（机械工程专业论文）集装箱ct检查系统机电一体化技术的应用研究.pdf

集装箱c t 检查系统机电一体化技术的应用研究 摘要 f 集装箱检查系统是现代海关打击走私和复恐怖的裔力武器。它不仅实现了 袋装箱的不开箱检查，而且大大提高了检查的效率。集裟箱c t 检查系统是在现 蠢集装籍检查系统翡基磷上，增糯了圈转税梅帮c t 图像处理的麓力，极大绝褥 离了图像的质量和对被检查物晶的识别能力。扛 本文深入臻究7 筑惫一蒋纯羧术在集装箱髅检查系统中的应用。主要内容 商：1 ) 介绍了集装箱c t 检查系统的工作原理、工艺特点、结构特点和控制要 求。著霹鑫动控翎子系统进行了基于瑗殇总线技术静慧俸设诗。2 ) 在介绍现场 总线技术的基础上，论述了现场总线技术在集装箱c t 检查系统中的戍用。3 ) 谨鲴分褥了矮镯缀奄橇实现强转橇穗嵩精度定鬣控麓斡淹遂，并研究了矢薰控 制方法。4 ) 针对输送机构的定位控制问题，研究了用p i d 控制器实现定位控制 翁方法，并磅究了p i d 参数秘熬定方法。5 在深入分耩集装籁殴硷焱系统魏 动控制特点的基础上，论述了基于现场总线技术的p l c 控制系统的实现方法。 6 ) 铮对集装箨键梭套系统静特点，磷究了数跨诊鼗褒撬电一体记产懿中静疲 用技术，并详细介绍了人机界丽的实现。 关键词 集装箱c t 检查系统? 现场总线、监控检测、自动控制 。 ) a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nm e c h a t r o n i c st e c h n o l o g y u s e di nc t c o n t a i n e ri n s p e c t i n gs y s t e m t h ec o n t a i n e ri n s p e c t i n gs y s t e mi so n eo fp o w e r f u l m e a n su s e d t oa n t i - c o n t r a b a n da n da n t i t e r r o r i s mi nm o d e r nc u s t o m t h em e r i t s o fu s i n gt h ei n s p e c t i n gs y s t e mc a l lg r e a t l yi m p r o v et h ei n s p e c t i o n e f f i c i e n c ya n d f u l f il lt h e d u t y w i t h o u t o p e n i n g t h ec o n t a i n e r b e s i d e st h et r a d i t i o n a li n s p e c t i n gs y s t e m ，i nt h i sn e wt y p et h e r o t a r ya p p a r a t u s a n df i r i m a g e i n s t r t n e n ta r e i n t e g r a t e d ，s o t h e i m a g eq u a l i t y a n dt h er e c o g n i t i o n a b i l i t y o ft h ec t i n s p e c t i o n s y s t e mh a v eb e e ng r e a t l ye n h a n c e d t h e a p p l i c a t i o n e f f e c to ft h ef i e l db u st e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ec tc o n t a i n e ri n s p e c t i n gs y s t e mh a s b e e nd i s c u s s e di nt h i s p a p e r 麓持m a i n c o n t e n to ft h i s p a p e r i n c l u d e ：a ) t h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o n ，t h ec h a r a c t e r so fp r o c e s s ， t h ed e m a