無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)DR柔性檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：DR成像是一種直接將X射線轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像的成像方式。該檢測(cè)方式具有準(zhǔn)確度高、透視性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其系統(tǒng)復(fù)雜、效率低等不足，這限制了DR成像檢測(cè)的應(yīng)用。在一種多級(jí)升降機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)dr檢測(cè)裝置的遠(yuǎn)距離控制，完成了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制軟件的開發(fā)與調(diào)試工作，將研制成功的DR檢測(cè)裝置應(yīng)用于電力變電站設(shè)備的檢測(cè)中，使操控人可以遠(yuǎn)離輻射源，并可以對(duì)成像裝置進(jìn)行連續(xù)操控，提高了DR成像裝置的工作效率。

關(guān)鍵詞：DR檢測(cè)；無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)；升降機(jī)構(gòu)；X射線

1引言

DR（DirectDigitalRadiography）是一種直接將X射線轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像的成像方式[1]，其作為一種先進(jìn)的在線檢測(cè)技術(shù)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，透視性能好，曝光要求低，效率高等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為X射線成像技術(shù)的主要發(fā)展方向。我國(guó)DR成像設(shè)備主要以進(jìn)口為主[2-5]，隨著DR成像檢測(cè)得到普遍的認(rèn)可，相關(guān)工程人員針對(duì)DR成像研制了相關(guān)檢測(cè)裝置。文獻(xiàn)[6]利用DR成像設(shè)計(jì)了一種物品檢查系統(tǒng)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到物品到達(dá)檢測(cè)位置后，觸發(fā)DR裝置進(jìn)行成像實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的檢查，這一系統(tǒng)可以顯著提高危險(xiǎn)品檢查的準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[7]則將DR應(yīng)用于電力器材內(nèi)部材質(zhì)的識(shí)別當(dāng)中，在檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)不同材質(zhì)對(duì)射線不同衰減特性，通過(guò)對(duì)DR成像的灰度值差異比較實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器內(nèi)部器件材質(zhì)的檢測(cè)，這種檢測(cè)方法具有方便快捷、效率高等優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的DR成像設(shè)備單個(gè)體積大、質(zhì)量重，系統(tǒng)復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，便攜性，安全性都不太理想，沒(méi)有配備遠(yuǎn)程控制和可視化檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)X射線機(jī)及DR成像板的固定位置不理想時(shí)，檢修人員調(diào)整X射線機(jī)角度困難，這造成檢測(cè)效率低下，輔助操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。文獻(xiàn)[8]針對(duì)DR成像設(shè)備存在的不足，基于無(wú)線Wi-Fi設(shè)計(jì)了一種便攜式DR成像設(shè)備，使成像間隔時(shí)間由以前的20min以上縮短為5min以內(nèi)，但受限于Wi-Fi信號(hào)，該裝置只能應(yīng)用于醫(yī)院等電磁環(huán)境較為單一的場(chǎng)合。通過(guò)利用西門子無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)DR檢測(cè)裝置的遠(yuǎn)距離控制，使操控人員可以遠(yuǎn)離輻射源，并可以對(duì)成像裝置進(jìn)行連續(xù)操控，提高了DR成像裝置的工作效率。

