王 方，師雪艷，任煥文，宋 婧，*，王 文，宋 勇，鳳麟核團(tuán)隊(duì)

（1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026；3.中科超睿（青島）技術(shù)有限公司，青島 266041；4.中子科學(xué)國(guó)際研究院，青島 266199）

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是保證設(shè)備可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)手段，但針對(duì)工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域越來(lái)越復(fù)雜的檢測(cè)對(duì)象，單一檢測(cè)手段難以得到全面信息，很難滿足檢測(cè)需求。因此，本文采用雙模式融合成像，即將兩種不同檢測(cè)手段結(jié)合起來(lái)，利用不同檢測(cè)技術(shù)相互補(bǔ)償各自的缺陷，如利用超聲與X射線融合成像檢測(cè)復(fù)合材料缺陷［1，2］，利用不同電壓/能量的X射線融合成像以提高檢測(cè)精度［3，4］，利用中子與X/γ射線融合成像檢測(cè)放射性部件、渦輪葉片、電池、機(jī)場(chǎng)集裝箱貨物等［5-7］。雙模式融合成像可以獲得被檢品更為全面的信息，提高被檢品的檢測(cè)準(zhǔn)確率，降低誤報(bào)率［8，9］。在核行業(yè)領(lǐng)域，該技術(shù)可以用來(lái)檢測(cè)核燃料棒內(nèi)部缺陷及尺寸，確保核燃料元件和壓力容器的焊接質(zhì)量，檢測(cè)放射性管道的腐蝕情況等［10，11］；此外，在航天航空設(shè)備精密機(jī)械、動(dòng)力電池、考古等其他領(lǐng)域也存在廣闊的發(fā)展前景。

基于兩種不同的射線成像裝置，本文設(shè)計(jì)研制一種用于雙模式射線融合成像的高精度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信，具有高精度定位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、信息查詢、友好的人機(jī)交互等功能，且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，易于操作。

1 控制系統(tǒng)需求

本文設(shè)計(jì)一套雙模式射線融合成像的高精度自動(dòng)控制系統(tǒng)，為了確保所設(shè)計(jì)的融合成像控制系統(tǒng)定位精度高、通信可靠性和抗干擾能力強(qiáng)、易用性好，我們對(duì)其提出了以下要求：（1）由于定位精度直接決定了雙模式射線融合成像的質(zhì)量，因此本設(shè)計(jì)對(duì)同一被檢品放置在2臺(tái)射線成像裝置的相對(duì)檢測(cè)位置誤差提出了較高要求，要求重復(fù)定位精度≤±0.08 mm；（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行與聯(lián)鎖控制，保證通信可靠穩(wěn)定；（3）對(duì)電磁干擾等復(fù)雜工作環(huán)境具有良好的適應(yīng)能力；（4）設(shè)計(jì)可視化、人機(jī)友好的操作界面。

2 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

目前市面上小負(fù)載（0~30 kg）工業(yè)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)±0.05~0.08 mm的重復(fù)定位精度［12］，因此為滿足系統(tǒng)的重復(fù)定位精度需求，我們選用高精度工業(yè)機(jī)器人與激光測(cè)距儀的組合進(jìn)行閉環(huán)自調(diào)節(jié)控制，通過(guò)激光測(cè)距的反饋數(shù)值對(duì)機(jī)器人的定位位置進(jìn)行校正，以實(shí)現(xiàn)被檢品的高精度重復(fù)定位。

本文設(shè)計(jì)的融合成像控制系統(tǒng)主要由西門(mén)子1500系列PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）、射線成像裝置1、射線成像裝置2、高精度工業(yè)機(jī)器人、伺服電機(jī)及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等組成。由于各儀器間接口和通信協(xié)議并不統(tǒng)一，我們需采用多通信接口、多通信協(xié)議組成的系統(tǒng)。為了加強(qiáng)通信穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)可擴(kuò)展性，我們選擇USB網(wǎng)卡轉(zhuǎn)換器將設(shè)備的USB串口轉(zhuǎn)換為RJ45通信接口，再與其他設(shè)備一同通過(guò)管理型工業(yè)交換機(jī)與總控PLC相連?？偪豍LC支持以上通信協(xié)議，集成各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，完成裝置的整體工藝與安全邏輯控制?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of control system

融合成像控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的分散控制、集中管理。所有的控制設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相互連接，以防止計(jì)算機(jī)病毒或網(wǎng)絡(luò)外的其他破壞性入侵，保障融合成像控制系統(tǒng)的運(yùn)行不受外部因素影響。如圖2所示，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由監(jiān)控級(jí)、控制級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)三級(jí)組成?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要由現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)控設(shè)備組成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各子模塊的獨(dú)立控制，采集各子模塊的反饋信號(hào)，確保各子模塊獨(dú)立工作正常?？刂萍?jí)主要由可實(shí)現(xiàn)多通信功能的高安全性的西門(mén)子1500系列PLC組成，并通過(guò)管理型工業(yè)交換機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備相連，提高控制系統(tǒng)的抗干擾性能，減少通信故障。我們將控制系統(tǒng)的控制設(shè)備安裝至屏蔽機(jī)柜中，控制器與數(shù)據(jù)采集模塊之間設(shè)置隔離模塊，采用光纖通信，提高控制系統(tǒng)在信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸中的抗電磁干擾能力，提高測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的安全性。此外，現(xiàn)場(chǎng)裝有觸控一體機(jī)，通過(guò)其上運(yùn)行的控制軟件，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。監(jiān)控級(jí)由放在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程工作站組成。遠(yuǎn)程工作站裝有運(yùn)行控制程序的計(jì)算機(jī)，通過(guò)光纖轉(zhuǎn)換器與控制器進(jìn)行通信，以獲取操作數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)報(bào)警信息。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network architecture of control system