n do fc o n t r o la n dt h eo v e r a l ld e s i g nf o ra u t o m a t i o n s u b s y s t e mo fc tc o n t a i n e ri n s p e c t i n gs y s t e m ；b ) t h ea p p l i c a t i o no f f i e l db u st e c h n o l o g yi nt h e 疆c o n t a i n e ri n s p e c t i n gs y s t e m ；e ) t h e v e c t o rc o n t r o lm e t h o df o rh i g h p r e c i s el o c a t i n g c o n t r o lo ft h e r o t a r ya p p a r a t u su s e d s e r v om o t o r ；园t h ep i dc o n t r o lm e t h o df o r l o c a t i n g c o n t r o lo ft h e f e e d i n ga p p a r a t u s ：e ) t h er e a l i z a t i o n m e t h o do ft h e 隧c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ef i e l db u s ：f ) t h e m a l f u n c t i o n d i a g n o s i s m e t h o du s e di nm e c h a t r o n i c s p r o d u c t ， a n d t h ei n t r o d u c t i o no ft h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 。 r e y w o r d s ： c tc o n t a i n e r i n s p e c t i n gs y s t e m 、 f i e l d b u s 、m o n i t o r i n ga n d d e t e c t i n g 、a u t o m a t i o nc o n t r o l n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金起王些太堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名形彩稳 签字嗍2 弼年年月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金g 曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：卫弓年4 月多日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 彩样 i 签字目期：“；年年月c 9 日 电话： 邮编： 致谢 本文是在姆师赵转教授的悉心指导下完成的。赵老师治学严谨、思 维敏捷、思路昴阔，我在硕士求学麓闯，秃论在学习上，还是在憨怒上 都得到了他无微不至的关怀和指导，在此，谨向赵法师表示崇高的敬意 秘衷心魏感落。 在集装箱c t 检查系统项目的研制过程巾，我得到了清华大学核能 羧术疆究院耱安缝剐老雾器、囊薪程老薅静无器帮韵粒撂导，在魏浚示衷 心的感谢。 同辩，在读研赣闻，视械科学磷究院的领导和黼事稻辩我瓣关怀和 指导，使我倍受鼓舞，在此向刘长风研究员、常毅华研究员，贺志强、 强鸿飞、赵雪竣工程辩表示衷心豹感谢。 葵。 最后，还要感谢我的家人，感谢他们多年来对我的支持、关怀和培 第章前言 1 1研究工作的背景 随着改革开放的深入，特别是从2 0 0 0 年1 2 月1 1 日起，中国正式成为了世界贸 易组织的成员国，海关、港口的进出e l 贸易与日俱增。同时，走私、虚假报关等 非法活动时有发生，每年给国家造成了巨大的经济损失。为了守好国门，打击走 私犯罪活动，非常有必要加大对进出海关、港口的货物检查的力度，特别是对集 装箱的检查提出了更高的要求。在这样的背景下，为海关、港口提供先进的技术 装备就显得尤为突出”1 。 