網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在Ｘ射線工業(yè)的應(yīng)用

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摘要：X射線工業(yè)CT（計算機(jī)斷層掃描）可以展現(xiàn)被檢測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、航天航空、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。CT圖像的生成是一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集—重建過程，其過程涉及大量的數(shù)據(jù)采集與傳輸和復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)時穩(wěn)定傳輸是首要前提。本文從X射線工業(yè)CT的基本成像理論入手，以錐束X射線工業(yè)CT為例探討網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在X射線工業(yè)CT數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：X射線；工業(yè)CT；光纖網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)以太網(wǎng)

1概述

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CT（計算機(jī)斷層掃描）技術(shù)被逐漸引入工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，這種通過外部投影數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法［1］很好地展現(xiàn)了無重疊狀態(tài)下被檢測物體的內(nèi)部情況。X射線工業(yè)CT涉及到許多學(xué)科的綜合應(yīng)用，本文僅以錐束X射線工業(yè)CT為例，探討網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在X射線工業(yè)CT數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。

1．1X射線工業(yè)CT成像的基本理論概述

［1］X射線照射被檢測物體時，不同物質(zhì)（密度差異）對透照射線的衰減量不同，衰減規(guī)律符合比爾定律：I＝I0e－μx（1）式中I0—入射X射線強(qiáng)度；I—出射X射線強(qiáng)度；X—透照厚度；μ—材料的線性衰減系數(shù)。CT圖像反映的是被檢測對象某一斷層結(jié)構(gòu)的圖像，如果將該斷層劃分為若干個均勻的單元，每個單元的線性衰減系數(shù)分別為μ1，μ2，μ3……μN(yùn)，單一X射線路徑上的長度分別為x1，x2，x3……xN，假設(shè)單元尺寸足夠小則可以認(rèn)為x1＝x2＝x3＝xN＝Δx，根據(jù)式（1）對于該射線透照若干個單元后入射和出射強(qiáng)度關(guān)系可以寫為：（3）對于式（3）入射強(qiáng)度I0和出射的強(qiáng)度I的比值可以從射線探測器中獲取，p為X射線穿透物體后的投影數(shù)據(jù)，包含了X射線強(qiáng)度信息和位置信息，在測量單元尺寸縮小以后，其數(shù)值上等于X射線路徑上線衰減系數(shù)的線積分。從X射線源發(fā)出的射線束中包含若干條單一射線，透照物體后到達(dá)射線探測器的各個像素單元，形成了一系列與式（3）相同的關(guān)于線性衰減系數(shù)的方程，這些方程組成了線性衰減系數(shù)矩陣，按照一定的算法求解線性衰減系數(shù)的分布并用計算機(jī)圖像的形式表示出來就形成了斷層圖像。

1．2錐束X射線工業(yè)CT工作原理概述

錐束X射線工業(yè)CT主要由X射線源、X射線探測器、圖形工作站、CT圖像采集及重建軟件、多軸機(jī)械運(yùn)動平臺、PLC控制系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、X射線防護(hù)室等組成。圖1是一種錐束X射線工業(yè)CT的結(jié)構(gòu)示意圖，X射線源與X射線探測器固定不動，被檢測物體放置于轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺可以圍繞其轉(zhuǎn)動軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)同時可以在水平面內(nèi)沿X軸和Y軸移動，轉(zhuǎn)臺也可以在垂直平面內(nèi)作升降運(yùn)動即Z軸運(yùn)動。設(shè)備工作時，由X射線源發(fā)出錐束射線，X射線穿透被檢測物體或直接照射到X射線探測器上形成投影數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集軟件按轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一般需要在被檢測物體旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)完成有效數(shù)據(jù)的采集。

1．3錐束X射線工業(yè)

CT通信網(wǎng)絡(luò)的總體框架為了求解該線性衰減系數(shù)矩陣從而得到被檢測物體的斷層圖像，需要從X射線探測器中讀取被檢測物體在不同角度的透照數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是在被檢測物體動態(tài)旋轉(zhuǎn)過程中得到的，而且旋轉(zhuǎn)角度（步進(jìn)角）劃分越細(xì)微圖像效果越好。大量數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定、實(shí)時傳輸是數(shù)據(jù)采集過程的硬性需求，否則將影響重建圖像的質(zhì)量。通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)傳輸是錐束X射線工業(yè)CT數(shù)據(jù)傳輸過程中的一個有效手段，圖2所示為一種錐束X射線工業(yè)CT中的網(wǎng)絡(luò)總體框架，X射線探測器與圖形工作站之間采用光纖網(wǎng)絡(luò)連接，PLC控制系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，PLC控制系統(tǒng)與圖形工作站之間采用工業(yè)以太網(wǎng)連接。本文中涉及的網(wǎng)絡(luò)通信部件有XRD1621數(shù)字平板探測器、高性能圖形工作站、S7－1500PLC控制系統(tǒng)和S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

