雙源雙視角安檢裝置的控制系統設計

閆 平，趙 瀟，豐樹強，張國光

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

針對人工檢查乘用車是否攜帶違禁物或者爆炸物的工作效率低、隱藏在車輛儲物箱中的危險物品難以被人工檢查發現的問題[1]。中國原子能科學研究院核技術所開展了雙源雙視角車輛檢查系統的研發項目。采用高能X射線來進行乘用車輛檢查系統是一種典型的輻射成像安檢系統，根據X射線透過物體前后的強度改變來準確的反映物體內部質量及密度的差異[2]。在單能單視角成像的基礎上，雙源雙視角乘用車安檢系統采用兩種較低活度的伽馬放射源進行輻射成像，獲得兩種不同能譜分布下掃描的原始數據，在通過利用這些數據，采取有效的算法，將車輛內的物體的密度、原子序數、衰減信息進行重建[3,4]。采用雙源雙視角的探測方法可消除由單光譜檢測過程中圖像信息模糊的問題、達到提高圖像圖形分辨率的目的[5]。通過測量不同視角下的射線出射能譜，對等效原子序數的差異進行分辨，區分出有機物和無機物，同時將違禁品及爆炸物標注出特定的顏色，便于操作者及時準確的發現危險車輛及潛在危險[6]。通過這種方式實現貨物整車不開箱、不卸貨、不分解的安全檢查，提高了安全檢查的準確度和效率。

基于以上背景，中國原子能科學研究院核技術所研制出一套控制雙源雙視角安檢系統的控制系統，該系統保證被測車輛在進行安檢測試的過程中能夠高效穩定的完成所有檢測流程，從而提高工作效率及準確率，避免安檢過程中誤報漏報等情況的發生[7]。

1 安檢系統的檢測流程

根據裝置的運行特點及系統需要運行的實際需求需要有一套行之有效的操作流程，控制系統不僅需要正常工作的流程，還應具備急停、指示燈變換顯示、故障判斷等功能。其雙源雙視角乘用車安檢裝置的具體工作流程為：第一次啟動完整的控制系統時，系統開始進入自檢狀態，在PLC的控制下進行各裝置的自動檢測，觀察各部件是否按照程序的設置進行實際操作，例如源罐是否能夠正常打開，道桿是否正常抬起，傳送帶是否正常運轉等操作狀態。如果上述操作發生故障無法實時正常的啟動，則PLC會顯示對應的指示燈提醒操作者發生故障，整個控制系統暫停工作，等待相關人員排查相關故障，排查后才能重新進行自檢程序；如果全部自檢流程順利完成，整個控制系統進入待機狀態，等待有客車進入檢測區域進行檢測。

當控制系統的發出綠燈通行指令后，被檢查小客車駛入待檢測區在待檢通道道桿前停車，通過光電傳感器實時檢測汽車的位置，待光電傳感器向PLC反饋到達指定位置的狀態后，道桿抬起，車牌識別儀對汽車的車牌進行抓拍，因為防止源罐中射線對產生輻射，車內人員需下車行至安全區域才能對客車進行檢測。確認車內無人員滯留后，開啟檢查流程。抬桿到位，皮帶電機啟動，被檢測車輛在傳送裝置上被拖動前行。根據安裝在控制系統的定位光電傳感器的實時反饋，當被檢測車輛行至一定位置時，兩路放射源同時打開，掃描被檢測車輛，形成檢測圖像；被檢測車輛脫離檢測框架后，道桿落下到原來位置，放射源關閉。一輛乘用車檢測完畢后，系統進入待機狀態，等待下一次檢測開啟。具體檢測流程圖如圖1所示。因為急停開關直接關斷供電電源，并不依靠流程控制，因而急停未見流程圖中。實際在流程圖中任何一個步驟中拍下急停開關，均可中斷流程使控制系統進入待機狀態。

