無線工業(yè)以太網DR柔性檢測系統(tǒng)設計
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摘要：DR成像是一種直接將X射線轉換為數字圖像的成像方式。該檢測方式具有準確度高、透視性能好等優(yōu)點，但其系統(tǒng)復雜、效率低等不足，這限制了DR成像檢測的應用。在一種多級升降機構的基礎上，采用無線工業(yè)以太網傳輸模塊實現(xiàn)了對dr檢測裝置的遠距離控制，完成了硬件系統(tǒng)設計和控制軟件的開發(fā)與調試工作，將研制成功的DR檢測裝置應用于電力變電站設備的檢測中，使操控人可以遠離輻射源，并可以對成像裝置進行連續(xù)操控，提高了DR成像裝置的工作效率。
關鍵詞：DR檢測；無線工業(yè)以太網；升降機構；X射線
1引言
DR（DirectDigitalRadiography）是一種直接將X射線轉換為數字圖像的成像方式[1]，其作為一種先進的在線檢測技術，具有實時性強，透視性能好，曝光要求低，效率高等優(yōu)勢，已經成為X射線成像技術的主要發(fā)展方向。我國DR成像設備主要以進口為主[2-5]，隨著DR成像檢測得到普遍的認可，相關工程人員針對DR成像研制了相關檢測裝置。文獻[6]利用DR成像設計了一種物品檢查系統(tǒng)，當傳感器檢測到物品到達檢測位置后，觸發(fā)DR裝置進行成像實現(xiàn)對物品的檢查，這一系統(tǒng)可以顯著提高危險品檢查的準確率。文獻[7]則將DR應用于電力器材內部材質的識別當中，在檢測過程中，根據不同材質對射線不同衰減特性，通過對DR成像的灰度值差異比較實現(xiàn)對變壓器內部器件材質的檢測，這種檢測方法具有方便快捷、效率高等優(yōu)勢。傳統(tǒng)的DR成像設備單個體積大、質量重，系統(tǒng)復雜，時間長，便攜性，安全性都不太理想，沒有配備遠程控制和可視化檢測系統(tǒng)，當X射線機及DR成像板的固定位置不理想時，檢修人員調整X射線機角度困難，這造成檢測效率低下，輔助操作時間過長。文獻[8]針對DR成像設備存在的不足，基于無線Wi-Fi設計了一種便攜式DR成像設備，使成像間隔時間由以前的20min以上縮短為5min以內，但受限于Wi-Fi信號，該裝置只能應用于醫(yī)院等電磁環(huán)境較為單一的場合。通過利用西門子無線工業(yè)以太網傳輸模塊實現(xiàn)了對DR檢測裝置的遠距離控制，使操控人員可以遠離輻射源，并可以對成像裝置進行連續(xù)操控，提高了DR成像裝置的工作效率。
2.1DR成像柔性檢測裝置的機械結構
DR成像柔性檢測裝置的基本原理，如圖1所示。X射線機發(fā)射X光照射在被檢測工件上，在被檢測工件的另一側放置DR成像板，X射線透過檢測工件，照射到DR成像板，非晶硅的數字成像板，可以將X射線直接轉換為數字電信號，形成數字圖像并存儲在存儲裝置中。為了實現(xiàn)該檢測裝置能夠對被檢測工件的不同位置進行連續(xù)檢測，滿足柔性檢測的功能要求，X射線機和DR成像板分別通過云臺安裝在升降機構上，云臺可以實現(xiàn)X射線機和DR成像板的轉動，升降機構可以實現(xiàn)X射線機和DR成像板的垂直方向運動，以此達到柔性檢測的要求。為了實現(xiàn)對DR成像裝置的動態(tài)調整功能，需要設計一種升降機構，使X光發(fā)射機與DR成像板可以根據檢測位置的要求進行位置的調整。由于檢測現(xiàn)場的復雜性，升降機構應在較小的結構體積條件下實現(xiàn)較大范圍的垂直移動距離，因此采用多級升降桿的方案。由于升降桿空間較小，如何實現(xiàn)多級的傳動是結構設計中的關鍵。在本升降機構中利用動滑輪的傳動原理，如圖2所示。動滑輪安裝于第一級升降機構上，繩索的一端固定于機架，另外一端固定于第二級機構上，當驅動第一級機構向上運動時，繩索會帶動第二級機構運動，根據動滑輪的運動原理，第二級機構的運動速度是第一級機構運動速度的2倍。以此類推，可實現(xiàn)狹小空間內的多級傳動。根據以上所述的傳動原理，設計的DR柔性成像裝置升降機構，如圖3所示。圖像采集模塊設置于所述云臺上，信號端連接控制模塊，用于現(xiàn)場實時視頻監(jiān)控；驅動裝置包括減速箱和伺服電機，減速箱輸出端連接升降裝置，輸入端和伺服電機輸出連接，伺服電機輸入端和可編程控制器連接；升降裝置包括絲桿，絲桿一端連接驅動裝置，所述絲桿下部設置有卡槽，第一套桿固定于卡槽，可隨絲桿上下移動；所述絲桿在卡槽上部還設置有固定裝置，第二套設置與固定裝置上，可隨絲桿上下移動；第三套桿設置在第二套桿上，第四套桿設置在第三套桿上；所述第二套桿下部設置第一滑輪，第一鋼絲繩一端連接第一套桿，通過第一滑輪一端連接第三套桿；所述第三套桿下部設置第二滑輪，第二鋼絲繩一端連接第三套桿，通過第二滑輪另一端連接第四套桿；所述第二套桿上部設置第三滑輪，第三鋼絲繩一端連接第一套桿，通過第三滑輪另一端連接第三套桿；所述第三套桿上部設置第四滑輪，第四鋼絲繩一端連接第二套桿，通過第四滑輪另一端連接第四套桿。
