基于PLC的放射源掃描儀研制

陽國桂，高 翔，郭宏利

(原子高科股份有限公司，北京 102413)

用于正電子發射斷層成像儀(PET)刻度的68Ge放射源屬于線形放射源，其徑向放射性均勻度是其質量控制的關鍵，測量并記錄68Ge放射性核素的徑向分布通常使用核乳膠顯影法。核乳膠顯影法即核乳膠片被射線(在本案例中為β+射線)曝光后，經過顯影、定影，通過目測曝光強度確定放射源均勻度。該法空間分辨率高，條件簡單，但操作復雜，無法實時獲得數據，數據不易保存和使用。

可編程邏輯控制器(PLC)是為工業控制應用而設計制造的通用控制器。實現了將傳統的繼電器控制技術與現代計算機技術和通信技術相結合，提供邏輯控制、定位控制、定時控制、計數控制和數據處理等多種功能。相對于開發基于單片機的放射源均勻度掃描儀，同時實現輻射測量和運動控制等功能，PLC可靠性高、通用靈活、編程簡單、使用方便。本研究工作基于PLC的測控技術，研制了一臺68Ge線形放射源掃描檢測儀。該儀器利用一臺西門子S7-200系列小型PLC完成了輻射信號的采集、傳輸、掃描運動控制，并利用計算機作為上位機對數據進行處理、顯示和保存。實現了線形放射源均勻度測量的數字化。

1 儀器硬件設計

1.1 總體設計方案

儀器總體設計示于圖1。68Ge線形放射源掃描檢測儀使用小型可編程控制器(PLC)構成的測控裝置作為下位機，實現運動控制，探頭數據采集和傳輸。使用計算機(PC)實現數據處理、顯示、保存和儀器操控，兩者通過RS-232串口實現通信。使用步進電機驅動的直線絲杠滑臺、限位開關、光碼盤等實現掃描動作和位置傳感。

圖1 68Ge線形放射源掃描檢測儀示意圖 Fig.1 Sketch of 68Ge line source scanner

68Ge核素以β+方式衰變，β+粒子迅速湮滅成兩個方向相反，能量為511 keV的γ光子對。線形放射源在直線滑臺的驅動下運動，其釋放的γ光子對經過狹縫，被對置的兩個碘化鈉探測器探測到并送入符合測量系統。使用符合測量系統對探測信號進行甄別，可以有效的降低本底，提高測量的空間分辨率。

1.2 基于PLC的測控系統設計

測控系統設計方案示于圖2。兩個NaI探測器獲得的γ脈沖TTL信號經過符合模塊，甄別出有效的湮滅光子對信號，再經過TTL-PLC轉換模塊將5 V的TTL信號轉換成24 V的PLC脈沖輸入信號，接入到PLC高速脈沖計數器輸入口；光碼盤與直線絲杠滑臺的絲杠共軸連接，獲得滑臺定位TTL信號，也經過TTL-PLC模塊輸入到PLC另一高速脈沖計數輸入口；兩個限位開關分別安裝在直線滑臺的上部和下部，下部起到限位保護作用，上部限位開關作為運動定位的零點，每次復位以觸發上限位開關為準，兩個限位開關直接接入PLC開關量輸入端；直線滑臺作為運動執行機構，實現68Ge源的掃描、復位。使用步進電機作為動力源，來自PLC的高速脈沖經過PLC-TTL轉換對步進電機的運動速度和運動量進行控制，另一來自PLC的開關量實現步進電機的轉向控制。該硬件部分將PLC作為數據采集和運動控制的中心，使用了具有高速脈沖輸出和高速脈沖計數功能的西門子PLC S7-200。 一臺計算機(PC)作為上位機，通過RS-232/PPI/RS-485連接線，與PLC實現硬連接。

圖2 基于PLC的測控系統設計方案 Fig.2 Design of measurement and control system based on PLC

1.3 可編程控制器的選型

該測控系統的核心是PLC。根據使用高速脈沖計數器對輻射信號進行采集的需求，以及通過高速脈沖輸出控制步進電機轉速的需要，選擇了西門子PLC S7-200 CPU224 CN XP DC/DC/DC。該PLC內置2個200 kHz高速脈沖計數器，2個20 kHz高速脈沖輸出端口。經實驗驗證，該PLC高速脈沖計數器可以接受的最短正脈沖為2 μs，而隨機脈沖信號頻率大于10 kHz時存在明顯脈沖丟失的現象。因此，以此PLC設計的輻射測量設備應當通過前端探測器準直器、放大電路等對輸入信號進行脈寬整形和頻率限制。

2 儀器軟件設計

該儀器的軟件包括運行于PLC的測控軟件，以及運行于PC的數據采集軟件。二者通過PPI通信協議進行通信。

2.1 PLC軟件設計

PLC軟件的程序流程圖示于圖3。PLC測控軟件由主程序、子程序和中斷程序構成。使用運行于windows平臺的STEP 7-MicroWIN V4.0編寫、調試并下載到PLC。

主程序循環監測儀器的多個控制狀態，根據狀態的不同，適時轉入系列子程序。子程序分別實現包括滑臺運動，滑臺復位，高速脈沖計數器計數等功能。而中斷程序完成高速脈沖計數完成后的數據返回和狀態變化。

