（检测技术与自动化装置专业论文）轮胎x射线无损检测方法的研究.pdf

： 轮胎x 射线无损检测方法的研究 摘要 本文在对双工位x 射线检测设备电气控制系统进行任务分析的基础上，详细 对其硬件部分进行了设计。完成了以“p l c + i 控机+ 触摸屏为基础的轮胎x 射 线无损检测自动控制系统，包括主控装置p l c 、功能模块、人机界面等的配置以 及电路原理图的详细设计。在选用p l c 作为现场控制器的基础上，确立了伺服系 统和变频系统的组成结构。其中，轮胎调速控制采用交流变频调速技术，p l c 采 用开关量信号控制变频器。位置控制利用伺服驱动系统，采用半闭环控制，借助 接近开关，利用p l c 和定位模块作为控制器控制伺服电机，从而驱动主机装置精 确地实现对轮胎的定位。通过触摸屏，建立良好的人机对话控制界面，实现生产 的实时监控、动态显示、事故报警、生产报表等功能，极大的提高了生产企业轮 胎无损检测的自动化程度。分析了控制要求，采用s f c 编程方法完成了p l c 控 制程序的设计，主要包括自动控制、定位、复位的软件实现。p l c 程序是整个控 制系统的核心。 图象质量评价的研究是图象信息工程的基础技术之一。本文对目前一些典型 的数字图象质量评价方法进行了简要综述，最后采用了无参照质量评价的狄度平 均梯度值法作为评价标准。与传统的质量评价标准相比，该方法对图象质量的评 价更全面、更符合人眼的视觉感受。以提高图像质量为目的，对线性探测器数字成 像系统进行全面分析，探讨其成像质量的影响因素，认为管电压和管电流是影响成 像质量的主要因素，并建立相应的g m g 数学模型，为后续图像处理提供了依据。 本文分析了当前国内外轮胎x 射线检测技术的发展现状，根据管理及控制功 能需求，充分研究了相关系统组件的工作原理及性能指标，据此进行控制系统功 能设计及硬件选型。详细研究了管电压、管电流等因素对图像质量的影响并建立 了模型。最后，本文总结了目前取得的成果，并指出了未来研究的方向。 关键词：x 射线轮胎无损检测可编程控制器图象质量评价响应面法灰度平 均梯度值 i 冱s e a r c ha b o u tt y r e n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o ns y s t e mx r a yi 【a g i n g a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s i g n st h eh a r d w a r ei nd e t a i lo nt h eb a s eo ft a s ka n a l y s i so f t w o p o s i t i o n sxr a yd e t e c t i o nd e v i c e se l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m t a k i n g ”p l c + p c + p t 什 a st h ef o u n d a t i o n , t h i st o p i cc o m p l e t e sx r a yn o n d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o na u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m ，i ti n c l u d e st h ec o n f i g u r a t i o no f m a i nc o n t r o lp l c ，f u n c t i o n a lm o d u l e , h m ia n ds oo n , a sw e l la ss c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a m sd e t a i l e dd e s i g n m a k i n gu s e o fp l c 勰t h ef i e l dc o n t r o l l e r , w ee s t a b l i s h e dt h ec o n s t i t u t eo fs e r 、，0s y s t e ma n d t r a n s d u c e r s p e e dr e g u l a t i o n c o n t r o l a d o p t s t h ev a r i a b l e f r e q u e n c ya d j u s t i n g t e c h n o l o g y , p l cc o n t r o l si n v e r t e r sb ya d o p t i n ge x t e n d e dm e m o r yc o m m u n i c a t i o n p o s i t i o n i n gc o n t r o lu s e ss e r v ed r i v i n gs y s t e m , a d o p t sh a l fc l o