圖1 系統檢測流程圖

2 控制系統方案的設計

根據前述檢查裝置的工作流程，對控制系統進行總體方案設計。如果使用光電對射開關或者光柵作為被測車輛的位置判斷傳感器，且拖動電機使用普通電機（非步進電機）。則整體的控制過程中沒有模擬量出現，也不需要進行脈沖寬度調制輸出（PWM輸出）。PLC作為控制電路中的“大腦”[8]，在控制系統中起著十分重要的作用，無論是道桿動作、源罐動作還是傳送裝置動作，都要向PLC發送實時反饋信號，PLC再根據工作實施情況對它們發送開關信號，采集信號的輸入控制點總共采用了26個輸入端口，發出指令做出動作的輸出控制點16個輸出端口，輸入端口主要包括急停開關拍下反饋；空調電源斷路器反饋；探測器及控制系統（除PLC供電）電源斷路器反饋；放射源快門電源斷路器反饋；道桿電源斷路器反饋；皮帶電機電源斷路器反饋；電源交流接觸器反饋；探測器電源繼電器反饋；光電開關電源繼電器反饋；數據采集卡電源繼電器反饋；抓拍繼電器；車輛位置反饋；源罐開關信號反饋等反饋信號；輸出端口主要包括故障指示燈信號，電源交流接觸器，傳送帶傳輸電源交流接觸器，探測器電源繼電器，光電開關電源繼電器，數據采集卡電源繼電器，抓拍外信號觸發繼電器，道桿輸出觸發，快門電源交流接觸器的通斷，狀態指示燈的亮滅等輸出信號，其PLC主要實現的作用是接收包括道桿、車輛抓拍儀發送的反饋信號，并經過處理向相應設備輸出動作指令，全部I/O控制信號為開關量。

傳感器與動作輸出器件均在設備及設備周圍，較為緊湊，因而使2個40I/O口PLC并聯為一個總控制器（如兩個施耐德TWDLCAE40的24輸入16輸出PLC并聯使用）或一個控制器外加一個附加I/O模塊。PLC具有RJ45以太網網口，可以接入交換機與上位計算機進行通信，將控制融入整個檢測裝置的軟件中。

該控制系統在小汽車通過掃描區域時，分別進行水平和垂直兩個方向的透視掃描，形成角度不同的兩組圖像。雙源雙視角乘用車透視安檢系統具有較大的創新性，輻射劑量低，應用方便，能夠滿足各地方道路固定式小汽車安全檢查要求。作為一套面向操作員的安檢設備，控制系統的操作自動化程度應較高、人機界面簡潔明了；而基于對系統的可靠性、安全性冗余的考慮，及設備調試的要求，又需要控制系統具有手動控制能力。因此，控制系統的控制模式主要分系統集中控制和機旁操作兩種方式，適用不同環境下的操作，保證其中一種操作方式發生故障時另一種操作方式使整個流程能夠順利進行，且傳送控制系統采用PLC與變頻器配合控制，使傳送裝置的精度和響應時間得到了很大的提升。在PLC編程時采用順序控制的方法進行編程，保證程序簡潔明了，節省大量編程的空間。具體框圖結構如圖2所示。

圖2 控制系統整體框圖

圖2中，PLC作為控制系統的核心原件，除車牌識別儀及若干個攝像頭（框圖內未畫出）的圖像信息外，設備其余控制部件及傳感器均與PLC相連。PLC利用自身I/O采集掃描裝置內各傳感器的信號，并向各執行機構發出執行指令。PLC再通過網絡與上位機相連，上位機可通過讀取PLC內部的字或位采集掃描裝置的控制系統的各項狀態，并通過在PLC特定字或位進行寫操作來進行動作輸出。由此，可以由PLC自身程序邏輯完成掃描流程，或者直接由上位機內軟件邏輯控制掃描流程。車牌識別儀及若干個攝像頭則采用數字網絡攝像機，將它們通過網線和交換機相連，攝像頭圖像信息直接傳輸給上位計算機.根據以上PLC實現的功能對PLC控制電路進行設計如圖3所示。

圖3 PLC設計控制電路圖

3 控制系統各部件的具體實施

控制系統的研制方案的實施具體分為以下幾個步驟：與上位機軟件約定控制方式與通信接口；編制PLC程序并測試；設計電氣電路系統；搭建控制系統；進行整體測試。下面分別說明各步驟需要做的工作。

1）控制方式及通信接口約定

從圖2的控制系統框圖可見到，PLC通過以太網與上位機相連。上位機通過與PLC的通信，接入控制系統中。在本實施方案中，流程控制邏輯由上位機軟件給出，上位機通過讀和寫PLC的內部字與位，了解控制系統狀態，并發出動作指令。因而，在設計PLC軟件之前，要與上位機軟件編輯者進行溝通，約定控制系統動作與上位機指令的關系，約定PLC內部字與位含義，形成接口文件。

2）編制PLC程序并測試

有控制系統工作流程圖及與上位機的通信接口文件后，可以設計PLC的梯形圖程序。PLC是控制系統的核心，將控制系統的工作流程圖編制為可編程的SFC圖，并將輸入輸出控制點分別與PLC的I/O口一一對應，編制輸入輸出、內部字位使用表，按照SFC圖與輸入輸出、內部字位使用表進行梯形圖編制工作。因為本方案中使用2個PLC，因而因約定好兩個PLC的I/O口順序與內部字、位順序，并且在編程軟件中設置好PLC之間的通信連接。