2DR成像柔性檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)分析

2.1DR成像柔性檢測(cè)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

DR成像柔性檢測(cè)裝置的基本原理，如圖1所示。X射線機(jī)發(fā)射X光照射在被檢測(cè)工件上，在被檢測(cè)工件的另一側(cè)放置DR成像板，X射線透過(guò)檢測(cè)工件，照射到DR成像板，非晶硅的數(shù)字成像板，可以將X射線直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，形成數(shù)字圖像并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中。為了實(shí)現(xiàn)該檢測(cè)裝置能夠?qū)Ρ粰z測(cè)工件的不同位置進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，滿足柔性檢測(cè)的功能要求，X射線機(jī)和DR成像板分別通過(guò)云臺(tái)安裝在升降機(jī)構(gòu)上，云臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)X射線機(jī)和DR成像板的轉(zhuǎn)動(dòng)，升降機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)X射線機(jī)和DR成像板的垂直方向運(yùn)動(dòng)，以此達(dá)到柔性檢測(cè)的要求。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)DR成像裝置的動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，需要設(shè)計(jì)一種升降機(jī)構(gòu)，使X光發(fā)射機(jī)與DR成像板可以根據(jù)檢測(cè)位置的要求進(jìn)行位置的調(diào)整。由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，升降機(jī)構(gòu)應(yīng)在較小的結(jié)構(gòu)體積條件下實(shí)現(xiàn)較大范圍的垂直移動(dòng)距離，因此采用多級(jí)升降桿的方案。由于升降桿空間較小，如何實(shí)現(xiàn)多級(jí)的傳動(dòng)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。在本升降機(jī)構(gòu)中利用動(dòng)滑輪的傳動(dòng)原理，如圖2所示。動(dòng)滑輪安裝于第一級(jí)升降機(jī)構(gòu)上，繩索的一端固定于機(jī)架，另外一端固定于第二級(jí)機(jī)構(gòu)上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)第一級(jí)機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，繩索會(huì)帶動(dòng)第二級(jí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)動(dòng)滑輪的運(yùn)動(dòng)原理，第二級(jí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度是第一級(jí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的2倍。以此類推，可實(shí)現(xiàn)狹小空間內(nèi)的多級(jí)傳動(dòng)。根據(jù)以上所述的傳動(dòng)原理，設(shè)計(jì)的DR柔性成像裝置升降機(jī)構(gòu)，如圖3所示。圖像采集模塊設(shè)置于所述云臺(tái)上，信號(hào)端連接控制模塊，用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控；驅(qū)動(dòng)裝置包括減速箱和伺服電機(jī)，減速箱輸出端連接升降裝置，輸入端和伺服電機(jī)輸出連接，伺服電機(jī)輸入端和可編程控制器連接；升降裝置包括絲桿，絲桿一端連接驅(qū)動(dòng)裝置，所述絲桿下部設(shè)置有卡槽，第一套桿固定于卡槽，可隨絲桿上下移動(dòng)；所述絲桿在卡槽上部還設(shè)置有固定裝置，第二套設(shè)置與固定裝置上，可隨絲桿上下移動(dòng)；第三套桿設(shè)置在第二套桿上，第四套桿設(shè)置在第三套桿上；所述第二套桿下部設(shè)置第一滑輪，第一鋼絲繩一端連接第一套桿，通過(guò)第一滑輪一端連接第三套桿；所述第三套桿下部設(shè)置第二滑輪，第二鋼絲繩一端連接第三套桿，通過(guò)第二滑輪另一端連接第四套桿；所述第二套桿上部設(shè)置第三滑輪，第三鋼絲繩一端連接第一套桿，通過(guò)第三滑輪另一端連接第三套桿；所述第三套桿上部設(shè)置第四滑輪，第四鋼絲繩一端連接第二套桿，通過(guò)第四滑輪另一端連接第四套桿。

2.2DR成像柔性檢測(cè)裝置工作原理

該裝置采用了剛性傳動(dòng)（即絲桿傳動(dòng)）與柔性傳動(dòng)（即鋼絲繩傳動(dòng)）相結(jié)合的傳動(dòng)方式，使得在較小的空間下實(shí)現(xiàn)了多級(jí)升降桿的傳動(dòng)，與傳統(tǒng)的套裝傳動(dòng)不同，該傳動(dòng)方式具有成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)同步傳動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。該裝置在工作過(guò)程中，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)整到一個(gè)適當(dāng)?shù)乃俣?。在伸桿過(guò)程中，由絲桿副推動(dòng)第二套桿伸出，再由第二套桿分別牽引第一鋼絲繩和第三鋼絲繩通過(guò)第一滑輪和第三滑輪將第三套桿拽出，然后由第三套桿分別牽引第二鋼絲繩和第四鋼絲繩通過(guò)第二滑輪和第四滑輪，將第四套桿拽出。在縮桿過(guò)程中，由絲桿副牽引第二套桿縮回，再由第二套桿分別牽引第一鋼絲繩和第三鋼絲繩通過(guò)第一滑輪和第三滑輪將第三套桿拉回，然后由第三套桿分別牽引第二鋼絲繩和第四鋼絲繩通過(guò)第二滑輪和第四滑輪將第四套桿拉回。其后還可以繼續(xù)增加傳動(dòng)級(jí)，每一級(jí)依次都是這種傳動(dòng)方式。