s e dl o o pc o n t r o l ，g e t s h e l pf r o mp r o x i m i t ys w i t c ha n dm a k e su s eo fp l ca n dp o s i t i o m n gm o d u l e 弱 c o n t r o l l e r sc o n t r o l l i n gt h es e r v em o t o r , a n dd r i v e st h eh o s td e v i c et oa c h i e v et y r e s o r i e n t a t i o n a c c u r a t e l y t h r o u g h t h et o u c h s c r e e n , e s t a b l i s h e st h eg o o d h u m a n - m a c h i n ed i a l o g u ec o n t r o li n t e r f a c e , a c h i e v e st h er e a l t i m em o m t o ro ft h e p r o d u c t i o n , t h ed y n a m i cd e m o n s t r a t i o n , t h ea c c i d e n ta l a r m ，p r o d u c t i o nr e p o r ta n de t c , e n o r m o u s l y e n h a n c e st h ea u t o m a t i z a t i o n d e g r e eo ft h et y r en o n d e s t r u c t i v e e x a m i n a t i o n t h r o u g ha n g l i c i z i n gt h e c o n t r o lr e q u e s t s ，c o n t r o la l g o r i t h m s a le p r o v i d e d ，a n dt h e p l cc o n t r o lp r o g r a md e s i g ni s c o m p l e t e db yt h em e t h o do f m o d u l a rp r o g r a m m i n g , w h i c hi n c l u d e st h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fa u t o c o n t r o l ， o r i e n t a t i o na n dr e p l a c e m e n t p l cp r o g r a mi st h em o s ti m p o r t a n tf o rt h ec o n t r o l s y s t e m r e s e a r c ho nq u a l i t ya s s e s s m e n to fd i g i t a li m a g e si sm e a n i n g f u lf o rt h ei m a g e p r o c e s s i n gp r o j e c t s i nt h i sp a p e r , s o m et y p i c a lm e t h o d s0 1 1i m a g eq u a l i t ya s s e s s m e n t a r eb r i e f l yr e v i e w e d ，a n dan e wm e t h o db a s e do nu n r e f e r e n c e dg r a ym e a ng r a d si s i i i a d o p t e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o di t se v a l u a t i o ne f f e c tw i l lb em o r e c o m p r e h e n s i v ea n dc o n s i s t e n tw i t hh u m a np e r c e p t i o n i no r d e rt oe n h a n c et h ei m a g e q u a l i t y , t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ei m a g i n gq u a l i t yw e r ed i s c u s s e db ya n a l y z i n g c o m p r e h e n s i v e l yt h ed i g i t a li m a g i n gs y s t e mo fl i n c a r i t yd e t e c t o r i tw a s b e l i e v e dt h a t t