基于PLC的X光機(jī)智能控制系統(tǒng)

鄧玉福, 于彥澤, 孟德川, 李晟棟, 于桂英

(1. 沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034;2. 沈陽師范大學(xué) 遼寧省射線儀器儀表工程技術(shù)研究中心, 沈陽 110034;3. 沈陽師范大學(xué) 實驗教學(xué)中心, 沈陽 110034)

0 引 言

自1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線,X射線[1]已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在安檢、軍事、航空、工業(yè)檢測、食品安全和醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。伴隨著射線大規(guī)模的應(yīng)用,X光機(jī)有了長足的發(fā)展,對X光機(jī)控制系統(tǒng)提出了更高的要求[2]。但國內(nèi)的X光機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一,控制精度底,處理速度慢,監(jiān)測手段落后,發(fā)生故障不能夠自我保護(hù)。針對上述問題,對原有的X光機(jī)進(jìn)行改進(jìn),提出了基于PLC的X光機(jī)智能控制系統(tǒng),實現(xiàn)X光機(jī)的發(fā)展趨向智能化,數(shù)字化,高頻化,通過PID算法完成X光機(jī)管電壓(kV)、管電流(mA)的閉環(huán)控制和輸出設(shè)定,使X射線機(jī)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的,較高質(zhì)量的X射線[3]。

1 控制原理

X光機(jī)智能控制系統(tǒng)[4]的整體控制圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由高頻脈沖燈絲電路和直流高壓電路組成[5]。其工作原理為:高頻脈沖燈絲電源加熱X射線管陰極燈絲,使X光管在高溫下產(chǎn)生足夠量發(fā)射的電子,通過高壓直流開關(guān)電源加在X射線管的陰陽兩級使其產(chǎn)生強(qiáng)大的高壓電場,使電子在強(qiáng)大的電場力的作用下加速去轟擊靶極,使之產(chǎn)生X射線[6]。PLC控制X光機(jī)的工作原理為:在輸出端將高壓經(jīng)電阻串聯(lián)衰減的方式來實現(xiàn)對輸出電壓信號的采樣[7]。在測量電阻電路中串聯(lián)采樣電阻[8],將負(fù)載的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號來實現(xiàn)對輸出電流信號的采樣,同時用光耦隔離器將電壓信號反饋入模擬量輸入輸出模塊,經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換與設(shè)定值進(jìn)行比較,采用PID算法進(jìn)行閉環(huán)穩(wěn)壓穩(wěn)流控制。當(dāng)反饋信號或AD輸出信號出現(xiàn)異常時,啟動保護(hù)模式,達(dá)到保護(hù)電路的目的。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示,主要是以西門子CPU為核心控制區(qū)[9-10],用以控制整個系統(tǒng),采用模擬量輸入輸出模塊進(jìn)行AD輸入轉(zhuǎn)換和DA輸出轉(zhuǎn)換;利用光耦隔離器保證采樣與輸出信號的穩(wěn)定以保護(hù)控制電路和PLC[11-12];通過繼電器完成兩種燈絲電路之間的切換,實現(xiàn)X射線管小焦點(diǎn)和大焦點(diǎn)之間的工作方式的功能轉(zhuǎn)換;采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面,其與PLC之間采用以太網(wǎng)通信,實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作,既可以減少人為的操作誤差,又避免了X射線對于操作人員的輻射。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的“無人值守化”操作,通過限位開關(guān)控制X光機(jī)實驗室鉛門開啟,保證操作人員的人身安全;通過傳感器檢測各電路的工作狀態(tài),保證電路的安全運(yùn)行;實時反饋X射線管冷卻水流的流速,防止工作溫度過高燒毀X射線管;蜂鳴器與保護(hù)程序和報警程序關(guān)聯(lián),用以提醒操作人員控制系統(tǒng)異常,并實時記錄各種報警數(shù)據(jù),使工作人員快速做出相應(yīng)判斷,解決系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。

本實驗選擇的X光管是雙燈絲、雙輻射靶面X射線管,在設(shè)計燈絲電源時可選擇2種工作方式:

1) 使用1個0～60 V可調(diào)直流開關(guān)電源,并使用一個逆變板,通過繼電器的切換完成2個燈絲電源的制作,通過選擇不同的工作方式,完成燈絲電源的選擇,從而完成X光機(jī)大小焦點(diǎn)的選擇。

2) 使用1個0～60 V可調(diào)直流開關(guān)電源,并使用繼電器完成電路切換,制作兩種逆變板,完成2個燈絲電源的制作,通過選擇不同的工作方式,完成燈絲電源的選擇,從而完成X光機(jī)大小焦點(diǎn)的選擇。

這2種工作的比較,如圖2、圖3所示。第1種方案減少1個燈絲電源的逆變板,從而減小了燈絲電源的體積和制作成本,使用2個繼電器進(jìn)行切換增加系統(tǒng)的安全性能,從而我們選擇了第1種工作方式,而2種工作方式繼電器在直流電部分進(jìn)行切換,增加了1個逆變板,且只能用1個繼電器切換電路,增加危險性,如果繼電器損壞容易燒毀X光管。

