基于PLC的X光机智能控制系统

邓玉福, 于彦泽, 孟德川, 李晟栋, 于桂英

(1. 沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034;2. 沈阳师范大学 辽宁省射线仪器仪表工程技术研究中心, 沈阳 110034;3. 沈阳师范大学 实验教学中心, 沈阳 110034)

0 引 言

自1895年德国物理学家伦琴发现X射线,X射线[1]已经广泛地应用在安检、军事、航空、工业检测、食品安全和医疗等众多领域。伴随着射线大规模的应用,X光机有了长足的发展,对X光机控制系统提出了更高的要求[2]。但国内的X光机控制系统结构单一,控制精度底,处理速度慢,监测手段落后,发生故障不能够自我保护。针对上述问题,对原有的X光机进行改进,提出了基于PLC的X光机智能控制系统,实现X光机的发展趋向智能化,数字化,高频化,通过PID算法完成X光机管电压(kV)、管电流(mA)的闭环控制和输出设定,使X射线机能够产生稳定的,较高质量的X射线[3]。

1 控制原理

X光机智能控制系统[4]的整体控制图如图1所示。该系统主要由高频脉冲灯丝电路和直流高压电路组成[5]。其工作原理为:高频脉冲灯丝电源加热X射线管阴极灯丝,使X光管在高温下产生足够量发射的电子,通过高压直流开关电源加在X射线管的阴阳两级使其产生强大的高压电场,使电子在强大的电场力的作用下加速去轰击靶极,使之产生X射线[6]。PLC控制X光机的工作原理为:在输出端将高压经电阻串联衰减的方式来实现对输出电压信号的采样[7]。在测量电阻电路中串联采样电阻[8],将负载的电流信号转化为电压信号来实现对输出电流信号的采样,同时用光耦隔离器将电压信号反馈入模拟量输入输出模块,经过AD转换与设定值进行比较,采用PID算法进行闭环稳压稳流控制。当反馈信号或AD输出信号出现异常时,启动保护模式,达到保护电路的目的。

2 控制系统的硬件设计

该控制系统的工作原理如图1所示,主要是以西门子CPU为核心控制区[9-10],用以控制整个系统,采用模拟量输入输出模块进行AD输入转换和DA输出转换;利用光耦隔离器保证采样与输出信号的稳定以保护控制电路和PLC[11-12];通过继电器完成两种灯丝电路之间的切换,实现X射线管小焦点和大焦点之间的工作方式的功能转换;采用触摸屏作为人机交互界面,其与PLC之间采用以太网通信,实现了系统的远程操作,既可以减少人为的操作误差,又避免了X射线对于操作人员的辐射。为了实现系统的“无人值守化”操作,通过限位开关控制X光机实验室铅门开启,保证操作人员的人身安全;通过传感器检测各电路的工作状态,保证电路的安全运行;实时反馈X射线管冷却水流的流速,防止工作温度过高烧毁X射线管;蜂鸣器与保护程序和报警程序关联,用以提醒操作人员控制系统异常,并实时记录各种报警数据,使工作人员快速做出相应判断,解决系统出现的问题。

本实验选择的X光管是双灯丝、双辐射靶面X射线管,在设计灯丝电源时可选择2种工作方式:

1) 使用1个0～60 V可调直流开关电源,并使用一个逆变板,通过继电器的切换完成2个灯丝电源的制作,通过选择不同的工作方式,完成灯丝电源的选择,从而完成X光机大小焦点的选择。

2) 使用1个0～60 V可调直流开关电源,并使用继电器完成电路切换,制作两种逆变板,完成2个灯丝电源的制作,通过选择不同的工作方式,完成灯丝电源的选择,从而完成X光机大小焦点的选择。

这2种工作的比较,如图2、图3所示。第1种方案减少1个灯丝电源的逆变板,从而减小了灯丝电源的体积和制作成本,使用2个继电器进行切换增加系统的安全性能,从而我们选择了第1种工作方式,而2种工作方式继电器在直流电部分进行切换,增加了1个逆变板,且只能用1个继电器切换电路,增加危险性,如果继电器损坏容易烧毁X光管。

图2 继电器第1种工作方式Fig.2 The first mode of operation of relay

图3 继电器第2种工作方式Fig.3 The second mode of operation of relay

3 软件设计

软件设计[13]流程如图4所示,主要包括主程序(参数功能设定程序),预热电流程序,负高压小焦点程序,负高压大焦点程序,训机小焦点程序,训机大焦点程序,监控程序,负高压PID程序,小焦点PID程序,大焦点PID程序,关高压程序,保护程序,计时计次程序,触摸屏程序。首先系统初始化,使电源输出强制为0,保护仪器和人员安全;同时触摸屏计算关机天数,当天数大于指定天数时,X光机只能进行训机,提高X光管的真空度,以保证整套设备工作稳定[14]。训机程序结束后根据用户的需要选择不同工作方式,然后开启程序运行模式:首先进行预热电流程序,即对灯丝供电电流进行采样,控制高压延时启动,防止加冷高压对X射线管造成损伤,当预热电流达到预设值后启动灯丝高压程序,在输出端串联采样电阻对采样信号进行采样,采样的电压值经光耦隔离器后反馈入PLC与设定的电压值进行比较,利用灯丝PID程序、高压PID程序通过PID算法来实现闭环稳压和稳流控制。当反馈信号或输出信号出现异常时,立即启动保护程序,使各路DA输出强制变为“0”,达到X光机系统过电流,过电压保护功能[15]。最后可用U盘将数据或报警信息从触摸屏导出用以保存数据、数据比对、分析数据、数据备份等功能。

4 实验数据分析

4.1 闭环测试

闭环测试的目的:对设计的PLC智能控制系统的可调性、稳压性,稳流性进行检测。检测方法:利用触摸屏选择不同的电压电流值,同时在电路中在采样电阻端并联电压表,记录表头数值,转换成高压和束流值,并计算相对误差值。数据如表1、表2所示。

图4 系统流程图Fig.4 System flow chart

序号高压设定/V屏显负高压/kV转换负高压/kV相对误差/%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 电流闭环测试结果Tab.2 Current closed loop test result

经过计算,最大相对误差小于2%,闭环模拟仿真测试结果表明控制系统稳定,可以达到设计预期目的。

4.2 实际测量

将此控制系统与实际电路相连接,记录数据如表3,表4所示。由表3,表4数据分析可知,该X射线管工作电源的控制系统工作稳定,能够达到管电压范围0～300 kV连续可调,管电流范围0～3 mA或0～10 mA连续可调,纹波系数<3%,电源效率高于72%。能够证明控制系统稳定,可以达到预期目的。

表3 负高压+小焦点电流Tab.3 Negative high voltage+small focus point current

表4 负高压+大焦点电流Tab.4 Negative high voltage+big focus point current

5 总 结

所述PLC控制X光机电源控制系统的设计方案,采用全数字化控制,结合外围硬件电路和设备检测电路实现对X光机灯丝电源及高压电源的闭环实时控制,能够达到管电压0～300 kV连续可调,X射线管管电流0～3 mA或0～10 mA连续可调等目标。通过对实验运行情况及实验数据的分析可知,该控制系统具有操作简便,工作稳定,精度高,集成化程度高等优点符合X光机目前的发展趋势----智能化、高频化、小型化、数字化、具有一定的应用和商业价值。

参考文献:

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