DE69901118T2

DE69901118T2 - Visuelles system zur nachprüfung der position von röhren

Info

Publication number: DE69901118T2
Application number: DE69901118T
Authority: DE
Inventors: T. Fitzgibbons; S. Katz; Gan Zhongxue
Original assignee: CE Nuclear Power LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2019-07-10
Also published as: KR100416513B1; EP1097030A1; US6282461B1; AU5390499A; CN1146494C; EP1097030B1; ES2178458T3; KR20010079500A; DE69901118D1; WO2000003846A1; CN1309598A

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die optische Bestimmung der körperlichen Position von Rohrenden in einem Dampferzeuger der Bauart, wie sie typischerweise in Kernkraftanlagen verwendet wird.
Die in Kernkraftanlagen verwendeten. Dampferzeuger haben typischerweise einen Rohrboden, in welchen die Enden von Tausenden von Wärmetauscherrohren flüssigkeitsdicht eingebaut sind. Erhitztes Primärmedium aus dem Kernreaktor wird durch die Rohre geleitet, um die Wärme mit einem Sekundärarbeitsmedium auszutauschen, das wiederum die zur Elektrizitätserzeugung dienenden Turbomaschinen antreibt. Da das Primärmedium radioaktiv sein kann, wird der Rohrboden während der Abschaltzeiten des Kraftwerks für Reparaturen und Wartung einer Inspektion unterzogen. Früher erforderte die Inspektion des Rohrbodens und der Rohrenden das Einsteigen von Technikern in den Dampferzeuger und das Durchführen einer visuellen Inspektion der Rohrenden und das Durchführen manueller Tests unter Verwendung verschiedener Arten von Inspektionsgeräten zum Nachweis gerissener, leckender oder sonst beschädigter Rohre. Die schadhaften Rohre wurden typischerweise mit Stopfen versehen, um das Rohrende zu verschließen, um das beeinträchtigte Rohr außer Dienst zu nehmen und Leckage zu verhindern.
In neuerer Zeit werden computergesteuerte Roboterarme mit speziellen Endgeräten eingesetzt, um die visuelle Inspektion der Rohrenden durchzuführen und Reparaturen vorzunehmen. Zeitweilig eingesetzte Robeterarme umfassen mehrere Gelenke mit Gliedern unterschiedlicher Länge zwischen den verschiedenen Gelenken. Jedes Gelenk umfasst beispielsweise einen durch eine Steuerung angetriebenen Schrittmotor oder einen Drehaktor und einen damit zusammenwirkenden Winkelpositionsfühler (beispielsweise einen optischen Kodierer), der mit einer Steuerung zusammenwirkt, um die Winkelbewegung der mit dem Gelenk verbundenen Glieder zu steuern. Der Roboterarm wird an Ort und Stelle innerhalb des Dampferzeugers und unterhalb des Rohrbodens während der Systemabschaltung befestigt. Eine Endgerätebaugruppe wird am Ende des Roboterarms montiert und trägt typischerweise eine Fernsehkamera, eine oder mehrere Beleuchtungsquellen, Inspektionswerkzeuge (wie beispielsweise ein Wirbelstromgerät zum Nachweis gerissener Rohre), und /oder Werkzeug zum Verschließen eines Rohrendes mit einem Stopfen. Im allgemeinen wird das Endgerät in einer um eine gewählte Distanz (das heißt 2 bis 5 cm oder mehr) von der Oberfläche des Rohrbodens beabstandeten Ebene positioniert und bewegt.
Der Computer, der den Roboterarm steuert, steht unter der Steuerung eines Bedieners, der das Endgerät unter Verwendung eines einfachen Steuerhebels oder durch Spezifizieren einer x-y-Position des gewünschten Rohrs über dem Rohrboden bewegen kann. Nachdem der Roboterarm positionsmäßig geeicht bzw. auf einer bekannten Startposition initiiert ist und der Rohrdurchmesser und die Mittenabstandsteilung bekannt ist, kann der Computer den besten Weg von der Start- oder Initialposition zu der x-y-Zielposition berechnen und in den meisten Fällen das Endgerät über dem gewünschten Zielrohr neu positionieren. Jedoch ist es nicht ungewöhnlich, daß der Roboterarm Biegekräften ausgesetzt ist, insbesondere wenn der Arm unter maximaler Auslenkung von seiner Halterung positioniert ist. Daher kann eine unbeabsichtigte Ausbiegung um 1º oder so bei einer Auslenkung von 2 Metern oder dergleichen bewirken, dass das Endgerät über einem Rohr positioniert wird, das von dem Zielrohr verschieden ist.
Diese Fehlpositionierung des Endgeräts über einem anderen als den beabsichtigten Zielrohr hat beträchtliche Sicherheitsrelevanz. Insbesondere kann das Endgerät unabsichtlich über einem bekanntermaßen guten Rohr positioniert werden und den Befehl zum Verschließen dieses bekannt guten Rohrs erhalten, während unabsichtlich ein benachbartes defektes "Ziel"-Rohr im Betrieb bleibt, wenn der Dampferzeuger wieder in Betrieb genommen wird.
Regierungsagenturen, welche die Nuklearindustrie regulieren, verlangen, daß die Rohrposition unabhängig verifiziert wird, um die Wahrscheinlichkeit zu maximieren, daß ein Endgerät über dem beabsichtigten Zielrohrende positioniert wird. Im allgemeinen können Rohrenden unabhängig durch den Systembediener gezählt werden, der Rohrenden zählt, während sie sich über einen Videomonitor bewegen, der das Ausgangsignal einer Fernsehkamera anzeigt, die auf dem Endgerät montiert ist. Jedoch können Ermüdung und Unaufmerksamkeit der Bedienungsperson eine Fehlzählung verursachen und damit den "Verlust" der unabhängigen Zählung.