h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n tw e r em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ei m a g i n gq u a l i t y , a n d t h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sb u i ru p ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a l b a s i sf o ri m a g ed i s p o s a ld e t e c t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o n so ft h et y r e d e t e c t i o nt e c h n i q u eb a s e do nxr a ya th o m ea n da b r o a dp r e s e n t l y o nb a s i so ft h e r e q u i r e m e n t s o fm a n a g e m e n ta n dc o n t r o lf u n c t i o n ， o p e r a t i n gp r i n c i p l e s a n d p e r f o r m a n c ei n d i c e so f r e l a t e ds y s t e mc o m p o n e n t s ，w ed e s i g n e dt h es y s t e mf u n c t i o n a n dc h o s et h eh a r d w a r e t h e n ，t h ep a p e rd e t a i l e di n t r o d u c e st h ee f f e c to ft h ev o l t a g e a n dc u r r e n t , a n de s t a b l i s ham o d e l f i n a l l y , as u m m a r yo ft h ep a p e ri sm a d ei nt h e e n d i ts u m m a r i z e st h ei d e ao ft h ep a p e ra n dp o i n t so u tt h er e s e a r c hd i r e c t i o nf o rt h e n e x ts t e l ) k e y w o r d ：x r a yt y r en o n d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o np r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r q u a l i t ya s s e s s m e n to fi m a g er e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g yg r a y m e a ng r a d s 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 国内外现状及发展2 1 3 本论文的主要研究工作3 第二章轮胎无损检测控制系统总体方案设计4 2 1 双工位x 射线检测设备4 2 1 1x 射线检测设备的组成4 2 1 2x 射线检测设备的工艺流程5 2 2 检测设备总体方案设计6 2 3 本章小结7 第三章x 射线检测设备控制系统硬件结构设计8 3 1 控制系统总体方案设计8 3 2 控制系统硬件结构设计9 3 2 1 控制系统硬件结构需求分析9 3 2 2p l c 及模块选型1 0 3 2 3 电气控制回路设计1 8 3 2 4 伺服变频系统设计2 0 3 2 5x 射线发射接收系统设计2 3 3 2 6 安全连锁系统设计2 6 3 2 7 触摸屏3 0 3 3 本章小结3 l 第四章p l c 控制系统软件开发3 2 4 1 检测系统应用软件功能分析3 2 4 1 1p l c 软件概述3 2 4 1 2 软件功能分析3 3 4 2 总体框架开发3 4 4 3 规格测量子程序4 l 4 4 采图处理程序4 2 4 5 触摸屏操作界面设计4 6 4 6 本章小结4 7 第五章双工位x 射线检测设备图像清晰度建模4 9 5 1 图像的质量评价4 9 v 5 1 1 图象质量的主观评价4 9 5 1 2 图像质量的客观评价5 0 5 2 影响图像质量的因素分析5 3 5 2 1 散射的影响5 3 5 2 2 焦点的影响5 4 5 2 3 管电压和管电流的影响5 7 5 2 4 积分时间的影响6 l 5 2 5 转速的影响6 l 5 3 基于响应面法的灰度平均梯度数学模型6 3 5 3 1 响应面法6 3 5 3 2 图像灰度平均梯度g m g 建模6 5 5 4 本章小结6 7 总结与展望6 8 参考文献6 9 致谢7 1 攻读学位期间发表的学术论文目录7 2 独创性声明7 3 关于论文使用授权的说明7 4 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 无损检测技术是现代工业发展必不可少的有效工具之一，它在保证产品质 量、提高生产效率等方面有着重要作用。