基于PLC的X光機智能控制系統

鄧玉福, 于彥澤, 孟德川, 李晟棟, 于桂英

(1. 沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034;2. 沈陽師范大學 遼寧省射線儀器儀表工程技術研究中心, 沈陽 110034;3. 沈陽師范大學 實驗教學中心, 沈陽 110034)

0 引 言

自1895年德國物理學家倫琴發現X射線,X射線[1]已經廣泛地應用在安檢、軍事、航空、工業檢測、食品安全和醫療等眾多領域。伴隨著射線大規模的應用,X光機有了長足的發展,對X光機控制系統提出了更高的要求[2]。但國內的X光機控制系統結構單一,控制精度底,處理速度慢,監測手段落后,發生故障不能夠自我保護。針對上述問題,對原有的X光機進行改進,提出了基于PLC的X光機智能控制系統,實現X光機的發展趨向智能化,數字化,高頻化,通過PID算法完成X光機管電壓(kV)、管電流(mA)的閉環控制和輸出設定,使X射線機能夠產生穩定的,較高質量的X射線[3]。

1 控制原理

X光機智能控制系統[4]的整體控制圖如圖1所示。該系統主要由高頻脈沖燈絲電路和直流高壓電路組成[5]。其工作原理為:高頻脈沖燈絲電源加熱X射線管陰極燈絲,使X光管在高溫下產生足夠量發射的電子,通過高壓直流開關電源加在X射線管的陰陽兩級使其產生強大的高壓電場,使電子在強大的電場力的作用下加速去轟擊靶極,使之產生X射線[6]。PLC控制X光機的工作原理為:在輸出端將高壓經電阻串聯衰減的方式來實現對輸出電壓信號的采樣[7]。在測量電阻電路中串聯采樣電阻[8],將負載的電流信號轉化為電壓信號來實現對輸出電流信號的采樣,同時用光耦隔離器將電壓信號反饋入模擬量輸入輸出模塊,經過AD轉換與設定值進行比較,采用PID算法進行閉環穩壓穩流控制。當反饋信號或AD輸出信號出現異常時,啟動保護模式,達到保護電路的目的。

2 控制系統的硬件設計

該控制系統的工作原理如圖1所示,主要是以西門子CPU為核心控制區[9-10],用以控制整個系統,采用模擬量輸入輸出模塊進行AD輸入轉換和DA輸出轉換;利用光耦隔離器保證采樣與輸出信號的穩定以保護控制電路和PLC[11-12];通過繼電器完成兩種燈絲電路之間的切換,實現X射線管小焦點和大焦點之間的工作方式的功能轉換;采用觸摸屏作為人機交互界面,其與PLC之間采用以太網通信,實現了系統的遠程操作,既可以減少人為的操作誤差,又避免了X射線對于操作人員的輻射。為了實現系統的“無人值守化”操作,通過限位開關控制X光機實驗室鉛門開啟,保證操作人員的人身安全;通過傳感器檢測各電路的工作狀態,保證電路的安全運行;實時反饋X射線管冷卻水流的流速,防止工作溫度過高燒毀X射線管;蜂鳴器與保護程序和報警程序關聯,用以提醒操作人員控制系統異常,并實時記錄各種報警數據,使工作人員快速做出相應判斷,解決系統出現的問題。

本實驗選擇的X光管是雙燈絲、雙輻射靶面X射線管,在設計燈絲電源時可選擇2種工作方式:

1) 使用1個0～60 V可調直流開關電源,并使用一個逆變板,通過繼電器的切換完成2個燈絲電源的制作,通過選擇不同的工作方式,完成燈絲電源的選擇,從而完成X光機大小焦點的選擇。

2) 使用1個0～60 V可調直流開關電源,并使用繼電器完成電路切換,制作兩種逆變板,完成2個燈絲電源的制作,通過選擇不同的工作方式,完成燈絲電源的選擇,從而完成X光機大小焦點的選擇。

這2種工作的比較,如圖2、圖3所示。第1種方案減少1個燈絲電源的逆變板,從而減小了燈絲電源的體積和制作成本,使用2個繼電器進行切換增加系統的安全性能,從而我們選擇了第1種工作方式,而2種工作方式繼電器在直流電部分進行切換,增加了1個逆變板,且只能用1個繼電器切換電路,增加危險性,如果繼電器損壞容易燒毀X光管。

圖2 繼電器第1種工作方式Fig.2 The first mode of operation of relay

圖3 繼電器第2種工作方式Fig.3 The second mode of operation of relay

3 軟件設計

軟件設計[13]流程如圖4所示,主要包括主程序(參數功能設定程序),預熱電流程序,負高壓小焦點程序,負高壓大焦點程序,訓機小焦點程序,訓機大焦點程序,監控程序,負高壓PID程序,小焦點PID程序,大焦點PID程序,關高壓程序,保護程序,計時計次程序,觸摸屏程序。首先系統初始化,使電源輸出強制為0,保護儀器和人員安全;同時觸摸屏計算關機天數,當天數大于指定天數時,X光機只能進行訓機,提高X光管的真空度,以保證整套設備工作穩定[14]。訓機程序結束后根據用戶的需要選擇不同工作方式,然后開啟程序運行模式:首先進行預熱電流程序,即對燈絲供電電流進行采樣,控制高壓延時啟動,防止加冷高壓對X射線管造成損傷,當預熱電流達到預設值后啟動燈絲高壓程序,在輸出端串聯采樣電阻對采樣信號進行采樣,采樣的電壓值經光耦隔離器后反饋入PLC與設定的電壓值進行比較,利用燈絲PID程序、高壓PID程序通過PID算法來實現閉環穩壓和穩流控制。當反饋信號或輸出信號出現異常時,立即啟動保護程序,使各路DA輸出強制變為“0”,達到X光機系統過電流,過電壓保護功能[15]。最后可用U盤將數據或報警信息從觸摸屏導出用以保存數據、數據比對、分析數據、數據備份等功能。