Repräsentative Beschreibungen des Standes der Technik von Roboterarm-Endgeräten, die bei der Wartung von Dampferzeugern in Kernkraftanlagen eingesetzt werden, umfassen die US-Patente 5 751 610, 5 838 882 und 5 878 151, deren Beschreibungen hier durch Bezugnahme einbezogen werden.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein unabhängiges Rohrpositions- Verifizierungssystem, mittels dessen aufeinanderfolgende Bilder des Videoausgangs einer Kamera oder eines anderen Abbildungsgeräts auf dem Endgerät verarbeitet werden, um das Passieren von Rohrenden über dem Sichtfeld der Kamera zu erkennen und die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Richtung der Rohrenden zu identifizieren, wenn deren Bilder sich über das Bildfeld bewegen. Es wird eine Vorhersage gemacht, welche von mehreren möglichen Bestimmungen verfügbar sind. Wenn eine der mehreren möglichen Bestimmungen erreicht worden ist, wird ein unabhängiger x-y-Zähler entsprechend inkrementiert oder dekrementiert, um die Rohrposition unabhängig vom Roboterarm zu erfassen. Wenn der den Roboterarm steuernde Computer anzeigt, daß das Endgerät an dem befohlenen Zielrohrende angekommen Ist, werden die Positionskoordinaten des unabhängigen Zählers mit denjenigen der befohlenen Position verglichen. Wenn die Positionen übereinstimmen, ist dem unabhängigen Verifizierungserfordernis Rechnung getragen; umgekehrt, wenn der Vergleich nicht übereinstimmt, wird eine Anzeige erzeugt, daß der Roboterarm seine Spur verloren hat, und der Roboterarm wird einer Neueichung oder Neuinitialisierung unterzogen, bevor der Zugang zum Zielrohr erneut versucht wird.
Die Abbildungseinrichtung hat typischerweise die Form einer Fernsehkamera, die vorzugsweise auf dem Endgerät unter schrägem Winkel relativ zum Rohrboden (d. h. 45 bis 55º) montiert ist, wobei die Lichtquelle ähnlich montiert ist, so daß die Kamera ein perspektivisches Blickfeld erhält, wobei die Lichtquelle eine Schattenwirkung erzeugt, der von der Bildverarbeitungs-Software ausgewertet werden kann. Im allgemeinen ist es wünschenswert, daß etwa 40% des Bilds jedes Rohrendes und ihres Schattens ein vom Rohrende oder von einem Teil des Rohrendes geworfener Schatten ist.
Während das Endgerät über den Rohrboden mit Geschwindigkeiten bis zu 30 cm pro Sekunde bewegt wird, nimmt die Abbildungseinrichtung aufeinanderfolgende Bilder mit bekannter Bildfrequenz (zum Beispiel 32 Bilder pro Sekunde oder 0,03135 Sekunden zwischen den Bildern) auf. Ein Vergleich zwischen aufeinanderfolgenden Bildern von erkennbaren Artefakten innerhalb jedes Bilds ergibt eine Kenntnis von Geschwindigkeit und Richtung der Bedienung des Endgeräts über dem Rohrboden und ergibt eine Information, die das System x-y-Zähler inkrementieren und/oder dekrementieren lassen, die relativ zu einer Initialposition zählen und daher die Bewegungsbahn des Endgeräts unabhängig von dem Befehlsgetriebenen Roboterarm aufrecht erhalten.
Das Anbringen der Kamera unter schrägem Winkel relativ zum Rohrboden bewirkt, daß die Kamera ein Blickfeld erhält, in welchem die Rohrenden in einem perspektivischen Bild erscheinen, wobei nahegelegene Rohrenden größer als ferngelegene Rohrenden erscheinen, und wobei die Rohrenden zu einem entfernten Fluchtpunkt konvergierend erscheinen. Die Messung des scheinbaren Konvergenzwinkels zwischen aufeinanderfolgenden Bildern ergibt eine Information hinsichtlich des Abstands zwischen dem Endgerät und der Ebene des Rohrbodens und Schwankungen hiervon. Die Konvergenzwinkelinformation wird zur Steuerung der z-Achse des Roboterarms um den Abstand zwischen dem Engerät und der Ebene des Rohrbodens optimal zu steuern und die Positionsführungsfunktion des Systems zu maximieren.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
Fig. 1 eine Untersicht eines repräsentativen Rohrbodens, auf welchem ein Roboterarm montiert worden ist, wobei der Roboterarm in einer x-y-Ebene und längs einer zur x-y- Ebene normalen z-Achse beweglich ist,
Fig. 2 eine Ansicht des Roboterarms nach Fig. 1, der den Arm in einer ersten Position (Darstellung in Volllinien) und in zwei weiteren Positionen (gestrichelte Darstellung) zeigt,
Fig. 3 eine Seitenansicht des Rohrbodens in Fig. 1, welche die Rohrenden im Rohrboden und die Lage einer Kamera zeigt, die unter dem Rohrboden positioniert ist und unter einem gewählten Winkel mit optimalen Abstand von der Rohrbodenunterseite auf den Rohrboden blickt,
Fig. 4 eine Darstellung einer gewählten Untergruppe der Rohrenden nach Fig. 1, wobei die Rohrteilungsdistanz dargestellt ist,
Fig. 5 eine Darstellung der Rohrenden unter einem gewählten Blickwinkel,
Fig. 6 eine schematische perspektivische Darstellung einer Gruppe von 3 · 3 Rohrenden, wobei die Rohrenden zu einem entfernten Fluchtpunkt konvergierend dargestellt sind,
Fig. 7 ein Prozessflussdiagramm, das die Art und Weise zeigt, in welcher die x-y-Position des Roboterarms durch das Abbildungssystem verifiziert wird, und
Fig. 8 ein Prozessflussdiagramm, das die Art und Weise zeigt, nach welcher die Abstandsdistanz z(n) des Endgeräts als Funktion des Winkels der scheinbaren Konvergenz im Bildrahmen nach Fig. 6 gesteuert wird.