2光纖網(wǎng)絡(luò)在錐束X射線工業(yè)CT的應(yīng)用

XRD1621數(shù)字平板探測器像素矩陣為2048×2048＠16bit，每幀圖像的大小約為8．2MB，如圖像數(shù)據(jù)采集過程中采集720幀～1200幀圖像，那么總傳輸量大約為5．8GB～9．6GB，圖像數(shù)據(jù)采集軟件大約1s采集一次數(shù)據(jù)即每秒至少需要傳輸8．2MB數(shù)據(jù)。探測器每幀圖像以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送，根據(jù)上述理論計算，該數(shù)據(jù)包只能采用以太網(wǎng)的方式進(jìn)行傳輸。對于百兆以太網(wǎng)而言，其理論傳輸速度為12．5MB／s，但是在實(shí)際應(yīng)用中由于線路的損害、設(shè)備自身、預(yù)留帶寬等原因傳輸遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論值，而平板探測器幀數(shù)據(jù)包傳輸需求接近百兆以太網(wǎng)的能力上限，如果使用百兆以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸很容易造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，導(dǎo)致不能得到正確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，影響CT圖像的重建效果和精度。因此，XRD1621數(shù)字平板探測器和圖形工作站之間采用了傳輸速度更快、穩(wěn)定性更高的以光纖為傳輸介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在硬件接口方面，探測器提供了光纖網(wǎng)絡(luò)的接口，圖形工作站配套了專用的帶光纖網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)采集卡；在軟件方面，可以直接調(diào)用SDK進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。千兆以太網(wǎng)的傳輸速度是百兆以太網(wǎng)傳輸速度的10倍，理論值可以達(dá)到125MB／s，可以輕松應(yīng)對平板探測器幀數(shù)據(jù)包傳輸需求，采用光纖作為傳輸介質(zhì)可以最大程度地減少數(shù)據(jù)傳輸中的帶寬損耗和電磁干擾。光纖網(wǎng)絡(luò)很好地滿足了X射線工業(yè)CT大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集過程中的高速、穩(wěn)定的傳輸要求。

3工業(yè)以太網(wǎng)在錐束X射線工業(yè)CT的應(yīng)用

為了得到被檢測物體的層析圖像，除了需要大量的基礎(chǔ)圖像數(shù)據(jù)外，還需要知道被檢測物體的位置數(shù)據(jù)，這些位置數(shù)據(jù)雖然數(shù)據(jù)量不大，但是必須保證準(zhǔn)確性、實(shí)時性，錯誤或錯位的位置數(shù)據(jù)會影響重建圖像的精度和質(zhì)量，這些位置數(shù)據(jù)均來自于PLC控制系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)為錐束X射線工業(yè)CT位置數(shù)據(jù)的獲取提供了一個很好的解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)是將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，一般是數(shù)據(jù)鏈路層和物理層使用以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)用層根據(jù)工業(yè)控制需求被各個廠家重新定義。使以太網(wǎng)具有更高的可靠性、實(shí)時性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等，響應(yīng)時間可以達(dá)到毫秒級別，更適合工業(yè)現(xiàn)場的使用要求。

