与否由RGL的原理决定。如秦山二期、大亚湾核电站等反应堆的RGL采用了可控硅主电路方案，该类方案将工频交流电用可控硅整流后直接输出至CRDM，导致了测得的CRDM线圈电流叠加有工频的干扰。而若RGL采用了以脉宽调制为控制手段的IGBT主电路方案[3]，则输入的工频交流电经整流滤波后转化为直流， 再使用IGBT变频后输出至CRDM，将会使得测得的CRDM线圈电流无上述工频干扰。

对于以上干扰，除了使用滤波电路等硬件方法处理外，还必须在测量算法中设计相应的算法进行进一步的处理。在某些测量系统[4]中，采用了一种专用的滤波器对两种干扰进行处理。这一滤波器平均化处理每个干扰区间的数值，其输出结果基本消除了工频干扰，且时间延迟技校。这类专用的滤波器对于特定形式的干扰有很好的滤除效果，但当采样频率变化或干扰类别变化时，必须对滤波器进行较大的修改。在本文中，根据两种干扰的共同特性，设计了一种IIR滤波器对原始信号进行滤波[5]。IIR滤波器的算法为：

由图 1可以看出，通过使用式1的算法对原始信号进行滤波后，位于高频段的干扰信号被有效滤除，可以方便的进行下一步的特征点测量。

2.2 信号的分段处理

在工程中，需要在控制棒连续的提升/下插的过程中对特征点进行测量。因此，在进行测量前必须要先将每一步对应的信号抽取出来。通过分析各工况下的电流时序表，可以看出

1）当CRDM处于正常的提升/下插工况时，SG信号在+10ms时由半电流变为全电流；

2）当CRDM第一步提升时，MG信号在+10ms时由零电流变为全电流。

因此，可以使用SG信号或MG信号的第一个上升沿作为触发信号，截取其前10ms和后790ms一段的信号作为这一步中特征点测量的电流波形数据。

2.3 特征点的测量判据

将原始数据进行滤波和分段处理后，就可以对单步波形进行特征点的测量。各线圈波形中的特征点可分为以下三类：

a.电流由大电流/小电流/零电流开始上升/下降的点；

b.电流结束上升/下降，到达大电流/小电流/零电流的点；

c.机构动作，电流突变的点。

对于a、b两类特征点，最简单的测量方法是使用电流值进行判断。在工程中，各线圈的全电流/半电流值经过调试，可以认为是定值。因此，这两类特征点的判据可以定义为滤波后信号上升/下降过程中通过阈值的点。

对于c类特征点，则需要对滤波后波形进行微分处理后再进行测量。

机构正常动作时，SG和LG的电流波形在上升的过程中会出现一个如图 2-a所示的向下的尖峰。由于在下尖峰的位置电流微分值di/dt<0；在动作前电流上升，其微分值di/dt>0。因此，此时取di/dt=0的点作为特征点。

MG的电流波形和动作异常的SG/LG的电流波形在机构动作时可能不会出现明显的下尖峰，而会如图 2-b出现一个较缓的台阶。此时，电流微分后最小值min（di/dt）>0，台阶开始处的电流微分值最小，在台阶上升沿电流微分值最大，台阶前后的电流微分值介于两者之间。因此，此时取max（di/dt）之前di/dt最小点作为特征点。

图 2为对三类特征点的测量示意图，标为①②③的点对应以上a、b、c类特征点。在实际测量中，特征点③的幅值有可能接近或大于特征点②的幅值。为了防止判断失误，c类特征点前的特征点由前向后查找；c类特征点后的特征点由后向前查找。以图 2为例，首先分别由两侧查找特征点①和②，最后在特征点①和②之间查找特征点③。

3 测量方法的实现

为了在实际设备中实现上述特征点测量方法，选用LabVIEW语言编制了相应的程序。计算时，首先要对各线圈电流波形分别进行分析。各单通道处理模块的运算逻辑类似，但计算参数不同。如SGC的电流波形数据的处理模块如图3所示。

由于钩爪吸合时电流波形变化较为剧烈，计算时对吸合时刻的前后特征点分别进行处理。接收到波形数据后，首先由电流波形的两侧向中间查找特征点，依次找到除钩爪吸合点以外的特征点。然后，截取吸合点两侧特征点之间的波形，并在这段波形中寻找电流跳变的位置。最后，按照顺序将所有特征点位置输出。

各通道电流波形的处理结果在上层程序中进行进一步的分析，程序见下（图5）。

上层程序以三个线圈的电流波形数据为输入，计算时首先将各通道的电流波形数据分别输入对应的特征点测量模块。单通道的处理模块会计算出各通道信号的全部特征点。

接下来，上层程序根据MGC与LC第一个特征点的先后顺序判断当前CRDM的运行方向。 当LC的第一个特征点位于MGC第一个特征点之后时认为CRDM处于提升状态，否则处于下插状态。

最后，上层程序根据CRDM的运行方向，按照要求顺序组合三个线圈的特征点，输出要求的特征点参数。

4 实验验证与应用

为验证测量算法及参数的正确性，我们将来自核电厂的CRDM线圈电流实测波形作为测试的输入，比较自动测量结果与手动测量结果的一致性。实验结果显示，使用以上测量程序可以很好的对特征点位置进行测量。上层诊断程序通过比较测得的特征点位置与合格判据，可以很直接的判断出驱动机构运行是否正常。

可以看出，使用自动测量程序可以正确测量出保持线圈特征点位置，发现保持线圈零到全时间过长的故障。

经试验验证后，特征点测量程序作为重要算法模块整合至驱动机构运行性能监测功能中。通过使用特征点测量程序，驱动机构运行性能监测实现了特征点实时监控，运行电流实时监控等重要功能，满足了设计要求。

本测量方法已成功应用于海南昌江核电工程和福清核电工程3、4号机组，并在现场系统的调试和试验过程中完成了CRDM动作点等性能的监测，为CRDM的正常运行和维护提供了有力的支持，并极大减轻了维护人员的劳动强度。

5 结论

从海南昌江核电工程应用的实际情况表明，本文所设计的特征点测量方法计算速度快，对特征点的测量准确。通过使用该方法，驱动机构运行性能监测功能可以对电流时序、转换时间、动作点等运行参数进行实时的监测，在故障发生的早期就可发现征兆，提高了CRDM运行的可用性和可靠性。

【参考文献】

[1]赖厚晶，陈卫华，姚立民，等.CPR1000 棒控棒位系统性能试验研究及开发[J]. 自动化仪表，2013，34（2）：56-60.

[2]刘鹏亮，周建明，吕永红.控制棒驱动机构步进运动特性研究[J].核动力工程， 2014，35（2）：127-130.

[3]郑杲，黄可东，余海涛，等.基于 IGBT 的反应堆控制棒驱动机构电源控制装置[J].核动力工程，2014，35（1）：138-141.

[4]昌正科，董治国，常乐莉.压水堆核电站 CRDM 故障诊断研究与实践[J].自动化仪表，2013，34（6）：58-61.

[5]胡广书.数字信号处理：理论，算法与实现[M].清华大学出版社有限公司，2003.

[责任编辑：杨玉洁]