Beste Ausführungsart der Erfindung

Ein unabhängiges Rohrpositions-Verifizierungssystem nach der vorliegenden Erfindung ist so ausgelegt, daß es in einer installierten Position unterhalb des Rohrbodens eines Dampferzeugers 10 der typischerweise in Kernkraftwerken oder herkömmlichen Kraftwerken Ihr fossilen Brennstoff eingesetzten Bauart betrieben werden kann. Fig. 1 zeigt eine teilweise und schematische Darstellung eines repräsentativen Rohrbodens 12, die eine Vielzahl (d. h. viele tausend) Rohrenden 14 (gestrichelte Darstellung) umfasst. Während die Rohrbodenkonfigurationen von Hersteller zu Hersteller variieren, sind die meisten Rohrböden horizontal ausgerichtet, wobei die Rohrenden in einem sich wiederholenden Matrixmuster angeordnet sind, wobei die einzelnen Rohre durch eine gewählte Teilungsdistanz voneinander getrennt sind. Die Position jedes Rohrendes ist bekannt und kann durch eine bestimmte Koordinatenbezeichnung charakterisiert werden, beispielsweise durch x-y-Koordinaten, entsprechend der beispielsweisen Ausführungsform.
Wie in dieser Industrie bekannt ist, sind die Rohrteile, die im Rohrboden befestigt sind und durch diesen hindurch verlaufen, der Rissbildung und in manchen Fällen dem Bruch unterzogen. Die typische Reparatur umfasst ein Verschließen des Rohrendes mit einem Stopfen (nicht dargestellt), der das Rohr gegen einen Durchfluß absperrt, wenn der Dampferzeuger 10 wieder in Betrieb genommen wird.
Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung wird ein Roboterarm, der in üblicher Form dargestellt und allgemein mit 20 bezeichnet ist, unterhalb des Rohrbodens 12 angebracht. Der Roboterarm 20 weist eine Basis 22 auf, die an einem tragenden Bauteil (nicht dargestellt) befestigt ist, und weist eine Mehrzahl von mit Gelenken verbunden Gliedern auf, im Fall der dargestellten Ausführungsform L1, L2 und L3. Das Glied L1 ist durch ein Gelenk J1 mit der Basis verbunden sowie mit dem zweiten Glied L2 durch ein weiteres Gelenk J2 verbunden. In ähnlicher Weise ist das Glied L2 mit dem dritten Glied L3 durch ein Gelenk J3 verbunden. Jedes Gelenk umfasst einen Drehaktor, der durch einen (nicht dargestellten) Regler gesteuert wird, der die Winkelposition des Gelenks steuert. Je nach Hersteller des Roboterarms kann der Drehaktor die Form eines befehlsgesteuerten Schrittmotors oder einer herkömmlichen Regelschleife haben, bei welcher ein Winkelpositionsanzeiger, beispielweise ein optischer Wellenkodierer, eine Winkelpositionsinformation zum Regler liefert, der widerum den Drehaktor in die gewünschte Position steuert. Dementsprechend kann der Roboterarm 20 so gesteuert werden, daß er den Zugang zu den meisten, wenn nicht allen Rohrenden 14 für Inspektion, Wartung oder Reparatur ermöglicht.
Obwohl in den Fig. 1 und 2 nicht besonders dargestellt, hat der Roboterarm 20 einen Freiheitsgrad in der z-Achse in Richtung zu und von der Ebene, welche die Oberfläche des Rohrbodens 12 definiert. Je nach dem Hersteller des Roboterarms kann die Bewegung in der z-Achse zum und vom Rohrboden 12 durch Strömungsmittelzylinder (hydraulisch oder pneumatisch) oder einen elektrischen Aktor (d. h. eine motorgetriebene Schraubspindel oder einen Linearantrieb) bewerkstelligt werden.
Ein Endgerät EE ist am distalen Ende des Glieds L3 montiert und weist typischerweise Werkzeug auf, das so ausgelegt ist, daß die gewünschte Inspektion, Wartung oder Reparatur der Rohrenden 14 vorgenommen werden kann. Wie in dem oben einbezogenen US- Patent 5 878 151 erläutert ist, kann das Endgerät EE ein Wirbelstrominspektionsgerät, einen Führungszapfen, Rohrende-Ausrichtlampen, verschiedene Arten von Werkzeug und eine Fernsehkamera aufweisen, das ein Videosignal zu einem entfernt gelegenen Systembediener liefert. Typischerweise kann das Endgerät EE und/oder das daran angeordnete Werkzeug so gesteuert werden, daß es sich in Richtung zum und vom Rohrende längs der z-Achse bewegt.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann der Roboterarm 20 aus einer Initial- oder Startposition (Vollinie) zu nachfolgenden Positionen (gestrichelte Linie) in der x-y-Ebene bewegt werden, um das Endgerät EE über einem bestimmten Rohrende 14 zu positionieren. Der Roboterarm 20 kann durch geeignete Befehle von einem bedienerbetätigten Steuerhebel oder durch Eingeben von x-y-Zielkoordinaten in einen Regler (nicht dargestellt) bewegt werden, der das Bewegen des Roboterarms 20 zu dem Zielrohrende 14 bewegt. Der Regler berechnet typischerweise den kürzesten oder direktesten Weg von der momentanen Position zur Zielposition. In manchen Fällen ist der kürzeste oder direkteste Pfad für den Roboterarm 20 nicht verfügbar wegen dazwischen befindlicher tragender Bauteile usw. in dem Raum unterhalb des Rohrbodens 12. In diesen Fällen wird der Regler mit verbotenen Pfaden programmiert, um unbeabsichtigte Kollisionen zu vermeiden. Im Falle der Fig. 2 beispielsweise kann das Engerät EE von seiner in Volllinien dargestellten Anfangsposition zu der ersten gestrichtelt dargestellten Position bewegt werden, indem das Endgerät EE zunächst um eine gewählte Distanz aufwärts längs der Y-Achse und dann nach rechts längs der X-Achse zu der ersten gestrichelt dargestellten Position bewegt wird. Abweichend davon kann das Endgerät EE aus seiner anfänglichen, in Vollinie dargestellten Position zur ersten gestrichelten Position bewegt werden, in dem zuerst das Endgerät EE um eine gewählte Distanz nach rechts entlang der x-Achse und dann aufwärts entlang der y-Achse zur ersten gestrichelten Position bewegt wird. Alternativ kann das Endgerät EE auch entlang einer den kürzesten Pfad darstellenden geraden Linie bewegt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann der Roboterarm 20 das Endgerät EE (und seine Fernsehkamera) mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 cm pro Sekunde bewegen. Im allgemeinen wird bevorzugt, daß das Start- und Stoppbeschleunigunsprofil logarithmisch ist, d. h. ein sehr langsamer Start mit fortschreitender Beschleunigung bis auf die maximale Geschwindigkeit. Ein logarithmisches Beschleunigungs- und Verzögerungsprofil maximiert die Wahrscheinlichkeit, daß die Bildverarbeitungseinrichtung (wie unten erläutert) die Spur nicht verliert.