无线工业以太网DR柔性检测系统设计

摘要：DR成像是一种直接将X射线转换为数字图像的成像方式。该检测方式具有准确度高、透视性能好等优点，但其系统复杂、效率低等不足，这限制了DR成像检测的应用。在一种多级升降机构的基础上，采用无线工业以太网传输模块实现了对DR检测装置的远距离控制，完成了硬件系统设计和控制软件的开发与调试工作，将研制成功的DR检测装置应用于电力变电站设备的检测中，使操控人可以远离辐射源，并可以对成像装置进行连续操控，提高了DR成像装置的工作效率。

关键词：DR检测；无线工业以太网；升降机构；X射线

1引言

DR（DirectDigitalRadiography）是一种直接将X射线转换为数字图像的成像方式[1]，其作为一种先进的在线检测技术，具有实时性强，透视性能好，曝光要求低，效率高等优势，已经成为X射线成像技术的主要发展方向。我国DR成像设备主要以进口为主[2-5]，随着DR成像检测得到普遍的认可，相关工程人员针对DR成像研制了相关检测装置。文献[6]利用DR成像设计了一种物品检查系统，当传感器检测到物品到达检测位置后，触发DR装置进行成像实现对物品的检查，这一系统可以显著提高危险品检查的准确率。文献[7]则将DR应用于电力器材内部材质的识别当中，在检测过程中，根据不同材质对射线不同衰减特性，通过对DR成像的灰度值差异比较实现对变压器内部器件材质的检测，这种检测方法具有方便快捷、效率高等优势。传统的DR成像设备单个体积大、质量重，系统复杂，时间长，便携性，安全性都不太理想，没有配备远程控制和可视化检测系统，当X射线机及DR成像板的固定位置不理想时，检修人员调整X射线机角度困难，这造成检测效率低下，辅助操作时间过长。文献[8]针对DR成像设备存在的不足，基于无线Wi-Fi设计了一种便携式DR成像设备，使成像间隔时间由以前的20min以上缩短为5min以内，但受限于Wi-Fi信号，该装置只能应用于医院等电磁环境较为单一的场合。通过利用西门子无线工业以太网传输模块实现了对DR检测装置的远距离控制，使操控人员可以远离辐射源，并可以对成像装置进行连续操控，提高了DR成像装置的工作效率。

2DR成像柔性检测装置的控制系统分析

2.1DR成像柔性检测装置的机械结构

DR成像柔性检测装置的基本原理，如图1所示。X射线机发射X光照射在被检测工件上，在被检测工件的另一侧放置DR成像板，X射线透过检测工件，照射到DR成像板，非晶硅的数字成像板，可以将X射线直接转换为数字电信号，形成数字图像并存储在存储装置中。为了实现该检测装置能够对被检测工件的不同位置进行连续检测，满足柔性检测的功能要求，X射线机和DR成像板分别通过云台安装在升降机构上，云台可以实现X射线机和DR成像板的转动，升降机构可以实现X射线机和DR成像板的垂直方向运动，以此达到柔性检测的要求。为了实现对DR成像装置的动态调整功能，需要设计一种升降机构，使X光发射机与DR成像板可以根据检测位置的要求进行位置的调整。由于检测现场的复杂性，升降机构应在较小的结构体积条件下实现较大范围的垂直移动距离，因此采用多级升降杆的方案。由于升降杆空间较小，如何实现多级的传动是结构设计中的关键。在本升降机构中利用动滑轮的传动原理，如图2所示。动滑轮安装于第一级升降机构上，绳索的一端固定于机架，另外一端固定于第二级机构上，当驱动第一级机构向上运动时，绳索会带动第二级机构运动，根据动滑轮的运动原理，第二级机构的运动速度是第一级机构运动速度的2倍。以此类推，可实现狭小空间内的多级传动。根据以上所述的传动原理，设计的DR柔性成像装置升降机构，如图3所示。图像采集模块设置于所述云台上，信号端连接控制模块，用于现场实时视频监控；驱动装置包括减速箱和伺服电机，减速箱输出端连接升降装置，输入端和伺服电机输出连接，伺服电机输入端和可编程控制器连接；升降装置包括丝杆，丝杆一端连接驱动装置，所述丝杆下部设置有卡槽，第一套杆固定于卡槽，可随丝杆上下移动；所述丝杆在卡槽上部还设置有固定装置，第二套设置与固定装置上，可随丝杆上下移动；第三套杆设置在第二套杆上，第四套杆设置在第三套杆上；所述第二套杆下部设置第一滑轮，第一钢丝绳一端连接第一套杆，通过第一滑轮一端连接第三套杆；所述第三套杆下部设置第二滑轮，第二钢丝绳一端连接第三套杆，通过第二滑轮另一端连接第四套杆；所述第二套杆上部设置第三滑轮，第三钢丝绳一端连接第一套杆，通过第三滑轮另一端连接第三套杆；所述第三套杆上部设置第四滑轮，第四钢丝绳一端连接第二套杆，通过第四滑轮另一端连接第四套杆。