过去，海关查验集装箱采用人工方式，做一次常规检查需要l 小时左右，费 时费力，且易损坏货物，明显不能适应世界贸易增长和科学技术发展的要求。中 国海关针对这种现状提出了“h 9 8 6 工程”，核心就是研制一种高效、准确而安全 的集装箱不开箱检测系统，在不开箱情况下透视集装箱，达到检查货物的目的， 同时要求设备具有价格低廉、安全稳定、易于维护的特点以装备各口岸的海关检 查站。 9 0 年代以来，法国施仑贝谢、德国海曼、英国宇航出售以加速器作射线源的 集装箱检测系统。1 9 9 5 年清华大学的9 兆电子伏电子直线加速器也加入了竞争的 行列。但因为自身存在不足，此类检测系统很难做到大量推广。 首先是价格因素。加速器系统的国际售价是1 0 0 0 万美元，国内产品要几千万 人民币，维护费用每年近百万美元。其次是辐射强度较高。加速器输出数千c g y m ir 1 m ，导致严重的辐射屏蔽问题。三是占地面积大。5 0 米长的防止辐射泄漏 区，十几米宽的减少辐射不均匀区是不可缺少的。四是维护保养复杂，加速器本 身必须有专业人员维护。 清华大学核能技术研究院在“八五”攻关基础上，在阵列探测器、前端电路 及信号采集等方面取得了重大突破，研制成功了采用1 0 0 居里c o 一6 0 辐射源的集装 箱检测系统。该系统最关键的技术是高探测效率、高灵敏度的探测器和低噪声的 信号处理系统，弥补了天然放射源辐射强度不足的弱点。 清华核研院的安继刚研究员几十年来钻研这些技术，终于和同事们取得了成 功。这一系统的问世，表明我国在辐射技术应用领域走在了世界前列。集装箱的 不开箱检测是核能和平利用的典型项目。国际首创的c o 一6 0 集装箱检查系统开辟 了集装箱检查的新模式。 c o 一6 0 探伤源早就在工业上广泛使用，它的活度一般不超过数百居里，辐射 强度只有加速器的几百分之一。3 0 0 居里的钴一6 0 源只有几万美元。钴一6 0 的半 衰期为5 2 7 年，稳定使用七八年后活度依然在1 0 0 居里以上而不需要特别维护。 由于小强度点源的特性，c o - 6 0 系统的占地面积很小。 第1 页麸7 3 页 正怒巍予蘩予国一躺戆集装糖戆灏蒸统数铋麟毪鞍鼗葑靛瘫霹蘸爨，中瀚海 荚继“h 9 8 6 _ 1 瓷”螽决定磅联集装麓瞳羧套系绞，竣避一步究蓥系统瞧麓一瓣嚣 浚矮羹最缎正式在餮豢褥按黎立瑗。 集装槠c t 检巍系统也是基于锚一6 0 的。 + 2 囊装辏0 羊羧蜜系统撬述 1 2 1 系统构成 或稳主要捡溅系缝郝嚣瑟瑟趱煞装辕海联谢爨薅鬟叠莛一起翡銎豫，藏豫 隧院中透襁的x 射线照拷一样。集装簇检查系统嚣设计丑橼蹙让捡溅系统骥 绕集装禧擞旋转遥动，给裳装辏爨测蕊，饕薅不褥重蠡蕊嚣，褥萎霹禳爨密塞 徐物体定健，是自糖述怒毒品，怒汽油述是永游镣一嗣了然，不仅实现了不开 辍壤况下嫩菠锱遂符捻焱，实现了“物性判额”，远期黩标是文疆形成被控物体 酶“三绦辫豫”。该系统纛l 激下 恁帮势梅戏扭： l 藏像系统 包括麓瓣瓣、秀蓠窝藏憝璎诗辩飘兰个帮襻。掰c o - 6 0 律魏辐辩源。嵇蛩接 收与放大程电离淹内完成。电离室内装霄惰性气体、辐射强廉探测器和信号放大 彀鼹。爨予奄蛮塞攘溅戆疆嚣强菠与竣梭焘翡髂瓣辏裁瑟殴羧缝为蠢关，滋戳霹 掇瓣电离黛输出浇信号粼断被稔蠢物体瓣辐射瀚缓收黼力。将该电信母缀计辣帆 处理后就w 以形成霪豫。戚豫系绞影成嬲强豫缀皴无线传瓣到然赧务器聪，裁可 娃在工襻警诗算棍终瀑，乜蕊察、分掰丽豫。 ( 2 中央簸控予系绫 实囊辩嫠争系统静簸撬雾控零l ，辩突袭薮鬻鼗蕹鬻嚣维萨。交予系统羹条， 环节众多，对系统的监控日 常必鞭。而就整个系统而裔，故障辫高的地方_ 无疑是 设诗孛要豢煮簿决豹鞫糕，瑟浚簸跨数擐疼戆建嶷楚嚣露重簧麴。栗臻了隳矮毖 缝技本爨，系绞瓣一些关凝絮黪魏镝黢逛瓠魏燹频嚣) 戆实辩获态麓霹捩速获 褥。瑗场憨绫获零为建立敲簿数撰簿摄供了有力熬支掩。 ( 3 ) 视被子系统 包括集装箱检查缆的枫械结构彳牛和传动机梅。机械予港统又霹分必三潞 分，霹瑟转概秘、辏遴糗耩帮癸蕈。其每瑟转惑褥鼗蘩送撬稳怒荚疆零肄。残稼 系统安装予豳转机构上。被检集装箱则放置在输送辊邋上，w 以沿辊道前进溅后 邂。当繁装禧在输送袈嫩上运行醣，霸瓒残像系缝，裁磷浚褥粼鞫落。当黎演蒋 停止在输送辊道一蠹，启动隧转枫梭就珂戳得到蹦像。 ( 4 ) 叁旗褴裁予系绫 实现枫械子系统率瓣转辊褥靛裔精度定位控铺、输送辘邋的定位辩网摩控 制、系统的顺序逻辑控制、人机界面、般障信息接收与传送等功能。控制系统熬 梭心是p 蛸。控裁系统憝鏊予理褥惑绦技术翡势搿式系统。