无损检测技术包含射线检测、超声检测、 涡流检测等众多的无损检测方法。其中，x 射线检测由于具有直接、便于定量判 定等优点而一直受到人们的极大关注。现代生产技术的飞速发展，无论是在检测 的数量上，还是在检测的质量上，都对这种检测方法提出了更高的要求。 随着我国公路交通突飞猛进的发展，市场对轮胎的质量提出了更高的要求。 市场需要高安全性，高速适应性，和高超载性的轮胎。保证轮胎质量的一个重要 检验项目就是对轮胎的骨架材料的完好性和轮胎部件的位置误差进行检验。x 射 线被广泛应用于轮胎检测【1 2 3 1 ，x 射线技术的形成已有近1 0 0 年的历史，x 射线 源、探测器和电子元件也比较完善。利用x 射线穿透效应对轮胎缺陷进行成像检 测。由于轮胎内部各部分的材料不同，厚度和密度不同，那么各部分对x 射线的 吸收也就不同，组织密度高的部分吸收x 射线越多；相反，组织密度低部分吸收 x 射线越少。由于吸收程度不同，在x 射线接收器上收到的x 光辐射量也不同。 利用光电传感器把x 射线辐射的光信号转换成对应的“模拟电信号，经a d 转 换后，变换成对应的数字图像信号，得到轮胎断面上各单位面积上x 射线的辐射 量，其结果形成了数字矩阵，经过图像处理软件处理，把轮胎断面的结构转换成 用黑白不同的灰度等级表示的图像，在对应的显示器上显示出来。轮胎x 射线无 损检测主要用于完成轮胎内部帘线排列状况、钢丝带束层排布情况、气孔、裂缝、 裂纹和杂质的检验及胎圈部位、子口包布反包高度、三角胶与钢丝圈的粘合情况、 胎面和带束层是否贴正的检验。 轮胎的安全性非常重要，直接关系到乘用人员的生命。轮胎的安全性不良会 造成交通事故，因此轿车和轻卡子午胎的x 射线检验就显得十分关键和重要。据 统计，目前国内外所有轿车和轻卡轮胎的x 射线检验率都为百分之百。高速度等 级轿车轮胎x 光检查的项目也从以前的只检查带束层扩大到检查胎体帘线及子 口包布，有些轮胎公司还对轮胎胎肩部位和子口部位的气泡进行检验。对轮胎生 产厂家来说，高效x 射线检验设备可以排除人为因素的干扰，能保证轮胎质量检 验的可靠性、一致性和稳定性，从而提高轮胎质量，增强生产者对轮胎质量的承 轮胎x 射线无损检测方法的研究 诺信心，有效地促进市场销售，提高企业的经济效益和整个轮胎行业的社会效益。 双工位检验形式能极大地提高轮胎检测效率，为企业节省了资源。它是采用 两个完全相同的射线防护室( 铅房) 和两套完全相同的检验机构，轮胎采用交替 检验的方式，这样不但可以提高工作效率，还可以让设备的核心器件得以充分休 息，以保证光管的寿命，降低轮胎检测成本。由于每个工位独立性很强，一旦因 设备故障需要停车维修，只需停用故障相关工位，另一工位仍可以正常工作，可 以减少设备故障停机率。 1 2 国内外现状及发展 国外工业发达国家进行轮胎x 射线检验，开始于上个世纪7 0 年代，l o 年后 迅速扩大应用。目前，轮胎x 射线检验机的生产厂家主要有德国科曼、德国依科 斯朗、赛博耐特。这些设备结构先进、工艺成熟、设备运行稳定可靠，是对轮胎 进行x 射线检验的典范。下面就德国科曼公司和德国依科斯朗公司的产品以及其 技术状况进行简单的描述，让我们对轮胎x 射线检验机的国外发展状况多一些了 解。 德国科曼公司是全球最大的x 射线检测设备制造商，具有一百多年的历史。 根据用户的不同需求，系列化开发了多种不同规格的轮胎x 射线检验机，形成模 块化轮胎检测系统。它包括手动、半自动，单工位、双工位等不同产品系列。设 备有以下特点： 1 、安全可靠。检验室用铅板全部封闭，射线泄漏量经国家职能部门检测满 足安全要求，不会对人体造成伤害。 2 、检验时轮胎竖直放置，避免轮胎水平放置时由于自重变形而引起的图像 变形。 3 、系统低噪音。动态稳定性好。即使照射强度很高轮胎厚薄不同部位也可 以同时得到清晰的图像和照片。 4 、成像对比度高。通过特殊技术极大地减小了x 射线的散射，取得了优越 的图像对比度。 缺点是结构复杂，成本较高，维护量大。 德国依科斯朗公司的前身是飞利浦公司，其介入轮胎x 射线检验领域的时间 并不太长，但公司的发展势头十分迅猛，目前已研制出代表世界最先进水平的轮 胎断层检验机( 轮胎c t 机) 。其m t i s 模块化轮胎检验系统更以其结构紧凑、维 护方便，使用可靠，组合方便等优点赢得用户的青睐，其率先在轮胎检验机上使 用周向x 光管和线阵探测器，使轮胎的检验工艺和质量有了质的飞跃，使轮胎的 2 青岛科技大学研究生学位论文 检验周期大大缩短，同时单画面高清晰度的画面和其高动态特性也是该设备的亮 点。 目前，国内尚没有研制双工位载重子午线轮胎x 射线检验设备的厂家。 1 3 本论文的主要研究工作 随着x 射线无损检测技术水平的不断提高，x 射线无损检测技术在缺陷监测 领域应用越来越广泛，对保证轮胎产品的质量发挥着越来越重要的作用。