圖2 繼電器第1種工作方式Fig.2 The first mode of operation of relay

圖3 繼電器第2種工作方式Fig.3 The second mode of operation of relay

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計[13]流程如圖4所示,主要包括主程序(參數(shù)功能設(shè)定程序),預(yù)熱電流程序,負(fù)高壓小焦點(diǎn)程序,負(fù)高壓大焦點(diǎn)程序,訓(xùn)機(jī)小焦點(diǎn)程序,訓(xùn)機(jī)大焦點(diǎn)程序,監(jiān)控程序,負(fù)高壓PID程序,小焦點(diǎn)PID程序,大焦點(diǎn)PID程序,關(guān)高壓程序,保護(hù)程序,計時計次程序,觸摸屏程序。首先系統(tǒng)初始化,使電源輸出強(qiáng)制為0,保護(hù)儀器和人員安全;同時觸摸屏計算關(guān)機(jī)天數(shù),當(dāng)天數(shù)大于指定天數(shù)時,X光機(jī)只能進(jìn)行訓(xùn)機(jī),提高X光管的真空度,以保證整套設(shè)備工作穩(wěn)定[14]。訓(xùn)機(jī)程序結(jié)束后根據(jù)用戶的需要選擇不同工作方式,然后開啟程序運(yùn)行模式:首先進(jìn)行預(yù)熱電流程序,即對燈絲供電電流進(jìn)行采樣,控制高壓延時啟動,防止加冷高壓對X射線管造成損傷,當(dāng)預(yù)熱電流達(dá)到預(yù)設(shè)值后啟動燈絲高壓程序,在輸出端串聯(lián)采樣電阻對采樣信號進(jìn)行采樣,采樣的電壓值經(jīng)光耦隔離器后反饋入PLC與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較,利用燈絲PID程序、高壓PID程序通過PID算法來實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓和穩(wěn)流控制。當(dāng)反饋信號或輸出信號出現(xiàn)異常時,立即啟動保護(hù)程序,使各路DA輸出強(qiáng)制變?yōu)椤?”,達(dá)到X光機(jī)系統(tǒng)過電流,過電壓保護(hù)功能[15]。最后可用U盤將數(shù)據(jù)或報警信息從觸摸屏導(dǎo)出用以保存數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)比對、分析數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)備份等功能。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 閉環(huán)測試

閉環(huán)測試的目的:對設(shè)計的PLC智能控制系統(tǒng)的可調(diào)性、穩(wěn)壓性,穩(wěn)流性進(jìn)行檢測。檢測方法:利用觸摸屏選擇不同的電壓電流值,同時在電路中在采樣電阻端并聯(lián)電壓表,記錄表頭數(shù)值,轉(zhuǎn)換成高壓和束流值,并計算相對誤差值。數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig.4 System flow chart

序號高壓設(shè)定/V屏顯負(fù)高壓/kV轉(zhuǎn)換負(fù)高壓/kV相對誤差/%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 電流閉環(huán)測試結(jié)果Tab.2 Current closed loop test result

經(jīng)過計算,最大相對誤差小于2%,閉環(huán)模擬仿真測試結(jié)果表明控制系統(tǒng)穩(wěn)定,可以達(dá)到設(shè)計預(yù)期目的。

4.2 實際測量

將此控制系統(tǒng)與實際電路相連接,記錄數(shù)據(jù)如表3,表4所示。由表3,表4數(shù)據(jù)分析可知,該X射線管工作電源的控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定,能夠達(dá)到管電壓范圍0～300 kV連續(xù)可調(diào),管電流范圍0～3 mA或0～10 mA連續(xù)可調(diào),紋波系數(shù)<3%,電源效率高于72%。能夠證明控制系統(tǒng)穩(wěn)定,可以達(dá)到預(yù)期目的。

表3 負(fù)高壓+小焦點(diǎn)電流Tab.3 Negative high voltage+small focus point current

表4 負(fù)高壓+大焦點(diǎn)電流Tab.4 Negative high voltage+big focus point current

5 總 結(jié)

所述PLC控制X光機(jī)電源控制系統(tǒng)的設(shè)計方案,采用全數(shù)字化控制,結(jié)合外圍硬件電路和設(shè)備檢測電路實現(xiàn)對X光機(jī)燈絲電源及高壓電源的閉環(huán)實時控制,能夠達(dá)到管電壓0～300 kV連續(xù)可調(diào),X射線管管電流0～3 mA或0～10 mA連續(xù)可調(diào)等目標(biāo)。通過對實驗運(yùn)行情況及實驗數(shù)據(jù)的分析可知,該控制系統(tǒng)具有操作簡便,工作穩(wěn)定,精度高,集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)符合X光機(jī)目前的發(fā)展趨勢----智能化、高頻化、小型化、數(shù)字化、具有一定的應(yīng)用和商業(yè)價值。

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