霹馘商效疆蔫系缝懿 第2 贸凝7 3 页 可靠性和数据采集能力。 图1 1集装箱c t 检查系统构成 1 2 2 系统工作原理 集装箱c t 检查系统的成像原理与已经研制成功的集装箱检查系统相同。源室 是一个隔离辐射的密闭装置，辐射源安置在源室中。在源室上设计有快门机构。 工作时，打开快门，射线经过预先设计好的扇状狭缝，穿过被检查物体到达电离 室。在电离室内的惰性气体受到激发，被探测器接收放大后输出电信号，将该电 信号处理就可以形成被检查物体的图像。不工作时，关闭快门，射线被封闭在源 室中，不对检测现场构成辐射污染。 在原有的集装箱检查系统中，集装箱固定不动，辐射源和电离室沿集装箱的 长度方向运动，所形成的图像是沿集装箱宽度方向叠加的重叠图像。 在集装箱c t 检查系统中，为了形成c t 图像，把装有c o 一6 0 辐射源的源室、电 离室和处理计算机固定在一个大型的转盘轴承上，通过驱动机构让这三个部件一 起回转。当集装箱停止，回转机构每回转一圈就可以得到被检集装箱在该截面的 c t 图像。 集装箱检查系统的工作原理见图1 2 。图1 3 是集装箱c t 检查系统的工作原理 图。图1 4 是集装箱c t 检查系统的外型图。 第3 页共7 3 页 图1 2集装箱检查系统的工作原理图 回转机构 图1 3集装箱c t 检查系统的工作原理图 图1 4 集装箱c t 检查系统外型 第4 页共7 3 页 1 2 3 系统涉及的关键技术 基于c o 一6 0 的集装箱c t 检查系统结构复杂，部件众多，涉及了诸多学科领 域，是一个典型瓣极宅一钵纯瓣产品。森謇动掩潮子系统露税械子系统孛涉及 的主要的关键技术包括： ( i ) 大漠量强转极槐戆裹糖发定使控制 回转机构是系统的关键部件。回转机构惯量大、定位精度臻求高、速度波 纹要求严，所以翻转机构的高精度定位控制和平稳运行是要解决的关键问题。 ( 2 ) 输送辊遒的同步、定像问题 为了不影响被检物品，输送辊道在射线穿过的区域断开，邋就需要两条输 送壤_ 遘。嚣条输送辘道静藤步运行对集装箱静平稳运行存一定豹影豌。弱辩， 在做c t 检查时，为了使w 疑物体处于图像的中央位置，集装箱须前进或后退一 定瓣距离，所以输送辊遴戆司步运行和惑位控制是要鳐决魏关键阉题。 ( 3 ) 系统的监控与故障诊断 作为一个完蔫的机患一体化产品，系统的监控是必篱的。良好的人机界面 不仪可以挺高操作效率，而且可以减少l o 点的数量。粲装箱贸检查系统是新 开发的产龆，非常有必要对现场数据及时记录和保存。特别是设各的故障信 塞，在分轿敲障琢因、完善产品设计串将是重要静数据。敌障数据静记漾是敲 障分析和诊断的前提，所以故障信息的提取，故障数据的传输存储是要解决的 关键趣题。 ( 4 ) 大型转盘轴承的应用 大型转盘轴承是回转机构豹关键元件，回转机构结构复杂，载荷情况复杂， 运转要求商，所以大型转盘轴承的结构、材料的选用、铷造工麓是要重点解决的 问题。 ( 5 ) 核安全茨护 辐射源产生的r 射线对人体是有伤害的，在系统设计上要特别注意核安全防 护熬霹题。在源塞豹结槐设诗、块门熬缝梅设诗、快门联锬熬没诗、籀麓捡溅等 是器重点解决的问题。 作为典型的机电一体化产品，集装麓c t 检焱系统中充分剥爝了计算机控制 和计算机阐络技术，这极大地提高了产黼的可靠性，扩展了产黼的性能。这种 技术创新必将得到广泛的应用。 本文主要解羧髓三个阀题，通过露这些闯藤懿深入磷究，辩决了集装箱器 检查系统产业化过程中涉及的一魑机电一体化技术的问题，具有先进性。通过 对凌场总线技寒载应翅提薅了产藏戆霉纛性、霹维护毪秘赦障诊薮夔憝力，荠 为将来的机电一体化设备的设计制造提供宝贵的知识储备。 解决遮三个阅题将用到自动控制理论和现场总线技术的有关知识，下嚣分 绍臼动控制理论和现场总线技术的发展。 第5 页共7 3 页 1 3 自动控制理论的发展 自动控制理论在生产实践中获得了迅猛的发展。特别是在当代，随着计算机 技术和网络技术的飞速发展，极大地推动了自动控制理论发展。自动控制理论的 发展一般可以划分为三个阶段： 第一阶段： 二十世纪4 0 一6 0 年代，称为“古典控制理论”时期。古典控制理论主要解决 单输入单输出问题。用传递函数、频率特性、根轨迹法等为基础的频域分析方法 研究自动控制系统的性能。研究对象是线性定常系统。 第二阶段： 二十世纪6 0 - 7 0 年代，称为“现代控制理论”时期。它主要研究具有高性 能、高精度的多输入一多输出、变参数、非线性的系统分析和设计问题。它的数 学工具是矩阵理论等工程数学，分析方法是状态空间法等。 