2.2DR成像柔性檢測裝置工作原理
該裝置采用了剛性傳動（即絲桿傳動）與柔性傳動（即鋼絲繩傳動）相結合的傳動方式，使得在較小的空間下實現(xiàn)了多級升降桿的傳動，與傳統(tǒng)的套裝傳動不同，該傳動方式具有成本低，結構緊湊，可以實現(xiàn)同步傳動等優(yōu)勢。該裝置在工作過程中，由驅動電機帶動減速器轉動使轉動速度調整到一個適當的速度。在伸桿過程中，由絲桿副推動第二套桿伸出，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第二滑輪和第四滑輪，將第四套桿拽出。在縮桿過程中，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)增加傳動級，每一級依次都是這種傳動方式。
3升降機構控制系統(tǒng)設計
3.1硬件系統(tǒng)設計
DR成像柔性檢測裝置的控制系統(tǒng)主要分為遠程端和本地端兩部分組成，其硬件結構，如圖4所示。本地端主要完成對升降機構和云臺的控制，遠程端主要提供操作界面與視頻監(jiān)控。本地端與遠程端分別安裝有無線工業(yè)以太網通訊模塊W788-1PRO實現(xiàn)兩者的相互通信。本地端以西門子S7-1200PLC作為核心，將無線工業(yè)以太網通訊模塊W788-1PRO與S7-1200PLC相連，在DR成像柔性檢測裝置中，升降機構和成像板云臺都需要由電機驅動，在這里選用兩臺750W西門子V80伺服電機分別進行驅動，與該型伺服電機相配的驅動器與S7-1200PLC相連，實現(xiàn)對升降機構和云臺的運動控制。此外在本地端安裝有監(jiān)控攝像頭，與無線模塊連接，可以為遠程端提供現(xiàn)場實時畫面，便于操控人員觀察現(xiàn)場環(huán)境。遠程端也配有無線工業(yè)以太網通訊模塊W788-1PRO，通過移動面板MP277IWLAN為操作人員提供控制界面，移動面板與通信模塊可以實現(xiàn)無線連接，使操作人員在遠程端可以將相關指令發(fā)送到本地端，實現(xiàn)的云臺和DR成像板的控制。遠程端無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)設計
DR成像柔性檢測裝置的控制核心為S7-1200PLC，其控制軟件系統(tǒng)結構，如圖5所示。對應DR成像柔性檢測裝置的主要功能，在控制軟件中主要包含云臺驅動控制模塊、升降機構驅動控制模塊以及X射線成像控制模塊。為了保障控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)在啟動過程中完成通信自檢和硬件設備自檢，當通信檢測和硬件檢測正常之后，系統(tǒng)進入正常工作模式，當相應的控制系統(tǒng)通過無線通信模塊傳輸到S7-1200PLC后，系統(tǒng)調用相應控制子程序，實現(xiàn)對相應驅動機構的控制。研制的DR柔性檢測裝置，如圖6（a）、圖6（b）所示。將研制成功的DR檢測裝置應用在電力變電站變壓器故障檢測中，現(xiàn)場應用，如圖6（c）所示。在變電站強電磁干擾環(huán)境下，將DR檢測裝置放置于室內，操作人員在室外進行操作，觸摸屏與升降機構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DR檢測裝置進行相關操作，有效避免了X射線對操作人員的輻射。在檢測過程中升降機構的最低一級套桿的運行速度約為50mm/s，整個升降機構的550mm，在檢測過程中DR檢測裝置可以在較短的時間內完成相關部位的X光成像。
4結論
在分析了DR成像柔性檢測裝置的工作原理和機械結構的基礎上，提出了基于無線工業(yè)以太網的控制系統(tǒng)設計方案，完成了硬件系統(tǒng)設計與控制軟件系統(tǒng)設計，經驗證該系統(tǒng)滿足DR成像柔性檢測裝置的控制要求，利用該控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對DR成像檢測的遠距離控制，提高了檢測效率，有效避免了對操作人員的輻射。主要結論如下：（1）通過設計了一種多級升降機構，該機構利用動滑輪傳動原理，在較小的空間中實現(xiàn)了較大的升降距離。（2）基于無線工業(yè)以太網進行了DR柔性檢測裝置的控制系統(tǒng)開發(fā)，完成了硬件系統(tǒng)設計與控制軟件的開發(fā)工作。（3）將研制成功的DR柔性檢測裝置應用于變電站設備的檢測，驗證了相關的設計方案，實現(xiàn)了預定的功能。
參考文獻
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［7］盧國筠，蔣瑞金，孫學武.基于輻射數字DR成像技術識別電力器材內部材質的方法：中國，201510746620.4［P］.2015.11.05.
作者：鐘飛 黃炎 劉國特 梁華軒 單位：廣東電網有限責任公司電力科學研究院