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des Rohrbodens 12 nach Fig. 1; wie dargestellt, ist der Rohrboden 12 von der Bauart, bei welcher die Rohrenden 14 bündig mit der Rohrbodenoberfläche hergestellt sind. Das Endgerät EE weist eine Fernsehkamera 16 auf, die unter einem gewissen Winkel, vorzugsweise etwa 45 bis 55º, relativ zur Ebene des Rohrbodens 12 ausgerichtet ist. Wie durch die parallelen Pfeile dargestellt ist, ist eine Lichtquelle 18 (oder Lichtquellen) an oder neben der Fernsehkamera 16 vorgesehen, um das Blickfeld zu beleuchten. Da die Fernsehkamera 16 am Endgerät EE fest angebracht ist, kann der Blickpunkt der Fernsehkamera 16 in Abhängigkeit von der Bewegung des Roboterarms 20 gedreht werden und kann wie auf der rechten Seite von Fig. 3 gestrichelt dargestellt ist, unterschiedliche Drehpositions-Blickrichtungen einnehmen.
Wie in schematischer Form in Fig. 3 dargestellt und oben erläutert ist, ist ein Z-Achsen- Aktor 24 mit dem Roboterarm 20 gekoppelt und wird gesteuert, um das Endgerät EE zur oder von der Ebene des Rohrbodens 12 hin bzw. weg zu bewegen. Im allgemeinen wird das Endgerät EE optimal in einer Ebene bewegt, die um eine Distanz z(n) von der Oberfläche des Rohrbodens 12 beabstandet ist. Der optimale Abstand hängt von den Werkzeugen und Einrichtungen ab, die dem Endgerät EE zugeordnet sind; jedoch ist ein Abstand von 2 bis 5 cm typisch. Wie unten erläutert wird, werden Veränderungen des Abstands (d. h. Δz durch Steuern des z-Achsen-Aktors 24 zum Bewegen des Endgeräts EE zur oder von der Oberfläche des Rohrbodens 12 hin bzw. weg berücksichtigt und dadurch der optimale Abstand z(n) aufrecht erhalten.
Die Ausrichtung der Lichtquelle(n) 18 unter einem schrägen Winkel bewirkt das wünschenswerte Vorhandensein von Schatten im Blickfeld. Im Allgemeinen und wie unten erläutert, wird bevorzugt, daß jedes Rohrende 14 innerhalb des Blickfelds der Kamera 16 einen zugehörigen Schatten aufweist, der mindestens 40 Prozent des Bilds des Rohrendes und des von diesem geworfenen Schatten ausmacht. Da ein Rohrboden 12, der in Betrieb gewesen ist, oftmals weißliche oder hell gefärbte Oberflächenablagerungen und/oder weißliche reflektierende Borausscheidungen auf seiner Oberfläche aufweist, erzeugt das Vorhandensein von Schatten im Blickfeld der Fernsehkamera 16 starke Kontraste und Kanten, die bei der Berechnung durchlaufener Distanzen oder Versetzen zwischen aufeinanderfolgenden Bildern, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung unterstützen. Wie unten erläutert, wird diese Information zum Erzeugen einer laufenden x-y-Positionszählung verwendet, während das Endgerät EE unter dem Rohrboden 12 bewegt wird.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, liefert die Fernsehkamera 16 ein Videosignal zu einer Bildempfangseinheit 100, die bei der bevorzugten Ausführungsform 32 Bilder pro Sekunde empfängt. Wenn das Engerät EE sich in Bewegung befindet, sind Elemente eines ersten Bilds im nächstfolgenden Bild versetzt. Durch Kenntnis der Bildelemente-Versatzdistanz zwischen aufeinanderfolgenden Bildern und des Zeitintervalls von Bild zu Bild (d. h. 0,03125 Sekunden) kann ein Wert für die von Bild zu Bild durchquerte Distanz und eine zugeordnete Bewegungsgeschwindigkeit und Richtung bestimmt werden. Im Falle der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform findet eine Bildelementenerkennung und eine Bildversatzbestimmung in einer Einheit 102 statt, und der Bildverstatz wird in einer Einheit 104 berechnet, wobei eine zusätzliche Verarbeitung in einer Einheit 106 stattfindet. Das Ausgangssignal hiervon wird zu x-y-Zählern geleitet, die allgemein mit 108 bezeichnet sind, die inkrementiert oder dekrementiert werden, um eine laufende Zählung der x-y- Koordinatenwerte und die Position des Endgeräts EE zu erzeugen. Wie man sieht, ist das Ausgangssignal der x-y-Zähler 108 unabhängig von irgendwelchen vom Roboterarm- Regler verwendeten Werten.
Während die Verarbeitung in Fig. 3 so dargestellt ist, daß sie in gesonderten Funktionsblöcken oder -Einheiten stattfindet, ist klar, daß die Verarbeitung auch durch Firmware- oder Software-gesteuerte Hardwareeinheiten, programmierte Mikroprozessoren oder Computer, Anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise oder Kombinationen hiervon bewerkstelligt werden kann.