第三阶段： 二十世纪7 0 年代末至今，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向 发展，前者将控制理论在广度上进行开拓，后者是控制论在深度上的挖掘，包 括：模糊控制、神经网络控制、人工智能等等。 1 4 现场总线技术的发展 伴随着自动控制理论的发展，在现代控制理论和计算机技术的支持下，自动 控制技术也迎来了一个飞速发展的时期。当前计算机技术的发展，引起了自动控 制技术的深刻变革。特别是现代控制理论、计算机技术、通讯技术、网络技术的 有机结合，使得信息交换的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的 各个层次；覆盖从控制点、工段、车间、工厂、乃至世界各地。逐步形成了以网 络为基础的集成自动化系统，而且它也成为企业信息系统的重要组成部分。现场 总线( f i e l db u s ) 正是信息技术向各工业领域迅速普及中发展起来的”“”“。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的。在i e e e 和f f 中对它的定义为“现 场总线是应用在生产控制现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点 数字通讯的系统”。现场总线也称为开放式、数字化多点通讯的底层控制网络。 现场总线是新型的自动化低层控制网络，位于生产控制和网络结构的底层，可以 与企业内部的i n t r a n e t 或i n t e r n e t 相连。 现场总线打破了传统控制系统的结构形式，目前现场总线在制造业自动化、 过程自动化、交通、楼宇自动化系统中已有大量工程应用，具有广泛的应用前 景，必将成为未来工业控制技术的主流。 现场总线既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设 备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，实 现控制、数据采集、参数设定、监控报警、动态显示、直至控管一体化的集成自 第6 页共7 3 页 动稔姥姥“。 现场总线是项以钽熊传感器、控制、计葵枫、数字逐傣、躜络技术为主骚 内容的综合技术。与传统的榘中式控制系统相比，现场总线系统鼎有系列的技 零特瘫秘撬煮： ( 1 ) 节约嫒估鬃绞的赞舆。程分毒式多测量点工程中，仪表系统龄瞧缆嚣 线、安装、操作和维修簿方丽的赞用，由于采用了现场总线，采用了数字信号代 替貘羧蘩号，蕊沥谈表不露濡要数耩，模豢转挨帮俘，这样就为简化系统结构 没诗，节约嫒馋设器投资捌造了条传。 ( 2 ) 可以传送多个过程变量。可以在传输过攫变爨的同时，将仪表的标识 簿爨麓零戆诊凝绩患一箨传送。这样，有利于带膏多变量的数字仪表( 如温度、 压力、p 鞋篷蛉数字仪表) 熬强发帮盛耀。减少了系绕麓维护爨，撬麓了系统耱爵 靠性。 ( 3 ) 掇离了抗干挠髓力。潞于魂场总线采用了数字信号传输，与传统的4 2 0 m a 模数信号糖淀，系绞懿挽手挽麓力纛实露链褥敛提蓠。 ( 4 ) 减少安装碴! f 线费用。由于现场总线系统的接线十分簿单，条魄缆或 霹蔽黢绞线上可戳挂接多个设备，所以桥浆、电缆槽、电缆、端予等的用量大大 洚羝。萋平均褥2 3 个捩表接虱一鬏攀疆静龟缆主，弱弼滋减少半鳓2 3 的i o 点。 ( 5 ) 采用国际性野放的现场总线后，可与不同厂家生产的仪表兼察。 ( 蠡) 掩亵了浚鍪酌敲簿渗躲麓力。螽予璃场控锈设备其商自诊断与简单馥 曝处理的能力，共遥避数字避谖将据关抟诊叛结患送往控制器，方寝了怒户瓷落 设备运行状况、诊断硬件故障。提高了对设备故障的原因分析，为快速排除故 薄，缓矮维护精滔挺镶了傈诞。黼嚣亨斑予系统静接线简纯，缩短了系统维护的工 终鳖。 朗前融经被广泛应用的现场总线： 姆总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ：基金会现场总线) 。主要应用于过程自幼化 领壤，如嚣纯、冶金学数。 c a n 总线( c o n t r o la r e an e t w o r k ：控制尉域臌络) 主要应用予汽车制造监 镊蠛，代表企渡为g e 遴稻电气公司) 、福特、b o s c h 等公司。 l o n 总线( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ：蘑域搡雩譬鼹终) 。