本课题 研究目的是针对子午线轮胎，基于工业x 射线实时检测技术原理提出了一套双工 位检测方案，并在此基础上设计了检测设备控制系统硬件和软件部分。各章节如 下： 第一章绪论。介绍选题的目的和意义，简要说明轮胎x 射线检验机的现状 和国内外发展概况，列出本文的主要工作。 第二章轮胎无损检测控制系统总体方案设计。介绍了双工位x 光机的主要 组成结构和工艺过程。根据系统总体需求分析，设计控制系统的总体框架。 第三章控制系统硬件结构设计。对系统的硬件组成进行详细的分析和设计， 包括p l c 和各模块的选型，故障报警系统设计和x 射线发射系统选型和设计， 辅助装置的设计。 第四章控制系统软件设计。首先根据双工位x 射线检验机的工艺要求和硬 件配置，将自动化任务分解为能够反映过程工艺、功能或可以反复使用的任务块， 设计程序流程图，通过调用块来完成整个自动化任务，最后再组成总体程序。主 要有伺服系统程序设计和变频器系统程序设计、部分功能子程序块。其次设计人 机界面，主要包括欢迎画面、工作主画面、自动画面、手动画面、教学画面、帮 助画面、报警信息画面等。最后通过联机运行，实现轮胎送入、规格和重量测量、 图像检测、排胎全过程的全部自动控制。观察显示屏上轮胎图像，实现对用户信 息和轮胎废次品的管理。 第五章x 射线检测设备图像清晰度建模。首先对图像质量的评价进行了分 析，分为有参照评价和无参照评价。探讨了管电压、管电流、转速、积分时间等 因素对图像质量的影响。介绍了响应曲面法，并以灰度平均梯度为目标建立了一 套关于管电压和管电流的模型。 轮胎x 射线无损检测方法的研究 第二章轮胎无损检测控制系统总体方案设计 y l x - 2 z w l 5 2 7 型双工位翻转式载重轮胎x 射线检测设备用于完成载重子午 线轮胎内部结构的高效检测。双工位检测方式采用了两套完全相同的射线防护室 和两套完全相同的检验机构，相对于单工位或卧式x 光机，这种轮胎检验方式采 用交替检验的方法，极大地提高了工作效率。每个工位独立性很强，一旦设备因 故障停车维修，只需停用故障工位，另一个工位仍可以正常工作。主机各精确定 位轴采用伺服系统控制，输送部分采用变频器控制，定中采用气动系统。整个检 测设备可三班连续运行，保证企业生产需要。 2 1 双工位x 射线检测设备 2 1 1x 射线检测设备的组成 双工位x 射线检测设备整体布局如图2 1 所示，一台双工位检验设备由两套 主机和一些辅助装置组成。它最基本的组成部分有以下：主机设备、防护设备、 输送装置、射线发射接收装置。 现场a 7 图2 1 设备整体布局 f i g 2 - 1t h ew h o l ed e v i c ep o s i t i o n ( 1 ) 主机设备 每个铅房内都有一套主机，用来将轮胎固定在检测位置。包括驱动装置、张 收装置、伸缩装置、旋转装置、射线管和探测器升降装置。两套主机结构完全一 样，保证了检测的位置和定位数据无差异。 4 青岛科技大学研究生学位论文 ( 2 ) 防护装置 铅房内采用方管焊接成牢固的架构，外用铅板和钢板组装而成，以保证整个 铅房的可靠性，铅房前门采用伺服电机驱动滚珠丝杠，以实现自动开合，后门采 用手动开合的方式，以方便设备的检修。x 射线防护室为钢板铅板钢板复合结 构，有一个检修门，一个轮胎进出门，并在门上设计安全保护联锁装置。 ( 3 ) 输送装置 输送装置包括爬坡输送装置、定中输送装置、l 撑输送装置、2 撑输送装置、卸 胎装置。采用变频器控制的普通电机来驱动，来完成轮胎的送入、测量和送出。 ( 4 ) 射线发射和接收装置 x 射线发生装置是用来产生x 射线的部分，它包括高压发生器、x 射线管、 x 射线发生控制器等几部分组成【4 】。x 射线管是x 射线发生装置的核心，射线管 的技术性能是判断x 射线检测装置优劣的主要因素之一。x 射线接收转换装置的 作用是将不可见的x 射线转换为可见光，又称为图像成像系统，本课题采用基于 线阵扫描探测器的成像系统。 2 1 2x 射线检测设备的工艺流程 采用线探测器阵列进行二维成像的辐射成像技术是一种重要的无损检测技 术【5 】。它通过探测器阵列和被检客体的相对移动来产生被检客体每一断面的线投 影，经软件编程生成二维图像。产生相对移动有两种方式：一是被检客体不动， 射线源与探测器阵列移动；二是射线源与探测器阵列不动，被检客体移动。在一 般情况下，射线源和探测器为了防止震动而不便移动。这时，方式二有很大的优 越性。双工位检测采用这种采集方式，由两套完全相同的检测设备组成，统筹考 虑测量工位、1 群铅房、2 j 铅房等运行状态，综合判断轮胎的送入送出时间与位置， 以达到效率最优化。 下面以l 撑工位为例，说明x 光检测过程： 爬坡运输带上有待检的轮胎时，输送带电机运转，将轮胎输送到定中心工位。 检测光电开关检测到轮胎后，气缸驱动定中抱臂将轮胎定在输送辊道中间位置。 然后轮胎继续被送到尺寸测量装置上。通过尺寸测量，下位机获取所测轮胎的规 格，并在需要时将数据传递给上位机。主机检测装置根据轮胎规格进行等待位置 定位。如果主机检测工位没有轮胎，待检轮胎便进入夹持和翻转驱动装置，伺服 电机旋转带动左右移动架滑动，两央持臂央住轮胎。然后伺服电机带动翻转装置 将轮胎由水平状态翻转9 0 。，呈竖直状态立于测试铅房门口，同时铅房门打开。 