双模式射线融合成像控制系统的设计与验证

王 方，师雪艳，任焕文，宋 婧，*，王 文，宋 勇，凤麟核团队

（1.中国科学院合肥物质科学研究院，合肥 230031；2.中国科学技术大学，合肥 230026；3.中科超睿（青岛）技术有限公司，青岛 266041；4.中子科学国际研究院，青岛 266199）

无损检测技术是保证设备可靠性，提高产品质量的重要技术手段，但针对工业检测领域越来越复杂的检测对象，单一检测手段难以得到全面信息，很难满足检测需求。因此，本文采用双模式融合成像，即将两种不同检测手段结合起来，利用不同检测技术相互补偿各自的缺陷，如利用超声与X射线融合成像检测复合材料缺陷［1，2］，利用不同电压/能量的X射线融合成像以提高检测精度［3，4］，利用中子与X/γ射线融合成像检测放射性部件、涡轮叶片、电池、机场集装箱货物等［5-7］。双模式融合成像可以获得被检品更为全面的信息，提高被检品的检测准确率，降低误报率［8，9］。在核行业领域，该技术可以用来检测核燃料棒内部缺陷及尺寸，确保核燃料元件和压力容器的焊接质量，检测放射性管道的腐蚀情况等［10，11］；此外，在航天航空设备精密机械、动力电池、考古等其他领域也存在广阔的发展前景。

基于两种不同的射线成像装置，本文设计研制一种用于双模式射线融合成像的高精度控制系统。该系统可实现双向数据通信，具有高精度定位、实时监测、自动控制、信息查询、友好的人机交互等功能，且系统稳定可靠，易于操作。

1 控制系统需求

本文设计一套双模式射线融合成像的高精度自动控制系统，为了确保所设计的融合成像控制系统定位精度高、通信可靠性和抗干扰能力强、易用性好，我们对其提出了以下要求：（1）由于定位精度直接决定了双模式射线融合成像的质量，因此本设计对同一被检品放置在2台射线成像装置的相对检测位置误差提出了较高要求，要求重复定位精度≤±0.08 mm；（2）实现对各设备参数的远程监控与实时调整，实现各子系统的协同运行与联锁控制，保证通信可靠稳定；（3）对电磁干扰等复杂工作环境具有良好的适应能力；（4）设计可视化、人机友好的操作界面。

2 控制系统硬件架构

目前市面上小负载（0~30 kg）工业机器人可实现±0.05~0.08 mm的重复定位精度［12］，因此为满足系统的重复定位精度需求，我们选用高精度工业机器人与激光测距仪的组合进行闭环自调节控制，通过激光测距的反馈数值对机器人的定位位置进行校正，以实现被检品的高精度重复定位。

本文设计的融合成像控制系统主要由西门子1500系列PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）、射线成像装置1、射线成像装置2、高精度工业机器人、伺服电机及安全联锁系统等组成。由于各仪器间接口和通信协议并不统一，我们需采用多通信接口、多通信协议组成的系统。为了加强通信稳定性，增强系统可扩展性，我们选择USB网卡转换器将设备的USB串口转换为RJ45通信接口，再与其他设备一同通过管理型工业交换机与总控PLC相连。总控PLC支持以上通信协议，集成各子系统的数据通信，完成装置的整体工艺与安全逻辑控制。控制系统硬件结构图如图1所示。

图1 控制系统硬件框图Fig.1 Hardware diagram of control system

融合成像控制系统采用分布式控制系统网络架构以实现对设备的分散控制、集中管理。所有的控制设备和现场设备通过内部网络相互连接，以防止计算机病毒或网络外的其他破坏性入侵，保障融合成像控制系统的运行不受外部因素影响。如图2所示，控制系统网络架构由监控级、控制级、现场级三级组成。现场级主要由现场各监控设备组成，以实现对各子模块的独立控制，采集各子模块的反馈信号，确保各子模块独立工作正常。控制级主要由可实现多通信功能的高安全性的西门子1500系列PLC组成，并通过管理型工业交换机与现场级设备相连，提高控制系统的抗干扰性能，减少通信故障。我们将控制系统的控制设备安装至屏蔽机柜中，控制器与数据采集模块之间设置隔离模块，采用光纤通信，提高控制系统在信号处理、数据采集、数据传输中的抗电磁干扰能力，提高测控数据的安全性。此外，现场装有触控一体机，通过其上运行的控制软件，可实现现场控制。监控级由放在远离现场的远程工作站组成。远程工作站装有运行控制程序的计算机，通过光纤转换器与控制器进行通信，以获取操作数据并存储报警信息。