PLC程序編制完成后，進行測試并且優化。PLC自身的輸入輸出均有LED指示燈表示，輸入信號也可以直接短路輸入端口與COM口實現。將程序燒錄入PLC后，使用上述辦法，即可以觀察寫入的PLC的基本邏輯是否正確。之后可以將上位機與PLC通過路由器相連，使用上位機的軟件控制PLC，以觀察上位機軟件與PLC的連接情況及通信情況，也可以通過上位機軟件查看PLC的內部位、字讀寫是否正確。

3）設計電路

PLC為控制系統的核心。但是PLC的邏輯實現需要外圍器件配合。控制系統為一個由供電（配電及保護）、PLC、信號采集、動作輸出組成的集成系統。設計了PLC程序之后，根據各輸入信號特性與輸出動作的動作特點，且根據各受控單位電氣功率性質，選擇相應的開關器件、保護器件、傳感器及主令器件，設計供電保護電路，PLC的I/O陣腳分配電路，傳感器信號采集電路，動作執行電路及控制箱布置電路。使用電氣繪圖軟件進行繪圖，繪圖中應對連接端子進行標注，以便于裝配。

另外，控制系統的電氣設計部分應該與機械設計部分進行溝通。控制箱布置位置、電氣設備安裝位置、供電及控制線纜的布線設計、機械裝置的電氣接口（如拖動皮帶輪的電機及快門電磁鐵電源等設備的電氣控制接口）等都需要綜合考慮。控制系統制圖可與機械系統制圖同時進行，相互補充。以電氣設備安裝位置合理實用、布線簡潔、便于維護保養為設計原則。

4）布線安裝與整體測試

根據繪制的控制系統線路圖與裝備機械安裝圖中的電氣部分，進行控制系統的布線安裝。先進行PLC及控制箱的安裝，在控制箱上設置編號的端子接口。在設備及設備周圍進行布線，根據電路圖線號對線纜進行編號，對線纜頭使用端子號進行編號。根據設備功率，線纜分為：

供電線：總供電線4mm2,空調供電線4mm2，其余個系統供電線1.5mm2,光電對射及其余傳感器供電線0.5mm2；

控制線：兩芯控制線（補光燈觸發，開關源到位等），三芯控制線（抬桿落桿觸發，抬桿落桿到位等），四芯控制線（對射開關等）；

網線：網線全部接入控制箱內的交換機。包括網絡攝像機、車牌識別儀、PLC、上位計算機及數據采集卡的網線。

布線根據繪制電路圖時形成的線纜種類數量規格及布置方式一覽表進行布置，留足接入電氣設備的余量。布線完成后，根據機械圖在裝置框架及周邊安裝電氣設備，并進行連線。

控制系統安裝完畢后，就可以進行整體調試。根據調試之中出現的問題，相應改進控制系統的軟、硬件，使之最后能夠按照設計的流程完成檢查裝置的工作流程。

4 控制系統的調試與運行

雙源雙視角乘用車檢查裝置的的電氣控制部分，除源罐快門開關的電氣控制箱及皮帶輪電機及電機啟動裝置為機械系統提供外，其余電氣設備均屬于控制系統部分安裝。涉及的電氣設備包括斷路器、交流接觸器、交流接觸器輔助觸點、中間繼電器及PLC由施耐德生產，其余器件包括指示燈、急停開關、鑰匙開關、開關電源、車牌識別儀、網絡攝相機、交換機、浪涌抑制器、濾波器由國內知名廠商生產，安全可靠，操作方便。

電路設計完成后，由相關人員對總控制機柜進行制作及安裝，并對所有電路邏輯進行通斷測試，對PLC的輸入及輸出逐個進行調試確保PLC的指令能正常工作。控制系統設計8段速度，其調速范圍為0.06m/s～0.6m/s，其目的為供不同重量的乘用車進行檢測，施工完成后，對安檢過程進行了模擬，通過優化參數及傳送裝置空載及負載狀態下的調試，靜態速度誤差不超過1%，動態速度誤差不超過1.5%，定位精度達到±3mm，完全符合設計要求；并對所有位置的急停按鈕進行測試，其響應速度在ms級別，安全聯鎖系統安全可靠，符合設計要求，運行平穩。

5 結語

針對雙源雙視角乘用車安檢系統的控制系統能夠有效的保障安檢流程的順利進行，目前已完成原理圖繪制與主控制箱的裝配，并對對主控制箱加電，進行功能測試。經測試，主控制箱邏輯功能完整正確，符合設計要求。目前整套系統在進行整體性能參數的測試驗收工作，后續運行無系統運行錯誤及硬件掉電動作的發生，有效的保障了實驗倉庫內實驗人員的人身安全及其他工作人員的安全，整體控制系統安全可靠。