主机运动机构前进，将4 根扩胎杆插入轮胎子口内，扩胎装置将导杆撑开撑 5 轮胎x 射线无损检测方法的研究 住轮胎，翻转架夹持臂松开，主机运动机构后退至检测位置。导杆同时伸出，将 轮胎子口扩开，同时铅房门关闭，射线管和探测器定位。轮胎旋转时，x 射线探 测器接收到射线信号后将光信号转换成数字信号送给图像处理器，图像处理器再 将数字信号还原成图像信号进行显示及储存。当完成轮胎一圈检测后，x 光管停 发射线，x 光管装置、探测器装置分别复位，铅房门打开，主机运动机构前进将 轮胎送给翻转驱动装置，翻转架夹持臂抱住轮胎并转为水平位置，水平输送辊道 将合格的轮胎直接输送出去，将不合格轮胎报警后输出，从而完成一条轮胎的整 个检测过程。 2 2 检测设备总体方案设计 现在国内轮胎企业轮胎x 射线检测主要还是用的国外产品。相对于国外产 品，现研发的双工位检测设备具有以下优势： ( 1 ) 检测方式采用立式检测，避免了卧式情况下，由于轮胎自重产生的图 像变形。 ( 2 ) 双工位检测方式效率高，两个工位轮流检测，可以使核心部件得以休 息，延长使用寿命。 ( 3 ) 在一个工位出现故障的情况下，另一个工位可以单独运行，为维修争 取了时间，保证了生产的连续性。 ( 4 ) 价格便宜，维修方便。 整个控制系统采用二级计算机控制结构形式，即监控管理级计算机工作站和 p l c 下位机。在控制系统内部，使用两层网络结构：工业以太网和c c l i n k 现场 总线【6 】。最上层采用以太网，通过交换机连接多台设备，包括两台上位机和触摸 屏。用于最上层的管理和监控。c c l i i l l ( 现场总线连接现场三个远程模块，对现 场对象进行控制。伺服功能模块通过s s c n e t 光纤与伺服控制器配合完成三维运 动控制系统的控制。本设备控制系统由计算机工作站、p l c 、触摸屏、伺服系统、 变频器控制系统、x 射线发生系统、x 射线接收及图像处理系统等部分组成，见 图2 2 。p l c 作为整个控制系统的核心，通过接收输入接口的开关量、称重仪表 输入的模拟量和触摸屏的实时数据，经过自由通讯口协议和中断协议的初始化、 数字量与模拟量的相互转换、自动判断轮胎的输送到位、数据计算和字符转换、 手自动选择、规格参数的调整等处理后，发送字符和数字到上位机，交互信息在 显示器和触摸屏上进行显示监控、输出开关量信号至继电器动作、判错报警信息， 控制双工位x 射线检测设备的全部工作过程。 6 青岛科技大学研究生学位论文 豳 囤固 2 3 本章小结 l x 射线接收及罔象i 处理系统 迫岁 逛岁 1 图2 - 2 控制系统结构 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e m 本章介绍了双工位x 光机的组成、原理及工艺流程，根据需求分析，论述了 目前的方案的可取之处，提出“p l c + 伺服系统+ 变频器系统”方式作为控制系统 的总体方案设计。 7 轮胎x 射线无损检测方法的研究 第三章x 射线检测设备控制系统硬件结构设计 不管是在机器制造领域还是过程工程领域，想要经济并且柔性地实现工厂自 动化，对于任何一种应用都必须有一个最适宜的方案。如何选择才是高效的、优 化的和合适的，依据系统控制需要，综合考虑其成本、组态、安装和先进性等因 素。 3 1 控制系统总体方案设计 x 射线检测设备工作时间长，需要满足轮胎企业每天三班检测。对数字量输 入输出端采取继电器隔离技术，将计算机系统和电气系统隔离开来，同时采用实 时控制系统进行计量控制和时序控制。大量的现场数据通过i o 接口直接输入， 输出控制信号也直接输出至各通道上，完成这些周期性运行的输入和输出任务， 硬件应具有以下功能： ( 1 ) 周期性的采集输入通道，周期性的将输出控制信号输至通道上 ( 2 ) 实时监控显示 ( 3 ) 周期性的采集仪表数据 ( 4 ) 生成图像并打印 根据整个检测设备的工艺流程及实际需求，硬件由p l c 、计算机工作站、触 摸屏、伺服控制器、变频器、射线系统及电器元件组成，硬件结构框图如图3 1 所示。 匝网 豳崮崮豳豳壹 圈闺吲图闺闺罔网罔罔 8 青岛科技大学研究生学位论文 3 2 控制系统硬件结构设计 3 2 1 控制系统硬件结构需求分析 对主要组成部件进行简单分析： ( 1 ) 计算机工作站 将探测器接收的信号进行变换、组合等处理，在显示器上进行全画面显示； 与p l c 进行通讯，进行轮胎规格、测试参数的存储、显示；对轮胎x 光图像进 行显示和存储，并与工厂管控系统连接。 ( 2 ) p l c 可编程控制器采用可编程序的存储器，用于其内部存储和执行逻辑运算、顺 序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字量或模拟量输入 输出设备控制，完成设备的各个工艺动作，与计算机工作站通讯、伺服驱动器和 变频调速器通讯，是x 光机的控制核心，实现轮胎旋转、探测器移动、x 射线管 移动、安全参数监控等控制功能。 ( 3 ) 伺服系统 伺服系统2 套，每套包括轮胎夹持、轮胎翻转、装胎门、驱动装置、扩胎杆 张收、扩胎杆伸缩、射线管升降、探测器升降、轮胎旋转共9 个伺服轴，在p l c 逻辑控制下完成轮胎、x 射线管、探测器的精确定位等工作。 ( 4 ) 变频器控制系统 变频器系统主要控制轮胎测量工位和l 存、2 撑工位轮胎输送功能。在p l c 逻 辑控制下，按照设定速度完成轮胎输送，定位功能。 ( 5 ) x 射线发生系统 本系统由高压发生器、x 射线控制器、水冷却器、x 射线管组成。x 射线管 为周向管，发射角度为3 0 0 。x 3 5 。，射线管最高电压为1 2 0 k v ，功率4 8 0 w ，最 高管电压下的最大管电流为4 m a ，在满足安全连锁条件下发出x 射线。控制器 可调节x 射线的强度，来满足不同规格轮胎要求。高压发生器采用高频变压技术， 最高输出电压为1 0 0 k v 。水冷却循环系统采用带压缩机的强制制冷方式，用来冷 却x 光管，以保证光管长期可靠运行。 ( 6 ) x 射线接收及图像系统 探测器将采集到的x 射线强弱转换为数字信号，并进行变换、组合，组成一 幅完整的轮胎x 光照射图供查看分析。系统由探测器、探测器放大器、数据采集 卡、图像处理服务器、显示器组成。探测器采用二极管线阵技术，形状为u 型， 整条轮胎的内部结构图在显示器上滚动显示。 9 轮胎x 射线无损检测方法的研究 ( 7 ) x 射线防护铅房 铅房能屏蔽发散的x 射线，以护周围环境和人身安全。该装置由主铅房、铅 房安全门、铅房门开关系统组成。 ( 8 ) 触摸屏 实现设备的手动模式、自动模式、教学模式的切换，各种模式下设备动作状 态、参数等的调整。完成手动和半自动控制功能，显示系统报警信息。 ( 9 ) 闭路监控系统 由摄像头和监控显示器组成，监控系统实时监控铅房内设备运行情况。 ( 1 0 ) 测量传感器 系统所有输入光电开关采用欧姆龙常开光电开关。测量轮胎规格传感器采用 欧姆龙激光测距传感器。 ( 1 1 ) 安全连锁装置 系统设置了7 个急停按钮用于紧急停车，分别位于操作室触摸屏，l 群铅房、 2 群铅房、输送工位和卸胎工位，保证人身和设备安全。 3 2 2p l c 及模块选型 1 p l c 的发展 p l c 由g m 公司在1 9 6 8 年首次开发成功，其核心思想是用程序代替硬接线、 输入输出电平可与外部装置直接相联、结构易于扩展。具有柔性好、体积小、可 靠性高、价格低廉、可在线更改程序、对环境条件无要求等多种特点。随着数据 通讯技术的发展、集成电路技术，微处理器的出现，p l c 也迅速发展，硬件软件 功能不断强化。由于其强大的功能，诸多的优点，p l c 在国内外已广泛应用于汽 车、机械制造、化工、轻纺、钢铁、石油、电力、建材、交通运输、环保及文化 娱乐等各个行业。 在它的发展历史上经历了三个阶段： ( 1 ) 早期的p l c ( 6 0 年代末一7 0 年代中期) 早期的p l c 一般称为可编程逻辑控制器。其主要功能只是执行原先由继电器 完成的顺序控制，定时等功能。在硬件上以准计算机的形式出现，i o 接口电路 上做了改进来适应工业控制现场的要求。在软件编程上，采用广大电气工程技术 人员熟悉的梯形图这种继电器控制线路的方式并且一直沿用至今。 ( 2 ) 中期的p l c ( 7 0 年代中期瑚0 年代中、后期) 在7 0 年代，微处理器的出现使p l c 发生了巨大的变化。美国，德国，日本 等一些厂家先后开始采用微处理器作为p l c 的中央处理单元。在软件方面，不但 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 保持了其原有功能，还增加了算术运算、通讯、自诊断、数据处理和传送等功能。 在硬件方面，增加了远程i o 模块和其他各种特殊功能模块，并扩大了存储器的 容量，增加了各种逻辑线圈的数量，还提供了一定数量的数据寄存器，扩大了p l c 的应用范围。 ( 3 ) 近期的p l c ( 8 0 年代中、后期至今) 进入8 0 年代中后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的 市场价格大幅度下跌，各种类型的p l c 所采用的微处理器的档次普遍提高。为了 进一步提高p l c 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。 这样使得p l c 软、硬件功能发生了巨大变化口1 。 p l c 发展至今，仍有着很强的生命力，在工业领域发挥着举足轻重的作用。 在面临其他控制器的挑战的同时，它也有着自己的发展方向： ( 1 ) 向高速度、大容量方向发展喁1 。 为了提高p l c 的处理能力，要求p l c 具有更好的响应速度和更大的存储容量。 p l c 的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。目前，有的p l c 的扫描速度可达 0 1 m s k 步左右。在存储容量方面，有的p l c 最高可达几十兆字节。为了扩大存 储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。 ( 2 ) p l c 大力开发智能模块，加强联网通信能力 为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如温 度控制模块、远程i o 模块、高速计数模块、通信和人机接口模块等。