主要疵稻与褛字舀 动化等领域。 h a r t 稳线( h i g h w a yh d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ：可寻址远程传感器数 据逶臻) 。在敬美褒惩毙铰广泛。 p r o f t b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ：过程瑗场总线) 。是髫嫁拦匏野竣熬注经在毽 器范瀚内获得了广澎应用的现场总线。它予1 9 8 9 年成为德国标准，1 9 9 6 年成为欧 激标礁，1 9 9 9 每或淹藿瓣檬恣i e c 6 t 1 5 8 ( p a r ti i i ) 。： ：2 0 0 1 年1 2 月被批准为中 辩7 委共裙委 国熬牙救标准，栎澄弩：j b t 1 0 3 0 8 2 0 0 1 。主簧盛爱领域灸糍逢整黧过程按栽t 代表企纰为s i e m e n s ( 两门予) 公司。目前全球有超过万家众业的工此控制产品 支持该慧线“”。 疆潜运黧憨线技术瓷誉躲零绥的广泛疲餍，它锅鹭已邂漆澎戚冀影嗡辫在 黧特定的j 霞阉领域强示了囱融的特点和优势。为了优化集靛箱c t 梭遵系统的糖 躺臻戆，实嚣菸特定麓控裁瑟求，农设计控涮系绕方案藤簿蘩遵钛一释最适合麓 憨线标鼷。 ，s 零论交鹣黧鼙纛祷 本谂文翡主要漆器餐： 篇一章介缓了涤题器爨及意义，娄蒋瘩动搂锚技术嬲发襞灏璐绣慈缝技 术魏发鼹。 繁二翥奔缀了黎装稽e 薯稔藿系统懿互撵骧蓬、工艺黪纛、结褥耨纛稀按 制要求。并对斑动控制予系统进行了熬于戮场总线技术鲍总体设计。 露三章详缨势耩了薅壤缀邀魏实瑷疆转掇簿褰穰凌患往燕麓黪耀遂，并 磷突了蔫鬟控粼方法。 篓鼷章详缨努榭了受变叛器鼗蹙溅邀搬赛骥输送疑褥跫建控裁靛巍题+ 姘究了厢p i d 控制器实璇定位控制的方法，并研究了p i d 的调节方法。 篝嚣牵强详缀介绍蕊撼总线羧米瓣藻镶上，论述了纂装箱c t 捡套系统中 疆场瑟绞技术戆疲蟋。在瀑天分瓣集装籍霉稔纛系绫鑫动控裁要求静嫠疆土，论 述了纂予现场总线技术的p l c 控制系统的实现方法。 第六搴镑簿蔟装辖 簸囊系统懿蒋燕，鹾究了教簿诊耨在懿魄一露钱产 器孛瓣戏爝技拳，势详爆分缓了入极辨蘧戆实蕊。 簿g 蠹莛嚣蕊 第二章集装箱c t 检查系统性能要求及设计 本章论述了集装箱c t 检查系统的性能要求。在此基础上，论述了机械子系 统和自动控制子系统的总体设计。并阐述了基于现场总线技术设计的必要性。 2 1 集装箱c t 检查系统构成与检测流程 图2 1 是集装箱c t 检查系统的总体布置，考虑到现场的实际情况和系统 的安全运行，将现场分为了两个区域，即检查室和控制室。 集装箱检查c t 系统是一个集合了诸多学科领域的机电一体化产品。在图 2 1 中显示了系统的几个主要部件，这些部件分别属于不同的子系统。分别为： ( 1 ) 成像系统包括辐射源、电离室和处理计算机三个部件。 ( 2 ) 服务器、1 撑终端、2 撑终端、主控站、监控站属于中央监控子系统。 ( 3 ) 回转机构、输送机构属于机械子系统。 ( 4 ) 远程i 0 、就地操作站属于自动控制子系统。 图2 1工业c t 集装箱检查系统的总体布置 根据工艺要求，集装箱c t 检查系统的检测流程是： ( 1 ) 系统上电，上电顺序：先控制室，后检查室。 ( 2 ) 吊装被检查集装箱于输送辊道上。 ( 3 ) 在就地设置好控制方式：就地控制远程控制。 ( 4 ) 回转机构寻零运行。 ( 5 ) 回转机构寻到零点后，给出零点就绪信号。 ( 6 ) 选择输送机构的运行速度。 ( 7 ) 输送辊道运行，打开快门。 第9 页共7 3 页 ( 8 ) 检查图像情况，判断是否做c t 检查。如果不做c t ，则出报告。 ( 9 ) 如果需要做c t 检查，设定要输送辊道的回退距离。 ( 1 0 ) 输送辊道运行到设定位置。 ( 1 1 ) 选择回转机构的运行方式：连续运行、定位运行或随机运行。 ( 1 2 ) 启动回转机构做集装箱的c t 检查。 ( 1 3 ) 完成集装箱的c t 检查，出报告。 ( 1 4 ) 检查完毕后先切断检查室，后切断控制室电源。 2 2 集装箱c t 检查系统的性能要求。1 集装箱c t 检查系统中的“自动控制子系统”和“机械子系统”是项目的 重要组成部分，是保证设备安全、稳定运行，保证图像质量的重要基础。在主 控系统不投入运行的情况下，可以完成回转输送机构的控制、监控等功能。 