基于X射線的薄膜在線測厚系統

李福強 王美林

（廣東工業大學 廣東省廣州市 510006）

薄膜材料的使用遍及工業生產的許多行業，如各種金屬薄膜、塑料薄膜、紙張、布匹、玻璃等等。根據工作原理的不同，測厚系統中的測厚儀一般分為以下幾種，渦流傳感測厚儀、激光測厚儀、超聲波測厚儀、X 射線測厚儀等[1]。其中，因為X 射線測厚儀是一種非接觸式測厚儀，并且在測量精度、響應時間以及靈敏度方面具有巨大優勢，得到了許多薄膜生產廠家的青睞。目前很多研究機構與企業研制的測厚系統，雖然在測厚儀的測量精度、響應時間以及靈敏度方面并無太大差異，但在測厚儀與上位機的通信方式方面卻選擇了RS232、USB 以及MPI（Multipoint Interface）等[2-4]，以這些方式進行上下位機之間的通信雖然能夠降低硬件軟件的開發成本和難度，但在現今的薄膜企業生產中卻有著以下兩個缺點：

（1）這幾種通信方式的通信距離都比較短，目前我們了解到很多薄膜生產企業需要能夠將上位機部署在離薄膜生產現場較遠的控制室等地方觀察薄膜生產的具體狀況；

（2）目前很多薄膜生產企業都采用了高速薄膜生產線，生產線速度能夠達到數百米甚至數千米每分鐘，這就對整個測厚系統的厚度測量速度和通信速度提出了更高的要求，而RS232 等一些傳輸速率較低通信方式在通信速率上有可能成為系統性能的瓶頸，導致厚度測量數據丟失等不良現象。

這些缺點將會使得測厚系統無法高效的幫助薄膜生產企業進一步提高生產質量與效率。

本文設計了一套能夠實時在線測厚的X 射線測厚系統，系統采用C/S（Client/Server）結構，將系統下位機視為客戶端，上位機視為服務器，二者之間采用TCP/IP 進行網絡通信。系統下位機測厚儀以SIMATIC S7-1200 為核心控制單元，S7-1200 是一款緊湊型、模塊化的PLC[5]，可實現簡單卻高度精確的自動化任務，并擁有集成的以太網接口，能夠和上位機通過網絡進行高速通信。上位機PC 端因為是通過網絡接收下位機發送過來的實時測量數據，在理論上能夠部署在任何地方，進行測量數據的統計、存儲并實時顯示，能夠很好的幫助工作人員及時掌握薄膜生產狀況。

1 X射線測厚儀原理

X 射線測厚技術是由射線發射端發出X 射線，當射線穿過位于射線發射端和接收端之間的被測材料時，由于部分射線被被測材料吸收，接收端收到的射線強度將有所衰減，而且對于同一種材質，厚度越大，則射線的衰減越大，因此我們可以利用這個原理來檢測被測材料的厚度[6]。

假設為I0為射線發射端發出的射線強度，I 為穿過被測材料接收端檢測到的射線強度，那么它們之間有著如下關系：

式中d 為被測材料的厚度，μ 為被測材料的吸收系數，對式子兩邊取對數，可得：

當測出X 射線發射端I0強度和接收端強度I 之后，我們即可得出被測材料的厚度d。

圖1：測厚系統結構方案

2 測厚系統方案設計

如圖1 所示，X 射線測厚系統在結構上主要由以O 型架、控制機柜、厚度傳感器和上位機四部分組成。厚度傳感器被放置在帶有導軌的O 型架上，這樣我們就能夠對薄膜進行掃描式厚度測量。

測厚系統下位機以控制柜中的SIMATIC S7-1200 為核心控制單元，它主要完成四個方面的功能。

（1）與上位機和HMI 面板的通信，包括接受上位機和HMI面板的控制指令以及將測出的厚度數據上傳至上位機進行處理等等；

（2）接受HMI 面板和運動控制按鈕的指令進行測量橫頭的運動控制；

（3）通過D/A 和A/D 轉換模塊完成薄膜厚度的測量工作；

（4）通過數字IO 模塊完成與現場設備的交互，包括在厚度測量數據超出上下限值時驅動聲光報警器進行報警和采集測量橫頭運動位置信息等等。

3 系統上位機軟件設計

本測厚系統上位機軟件是在Visual Studio 2017 開發環境下開發的。為降低上位機軟件的代碼耦合性，使得軟件代碼可維護性高，軟件借鑒MVC（Model-View -Controller）模式在層次架構上分為4層：交互層、控制器層、數據模型層和數據庫層。在交互層的人機交互部分中，我們使用了界面與處理邏輯分離，能夠極大地提高開發效率的Duilib 界面庫進行交互界面開發[7]。在數據庫層，本測厚系統需要一個管理、使用和維護都比較簡單的數據庫，因此我們選擇了無需安裝和管理配置的輕型數據庫SQLite 進行系統相關數據的存儲。上位機軟件層次架構如圖3 所示。