Kommerzielle Bildempfangs- und -Verarbeitungssysteme sind bekannt; im Falle der bevorzugten Ausführungsform wird das von Cognex Corporation, One Vision Drive, Natick MA 01760, USA, bereitgestellte System verwendet und bevorzugt. Dieses System umfasst eine Personalcomputer-kompatible hinsteckkarte (d. h. ISA- oder PCI-kompatibel) und zugehörige Firmware und Software, die "trainiert" werden kann, um Bildelemente oder Artefakte innerhalb des empfangenen Bilds zu erkennen, und programmiert werden kann, um die Bewegung von Bildelementen oder Artefakten innerhalb des Blickfelds aufeinanderfolgender Bilder auszuwerten. Daher kann die Cognex-Karte programmiert werden, um die in Fig. 3 dargestellten Funktionen und die unten beschriebene Bildverarbeitung entsprechend den Fig. 7 und 8 durchzuführen.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, befinden sich die Rohrenden 14 bei der dargestellten Ausführungsform in einer rechteckigen x-y-Anordnung mit einem Teilungsmaß P von Rohrmitte zu Rohrmitte. Während die Rohrdurchmesser und das Teilungsmaß P von Hersteller zu Hersteller variieren, kann ein typisches Rohrende einen Durchmesser von etwa 13 bis 15 mm und einen Mittenabstand P von etwa 3,5 bis 4,0 cm haben, wobei 3,8 cm repräsentativ ist. Bei Betrachtung unter einem Winkel von etwa 45 bis 55º relativ zur örtlichen Horizontale erscheinen die Rohrenden 14 mit elyptischer Form, wie in der isometrischen Flachfeld-Darstellung nach Fig. 5 dargestellt ist. Wenn jedoch eine Untergruppe der Rohrenden 14 (d. h. ein Feld von 3 · 3) durch die Fernsehkamera 16 betrachtet wird, erscheinen die Rohrenden als Ellipsoide, die von dem nahen Bildende zum fernen Bildende unter einem Winkel scheinbarer Konvergenz α zu einem entfernten Fluchtpunkt konvergierend erscheinen, so daß sich eine klassische perspektivische Darstellung ergibt, wie sie schematisch in Fig. 6 dargestellt ist.
Während das durch den Rohrboden 12 dargebotene Blickfeld in hohem Maße gleichförmig ist existieren gewisse Ungleichförmigkeiten. Mehr im einzelnen kann die Oberfläche des Rohrbodens 12, das sich der Fernsehkamera 16 darbietet, entsprechend der spezifischen Konstruktion des Dampferzeugers 10 und seiner Betriebsbedingungen und Reparaturgeschichte variieren. Beispiellweise stellen Hersteller mancher Rohrböden 12 die Rohrenden 14 bündig mit der Oberfläche des Rohrbodens 12 her, während andere Hersteller das Rohrende 14 um eine gewählte Distanz zurückgesetzt von der Oberfläche des Rohrbodens 12 positionieren, so daß die Rohrenden 14 von der Oberfläche des Rohrbodens 12 auszugehen scheinen. Des weiteren ist es nicht ungewöhnlich, daß Bor (das typischerweise als Moderator dem Primärmedium zugegeben wird) sich auf den freiliegenden Oberflächen auf der Primärseite des Systems abscheidet. Des weiteren können sich andere Materialien auf den Oberflächen ablagern. Letztlich und abhängig von der Wartungsgeschichte des Dampferzeugers 10 sind einige Rohrenden 14 innerhalb des Felds von Rohrenden 14 schon zuvor "verstopft" oder gedeckelt worden, um das Rohr außer Betrieb zu nehmen. Die jeweils verwendeten Stopfen können solche umfassen, die bündig mit dem Rohrende sind, wenn sie eingebaut sind, und auch solche, die um eine gewählte Distanz aus dem Rohrende überstehen.
Die Verwendung einer schrägen Beleuchtung (unter etwa 45 bis 55º ermöglicht die Schattenbildung innerhalb des Blickfelds. Beispielsweise in dem Fall, wo die Rohrenden 14 bündig mit der Oberfläche des Rohrbodens 12 hergestellt sind, wirft der nahe Rand jedes Rohrendes 14 einen Schatten gegen die ferne Innenwandfläche. In solchen Fällen, wo die Rohrenden 14 um eine kurze Distanz über die Oberfläche des Rohrbodens 12 überstehen oder wo ein Stopfen in ein Rohrende eingesetzt worden ist, wirft jedes Rohrende und jeder Stopfen ebenfalls einen Schatten mit "Halbmond"-Form. Schließlich, wo Bohrabscheidungen Anhäufungen gebildet haben, wie beispielsweise stalaktitenartige Formationen auf den freiliegenden Oberflächen, erzeugen, diese Formationen in gleicher Weise Schattenbilder.
Es ist wichtig, daß die Lichtquelle und die Linse der Fernsehkamera 16 so relativ zueinander ausgerichtet sind, daß die Fernsehkamera 16 irgendwelche von der Lichtquelle bzw. den Lichtquellen innerhalb des Blickfelds geworfene Schatten "sieht". Die Schatten und ihre Ränder bilden Bildelemente, die zum Trainieren des Bildverarbeitungssystems benutzt werden, wie unten erläutert wird.
Fig. 7 stellt eine beispielhafte und bevorzugte Verarbeitungsfolge dar. Nachdem das System während des Anfahrens initialisiert ist und Betriebsparameter eingestellt sind, wird die Bildverarbeitungssoftware entsprechend der herstellerspezifischen Protokolle "trainiert", um ein einzelnes Rohrende und ein definiertes Feld von Rohrenden (d. h. eine n x m umfassende Matrix von Rohrenden) zu erkennen. Das Trainieren der Software ist für jeden zu prüfenden, wartenden und reparierenden Rohrboden spezifisch. Danach und bevor der Roboterarm 20 zur Bewegung in eine neue Position gesteuert wird, wird die Anfangsposition in den x-y-Zählern 108 gespeichert. Das Programm läuft ab, während der Roboterarm 20 in der x-y-Ebene unterhalb des Rohrbodens 12 bewegt wird, wobei die Software virtuelle elyptische Rohrenden aus den Nichtschatten- und Schattenbildartefakten bzw. Elementen innerhalb jedes Bilds konstruiert. Es wird bevorzugt, daß die kleineren und größeren Achse jeder Ellipse durch Singularwert-Zerlegungsmethoden konstruiert werden, so daß das Zentrum jeder Ellipse bestimmt werden kann. Nachdem die Ellipsenzentren bestimmt worden sind, werden die elektrischen Rohrenden in kreisförmige orthogonale Projektionen transformiert. Nachdem die elliptischen Rohrenden durch Transformation zu virtuellen kreisförmigen Rohrenden umgewandelt worden sind, wird der Versatz von Elementen in aufeinanderfolgenden Bildern dazu benutzt, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Richtung zwischen den Bildern zu berechnen. Wenn also ein Element um ein Zentimeter zwischen aufeinanderfolgenden Bildern versetzt "gesehen" wird, kann die diesem Versatz zugeordnete Distanz Information zum Aktualisieren der x-y-Zähler benutzt werden. Da der Roboterarm 20 nur gelegentlich das Endgerät in geradliniger Weise bewegt, werden ermittelte Winkeldreh- oder Winkelversatzwerte zum Auflösen des Versatzes in x-y-Werte benutzt. An dieser Stelle können die x-y-Zähler mit neuer Positionsinformation inkrementiert oder dekrementiert (d. h. aktualisiert) werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung berechnet das