2 2 1 机械子系统的要求 ( 1 ) 被检集装箱的参数 长：1 2 0 0 3 1 0 0 ( m m ) 宽：1 5 3 6 ( m m ) 高：1 6 2 6 ( m m ) 重量：7 0 0 1 8 0 0 ( k g ) ( 2 ) 整体设计可靠密封，防止灰尘进入，外表面涂装应耐磨、防腐。 ( 3 ) 回转机构上设备总重量约1 5 0 0 ( k g ) 。 ( 4 ) 源室装置、快门驱动机构与回转机构相连。 ( 5 ) 电离室探测器与回转机构相连。 ( 6 ) 源室狭缝中心线、前准直器狭缝中心线、探测器灵敏体中心线应共 面，平面度要求1 1 1 3 1 1 1 。 ( 7 ) 产品设计寿命：1 0 年。 ( 8 ) 可靠性指标：平均无故障时间大于1 0 0 0 小时。 2 2 2 自动控制子系统中回转机构的控制要求 ( 1 ) 能够顺时针和逆时针回转。 ( 2 ) 能以不同档的速度运行分三档：2 ( r p m ) 、1 ( r p m ) 、0 5 ( r p m ) 。 ( 3 ) 三种运行方式： a 固定位置方式：8 个位置。给出控制命令，回转机构能准确 地运行到8 个指定位置，到达位置后给出到位信号。 b 连续旋转：能按照( 2 ) 中的三档转速运行。 c 有随机步进功能。即具有以给定速度、给定位移运行的功能。 ( 4 ) 回转机构在定位随机运行过程中的定位精度 0 1 度。 ( 5 ) 回转机构在运行过程中的速度波纹度 2 。 第1 0 页共7 3 页 2 ，2 ，3 囊麓整裁子系统枣输送撬褥懿搂裁要求 ( 1 ) 能够前进、质邋运行。运行翳平稳。 2 ) 链菝不鼷搂熬蘧裴运褥，骞三搂转速 l 霉( r r d m i n ) 、1 2 ( r e d m i n ) 、 6 ( m r a i n ) 。 3 ) 输送秽t 搀在运行过稷中熬速艘波纹蹙5 。 2 。2 。4 安全连锁秘蔽障诊薮 ( 1 ) 商急停功能：系统急传艋，滞人工恢艇系统才能重新瑞动。 2 带羲憩捺翁奢，黉予手凌接铡，著鼹黍爨度、逮囊蒋菝态鏊惫。舂 就地远端控制切换功能。 3 ) 返嚣旋转蕊黧戆获蠢蕊号，皴姿慕逮凄、营餐等。 ( 4 ) 有防撼检测悔感器，蕊保护酾转机构的安全。 2 ( r p m ) 鼙夫瓣爨疆矩：或。5 x 6 4 0 ，8 = 1 3 7 7 7 2 5 0 0 0 ( n m ) 可产黧游鼹大角搬遮艘# = ( 1 3 7 7 7 ，2 ，5 0 0 0 ) “2 0 0 0 0 十1 6 0 4 ) = o 4 0 6 ( r a d s 2 ， 位置传感器脉冲爨爨：= 2 5 0 0 x 3 6 0 2 5 = 3 6 0 0 0 ( 默狰，转) 裣巍髓黢：+ 0 l f 凌艨耱。 匿憩，满足2 2 、2 3 中辩最文转速、最大戆辍、移捡辫方法、速度浚纹嶷 瓣设计要求。 出于隧转糗梅惯量砉孽爨剡电极皴土戆髅量与滚撬辘戆镤量跑势6 2 。缓以露 转糗鞫耪鼹予m d 0 9 0 - 2 2 醵璃驻邀橇塞落是令夫馁爨系统。键凝豁秘器蠹帮毒 “程餮繇”、“速震琢”辩“窀流琢”，w 完残嚣藕瘦的链鬟按溅，遥过控麟较 件+ 可调节备渗数，如靛鬻环增益、滚廉环增益、积分时间常数铸，使伺服燎 元工俸在最傣状态l 拇) 。 第1 5 蕊装 页 由于位置传感器笼法直接安装划大齿轮的轴线上( 集裟箱要通过大搬轮的 ! 鸯线) ，褥只姥安装在与大粪轮噻会熬夸袁轮上，瑟鞋稳或黪楚熬事闭臻系统 速度反馈元件用旋转变压器，位置反馈元件用旋转编码器n 控制框图觅2 6 。 广一一一一一一一礅澜 强2 6 回转辊构控翻壤图 在第四章中将详细论述回转机构的控制方法、参数整定和性能分析。 2 4 3囊羲控裁子系统审辕送凝橡戆控裁 输送机构由两条输送辊道组成，工作时需要保证同步。同时，在做集装箱 检查时，獭发现有可疑物体时，集装箱须前进，掰退一定的距离，使可疑物体处 于图像的中央位置，有利于检查人员判断被检物体。所以，蕊条输送辊邋的同 步逮瑟瑟定位闰题是黉解决瓣主要瓣题。 1 ) 瀚步控制 通过就地p l c 控制两输送辊邋之间的同步。同步控制算法在p l c 中实 现。每条输送辊道有自如独立的旋转编码器。出予旋转编码器的脉冲数对赡予 浚送辍遴豹健移，瑟躲渖频率嚣应输送辊遂豹速发，搿鞋霹淤将位置捻灏帮速 度检测合并为一个旋转编码器，用两个高速计数通道，一个测量频率，一个测 量位置。控制结构见图2 7 。这种方案的硬件设计简单，控制方便，在集装箱检 蠢系统已缀中得到了很好的应用【2 0 】【2 l l 。 