4 實驗數據分析

4.1 閉環測試

閉環測試的目的:對設計的PLC智能控制系統的可調性、穩壓性,穩流性進行檢測。檢測方法:利用觸摸屏選擇不同的電壓電流值,同時在電路中在采樣電阻端并聯電壓表,記錄表頭數值,轉換成高壓和束流值,并計算相對誤差值。數據如表1、表2所示。

圖4 系統流程圖Fig.4 System flow chart

序號高壓設定/V屏顯負高壓/kV轉換負高壓/kV相對誤差/%18079.5～80.479.4～80.40.8～0.52120119.6～120.3119.4～120.50.4～0.53150149.4～150.5149.5～150.70.4～0.54240239.5～240.6239.3～240.50.2～0.35270269.5～270.4269.6～270.60.1～0.36300299.6～300.4299.4～300.60.2～0.3

表2 電流閉環測試結果Tab.2 Current closed loop test result

經過計算,最大相對誤差小于2%,閉環模擬仿真測試結果表明控制系統穩定,可以達到設計預期目的。

4.2 實際測量

將此控制系統與實際電路相連接,記錄數據如表3,表4所示。由表3,表4數據分析可知,該X射線管工作電源的控制系統工作穩定,能夠達到管電壓范圍0～300 kV連續可調,管電流范圍0～3 mA或0～10 mA連續可調,紋波系數<3%,電源效率高于72%。能夠證明控制系統穩定,可以達到預期目的。

表3 負高壓+小焦點電流Tab.3 Negative high voltage+small focus point current

表4 負高壓+大焦點電流Tab.4 Negative high voltage+big focus point current

5 總 結

所述PLC控制X光機電源控制系統的設計方案,采用全數字化控制,結合外圍硬件電路和設備檢測電路實現對X光機燈絲電源及高壓電源的閉環實時控制,能夠達到管電壓0～300 kV連續可調,X射線管管電流0～3 mA或0～10 mA連續可調等目標。通過對實驗運行情況及實驗數據的分析可知,該控制系統具有操作簡便,工作穩定,精度高,集成化程度高等優點符合X光機目前的發展趨勢----智能化、高頻化、小型化、數字化、具有一定的應用和商業價值。

參考文獻:

[1]吳占友. X射線管用140 kV高壓直流電源的設計[D]. 大連:大連理工大學, 2008.

[2]杜昆. 基于DSP的X光機智能控制系統[D]. 淮南:安徽理工大學, 2009.

[3]錢偉康,董浩,石公含,等. 醫用X光機高壓電源的設計與研究[J]. 測控技術, 2015,34(12):134-137.

[4]賈振宇. X光機電源設計與研究[D]. 北京:北京交通大學, 2009.

[5]雷宇,冉漢政,曾清. 一種新型X射線發生器電源設計[J]. 太赫茲科學與電子信息學報, 2016,14(2):311-317.

[6]付春洋. CT系統X射線管用高壓發生器的設計[D]. 北京:北京工業大學, 2016.

[7]鄧玉福,李彥偉,孟德川,等. 基于DSP的X光機控制系統研究[J]. 遼寧師范大學學報(自然科學版), 2017,40(2):187-191.

[8]JUHA K,TIMO K,JAN W,et al. Assessment of effective radiation dose of an extremity CBCT,MSCT and conventional X-ray for knee area using MOSFET dosemeters[J]. Radiat Protection Dosimetry, 2013,157(4):515-524.

[9]林杰,姜學東. 基于DSP的高頻高壓電源控制系統設計[J]. 機械電子, 2009,27(2):56-58.

[10]毛曉慧,陳羽紅,王明紅,等. 基于PLC和PROFIBUS-DP的高壓電源控制系統[J]. 機電工程技術, 2006,35(4):38-40.

[11]廖常初. S7-200 SMART PLC編程及應用[M]. 北京:機械出版社, 2015.

[12]吳麗娟,侯博鋒,孟德川,等. 中子管離子源2 kV高壓脈沖電源的研制[J]. 沈陽師范大學學報(自然科學版), 2017,35(3):339-343.

[13]李尚炎. 基于MCGS觸摸屏與S7-200 Smart PLC的硬脂酸加工材料的生產自動化控制系統[D]. 武漢:武漢輕工業大學, 2015.

[14]JANY B R,KROK F,JANAS A. Retrieving the quantitative chemical information at nanoscale from scanning electron microscope energy dispersive X-ray measurements by machine learning[J]. Nano Lett, 2017,17(11):6520-6525.

[15]PAN X B,OU-YANG W B,PANG K J,et al. Percutaneous closure of atrial septal defects under transthoracic echocardiography guidance without fluoroscopy or intubation in children[J]. Interv Cardiol, 2015, 28:390-395.

[16]李江全. 組態控制技術實訓教程[M]. 北京:機械工業出版社, 2016.