System mehrere mögliche ähnliche Wege basierend auf der bekannten Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Richtungsinformation und aktualisiert für den tatsächlich verfolgten Weg die x-y-Positionszähler. Die Endgerätgeschwingkeit kann durch Kenntnis des Zwischenbildversatzes und der Zeitdauer 0,03125 Sekunden) zwischen aufeinanderfolgenden Bildern bestimmt werden. Die Wegvorhersage erzeugt ein Maß an betrieblicher Zuverlässigkeit für den Fall, daß der Roboterarm durch einen äußeren Einfluß gestört wird. An irgendeiner Stelle im Prozeßfluß einschließlich der Stellen, an welchen das Endgerät EE nominell eine Zielposition erreicht hat, wird ein Vergleich zwischen dem x-y-Positionen, die unabhängig von dem oben beschriebenen Bildverarbeitungssystem ermittelt worden sind, und der x-y-Positionsinformation vorgenommen, die vom Roboterarm 20 bereitgestellt wird. Falls die Positionen "übereinstimmen", zeigen das Robotersystem und das Bildverfolgungssystem in Übereinstimmung miteinander keinen Verlust der Positions- bzw. Bahnfolgeintegrität an. Umgekehrt stellt eine Nichtübereinstimmung eine Anzeige eines Bahnfolgefehlers dar und erfordert die Neuinitialisierung des Systems. Das System wird neu initialisiert, indem das Endgerät EE zu einer bekannten Startposition zurückgeführt wird und die x-y-Koordinaten eingegeben und die Endgerätbewegung erneut gestartet wird, in der Praxis dauert die Systemneuinitialisierung weniger als 60 Sekunden. Wie durch den gestrichelten Pfad im oberen linken Teil der Fig. 7 angedeutet ist, kann das System auch durch Rückführung in die Trainingschritte neu initialisiert werden.
Die Genauigkeit der x-y-Positionsverfolgung durch den Bildverarbeitungsweg ist abhängig von dem Abstand z(n) und der x-y-Ebene, in welcher das Endgerät EE bewegt wird. Idealerweise sollte die Oberfläche des Rohrbodens 12 in einer flachen Ebene liegen und das Endgeräte EE sollte durch den Roboterarm 20 in einer flachen x-y-Ebene bewegt werden, die durch einen optimalen Abstandswert z(n) vom Rohrboden 12 beabstandet ist. In der Praxis ist es möglich, daß der Rohrboden 12 nach Jahren des Betriebs einer maßlichen Verwerfung unterliegt und daß der Roboterarm 20 durchhängt oder absinkt wenn die verschiedenen Glieder in ihrer maximalen Auslenkung positioniert sind. In der Praxis variiert die Abstandsdistanz um ein gewisses Maß Az von der gewünschten nominellen Abstandsdistanz z(n).
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Abstandsdistanz z(n) innerhalb gewünschter Toleranzen durch aktive Regelung des z-Achsen-Aktors 24 gehalten, der das Endgerät EE in Abhängigkeit von einem aus aufeinanderfolgenden Bildern abgeleiteten Fehlersignal zum bzw. vom Rohrboden 12 bewegt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, stellt das von der Kamera aufgenommene Bild der Matrix von 3 · 3 Rohrenden 14 eine Gruppe elyptischer Objekte dar, bei denen die im Nahbereich liegenden Objekte größer und weiter beabstandet als die im Fernbereich liegenden Objekte erscheinen, und wobei die Objekte unter einem Winkel α zu einem entfernten Fluchtpunkt konvergierend erscheinen, wie es perspektivischen Ansichten entspricht. Wie durch die gestrichelten Darstellungen in Fig. 6 gezeigt ist, verändert sich der Winkel der scheinbaren Konvergenz α als Funktion der Abstandsdistanz zwischen der lokalen Oberfläche des Rohrbodens 12, die unter Betrachtung durch die Fernsehkamera 16 steht, und dem Endgerät EE.
Die Abstandsdistanz wird als Funktion des scheinbaren Konvergenzwinkels α vergrößert oder vermindert, der in jedem Bild erhalten wird, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Wie dargestellt, wird der scheinbare Konvergenzwinkel α durch die Bildverarbeitungssoftware erhalten (welche die Zentren der beobachteten Ellipsen, wie oben erwähnt, ermittelt) und wird mit einem empirisch bestimmten Wert verglichen, der dem optimalen Abstand z(n) entspricht (d. h. 2 bis 5 cm). Wenn der beobachtete Wert des Winkels α außerhalb des optimalen Bereichs liegt, wird der z-Achsen-Regler 24 betätigt, um das Endgerät EE zur optimalen Abstandsdistanz z(n) zu bewegen, indem das Endgerät EE vom Rohrboden 12 weg oder zu diesem hin bewegt wird. Das System arbeitet daher als klassische Regelschleife für jedes genommene Bild. Das Engerät EE wird jederzeit auf oder nahe dem optimalen Abstand z(n) trotz Schwankungen in der Ebene des Rohrbodens 12 und Schwankungen in der Fähigkeit des Roboterarms 20 gehalten, das Endgerät EE in der gewünschten x-y-Ebene zu halten.
Während der Vergleich zwischen denn scheinbaren Konvergenzwinkel α quantitativ bestimmt werden kann, kann der Vergleich auch qualitativ durchgeführt werden, d. h. es kann eine Bestimmung gemacht werden, ob der beobachtete scheinbare Konvergenzwinkel α in einem Bild lediglich größer oder kleiner als der gewünschte optimale Wert ist, und der z-Achsen-Aktor 24 wird so gesteuert, daß er den Roboterarm 20 und das Endgerät EE mit einem vorgegebenen Abstandsschritt bzw. Inkrement zum (oder vom) Rohrboden 12 bewegt. Unter Verwendung dieser qualitativen Technik wird das Engerät EE zum optimalen Abstand z(n) bewegt, wobei Regelschleifenverstärkung, mögliches Überschwingen oder Schleifeneinstellung nur minimale Bedeutung haben.
Während die Steuerung der Abstandsdistanz z(n) im Zusammenhang mit einem Aktor 24 beschrieben worden ist, der den gesamten Roboterarm 20 zur und von der Oberfläche des Rohrbodens 12 bewegt, ist klar, daß der z-Achsen-Regler auch am Engerät EE montiert werden und lediglich die Kamera 16 und die Lichtquelle(n) 18 und irgendwelches zugehöriges Werkzeug zur und von der Oberfläche des Rohrbodens 12 bewegt, um den optimalen Abstand z(n) aufrecht zu erhalten.

