集裝箱CT檢測系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)的研制

摘　要：簡要介紹了集裝箱CT檢測系統(tǒng)的原理,并詳細(xì)介紹了其中控制子系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)。實(shí)際試運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。
 
關(guān)鍵詞：集裝箱CT檢測系統(tǒng) 控制系統(tǒng) PLC

集裝箱CT檢測系統(tǒng)是國家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃重點(diǎn)組織實(shí)施的項(xiàng)目,是針對我國目前的工業(yè)無損檢測、反恐形勢和反走私的實(shí)際需求而提出的。北京清華大學(xué)核研院在相繼成功研制了60Co集裝箱檢測系統(tǒng)和60Co鐵路貨運(yùn)列車檢測系統(tǒng)之后,繼續(xù)承擔(dān)了這一國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目?？刂谱酉到y(tǒng)是60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)中的重要組成部分,對保證整個檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行有著重要意義。

1 集裝箱CT檢測系統(tǒng)簡介

集裝箱CT檢測系統(tǒng)是采用斷層掃描成像的方法對集裝箱等大型被檢客體進(jìn)行無損檢測的一種裝置。60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)主要由放射源(60Co工業(yè)探傷機(jī))、陣列探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(以上三部分安裝在CT環(huán)形門架上)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、圖像重建系統(tǒng)和圖像顯示分析系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)的在線檢測狀態(tài)示意圖如圖1所示。

圖1 60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)在線檢測狀態(tài)示意圖

安裝了放射源和陣列探測器的CT環(huán)形門架可以在豎直平面范圍內(nèi)以任意角度旋轉(zhuǎn),因此60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)不僅可以對被檢物體的可疑區(qū)域作CT掃描,還可以對大型被檢客體作任意角度的DR投影掃描。該檢測系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)圖像重建技術(shù)獲取集裝箱選定部位的斷層數(shù)字圖像,提高了對被檢物體形狀識別的能力;而且具有根據(jù)CT圖像的灰度值(CT值)與物質(zhì)密度相關(guān)這一特性來判別物性的功能,可以把食糖與食鹽、水和油(或酒精)等按密度的差別區(qū)分開。

2 控制子系統(tǒng)功能

60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,其中控制子系統(tǒng)包括安全監(jiān)控系統(tǒng)、掃描控制系統(tǒng)和主控系統(tǒng)。安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是安全聯(lián)鎖,實(shí)現(xiàn)對射線源的管理和射線輻射的控制,保證60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)運(yùn)行時的設(shè)備和人身安全。掃描控制系統(tǒng)的主要功能是控制機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)CT環(huán)形門架的隨機(jī)旋轉(zhuǎn)、固定位置旋轉(zhuǎn)和連續(xù)旋轉(zhuǎn)功能以及平移機(jī)構(gòu)的前進(jìn)、后退和定位功能,保障對集裝箱進(jìn)行DR掃描和CT掃描的順利完成。

圖2 60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)的主控系統(tǒng)是其控制樞紐。主控系統(tǒng)的主要功能包括:(a)完成對集裝箱的DR掃描和CT掃描的流程控制。本檢測系統(tǒng)的掃描模式有正視投影、俯視投影、雙投影、CT掃描和常規(guī)掃描(雙投影加CT掃描);(b)與掃描控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊,發(fā)送流程控制命令并接收檢測系統(tǒng)反饋的狀態(tài)信息;(c)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行通訊,發(fā)送集裝箱掃描模式命令和數(shù)據(jù)采集控制命令,接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的原始集裝箱DR圖像和CT圖像,并實(shí)時顯示和保存原始集裝箱圖像; (d)與圖像重建系統(tǒng)進(jìn)行通訊,把所獲得的原始集裝箱DR圖像和CT圖像分配給圖像重建系統(tǒng),分別進(jìn)行刻度校正和圖像重建;(e)與圖像顯示和分析系統(tǒng)進(jìn)行通訊,把經(jīng)過圖像重建系統(tǒng)處理后的集裝箱DR圖像和CT圖像分配給圖像顯示和分析系統(tǒng),以對集裝箱圖像進(jìn)行檢查,確定所檢測的集裝箱中是否有可疑的違禁物品。

3 控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)的組網(wǎng)方式為以太網(wǎng)和PROFIBUS現(xiàn)場總線相結(jié)合,主控系統(tǒng)、工控機(jī)與60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)的其它子系統(tǒng)通過有線和無線局域網(wǎng)進(jìn)行通訊,主控系統(tǒng)與PLC以及PLC之間通過PROFIBUS總線進(jìn)行通訊?？刂谱酉到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

安全監(jiān)控系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC2和門禁、聲光報(bào)警燈、急停按鈕、快門執(zhí)行機(jī)構(gòu)等外圍設(shè)備組成。其中,工控機(jī)和PLC2安裝在CT環(huán)形門架上,工控機(jī)通過無線方式接入局域網(wǎng)。PLC2通過PPI接口與工控機(jī)進(jìn)行通訊,完成安全聯(lián)鎖控制邏輯運(yùn)算,并實(shí)現(xiàn)對射線源快門的開關(guān)控制。
 
掃描控制系統(tǒng)由PLC3、PLC4、變頻器和各種傳感器等組成。掃描控制系統(tǒng)安裝在現(xiàn)場控制柜中,PLC3、PLC4與變頻器之間通過PROFIBUS總線進(jìn)行通訊。PLC3和PLC4完成控制機(jī)械系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算,并通過變頻器控制CT環(huán)形門架的電機(jī)和平移機(jī)構(gòu)的電機(jī),實(shí)現(xiàn)CT環(huán)形門架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和平移機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動。在CT環(huán)形門架上安裝有零點(diǎn)定位器,每次系統(tǒng)上電時,CT環(huán)形門架都執(zhí)行一次尋零操作,此時CT環(huán)形門架上的射線源處于零角度位置,并以此為基準(zhǔn)保證CT環(huán)形門架旋轉(zhuǎn)角度定位的準(zhǔn)確性。在平移機(jī)構(gòu)上也安裝有零點(diǎn)定位器,系統(tǒng)作CT掃描檢測時,集裝箱平移到指定的CT檢測截面位置,這個過程中要經(jīng)過零點(diǎn)定位器,這樣可以獲得集裝箱頭部截面的位置,保證了CT檢測截面位置定位的準(zhǔn)確性。

主控系統(tǒng)安裝在控制室中,由PC機(jī)和PLC1組成。PC機(jī)和PLC1通過MPI接口進(jìn)行通訊。PC機(jī)作為PLC1的上位機(jī),安裝有主控軟件。主控軟件除作為60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)的人機(jī)操作界面外,還具有保存、顯示和分配集裝箱圖像的功能。PLC1通過PROFIBUS總線與掃描控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊,完成60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)各種檢測掃描模式控制的邏輯運(yùn)算,保證檢測流程的順利完成。
 
60Co集裝箱CT檢測系統(tǒng)的檢測CT圖像如圖4所示。該檢測系統(tǒng)在經(jīng)過了一年的試運(yùn)行之后,于2004年1月13日通過了項(xiàng)目驗(yàn)收。其中的控制子系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,操作方便,容易維護(hù),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖4 航空集裝箱的檢測CT圖像

參考文獻(xiàn)
1 陳雪松. CT圖像重建的可擴(kuò)展多DSP并行計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu).清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004; 44(3)
2 叢 鵬. 大型集裝箱CT系統(tǒng)圖像重建研究. 原子能科學(xué)技術(shù), 2003; 37(5)