3 控制邏輯設(shè)計(jì)

融合成像控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)被檢品的定位、抓取及準(zhǔn)確輸送到成像位置，并保證整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中被檢品的安全性和重復(fù)定位精度。融合成像控制系統(tǒng)的大致操作流程如圖3所示，首先確認(rèn)安全聯(lián)鎖狀態(tài)是否正常；其次射線成像裝置1開(kāi)機(jī)并降溫至運(yùn)行要求，射線成像裝置2開(kāi)機(jī)自檢并開(kāi)啟冷卻設(shè)備，待其油冷機(jī)流量滿足條件；最后伺服電機(jī)將成像設(shè)備移動(dòng)至最佳成像位置，成像準(zhǔn)備工作完成。正式成像時(shí)，機(jī)器人從被檢品架上抓取被檢品并將其輸送至射線成像裝置1檢測(cè)位置，被檢品到位后根據(jù)激光測(cè)距的反饋進(jìn)行位置校正，然后進(jìn)行射線成像裝置1成像。待射線成像裝置1拍照完成后，機(jī)器人將被檢品移動(dòng)至射線成像裝置2檢測(cè)位置，同樣進(jìn)行位置校正，之后進(jìn)行射線成像裝置2成像。待射線成像裝置2拍照完成后，機(jī)器人抓取被檢品放回被檢品架，由自研的成像軟件進(jìn)行融合成像。

圖3 控制系統(tǒng)控制流程Fig.3 Diagram of control system

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

我們利用SIMATIC WinCC（Windows Control Center）組態(tài)軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的子控制模塊用于對(duì)各設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立控制與測(cè)試，包括電源控制模塊、射線成像裝置1控制模塊、射線成像裝置2控制模塊、伺服電機(jī)控制模塊、工業(yè)機(jī)器人控制模塊、安全聯(lián)鎖監(jiān)控模塊、報(bào)警信息及存儲(chǔ)模塊等。當(dāng)控制軟件運(yùn)行時(shí)，它通過(guò)主程序完成對(duì)子控制模塊的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的并行控制，提高系統(tǒng)的易用性?？刂栖浖蚣芙Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Soft diagram of control system

各子模塊的詳細(xì)功能如表1所示。

表1 控制模塊主要功能Table 1 Main functions of the control module

我們?cè)赪inCC平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了控制軟件計(jì)算機(jī)操作界面程序，其生成的控制系統(tǒng)主界面如圖5所示。為使操作界面直觀可視易操作，我們?cè)谥鹘缑鎯H保留一些核心操作按鍵與顯示，將各子模塊的詳細(xì)內(nèi)容折疊放在界面下方，視需要查看具體的操作處理過(guò)程，并添加了防止非操作人員誤觸的保護(hù)措施。

圖5 控制系統(tǒng)操作界面Fig.5 Interface of control system

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

基于上述雙模式射線融合成像控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，我們搭建了如圖6所示的雙模式射線融合成像控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制兩部分，通過(guò)光纖進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?？刂芇LC與各子系統(tǒng)的控制器集成安裝在控制柜中，控制柜上裝有觸控一體機(jī)。我們通過(guò)WinCC上位機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the experimental platform

工作人員利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了上千次的成像測(cè)試。對(duì)控制系統(tǒng)整體性能的測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的融合成像控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、定位精度高、操作簡(jiǎn)單易用。

為了檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的重復(fù)定位精度，我們使用控制軟件操作機(jī)器人多次運(yùn)送被檢品分別至射線成像裝置1檢測(cè)位置和射線成像裝置2檢測(cè)位置，并記錄相應(yīng)反饋的三維坐標(biāo)值，隨機(jī)抽取9組數(shù)據(jù)如表2所示。2臺(tái)射線成像裝置的相對(duì)檢測(cè)位置誤差如表3所示。

表2 檢測(cè)位置定位結(jié)果Table 2 Results of detection location

表3 2臺(tái)射線成像裝置的相對(duì)檢測(cè)位置誤差Table 3 Relative detection position error for two radiographic imaging equipment

由表2和表3可知：（1）射線成像裝置1檢測(cè)位置的重復(fù)定位精度為-0.04~+0.05 mm；（2）射線成像裝置2檢測(cè)位置的重復(fù)定位精度為±0.05 mm；（3）射線成像裝置2檢測(cè)位置與射線成像裝置1檢測(cè)位置間的重復(fù)定位精度為±0.06 mm，定位精度≤±0.08 mm，達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用要求的高精度定位水平。

6 結(jié)論

本文結(jié)合兩種不同的射線成像裝置融合成像的控制需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了融合成像控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)被檢品的雙模式射線融合成像檢測(cè)，滿足工業(yè)定位精度和成像需求，確保后續(xù)的射線圖像融合處理效果。本文建立了分散控制、集中管理的三級(jí)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性，并采取了一系列措施來(lái)解決強(qiáng)電磁復(fù)雜惡劣環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的干擾問(wèn)題。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)友好的可視化操作界面，提高操作易用性。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)，控制指令響應(yīng)迅速，被檢品定位快速精確，操作界面簡(jiǎn)潔大方、易于使用，很好地滿足了雙模式射線融合成像控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。未來(lái)還可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法等實(shí)現(xiàn)故障自診斷、操作異常自處理，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的智能化程度。

致謝：本文的工作基于鳳麟核集團(tuán)中科超睿（青島）技術(shù)有限公司提供的射線成像裝置及多模式成像專業(yè)實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行了文中所述控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究與測(cè)試，并得到了鳳麟核團(tuán)隊(duì)成員的技術(shù)支持，在此表示感謝。