图2 控制系统网络架构Fig.2 Network architecture of control system

3 控制逻辑设计

融合成像控制系统可以实现随机被检品的定位、抓取及准确输送到成像位置，并保证整个移动过程中被检品的安全性和重复定位精度。融合成像控制系统的大致操作流程如图3所示，首先确认安全联锁状态是否正常；其次射线成像装置1开机并降温至运行要求，射线成像装置2开机自检并开启冷却设备，待其油冷机流量满足条件；最后伺服电机将成像设备移动至最佳成像位置，成像准备工作完成。正式成像时，机器人从被检品架上抓取被检品并将其输送至射线成像装置1检测位置，被检品到位后根据激光测距的反馈进行位置校正，然后进行射线成像装置1成像。待射线成像装置1拍照完成后，机器人将被检品移动至射线成像装置2检测位置，同样进行位置校正，之后进行射线成像装置2成像。待射线成像装置2拍照完成后，机器人抓取被检品放回被检品架，由自研的成像软件进行融合成像。

图3 控制系统控制流程Fig.3 Diagram of control system

4 控制系统软件设计

我们利用SIMATIC WinCC（Windows Control Center）组态软件进行控制系统软件设计，设计了相应的子控制模块用于对各设备进行独立控制与测试，包括电源控制模块、射线成像装置1控制模块、射线成像装置2控制模块、伺服电机控制模块、工业机器人控制模块、安全联锁监控模块、报警信息及存储模块等。当控制软件运行时，它通过主程序完成对子控制模块的调用，实现对设备的并行控制，提高系统的易用性。控制软件框架结构如图4所示。

图4 控制软件结构图Fig.4 Soft diagram of control system

各子模块的详细功能如表1所示。

表1 控制模块主要功能Table 1 Main functions of the control module

我们在WinCC平台上开发了控制软件计算机操作界面程序，其生成的控制系统主界面如图5所示。为使操作界面直观可视易操作，我们在主界面仅保留一些核心操作按键与显示，将各子模块的详细内容折叠放在界面下方，视需要查看具体的操作处理过程，并添加了防止非操作人员误触的保护措施。

图5 控制系统操作界面Fig.5 Interface of control system

5 实验设计与分析

基于上述双模式射线融合成像控制系统的软硬件设计方案，我们搭建了如图6所示的双模式射线融合成像控制系统实验平台。该实验平台包括现场控制和远程控制两部分，通过光纤进行远程数据传输。控制PLC与各子系统的控制器集成安装在控制柜中，控制柜上装有触控一体机。我们通过WinCC上位机对实验平台进行远程监视与控制。

图6 实验平台示意图Fig.6 Schematic diagram of the experimental platform

工作人员利用该实验平台开展了上千次的成像测试。对控制系统整体性能的测试结果表明，本文设计的融合成像控制系统工作稳定可靠、定位精度高、操作简单易用。

为了检验控制系统的重复定位精度，我们使用控制软件操作机器人多次运送被检品分别至射线成像装置1检测位置和射线成像装置2检测位置，并记录相应反馈的三维坐标值，随机抽取9组数据如表2所示。2台射线成像装置的相对检测位置误差如表3所示。

表2 检测位置定位结果Table 2 Results of detection location

表3 2台射线成像装置的相对检测位置误差Table 3 Relative detection position error for two radiographic imaging equipment

由表2和表3可知：（1）射线成像装置1检测位置的重复定位精度为-0.04~+0.05 mm；（2）射线成像装置2检测位置的重复定位精度为±0.05 mm；（3）射线成像装置2检测位置与射线成像装置1检测位置间的重复定位精度为±0.06 mm，定位精度≤±0.08 mm，达到了工业应用要求的高精度定位水平。

6 结论

本文结合两种不同的射线成像装置融合成像的控制需求，设计并实现了融合成像控制系统。该系统能够实现随机被检品的双模式射线融合成像检测，满足工业定位精度和成像需求，确保后续的射线图像融合处理效果。本文建立了分散控制、集中管理的三级控制系统网络架构，提高系统的通信稳定性，并采取了一系列措施来解决强电磁复杂恶劣环境对系统的干扰问题。我们开发了一个友好的可视化操作界面，提高操作易用性。测试结果表明，系统长时间运行稳定，数据采集精准，控制指令响应迅速，被检品定位快速精确，操作界面简洁大方、易于使用，很好地满足了双模式射线融合成像控制系统的设计要求。未来还可利用神经网络和模糊算法等实现故障自诊断、操作异常自处理，进一步提升系统的智能化程度。

致谢：本文的工作基于凤麟核集团中科超睿（青岛）技术有限公司提供的射线成像装置及多模式成像专业实验室条件进行了文中所述控制系统的设计研究与测试，并得到了凤麟核团队成员的技术支持，在此表示感谢。