基于PLC的X射线无损检测系统研究

陈龙现，葛浙东，韩发通，高龙旭，周玉成

（山东建筑大学，济南 250101）

0 引言

我国是林业大国，森林面积广阔，树木种类丰富，珍贵树种繁多。与此同时，中国人口数量庞大，居民需要的木质用材量大，而人均用木材量少。合理利用木材资源，避免木材浪费，变得尤为重要。如何评价木材内部质量状况，如何鉴别木材种类，如何判定树木的健康状况等问题，一直以来都是悬而未决的难题。因此我国亟需一套无损检测设备，用于检测加工木材、监测森林生长状况、检验进出口木材等领域。随着计算机技术的迅猛发展，CT（Computed Tomography）机，即计算机X射线断层摄像机，也随之兴起且应用广泛，可用于木材无损检测[1]。但多年以来，进口品牌CT技术垄断，价格昂贵。国内木材检验部门、企事业单位和科研高校均无力承担。另外，近年来民族CT品牌成功打破技术垄断壁垒，民族CT品牌在国内CT市场迎来了爆发式的增长。另外，数字图像处理技术在木材科学中的应用广泛，CT技术和数字图像处理技术相结合，为木材无损检测图像处理分析提供了新方法[2]。

但截止目前，国内的CT设备主要针对医疗、工业等领域开发，还未见针对木材检测成熟的CT检验设备。为此，项目组研发的CT无损检测平台可应用于科研院所、高等院校等企事业单位的无损检测研究，也可用于林业普查、海关进出口木材检验、木材加工制作等领域[3,4]。

1 无损检测系统整体设计

无损检测系统主要包括系统支撑平台、X射线扫描系统、PLC控制系统和PC信息处理系统。其中，系统支撑平台主要起到承载X射线扫描系统和PLC控制系统的作用；X射线扫描系统由X射线发射器和X射线探测器组成；PLC控制系统安装于系统支撑平台下方，主要由西门子1200PLC控制器、驱动器、伺服电机、可升降旋转平台和电气零部件等构成，主要控制可升降旋转平台的动作；PC信息处理系统主要由计算机、RS232通信系统、人机交互系统构成，用于获取X射线扫描系统的扫描数据，进而处理数据，重建图像。

基于PLC的X射线无损检测系统的控制流程，如图2所示。系统上电初始化，下位机采集各个传感器状态，载物圆盘旋转、升降至起始原点；用户在上位机界面设置载物圆盘旋转角度和角速度，升降速度和距离；经RS232通讯传送给下位机控制电机动作；同时打开X射线发射器和探测器，进行木材扫描；当木材到达指定位置，扫描完毕，关闭X射线发射器和探测器，载物圆盘停止动作；将扫描数据上传至上位机，进行扫描数据图像重建。

图1 无损检测平台系统

图2 控制流程图

2 无损检测平台的控制

可升降旋转无损检测平台采用双伺服电机位置控制[5,6]，伺服电机a控制平台的水平方向旋转，伺服电机b控制垂直方向升降，两部伺服电机配合运行，实现对木材高精度螺旋扫描检测。实际装配图如图3所示。

图3 可升降旋转无损检测平台

为满足CT扫描过程中，载物圆盘缓慢升降、旋转的高精度要求。伺服电机必须做到承载高负载、低转速精准运行。为此，添加减速机、丝杠、蜗轮蜗杆、齿轮、链带等增大力矩的减速机构。

设伺服电机a转速Va，界面输入旋转角速度Va'，则有：

式(1)中，Kv1为减速机a的减速比，Kg为链带所连接的大小齿轮比。

当伺服电机b启动时，因当前上、下工件是处于静止状态的，由静止状态到动态，如果速度过高的话，会引起失步或突跳现像，停止时因工件处于快速运行状态，若突停的话，因机械惯性较大，严重的话会引起机械损伤，或定位不准现像。

设伺服电机b转速Vh，界面输入旋转角速度Vh'，则有：

式(2)中，Kv2为伺服电机b上的减速机b的减速比，Kw为蜗轮蜗杆的减速比，Ks为丝杠的传动比。

根据该系统实现的功能，输入及输出量如表1所示，控制器选型为西门子S7-1200，另加RS232模块。根据表1所示，DI0.0-DI0.7的8路用于检测8个接近开关输入，提供无损检测平台的位置信息，检测是否初始化，超出限程等操作。AI1.0-AI1.1的2路模拟量输入用于接收无损检测平台的旋转角速度和升降位移量，实时显示在人机交互界面上，方便操作人员做出实时判断。DQ0.0-DQ0.7的8路数字量输出分别用于控制伺服驱动器的脉冲、方向，控制X发射器和探测器上电，控制驱动器上电以及故障报警提示。

表1 I/O对照表

采用西门子PLC1200控制器，TIA编程软件通过梯形图语言编写控制伺服电机程序，控制双伺服电机带动顶升载物平台实现精确稳定的旋转、升降，同步精准的螺旋运动。编程采用博途TIA V15软件实现，如图4所示。

图4 西门子PLC-1200程序编写TIA界面

3 无损检测平台人机交互

上位机软件的实现主要是以C++语言为基础，基于Windows系统的Visual Studio 2010编程环境开发[7]。采用RS232串行通讯[8]与下位机PLC1200进行信息通讯，波特率：9600bps，校验位：无，数据位：8，停止位：1。RS232通信初始化：报头0xAF，报尾0xED，报文中间5个字节均为0x00。如表2所示。

表2 232通信格式

基于MFC框架类编写人机交互界面，如图4所示，软件界面主要分为标题栏，通讯控制区，参数输入区，实时信息显示区，操作控制区五大部分。标题栏显示系统名称和研发单位；通讯控制区用于选择通讯接口，设置通讯参数等；参数输入区用于输入X射线发射器、等距平板探测器的功能参数，伺服电机的转速、角度、线速度和运动距离等；实时信息显示区用于实时显示系统的当前运行状态，比如电压、电流、旋转角速度和角度、升降速度和位移等信息；操作控制区用于操作系统的启动、暂停和停止、故障复位、数据处理等。

图5 无损检测平台人机交互界面

4 无损检测平台图像重建

X射线发射器发出的扇形X射线，穿透木材，由探测器接收，将数据以.csv格式文件上传至PC上位机，如图5所示，上位机中央处理器运用反投影算法、图像重建算法进行图像重建[9～11]，得到木材的横经弦三切面视图，如图7所示，再经过线性插值算法及三维立体成像算法呈现木材三维立体视图。

图6 三维数据某层投影数据

图7 木材三切面及立体图

5 结语

本研究根据运动学控制、X射线成像原理，设计出基于PLC的X射线无损检测平台。通过该平台的硬件设计、搭建、编程、调试等，测试验证了基于PLC的X射线无损检测平台设计的有效性和可行性，达到预期设想目标，实现高精度旋转、升降扫描获取数据，为图像重建奠定了良好基础，重建出的图像清晰、可靠，易于下一步的图像处理、图像分析等工作。基于此，基于PLC的X射线无损检测平台具有极大的应用价值和广阔的应用前景，具有极高的商业价值和极其广泛的社会效益。