雙模式射線融合成像控制系統的設計與驗證

王 方，師雪艷，任煥文，宋 婧，*，王 文，宋 勇，鳳麟核團隊

（1.中國科學院合肥物質科學研究院，合肥 230031；2.中國科學技術大學，合肥 230026；3.中科超睿（青島）技術有限公司，青島 266041；4.中子科學國際研究院，青島 266199）

無損檢測技術是保證設備可靠性，提高產品質量的重要技術手段，但針對工業檢測領域越來越復雜的檢測對象，單一檢測手段難以得到全面信息，很難滿足檢測需求。因此，本文采用雙模式融合成像，即將兩種不同檢測手段結合起來，利用不同檢測技術相互補償各自的缺陷，如利用超聲與X射線融合成像檢測復合材料缺陷［1，2］，利用不同電壓/能量的X射線融合成像以提高檢測精度［3，4］，利用中子與X/γ射線融合成像檢測放射性部件、渦輪葉片、電池、機場集裝箱貨物等［5-7］。雙模式融合成像可以獲得被檢品更為全面的信息，提高被檢品的檢測準確率，降低誤報率［8，9］。在核行業領域，該技術可以用來檢測核燃料棒內部缺陷及尺寸，確保核燃料元件和壓力容器的焊接質量，檢測放射性管道的腐蝕情況等［10，11］；此外，在航天航空設備精密機械、動力電池、考古等其他領域也存在廣闊的發展前景。

基于兩種不同的射線成像裝置，本文設計研制一種用于雙模式射線融合成像的高精度控制系統。該系統可實現雙向數據通信，具有高精度定位、實時監測、自動控制、信息查詢、友好的人機交互等功能，且系統穩定可靠，易于操作。

1 控制系統需求

本文設計一套雙模式射線融合成像的高精度自動控制系統，為了確保所設計的融合成像控制系統定位精度高、通信可靠性和抗干擾能力強、易用性好，我們對其提出了以下要求：（1）由于定位精度直接決定了雙模式射線融合成像的質量，因此本設計對同一被檢品放置在2臺射線成像裝置的相對檢測位置誤差提出了較高要求，要求重復定位精度≤±0.08 mm；（2）實現對各設備參數的遠程監控與實時調整，實現各子系統的協同運行與聯鎖控制，保證通信可靠穩定；（3）對電磁干擾等復雜工作環境具有良好的適應能力；（4）設計可視化、人機友好的操作界面。

2 控制系統硬件架構

目前市面上小負載（0~30 kg）工業機器人可實現±0.05~0.08 mm的重復定位精度［12］，因此為滿足系統的重復定位精度需求，我們選用高精度工業機器人與激光測距儀的組合進行閉環自調節控制，通過激光測距的反饋數值對機器人的定位位置進行校正，以實現被檢品的高精度重復定位。

本文設計的融合成像控制系統主要由西門子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、高精度工業機器人、伺服電機及安全聯鎖系統等組成。由于各儀器間接口和通信協議并不統一，我們需采用多通信接口、多通信協議組成的系統。為了加強通信穩定性，增強系統可擴展性，我們選擇USB網卡轉換器將設備的USB串口轉換為RJ45通信接口，再與其他設備一同通過管理型工業交換機與總控PLC相連。總控PLC支持以上通信協議，集成各子系統的數據通信，完成裝置的整體工藝與安全邏輯控制。控制系統硬件結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of control system

融合成像控制系統采用分布式控制系統網絡架構以實現對設備的分散控制、集中管理。所有的控制設備和現場設備通過內部網絡相互連接，以防止計算機病毒或網絡外的其他破壞性入侵，保障融合成像控制系統的運行不受外部因素影響。如圖2所示，控制系統網絡架構由監控級、控制級、現場級三級組成。現場級主要由現場各監控設備組成，以實現對各子模塊的獨立控制，采集各子模塊的反饋信號，確保各子模塊獨立工作正常。控制級主要由可實現多通信功能的高安全性的西門子1500系列PLC組成，并通過管理型工業交換機與現場級設備相連，提高控制系統的抗干擾性能，減少通信故障。我們將控制系統的控制設備安裝至屏蔽機柜中，控制器與數據采集模塊之間設置隔離模塊，采用光纖通信，提高控制系統在信號處理、數據采集、數據傳輸中的抗電磁干擾能力，提高測控數據的安全性。此外，現場裝有觸控一體機，通過其上運行的控制軟件，可實現現場控制。監控級由放在遠離現場的遠程工作站組成。遠程工作站裝有運行控制程序的計算機，通過光纖轉換器與控制器進行通信，以獲取操作數據并存儲報警信息。

