集装箱CT检测系统中控制子系统的研制

摘　要：简要介绍了集装箱CT检测系统的原理,并详细介绍了其中控制子系统的功能和结构。实际试运行结果表明该系统运行稳定、可靠。

　集装箱CT检测系统是国家“十五”科技攻关计划重点组织实施的项目,是针对我国目前的工业无损检测、反恐形势和反走私的实际需求而提出的。北京清华大学核研院在相继成功研制了⁶⁰Co集装箱检测系统和⁶⁰Co铁路货运列车检测系统之后,继续承担了这一国家重点科技攻关项目。控制子系统是⁶⁰Co集装箱CT检测系统中的重要组成部分,对保证整个检测系统的稳定、可靠运行有着重要意义。
1 集装箱CT检测系统简介
　　集装箱CT检测系统是采用断层扫描成像的方法对集装箱等大型被检客体进行无损检测的一种装置。⁶⁰Co集装箱CT检测系统主要由放射源(⁶⁰Co工业探伤机)、阵列探测器、数据采集系统(以上三部分安装在CT环形门架上)、机械系统、控制系统、数据传输系统、图像重建系统和图像显示分析系统等子系统组成。⁶⁰Co集装箱CT检测系统的在线检测状态示意图如图1所示。

图1 ⁶⁰Co集装箱CT检测系统在线检测状态示意图

　　安装了放射源和阵列探测器的CT环形门架可以在竖直平面范围内以任意角度旋转,因此⁶⁰Co集装箱CT检测系统不仅可以对被检物体的可疑区域作CT扫描,还可以对大型被检客体作任意角度的DR投影扫描。该检测系统通过计算机图像重建技术获取集装箱选定部位的断层数字图像,提高了对被检物体形状识别的能力;而且具有根据CT图像的灰度值(CT值)与物质密度相关这一特性来判别物性的功能,可以把食糖与食盐、水和油(或酒精)等按密度的差别区分开。
2 控制子系统功能
　　⁶⁰Co集装箱CT检测系统的功能结构示意图如图2所示,其中控制子系统包括安全监控系统、扫描控制系统和主控系统。安全监控系统的主要功能是安全联锁,实现对射线源的管理和射线辐射的控制,保证⁶⁰Co集装箱CT检测系统运行时的设备和人身安全。扫描控制系统的主要功能是控制机械系统的运动,实现CT环形门架的随机旋转、固定位置旋转和连续旋转功能以及平移机构的前进、后退和定位功能,保障对集装箱进行DR扫描和CT扫描的顺利完成。

图2 ⁶⁰Co集装箱CT检测系统功能结构示意图

　　⁶⁰Co集装箱CT检测系统中控制子系统的主控系统是其控制枢纽。主控系统的主要功能包括:(a)完成对集装箱的DR扫描和CT扫描的流程控制。本检测系统的扫描模式有正视投影、俯视投影、双投影、CT扫描和常规扫描(双投影加CT扫描);(b)与扫描控制系统和安全监控系统进行通讯,发送流程控制命令并接收检测系统反馈的状态信息;(c)与数据传输系统进行通讯,发送集装箱扫描模式命令和数据采集控制命令,接收数据采集系统获取的原始集装箱DR图像和CT图像,并实时显示和保存原始集装箱图像; (d)与图像重建系统进行通讯,把所获得的原始集装箱DR图像和CT图像分配给图像重建系统,分别进行刻度校正和图像重建;(e)与图像显示和分析系统进行通讯,把经过图像重建系统处理后的集装箱DR图像和CT图像分配给图像显示和分析系统,以对集装箱图像进行检查,确定所检测的集装箱中是否有可疑的违禁物品。
3 控制子系统结构
　　⁶⁰Co集装箱CT检测系统中控制子系统的组网方式为以太网和PROFIBUS现场总线相结合,主控系统、工控机与⁶⁰Co集装箱CT检测系统的其它子系统通过有线和无线局域网进行通讯,主控系统与PLC以及PLC之间通过PROFIBUS总线进行通讯。控制子系统的结构示意图如图3所示。

图3 控制子系统结构示意图

　　安全监控系统由工控机、PLC2和门禁、声光报警灯、急停按钮、快门执行机构等外围设备组成。其中,工控机和PLC2安装在CT环形门架上,工控机通过无线方式接入局域网。PLC2通过PPI接口与工控机进行通讯,完成安全联锁控制逻辑运算,并实现对射线源快门的开关控制。
　　扫描控制系统由PLC3、PLC4、变频器和各种传感器等组成。扫描控制系统安装在现场控制柜中,PLC3、PLC4与变频器之间通过PROFIBUS总线进行通讯。PLC3和PLC4完成控制机械系统的逻辑运算,并通过变频器控制CT环形门架的电机和平移机构的电机,实现CT环形门架的旋转运动和平移机构的水平运动。在CT环形门架上安装有零点定位器,每次系统上电时,CT环形门架都执行一次寻零操作,此时CT环形门架上的射线源处于零角度位置,并以此为基准保证CT环形门架旋转角度定位的准确性。在平移机构上也安装有零点定位器,系统作CT扫描检测时,集装箱平移到指定的CT检测截面位置,这个过程中要经过零点定位器,这样可以获得集装箱头部截面的位置,保证了CT检测截面位置定位的准确性。
　　主控系统安装在控制室中,由PC机和PLC1组成。PC机和PLC1通过MPI接口进行通讯。PC机作为PLC1的上位机,安装有主控软件。主控软件除作为⁶⁰Co集装箱CT检测系统的人机操作界面外,还具有保存、显示和分配集装箱图像的功能。PLC1通过PROFIBUS总线与扫描控制系统进行通讯,完成⁶⁰Co集装箱CT检测系统各种检测扫描模式控制的逻辑运算,保证检测流程的顺利完成。
　　⁶⁰Co集装箱CT检测系统的检测CT图像如图4所示。该检测系统在经过了一年的试运行之后,于2004年1月13日通过了项目验收。其中的控制子系统运行稳定、可靠,操作方便,容易维护,达到了设计要求。

图4 航空集装箱的检测CT图像