这些带c p u 和存储器的智能i o 模块，既使用灵活方便，又扩展了p l c 功能，扩大了p l c 应 用范围1 。加强p l c 联网通信的能力，是p l c 技术进步的潮流。p l c 的联网通信 有两类：一类是p l c 之间联网通信，各p l c 生产厂家都有自己的专有联网手段； 另一类是p l c 与计算机之间的联网通信n 们，一般p l c 都有专用通信模块与计算机 通信。为了加强联网通信能力，p l c 生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准， 以构成更大的网络系统。 ( 3 ) 向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型p l c 比较多，为了适应市场的多种需要，今后p l c 要向多品种 方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有f o 点数达1 4 3 3 6 点 的超大型p l c ，其使用3 2 位微处理器，多c p u 并行工作和大容量存储器，功能 强。为了市场需要已开发了各种经济简易的超小型微型p l c ，最小配置的f o 点 数为8 1 6 点，能适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司q 系列p l c 。 ( 4 ) 增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明：在p l c 控制系统的故障中，i o 接口1 5 ，c p u 占5 ， 输出设备占3 0 ，输入设备占4 5 ，线路占5 。前二项共2 0 故障属于p l c 的 轮胎x 射线无损检测方法的研究 内部故障，它可通过p l c 本身的软、硬件实现检测处理；而其余8 0 的故障属于 p l c 的外部故障。因此，p l c 生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的 专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。 ( 5 ) 编程语言多样化 在p l c 系统结构不断发展的同时，p l c 的编程语言也越来越丰富，功能也不 断提高。除了大多数p l c 使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了 面向过程控制的流程图语言、面向顺序控制的步进编程语言、与计算机兼容的高 级语言( c 、b a s i c 语言等) 等。多种编程语言的并存、互补与发展是p l c 进步的 一种趋势。 2 三菱q 系列p l c 的优点 国际上比较知名的p l c 品牌主要有欧姆龙、三菱、西门子等，三菱p l c 除 了具备一般p l c 的特点，具有一般p l c 的各种功能外，与其他品牌相比，主要 还有以下优点： ( 1 ) 性价比高 与具有同样功能类型的西门子p l c 相比，三菱q 系列p l c 占有价格优势， 特别是在中小型控制系统的应用中，三菱q p l c 占有绝对优势，在我国中南部占 有大部分市场。 ( 2 ) 性能好，功能强大 三菱q p l c 以性能稳定，扫描时间短，高速度、高响应著称。例如三菱 q 0 2 h c p u 处理速度，输入( l d ) 为3 4 n s ( 纳秒) ，输f l j ( m o v ) 为1 0 2 n s ( 纳秒) ，扫描 时间可以最低可以设为0 5 m s 。系统可以内置两个c p u ，一个是基本型c p u ，一 个是运动控制或者过程控制c p u ，专业处理数据和模拟量。软件方面，编程界面 友好，可以通过粘贴连接功能块以及设定参数，轻易的编辑控制程序，系统组态 和调试方便，并且支持在线程序的更改( 西门子p l c 程序写入时，c p u 必须打 到s t o p 模式) 。三菱c c l i i l l ( 现场总线通信研发和公布的时间相对较晚，在业 内的硬件和软件的基础相对较为完善和先进，是亚洲唯一可以与欧美抗衡的现场 总线。 ( 3 ) 好学易用 学习使用三菱p l c 上手快，三菱q p l c 编程符合亚洲人的思维模式。例如脉 冲指令，三菱只需在触点中间加个箭头，而西门子得软件就要在程序中加上n 和 p 。所以在有些细节方面三菱p l c 比较符合用户的使用习惯，可维护性强，编程 浅显易懂。 由于三菱q p l c 自身的诸多优点，赢得了各国用户的好评，尤其在亚洲有很 高的市场占有率。 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 3 p l c 模块选型 1 多c p u 系统 根据双工位x 射线检测设备的工艺要求，需要以较快的扫描执行程序，满足 输入输出点数，而且调试方便( u s b 口) ，选择q 系列高性能c p u q 0 2 h c p u 。 c p u q 0 2 h c p u 主要性能参数如下：输入输出点数为4 0 9 6 ；输入输出软元件 数为：8