系統上位機軟件交互層在功能上主要包括管理模塊、網絡通信模塊和數據顯示模塊。管理模塊主要完成用戶信息、薄膜品種信息和歷史報表查詢等基本任務。網絡通信模塊用于與下位機進行通信，通信內容包括發送薄膜品種信息或控制指令到下位機和接收下位機發送的厚度測量數據或薄膜品種標定數據。在網絡通信模塊收到從下位機發送的厚度測量數據之后，上位機軟件將會對數據進行統計、存儲并通過數據顯示模塊進行顯示。

當用戶界面操作與通信模塊處于同一線程時，為避免測厚系統上位機與下位機之間的通信和上位機軟件用戶界面操作響應、數據顯示刷新產生沖突導致厚度測量數據丟失或者上位機軟件用戶界面操作響應和數據顯示刷新延遲等問題，我們基于Windows IOCP(Input/Output Completion Port)設計了上位機軟件的網絡通信模塊。當厚度數據接收完成后，網絡通信模塊創建的工作線程將發出通知讓主線程進行數據顯示更新，這樣我們就避免了網絡通信處理與用戶界面邏輯處理之間的沖突。通信模塊流程圖如圖4 所示。

4 厚度數據統計與顯示

目前，許多薄膜生產企業都希望能夠從多個角度對厚度數據進行觀察分析。但是和法國SCANTECH 公司和一些國內研究機構一樣，大部分現有的測厚系統都只對實時的厚度數據進行圖形化顯示，這顯然并不能滿足當下薄膜生產企業對厚度監測軟件的需求。為方便工廠管理人員更好地觀察測厚系統測出的厚度數據，本測厚系統將對下位機實時上傳的厚度數據從六個觀察角度進行統計，并通過輪廓圖、多輪廓圖、曲線圖、趨勢圖、分布圖以及定點圖顯示各個角度的統計結果。薄膜生產企業工作人員可根據生產時的具體狀況選擇一個角度觀察生產狀況，以便在出現問題時進行相應的調整。本測厚系統厚度數據統計與顯示的方法的具體介紹如下。

圖2：下位機HMI 操作顯示面板

圖3：上位機軟件層次架構

（1）輪廓圖：輪廓圖使用直方圖顯示在測量范圍內(可通過控制柜中的HMI 操作面板設置)每個測量位置處的厚度采樣均值（每個位置采樣20 次）。單次掃描測量的厚度數據可能會有波動，因此我們提供了合成次數選項對最近若干次掃描的厚度采樣均值進行濾波操作。薄膜厚度數據輪廓圖如5 所示。

（2）多輪廓圖：多輪廓圖包含當前輪廓圖、最近輪廓圖和卷合成輪廓圖。其中當前輪廓圖顯示當前掃描測量的厚度均值數據，最近輪廓圖顯示上一次掃描的厚度數據，有了這兩幅圖我們就能夠了解當前掃描與上一次掃描的厚度測量數據差別。卷輪廓圖將對當前卷的所有掃描進行統計平均顯示，這將能夠幫助管理人員了解整卷薄膜厚度信息的整體情況。薄膜厚度數據多輪廓圖如圖6 所示。

（3）曲線圖使用兩條曲線顯示測量范圍內每個測量位置處所有厚度采樣值，曲線的顏色代表了厚度傳感器的移動方向。薄膜厚度數據曲線圖如圖7 所示。

（4）趨勢圖：為了觀察厚度測量時每次掃描的厚度數據隨時間的變化趨勢，趨勢圖在每次掃描完成后顯示本次掃描測量值中的平均值、最大值和最小值。系統用戶可選擇將每次掃描的厚度數據的平均值、最大值和最小值用曲線相連以便更好觀察薄膜生產時的厚度趨勢。薄膜厚度數據趨勢圖如圖8 所示。

圖4：通信模塊流程圖

圖5：薄膜厚度數據輪廓圖

（5）分布圖將統計并顯示每次掃描完成后的厚度測量值的數據分布狀況。分布圖中橫軸為測量位置數量，縱軸為品種標準厚度區間。薄膜厚度數據分布圖如圖9 所示。

（6）在下位機將厚度傳感器定位至某一個測量位置后，監測軟件將切換至定點圖，然后通過定點圖顯示此測量位置厚度測量值隨時間的變化情況。薄膜厚度數據定點圖如圖10 所示。

圖6：薄膜厚度數據多輪廓圖

圖7：薄膜厚度數據曲線圖

圖8：薄膜厚度數據趨勢圖

圖9：薄膜厚度數據分布圖

圖10：薄膜厚度數據定點圖

5 結束語

本測厚系統已經在佛山市天安新材料股份有限公司的PVC 薄膜生產線中試運行，而且運行狀況穩定。該公司在使用這套測厚系統之前一直是使用人工進行生產時的產品厚度檢測工作，在使用本測厚系統之后，既幫助該公司極大地提高生產質量和效率，又節省了相關的人力成本。相較于國內外的同類型產品，我們的測厚系統有著較低的價格和較好的交互性，因此可以看出該測厚系統在以后的市場中是有較大競爭力的。