Industrielle Anwendbarkeit

Die vorliegende Erfindung ist am besten zur Verwendung bei der Wartung von Rohrböden und Rohrenden in Dampferzeugern in nuklearen und nicht nuklearen Kraftwerksystemen geeignet.
Wie für den Fachmann offensichtlich ist, können verschiedene Änderungen und Modifikationen bei dem dargestellten unabhängigen Rohrpositions-Verifizierungssystem nach der vorliegenden Erfindung gemacht werden.

Claims

1. Rohrpositions-Verifizierungssystem zur Verwendung bei der Inspektion und Wartung der Rohrböden von Dampferzeugern (10) der Bauart mit einer Vielzahl von in einem Rohrboden (12) nach einem vorgegebenen Koordinatensystem angeordneten Rohrenden (14) und einem Roboterarm (20) zum Bewegen eines Endgeräts (EE) nahe der Oberfläche des Rohrbodens (12) zu aufeinanderfolgenden Rohrendpositionen, gekennzeichnet durch:

einen mit dem Roboterarm (20) verbundenen Bilderzeuger (16) zum Abbilden aufeinanderfolgender Bildrahmen, während der Roboterarm (20) das Endgerät (EE) über die Oberfläche des Rohrbodens (12) bewegt,

eine Lichtquelle (18) zum Beleuchten des Rohrbodens (12), um Schattenwirkungen innerhalb des Blickfelds des Bilderzeugers (16) zu erzeugen,

einen Bildprozessor (104, 106) zum Verarbeiten aufeinanderfolgender Bilder vom Bilderzeuger (16) zum Erkennen eines relativen Versatzes von Bildartefakten von einem Rahmen zum darauffolgenden Rahmen, und

Positionskoordinatenregister (108) zum Registrieren von Versatzänderungen vom Bildprozessor (104, 106) zum Verfolgen von Änderungen der Koordinaten des Endgeräts (EE).

2. Rohrpositions-Verifizierungssystem nach Anspruch 1, wobei der Roboterarm (20) von den Positionskoordinatenregistern (108) gesonderte Positionskoordinatenanzeiger aufweist, und weiter gekennzeichnet durch einen Vergleicher zum Vergleich der Positionskoordinatenwerte des Bildprozessors und des Roboterarms (20) zum Bestimmen der Nachlaufintegrität des Roboterarms (20).

3. Rohrpositions-Verifizierungssystem nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch eine Steuerfunktion zum Aufrechterhalten eines gewählten optimalen Abstands z (n) des Bilderzeugers (16) von der Oberfläche des beobachteten Rohrbodens (12).

4. Rohrpositions-Verifizierungssystem nach Anspruch 3, wobei die Kontrollfunktion durch Beobachten eines scheinbaren Konvergenzwinkels α zwischen Objekten in einem Bildrahmen, das Vergleichen des beobachteten Winkels α mit einem optimalen Wert, und das Bewegen des Endgeräts (EE) in Richtung zum optimalen Abstand z (n) gekennzeichnet ist.

5. Rohrpositions-Verifizierungssystem nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterarm (20) ein Betätigungsorgan (24) zum Bewegen des Endgeräts (EE) in Richtung zur Oberfläche des Rohrbodens (12) oder zum Bewegen des Endgeräts (EE) von der Oberfläche des Rohrbodens (12) weg aufweist.

6. Rohrpositions-Verifizierungssystem nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Bilderzeuger (16) eine Fernsehkamera ist.

7. Rohrpositions-Verifizierungssystem nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) unter einem Winkel von etwa 45 bis 55º mit Bezug auf die Ebene des Rohrbodens (12) ausgerichtet ist.

8. Rohrpositions-Verifizierungssystem nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Bilderzeuger (16) unter einem Winkel von etwa 45 bis 55º relativ zur Ebene des Rohrbodens (12) ausgerichtet ist.

9. Rohrpositions-Verifizierungssystem nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) eine Schattenwirkung erzeugt, bei welcher der Schatten mindestens 40% des Bilds jedes schattenwerfenden Elements und seines Schattens im Bildfeld beträgt.

10. Rohrpositions-Verifizierungssystem nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) am Bilderzeuger (16) montiert ist.