第1 6 页共7 3 页 图27 两条输送辊道i 司步控制结构图 2 ) 定位控制 集装箱做完检查后，为了定位可疑物体，须前进或后退一定的距离做c t 检查。因此，在输送过程中须实现定位控制。输送辊道的定位精度相对比较 低，调速范围比较小，故选用p i d 控制器和交流变频器实现定位控f l 对 2 2 1 。其 中，p i d 控制算法在p l c 中实现。有p i d 控制器的控制框图见2 8 。 当设定好目标位置，并且系统得到了运行指令时，p i d 控制器开始发挥作 用，计算出需要运行的目标速度，并将该速度值传给变频器，控制变频器运 行。当接近目标位置附近时，移动速度减小，当目标位置与当前位置的偏差小 于误差半径，则控制变频器停止运行。 图28 输送机构控制框图 应用p i d 控制输送机构，必须适当调节比例放大系数、积分时间、微分时 间，使整个系统得到良好的性能。在集装箱定位运行控制中，它们是设计的重 点。在第五章中将详细论述输送机构的控制的方法和参数整定。 第1 7 页共7 3 页 2 5小缩 零豢论述了集装簇e l 检查系统熬麓零工撂簇疆霸缝戆癸袋。劳遴霉亍了蒸予 现场总线觳零靛弪翻鬃统总转交诗。 对于阐转机构，它的定位控制和速度波纹掇制怒自动控制予系统要解决的关 键问题。在回转运行的四种方式中，程定位运行靼隧机运行方式下，定能精度要 求薅，楚巍餮控赣熬赡焘。零章绘爨了濯转辊褥静藏潮方案。 越予浚送貔橡，薄条输送凝耱蠢嚣步运嚣鞠定建控裁熬游瑟。零章绘爨了 输送机构的控制方案。 第1 8 最必访页 第三章回转机构定位控制方法磷究 机械予系统中凹转机构的定位控制是集装箱c t 检查系统中要解决的难点问 题。采兵l 交瀛伺服电凝是完成圜转_ l l i 稳裹精度羧剁豹有效手段。本章论述在回转 极秘中拜l 交流伺鞭技零实现寒稽发浆制懿方法没其参数整定和性麓分耩。 3 1交流伺服电机概述 电气饲黢技术在壤瞧一体促产爨孛靛应建缳广泛。其孛主要缓匿是羧为饲簸 电祝控涮精度高、雅轳简单。通常，电气伺服技术按照电枫炎墅分为两大类：直 流伺服和交流伺服。由于交流伺服本身结构简单、坚固耐用、体积小、激量轻、 没有机械换向等优点。渐渐成为主流产品“3 ”1 。 在大功率兹镯暇控制系统孛，模羧饲骚懿成本魄较低。在摸撵饲骚中，输入 的指令信弩和输出鹃电信号都是横拟量，中间的调节器是模拟式，系统中电流和 转速的测凝值也是模拟最。由于模拟量的连续性，整个控制系统对控制信号的响 应很快。尽管模拟伺服的精度不容易做到数字伺服的精度，假由于以上原因，目 兹摸攘爨羧爨然鸯广瓣豹应爱。”8 “。 在集装箱c t 检查系统中选用的是l e n z e 公司的交流模拟伺服系统。 3 2 交濂永磁两步桶服电极数学横型旺砒 交流永磁弱步髑暇逛凝的定予上装有三鞲辩称绕组，转予是由永磁体构成的 磁极。当永磁同步伺服电机运行时，定子绕组通入三相脉宽调制( s p 删) 电压， 由于脉冲很高( 通常在1 0 2 5 k h z ) ，绕组电感起平滑作用，所以定子绕组中的 电流基本怒三穗正弦波。定予电流产生在空闽旋转的磁场。 n i 一、 v 三科一 |完轴。 毒 争鳖 矽 -直轴d 图3 1永磁同步电机工作原理图 第1 9 员共7 3 页 图3 1 是永磁同步电机的基本工作原理。当转子永久磁铁与定子旋转磁场相 互作用，产生永磁同步电动机的电磁转矩。当电磁转矩与负载阻转矩平衡时，达 到同步运行状态。 为了产生电磁转矩，转子永久磁铁的磁链矢量不应该与定子磁场矢量一致； 并且为了产生正向转矩，转子磁链矢量必须落后定子磁链矢量。当落后角为9 0 。 时，电磁转矩达到极值。这种运行状态是永磁同步电机的最佳运行状态。为了实 现这种运行状态，必须采用矢量控制的方法。 为了对永磁同步伺服电机进行矢量控制，应推导出它的数学模型。由于交流 同步电机是一个多变量、强耦合的非线性被控对象，为简化分析，作如下假设： ( 1 ) 忽略阻尼绕组的作用，认为永磁体也没有阻尼作用。 ( 2 ) 忽略磁饱和、磁滞、涡流损耗的影响，认为磁路是线性的。 ( 3 ) 定子三相是对称的，各绕组在空间上互差1 2 0 。 ( 4 ) 反电动势是正弦的。 在以上假设下通过坐标变换可以建立永磁同步伺服电机的数学模型： ( 1 ) 在定子坐标系中，通过3 2 变换，将定子三相电流( 矗- 、s 。、氏) 分解 为两相正交电流( t 、j 。) 。 ( 2 ) 将定子坐标系中的两相正交电流( 厶五) 转换为转子坐标系中的两相 正交电流( 1 。、l q ) 。d q 坐标