2.2DR成像柔性检测装置工作原理

该装置采用了刚性传动（即丝杆传动）与柔性传动（即钢丝绳传动）相结合的传动方式，使得在较小的空间下实现了多级升降杆的传动，与传统的套装传动不同，该传动方式具有成本低，结构紧凑，可以实现同步传动等优势。该装置在工作过程中，由驱动电机带动减速器转动使转动速度调整到一个适当的速度。在伸杆过程中，由丝杆副推动第二套杆伸出，再由第二套杆分别牵引第一钢丝绳和第三钢丝绳通过第一滑轮和第三滑轮将第三套杆拽出，然后由第三套杆分别牵引第二钢丝绳和第四钢丝绳通过第二滑轮和第四滑轮，将第四套杆拽出。在缩杆过程中，由丝杆副牵引第二套杆缩回，再由第二套杆分别牵引第一钢丝绳和第三钢丝绳通过第一滑轮和第三滑轮将第三套杆拉回，然后由第三套杆分别牵引第二钢丝绳和第四钢丝绳通过第二滑轮和第四滑轮将第四套杆拉回。其后还可以继续增加传动级，每一级依次都是这种传动方式。

3升降机构控制系统设计

3.1硬件系统设计

DR成像柔性检测装置的控制系统主要分为远程端和本地端两部分组成，其硬件结构，如图4所示。本地端主要完成对升降机构和云台的控制，远程端主要提供操作界面与视频监控。本地端与远程端分别安装有无线工业以太网通讯模块W788-1PRO实现两者的相互通信。本地端以西门子S7-1200PLC作为核心，将无线工业以太网通讯模块W788-1PRO与S7-1200PLC相连，在DR成像柔性检测装置中，升降机构和成像板云台都需要由电机驱动，在这里选用两台750W西门子V80伺服电机分别进行驱动，与该型伺服电机相配的驱动器与S7-1200PLC相连，实现对升降机构和云台的运动控制。此外在本地端安装有监控摄像头，与无线模块连接，可以为远程端提供现场实时画面，便于操控人员观察现场环境。远程端也配有无线工业以太网通讯模块W788-1PRO，通过移动面板MP277IWLAN为操作人员提供控制界面，移动面板与通信模块可以实现无线连接，使操作人员在远程端可以将相关指令发送到本地端，实现的云台和DR成像板的控制。远程端无线模块还连接了视频显示器，可以将本地端的监控画面显示给操作人员。

3.2控制软件系统设计

DR成像柔性检测装置的控制核心为S7-1200PLC，其控制软件系统结构，如图5所示。对应DR成像柔性检测装置的主要功能，在控制软件中主要包含云台驱动控制模块、升降机构驱动控制模块以及X射线成像控制模块。为了保障控制系统的稳定运行，系统在启动过程中完成通信自检和硬件设备自检，当通信检测和硬件检测正常之后，系统进入正常工作模式，当相应的控制系统通过无线通信模块传输到S7-1200PLC后，系统调用相应控制子程序，实现对相应驱动机构的控制。研制的DR柔性检测装置，如图6（a）、图6（b）所示。将研制成功的DR检测装置应用在电力变电站变压器故障检测中，现场应用，如图6（c）所示。在变电站强电磁干扰环境下，将DR检测装置放置于室内，操作人员在室外进行操作，触摸屏与升降机构在相隔一道墙的情况下，直线距离为41米，操作员可以可靠的对DR检测装置进行相关操作，有效避免了X射线对操作人员的辐射。在检测过程中升降机构的最低一级套杆的运行速度约为50mm/s，整个升降机构的550mm，在检测过程中DR检测装置可以在较短的时间内完成相关部位的X光成像。

4结论

在分析了DR成像柔性检测装置的工作原理和机械结构的基础上，提出了基于无线工业以太网的控制系统设计方案，完成了硬件系统设计与控制软件系统设计，经验证该系统满足DR成像柔性检测装置的控制要求，利用该控制系统可以实现对DR成像检测的远距离控制，提高了检测效率，有效避免了对操作人员的辐射。主要结论如下：（1）通过设计了一种多级升降机构，该机构利用动滑轮传动原理，在较小的空间中实现了较大的升降距离。（2）基于无线工业以太网进行了DR柔性检测装置的控制系统开发，完成了硬件系统设计与控制软件的开发工作。（3）将研制成功的DR柔性检测装置应用于变电站设备的检测，验证了相关的设计方案，实现了预定的功能。

参考文献

［4］高阔.35kV及以下电力设备的可视化检测技术应用研究［D］.北京：华北电力大学，2014.

［6］彭华，张金宇，宋全伟.物品检查系统［P］.中国：201010621590.1，2009.06.30.

［7］卢国筠，蒋瑞金，孙学武.基于辐射数字DR成像技术识别电力器材内部材质的方法：中国，201510746620.4［P］.2015.11.05.

作者：钟飞 黄炎 刘国特 梁华轩 单位：广东电网有限责任公司电力科学研究院