3升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DR成像柔性檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)主要分為遠(yuǎn)程端和本地端兩部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)，如圖4所示。本地端主要完成對(duì)升降機(jī)構(gòu)和云臺(tái)的控制，遠(yuǎn)程端主要提供操作界面與視頻監(jiān)控。本地端與遠(yuǎn)程端分別安裝有無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊W788-1PRO實(shí)現(xiàn)兩者的相互通信。本地端以西門子S7-1200PLC作為核心，將無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊W788-1PRO與S7-1200PLC相連，在DR成像柔性檢測(cè)裝置中，升降機(jī)構(gòu)和成像板云臺(tái)都需要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在這里選用兩臺(tái)750W西門子V80伺服電機(jī)分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，與該型伺服電機(jī)相配的驅(qū)動(dòng)器與S7-1200PLC相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)升降機(jī)構(gòu)和云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制。此外在本地端安裝有監(jiān)控?cái)z像頭，與無(wú)線模塊連接，可以為遠(yuǎn)程端提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)畫面，便于操控人員觀察現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。遠(yuǎn)程端也配有無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊W788-1PRO，通過(guò)移動(dòng)面板MP277IWLAN為操作人員提供控制界面，移動(dòng)面板與通信模塊可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，使操作人員在遠(yuǎn)程端可以將相關(guān)指令發(fā)送到本地端，實(shí)現(xiàn)的云臺(tái)和DR成像板的控制。遠(yuǎn)程端無(wú)線模塊還連接了視頻顯示器，可以將本地端的監(jiān)控畫面顯示給操作人員。

3.2控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DR成像柔性檢測(cè)裝置的控制核心為S7-1200PLC，其控制軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。對(duì)應(yīng)DR成像柔性檢測(cè)裝置的主要功能，在控制軟件中主要包含云臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制模塊、升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制模塊以及X射線成像控制模塊。為了保障控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中完成通信自檢和硬件設(shè)備自檢，當(dāng)通信檢測(cè)和硬件檢測(cè)正常之后，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式，當(dāng)相應(yīng)的控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信模塊傳輸?shù)絊7-1200PLC后，系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)控制子程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制。研制的DR柔性檢測(cè)裝置，如圖6（a）、圖6（b）所示。將研制成功的DR檢測(cè)裝置應(yīng)用在電力變電站變壓器故障檢測(cè)中，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，如圖6（c）所示。在變電站強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，將DR檢測(cè)裝置放置于室內(nèi)，操作人員在室外進(jìn)行操作，觸摸屏與升降機(jī)構(gòu)在相隔一道墻的情況下，直線距離為41米，操作員可以可靠的對(duì)DR檢測(cè)裝置進(jìn)行相關(guān)操作，有效避免了X射線對(duì)操作人員的輻射。在檢測(cè)過(guò)程中升降機(jī)構(gòu)的最低一級(jí)套桿的運(yùn)行速度約為50mm/s，整個(gè)升降機(jī)構(gòu)的550mm，在檢測(cè)過(guò)程中DR檢測(cè)裝置可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)部位的X光成像。

4結(jié)論

在分析了DR成像柔性檢測(cè)裝置的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了基于無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證該系統(tǒng)滿足DR成像柔性檢測(cè)裝置的控制要求，利用該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DR成像檢測(cè)的遠(yuǎn)距離控制，提高了檢測(cè)效率，有效避免了對(duì)操作人員的輻射。主要結(jié)論如下：（1）通過(guò)設(shè)計(jì)了一種多級(jí)升降機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)利用動(dòng)滑輪傳動(dòng)原理，在較小的空間中實(shí)現(xiàn)了較大的升降距離。（2）基于無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行了DR柔性檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)開發(fā)，完成了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制軟件的開發(fā)工作。（3）將研制成功的DR柔性檢測(cè)裝置應(yīng)用于變電站設(shè)備的檢測(cè)，驗(yàn)證了相關(guān)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。

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作者：鐘飛 黃炎 劉國(guó)特 梁華軒 單位：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院