11. Rohrpositions-Verifizierungsverfahren zur Verwendung bei der Inspektion und Wartung des Rohrbodens (12) von Dampferzeugern (10) der Bauart mit einer Vielzahl von in einem Rohrboden (12) entsprechend einem vorgegebenen Koordinatensystem angeordneten Rohrenden (14) und einem Roboterarm (20) zum Bewegen eines Endgeräts (EE) nahe der Oberfläche des Rohrbodens (12) zu aufeinanderfolgend spezifizierten Rohrendpositionen, gekennzeichnet durch:

Beleuchten des Rohrbodens (12), um darauf Schattenwirkungen zu erzeugen,

Abnehmen aufeinanderfolgender Bildrahmen des Rohrbodens (12) vom Roboterarm (20),

Verarbeiten der aufeinanderfolgenden Bilder des Bilderzeugers (16) zum Erkennen eines relativen Versatzes von Bildartefakten von einem Rahmen zum darauffolgenden Rahmen, und

Aktualisieren von Positionskoordinatenregistern zum Registrieren von Versatzänderungen des relativen Versatzes von Bildartefakten von einem Rahmen zum darauffolgenden Rahmen.

12. Rohrpositions-Verifizierungsverfahren nach Anspruch 11, wobei der Verarbeitungsschritt weiter gekennzeichnet ist durch Umwandeln etwa erhaltener elliptischer Artefakte innerhalb eines Bilds in kreisförmige Artefakte.

13. Endgerät-(EE)-Positionierungssystem zur Verwendung bei der Inspektion und Wartung der Rohrböden von Dampferzeugern (10) der Bauart mit einer Vielzahl von in einem Rohrboden (12) entsprechend einem vorgegebenen Koordinatensystem angeordneten Rohrenden (14) und einem Roboterarm (20) zum Bewegen eines Endgeräts (EE) nahe der Oberfläche des Rohrbodens (12) zu aufeinanderfolgend spezifizierten Rohrendpositionen, gekennzeichnet durch:

einen mit dem Roboterarm (20) verbundenen Bilderzeuger (16) zum Abbilden aufeinanderfolgender Bildrahmen, während der Roboterarm (20) ein Endgerät (EE) über die Oberfläche des Rohrbodens (12) bewegt, wobei der Bilderzeuger (16) zum Erzeugen von Bildrahmen mit einer perspektivischen Sicht von Objekten innerhalb des Bildrahmens positioniert wird und die perspektivische Sicht derart ist, dass Objekte in Richtung zu einem entfernten Fluchtpunkt konvergierend erscheinen, eine Lichtquelle (18) zum Beleuchten des Rohrbodens (12), um so Schattenwirkungen innerhalb des Blickfelds des Bilderzeugers (16) zu erzeugen,

einen Bildprozessor (104, 106) zum Verarbeiten aufeinanderfolgender Bilder des Bilderzeugers (16) zum Erkennen eines scheinbaren Konvergenzwinkels von Bildartefakten von einem Rahmen zum darauffolgenden Rahmen, und

ein Betätigungsorgan zum Bewirken der Bewegung des Endgeräts (EE) zum Rohrboden (12) hin und von diesem weg, um einen optimalen Abstand z (n) als Funktion des scheinbaren Konvergenzwinkels aufrechtzuerhalten.

14. Endgerät-(EE)-Positionierungssystem nach Anspruch 13, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) unter einem Winkel von etwa 45 bis 55º relativ zur Ebene des Rohrbodens (12) ausgerichtet ist.

15. Endgerät-(EE)-Positionierungssystem nach Anspruch 13, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Bilderzeuger (16) unter einem Winkel von etwa 45 bis 55º relativ zur Ebene des Rohrbodens (12) ausgerichtet ist.

16. Endgerät -(EE)-Positionierungssystem nach Anspruch 13, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) eine Schattenwirkung erzeugt, bei welcher der Schatten mindestens 40% des Bilds jedes schattenwerfenden Elements und seines Schattens im Bildfeld beträgt.

17. Endgerät-(EE)-Positionierungssystem nach Anspruch 13, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) am Bilderzeuger (16) montiert ist.

18. Endgerät-(EE)-Positionierungsverfahren zur Verwendung bei der Inspektion und Wartung des Rohrbodens (12) von Dampferzeugern (10) der Bauart mit einer Vielzahl von in einem Rohrboden (12) entsprechend einem vorgegebenen Koordinatensystem angeordneten Rohrenden (14) und einem Roboterarm (20) zum Bewegen eines Endgeräts (EE) nahe der Oberfläche des Rohrbodens (12) unter einem optimalen Abstand z (n) zu aufeinanderfolgend spezifizierten Rohrendpositionen, gekennzeichnet durch:

Beleuchten des Rohrbodens (12) derart, dass darauf Schattenwirkungen erzeugt werden,

Abnehmen aufeinanderfolgender Bildrahmen vom Rohrboden (12) von dem Roboterarm (20), wobei die aufeinanderfolgenden Bildrahmen unter einem Winkel relativ zur Oberfläche des Rohrbodens (12) derart genommen werden, dass eine perspektivische Sicht desselben erzeugt wird, bei welcher Objekte im Bildrahmen zu einem entfernten Fluchtpunkt konvergierend erscheinen,

Verarbeiten der aufeinanderfolgenden Bilder des Bilderzeugers (16) zum Erkennen eines scheinbaren Konvergenzwinkels von Objekten innerhalb des Bildrahmens, und

Aufrechterhalten des Bilderzeugers (16) in einem gewählten optimalen Abstand z (n) von der Oberfläche des beobachteten Rohrbodens (12) als Funktion des scheinbaren Konvergenzwinkels von Objekten innerhalb des Bildrahmens.

19. Endgerät-(EE)-Positionierungsverfahren nach Anspruch 18, wobei die Steuerfunktion gekennzeichnet ist durch Messen eines scheinbaren Konvergenzwinkels α zwischen Objekten in einem Bildrahmen, Vergleichen des gemessenen Winkels α mit einem optimalen Wert, und Bewegen des Endgeräts (EE) in Richtung zu dem optimalen Abstand z (n).

20. Endgerät-(EE)-Positionierungsverfahren nach Anspruch 18, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterarm (20) ein Betätigungsorgan (24) zum Bewegen des Endgeräts (EE) zur Oberfläche des Rohrbodens (12) hin oder zum Bewegen des Endgeräts (EE) von der Oberfläche des Rohrbodens (12) weg.