Studsvik Nuclear AB
Uppgradering av mätutrustning i Studsviks hot cell-laboratorium
Studsvik Nuclear AB grundades 1947 och har sedan dess varit verksamt inom kärnteknik. Ett av Studsviks fokusområden är materialkarakterisering. Företaget driver världens enda privatägda hot cell-laboratorium för bestrålat kärnbränsle. Laboratoriet består av sju celler med tjocka betongväggar och blyglasfönster. Prevas fick i uppdrag att leverera ett mätsystem för att stödja Studsviks avancerade test- och analysverksamhet.
En tillförlitlig projektplan
Innan projektet startade genomfördes en förstudie med syftet att ta fram en tillförlitlig projektplan och kostnadsuppskattning. Mycket tid ägnades åt att hitta utrustning som kunde kommunicera med den äldre hårdvaran i hot cell-laboratoriet.
Den föreslagna lösningen omfattade drivsteg och detektorer som kunde kommunicera med den befintliga hårdvaran. En CompactRIO (cRIO) från National Instruments med olika I/O-moduler föreslogs för kommunikationen med hårdvaran, tillsammans med en industridator för huvudprogramvaran.
”Att välja Prevas och teamet som jobbar med Test & Measurement är ett beslut som vi aldrig har ångrat. Kompetensen inom företaget är mycket hög och de satte sig snabbt in i uppgiften. Prevas hanterade även inköp av utrustning från tredje part, såsom multikanalsanalysatorer, vilket minskade arbetsinsatsen från vår sida. Prevas tog fram en realistisk tidsplan som de också lyckades hålla. Även driftsättningen genomfördes enligt plan, med minimala störningar i produktionen. Med tanke på det goda resultatet och leveransen kommer vi sannolikt att anlita Prevas för framtida projekt.” Niklas Snis, Head of Unit Fuel Testing, Studsvik Nuclear AB
I laboratoriet genomförs både destruktiva mätningar, inklusive kapning och kemisk analys, och icke-destruktiva mätningar som visuell inspektion och längdmätning.
Äldre system för gammaskanning behövde uppgraderas
Två av mätstationerna hade sitt ursprung på 1990-talet och behövde uppgraderas för att säkerställa en tillförlitlig drift.
Den första stationen används för axiell och cirkulär integrerad gammaskanning samt bestämning av utbränningsgrad. Den andra stationen används för att mäta bränslestavarnas profiler och oxidskiktets tjocklek samt för att upptäcka sprickor och defekter i bränslestavarnas kapsling med hjälp av avstånds- och virvelströmsgivare. De båda stationernas skanningssystem är konstruerade med liknande hårdvara.
All hårdvara inne i hot cell-laboratoriet, exempelvis vågar, givare och stegmotorer, är kontaminerad av det radioaktiva material som hanteras där. Även om det är möjligt att byta ut utrustningen skulle det innebära betydande kostnader i både tid och pengar. Därför var målet att behålla den befintliga utrustningen även i det nya systemet.
Trots att mätteknikerna är avancerade skulle stationerna kunna användas utan specialistkunskaper inom kärnfysik. Användargränssnittet behövde därför vara enkelt och intuitivt.
Säkerhetskritiska funktioner
För att hantera systemets säkerhetskritiska delar användes funktionella säkerhetsmoduler av typen NI 9350. Syftet var bland annat att förhindra att mätgivare eller stegmotorer skadades till följd av eventuella programvarufel.
Dessa cRIO-moduler är klassificerade enligt Safety Integrity Level (SIL) 3, vilket mer än väl uppfyller systemets krav. Utöver den projektspecifika säkerhetslogiken övervakar modulerna kontinuerligt anslutningarnas integritet och upptäcker exempelvis kortslutningar och kabelbrott.
Modulerna har egna FPGA:er och fortsätter att fungera även om cRIO-systemet skulle sluta fungera.
SoftMotion för flexibel rörelsestyrning
Genom att använda LabVIEW:s SoftMotion Module kunde mycket av styrhårdvaran i den äldre riggen tas bort och funktionerna istället hanteras i cRIO-systemet. SoftMotion Module gör det enkelt att justera parametrar för acceleration och ryck, vilket minskar slitaget på stegmotorerna. Lösningen möjliggör även synkroniserade axelrörelser, vilket är användbart vid mätning av spiralformade bränslestavar.
Enkelt, snabbt och exakt
Som i de flesta mätsystem finns det en avvägning mellan mätosäkerhet och mäthastighet. För att hålla användargränssnittet enkelt justerar systemet dynamiskt samplingsfrekvensen utifrån aktuella inställningar för hastighet och upplösning.
Operatören guidas genom kalibrering och kontroll av skalningsparametrar. Systemet informerar även om de aktuella inställningarna gör det möjligt att leverera resultat inom de toleransnivåer som krävs.
För att ytterligare förenkla användargränssnittet är alla alternativ som inte behövs under normal drift dolda. De blir endast tillgängliga när programvaran startas i ett avancerat läge.
I det avancerade läget går det bland annat att ändra skalningsparametrar när hårdvara byts ut, modifiera eller lägga till larm samt övervaka signalhistorik och loggar för driftsättning och felsökning.
Integrerad handterminal
För att förenkla positioneringen av provet inne i hot cell-laboratoriet integrerades en handterminal av samma typ som används för CNC-utrustning. Med handterminalen kan operatören flytta provet i olika riktningar, antingen med hög hastighet eller genom kontrollerade steg av olika storlek. Operatören kan också nollställa de olika axlarna och nödstopp-systemet om något skulle gå fel.
Testmodell av hårdvaran i hot cell-laboratoriet
Eftersom delar av den befintliga hårdvaran inte ingick i det nya systemet, men behövde vara tillgängliga under driftsättningen, konstruerades en förenklad modell av hårdvaran i hot cell-laboratoriet.
Med hjälp av modellen kunde merparten av mätsystemets funktionalitet testas innan systemet driftsattes. Detta minskade både riskerna och tiden som krävdes för driftsättningen avsevärt.
Den slutliga driftsättningen på anläggningen tog endast fem dagar.
Enkel och säker driftsättning
Eftersom utrustningen i hot cell-laboratoriet inte uppgraderades utformades det nya systemet med samma elektriska gränssnitt som det tidigare systemet.
Om det nya systemet inte hade fungerat som förväntat skulle Studsvik enkelt ha kunnat koppla ur det och återansluta det gamla systemet. På så sätt minskades risken för förseningar i den pågående mätverksamheten avsevärt.
Betydande förbättringar
Med det nya systemet kan mätningarna genomföras upp till fem gånger snabbare än med de tidigare systemen.
Flera förbättringar har också gjorts för att öka mätningarnas tillförlitlighet. Trots att systemen kan hantera mer komplexa uppgifter, som synkroniserade axelrörelser och avancerad konfigurering av signaler och larm, har det grafiska användargränssnittet hållits enkelt och användarvänligt.