圖2 控制系統網絡架構Fig.2 Network architecture of control system

3 控制邏輯設計

融合成像控制系統可以實現隨機被檢品的定位、抓取及準確輸送到成像位置，并保證整個移動過程中被檢品的安全性和重復定位精度。融合成像控制系統的大致操作流程如圖3所示，首先確認安全聯鎖狀態是否正常；其次射線成像裝置1開機并降溫至運行要求，射線成像裝置2開機自檢并開啟冷卻設備，待其油冷機流量滿足條件；最后伺服電機將成像設備移動至最佳成像位置，成像準備工作完成。正式成像時，機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檢測位置，被檢品到位后根據激光測距的反饋進行位置校正，然后進行射線成像裝置1成像。待射線成像裝置1拍照完成后，機器人將被檢品移動至射線成像裝置2檢測位置，同樣進行位置校正，之后進行射線成像裝置2成像。待射線成像裝置2拍照完成后，機器人抓取被檢品放回被檢品架，由自研的成像軟件進行融合成像。

圖3 控制系統控制流程Fig.3 Diagram of control system

4 控制系統軟件設計

我們利用SIMATIC WinCC（Windows Control Center）組態軟件進行控制系統軟件設計，設計了相應的子控制模塊用于對各設備進行獨立控制與測試，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、伺服電機控制模塊、工業機器人控制模塊、安全聯鎖監控模塊、報警信息及存儲模塊等。當控制軟件運行時，它通過主程序完成對子控制模塊的調用，實現對設備的并行控制，提高系統的易用性。控制軟件框架結構如圖4所示。

圖4 控制軟件結構圖Fig.4 Soft diagram of control system

各子模塊的詳細功能如表1所示。

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

我們在WinCC平臺上開發了控制軟件計算機操作界面程序，其生成的控制系統主界面如圖5所示。為使操作界面直觀可視易操作，我們在主界面僅保留一些核心操作按鍵與顯示，將各子模塊的詳細內容折疊放在界面下方，視需要查看具體的操作處理過程，并添加了防止非操作人員誤觸的保護措施。

圖5 控制系統操作界面Fig.5 Interface of control system

5 實驗設計與分析

基于上述雙模式射線融合成像控制系統的軟硬件設計方案，我們搭建了如圖6所示的雙模式射線融合成像控制系統實驗平臺。該實驗平臺包括現場控制和遠程控制兩部分，通過光纖進行遠程數據傳輸。控制PLC與各子系統的控制器集成安裝在控制柜中，控制柜上裝有觸控一體機。我們通過WinCC上位機對實驗平臺進行遠程監視與控制。

圖6 實驗平臺示意圖Fig.6 Schematic diagram of the experimental platform

工作人員利用該實驗平臺開展了上千次的成像測試。對控制系統整體性能的測試結果表明，本文設計的融合成像控制系統工作穩定可靠、定位精度高、操作簡單易用。

為了檢驗控制系統的重復定位精度，我們使用控制軟件操作機器人多次運送被檢品分別至射線成像裝置1檢測位置和射線成像裝置2檢測位置，并記錄相應反饋的三維坐標值，隨機抽取9組數據如表2所示。2臺射線成像裝置的相對檢測位置誤差如表3所示。

表2 檢測位置定位結果Table 2 Results of detection location

表3 2臺射線成像裝置的相對檢測位置誤差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檢測位置的重復定位精度為-0.04~+0.05 mm；（2）射線成像裝置2檢測位置的重復定位精度為±0.05 mm；（3）射線成像裝置2檢測位置與射線成像裝置1檢測位置間的重復定位精度為±0.06 mm，定位精度≤±0.08 mm，達到了工業應用要求的高精度定位水平。

6 結論

本文結合兩種不同的射線成像裝置融合成像的控制需求，設計并實現了融合成像控制系統。該系統能夠實現隨機被檢品的雙模式射線融合成像檢測，滿足工業定位精度和成像需求，確保后續的射線圖像融合處理效果。本文建立了分散控制、集中管理的三級控制系統網絡架構，提高系統的通信穩定性，并采取了一系列措施來解決強電磁復雜惡劣環境對系統的干擾問題。我們開發了一個友好的可視化操作界面，提高操作易用性。測試結果表明，系統長時間運行穩定，數據采集精準，控制指令響應迅速，被檢品定位快速精確，操作界面簡潔大方、易于使用，很好地滿足了雙模式射線融合成像控制系統的設計要求。未來還可利用神經網絡和模糊算法等實現故障自診斷、操作異常自處理，進一步提升系統的智能化程度。

致謝：本文的工作基于鳳麟核集團中科超睿（青島）技術有限公司提供的射線成像裝置及多模式成像專業實驗室條件進行了文中所述控制系統的設計研究與測試，并得到了鳳麟核團隊成員的技術支持，在此表示感謝。