當PLC處于滑臺運動子程序時，定義一個高速脈沖輸出，并以一定脈寬從Q0.0輸出端發送一定數量的高速脈沖到步進電機控制器，滑臺就運行一段距離并停止。當PLC處于滑臺復位狀態時，PLC進入滑臺復位子程序，定義一個高速脈沖輸出，置PLC輸出端Q0.2為1，控制步進電機反轉。并根據設定的脈寬從Q0.0輸出端發送高速脈沖到步進電機控制器，直到上限位開關觸發才停止脈沖輸出。當PLC處于計數狀態時，PLC將定義一個高速脈沖計數器，在計時器的輔助下，記錄一定時間段的脈沖數。PLC通過高速脈沖計數器累計到的測量結果及當時儀器狀態參數存入設定的緩存區，等待PC機運行的數據采集軟件的查詢，直到新的測量數據產生才會清除對應緩存區。PLC作為被動的下位機，只負責數據及狀態寫入設定的緩存區，而不主動與PC機對話。

2.2 PC軟件設計

PC端上運行測控軟件，用于數據采集、處理、顯示、存儲、報告，以及掃描儀參數設置和儀器監控。使用運行于windows平臺的Microsoft Visual Studio 6.0編程、調試和發布。

圖3 PLC程序流程圖 Fig.3 Program Flow Chart of PLC

2.2.1通信方式的選擇

西門子PLC S7-200與PC進行通信主要有點對點接口協議，PPI(point to point interface)、自由端口通信、Modbus通信、MPI通信、USS通信和工業以太網通信。本研究針對單臺PC對單臺PLC近距離控制的情況，采用了PPI通信方式。

PPI是西門子專門為S7-200PLC系統開發的通信協議，是一種主從協議，主站設備發送數據讀/寫請求到從站設備，從站設備響應。從站不主動發信息，只是等待主站的要求，并根據地址信息對要求做出響應，可以省略編寫PLC的通訊代碼。

在PPI網上，計算機與PLC通信總是由計算機發起，PLC予以響應。具體過程如下。

(1)計算機根據通信任務，用一定格式，向PLC發送通信命令。

(2)PLC收到命令后，進行命令校驗，如果校驗后正確無誤，則向計算機返回數據E5H或F9H，作為初步應答。

(3)計算機收到初步應答后，再以特定字段向PLC發送確認命令。

(4)PLC在收到此確認命令后，執行計算機所發送的通信命令，并向計算機返回相應數據。

通信過程要往返兩次，比較麻煩，但較嚴謹，不易出錯。計算機通過向PLC發送“寫”命令實現掃描檢測儀運動參數的設定，以及測量控制命令。通過定時向PLC發送“讀”命令實現對采集的γ計數和儀器狀態參數的讀取。

2.2.2數據處理

軟件界面示于圖4。在PC端軟件上，采集的可用數據將存入可變數組、實時計算數組成員最大值、累加值、相對偏差等。根據查看方式，在曲線監視窗顯示實時采集數據曲線及累計活度數據，或者相對偏差曲線和最大偏差值。

圖4 PC端軟件界面Fig.4 PC software interface

(1)線形放射源相對偏差的計算：

根據線形放射源質量評價方法，使用相對偏差來表示放射源的均勻度，只有徑向計數率的相對偏差在±5%范圍內，放射源才合格。

相對偏差的計算公式為：

(2)放射源活度的計算：

放射源活度是重要參數之一，研制的線形放射源掃描檢測儀不僅實現了徑向放射性分布均勻度的測定，同時也能獲得放射源的總活度數據。對單位長度的線形放射源計數率積分，得到整根放射源的計數率。總活度正比于整根放射源的計數率：

∑Ci×L/T∝A

其中A為放射源總活度，Ci為單位長度放射源計數率，L為測量間隔，T為測量時間。刻度曲線為：A=k×∑Ci×L/T+a，其中a為截距，k為刻度斜率，通過實驗刻度獲得斜率k和a，并可設置在儀器參數表中。

3 結束語

68Ge線形放射源掃描檢測儀使用一臺小型可編程控制器(PLC)作為測控核心部件實現了自動掃描和射線探測數據的采集。能夠同時獲得線形放射源均勻度和總活度信息，并通過計算機進行顯示和存儲。68Ge核素以β+方式衰變，利用符合測量系統保證了測量的準確性，并保持了與PET測量方式的一致性。相對于核乳膠法測定放射源均勻度，該儀器具有測量準確，通用性強，使用方便，功能豐富的特點。相對于使用單片機的自控方案，該方案無需開發復雜的外圍電路，因此測控系統結構簡單，抗干擾能力強，開發速度快，成本低廉。

參考文獻：

[1] 郭澤宜.PLC在工業自動化中的應用[J].科技資訊，2009， 21：86.

GUO Zeyi. Application of PLC in industrial automation[J]. science and technology information, 2009, 21:86.

[2] 李江全，劉榮，李華，等.西門子S7-200 PLC數據通信及測控應用[M].北京：電子工業出版社，2011：7.

[3] 西門子(中國)有限公司自動化驅動集團.深入淺出：西門子S7-200PLC(第3版)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4] 顧華.用核乳膠法測定α源的均勻度和厚度[J].原子能科學技術，1965，3:261-264.

Gu Hua, The determination of uniformity and the thickness of α - source with nuclear emulsion method [J] - atomic energy science and technology, 1965, 3：261-264.

[5] 李志強，朱玉葉，莊敏.基于PLC技術的多功能核輻射檢測儀研制[J].核動力工程，2007，28(4)：112-116.

Li Zhiqiang, Zhu Yuye, Zhuang min, Development of multifunctional nuclear radiation monitoring instrument based on PLC technology [J]. nuclear power engineering, 2007，28 (4)： 112-116.

[6] 龍永輝，孫中生. Siemens PPI協議分析[J].工業控制計算機，2005,18(7)：11-12.

Long Yonghui, Sun zhongsheng, Analysis of Siemens PPI protocol [J]. industrial control computer, 2005,18 (7)： 11-12.