3．1PROFINET通信應(yīng)用

PROFINET由PROFIBUS國際組織推出的基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)，包括了實(shí)時以太網(wǎng)、運(yùn)動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等的解決方案，PROFINET傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包被區(qū)分優(yōu)先次序，以確保數(shù)據(jù)實(shí)時性。在圖1所示的錐束X射線工業(yè)CT中，運(yùn)動機(jī)構(gòu)有轉(zhuǎn)臺（即被檢測物體）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、X方向運(yùn)動、Y方向運(yùn)動和Z方向運(yùn)動，這些運(yùn)動均由伺服電機(jī)驅(qū)動，各運(yùn)動機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置值和運(yùn)行狀態(tài)由伺服驅(qū)動系統(tǒng)傳送至PLC控制系統(tǒng)。在CT數(shù)據(jù)采集中，轉(zhuǎn)臺的X方向、Y方向和Z方向的位置值不需要進(jìn)行調(diào)整，但是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動始終在進(jìn)行，而且需要準(zhǔn)確、實(shí)時地將轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度的實(shí)際值反饋到PLC控制系統(tǒng)。如圖2所示，采用S7－1500PLC控制系統(tǒng)和S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)，兩者都具備PROFINET通信接口，可以通過交換機(jī)直接組網(wǎng)，采用報文形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。報文可以理解為通信數(shù)據(jù)包，報文中包含了控制字和狀態(tài)字等信息，基本單位（PZD）為Word類型數(shù)據(jù)。本文采用西門子110標(biāo)準(zhǔn)報文完成基本定位操作，該報文由12個控制字和7個狀態(tài)字組成，其基本組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于是多軸伺服系統(tǒng)，因此轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、X方向運(yùn)動、Y方向運(yùn)動和Z方向運(yùn)動各對應(yīng)一組報文。在PLC控制系統(tǒng)中，調(diào)用“DPWR＿DAT”函數(shù)寫控制字報文，將控制數(shù)據(jù)發(fā)送至伺服驅(qū)動系統(tǒng)，用于轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動控制；調(diào)用“DPRD＿DAT”函數(shù)讀狀態(tài)字報文，將轉(zhuǎn)臺各運(yùn)動機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置值和運(yùn)行狀態(tài)讀入到PLC控制系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)將用于伺服系統(tǒng)的監(jiān)控并實(shí)時傳遞到CT圖像采集軟件。PLC控制系統(tǒng)與伺服驅(qū)動系統(tǒng)的雙向通信過程如圖4所示。

3．2OPC通信應(yīng)用

OPC（OLEforProcessControl，用于過程控制的OLE）是自動化行業(yè)中的一個開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，采用服務(wù)器／客戶機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，無需關(guān)心不同設(shè)備廠商的硬件細(xì)節(jié)和通訊協(xié)議，可以方便地實(shí)現(xiàn)多廠商、多設(shè)備之間信息的無縫集成。在圖1所示的錐束X射線工業(yè)CT中，CT圖像采集軟件需要控制轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺運(yùn)動機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置值和狀態(tài)信息要實(shí)時反饋給CT圖像采集軟件，尤其是CT數(shù)據(jù)采集中，轉(zhuǎn)臺的實(shí)際角度值更需要準(zhǔn)確、實(shí)時地反饋到CT圖像采集軟件，以便軟件將實(shí)時角度與圖像數(shù)據(jù)相對應(yīng)形成準(zhǔn)確的投影數(shù)據(jù)。如圖2所示，在圖形工作站上安裝了OPC服務(wù)器，PLC控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與圖形工作站進(jìn)行連接，兩者之間采用OPC方式進(jìn)行通信。CT圖像采集軟件讀、寫OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)就可以通過PLC控制系統(tǒng)及伺服驅(qū)動系統(tǒng)對轉(zhuǎn)臺運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，并實(shí)時獲取各運(yùn)動機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置值和狀態(tài)信息。在CT圖像采集軟件中調(diào)用西門子公司提供的動態(tài)鏈接庫直接對OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，采用變量名稱作為索引，定義訪問形式為“站點(diǎn)名稱．PLC名稱．?dāng)?shù)據(jù)塊名稱．變量名稱”。PLC控制系統(tǒng)與圖形工作站的雙向通信過程如圖5所示。

4小結(jié)

本文研究的網(wǎng)絡(luò)通信方式已在我公司研制的LY－450XCTX射線工業(yè)CT中得到應(yīng)用，可以滿足錐束X射線工業(yè)CT數(shù)據(jù)采集過程中大量數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定、實(shí)時傳輸?shù)囊螅?jīng)數(shù)據(jù)重建后二維斷層圖像能夠滿足性能要求。圖6所示為該設(shè)備獲取的某巖心樣品在力學(xué)加載過程中同一斷層的圖像，當(dāng)外部加載力發(fā)生變化后樣品內(nèi)部變化狀態(tài)清晰可見，在CT掃描過程中有大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時傳輸而且準(zhǔn)確無誤，數(shù)據(jù)重建后的斷層圖像真實(shí)反映了被檢測物體的內(nèi)部狀態(tài)變化，無偽影和錯位數(shù)據(jù)產(chǎn)生。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為錐束X射線工業(yè)CT高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信提供了可靠、有效的技術(shù)手段。（a）無加載力（b）1900N加載力（氣孔增多）圖6巖心樣品加載過程層析圖像此外，本文研究的網(wǎng)絡(luò)通信方式也拓展到了扇束X射線工業(yè)CT的應(yīng)用之中，同樣可以滿足其數(shù)據(jù)采集和通信的要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］張朝宗．工業(yè)CT技術(shù)和原理［M］．北京：科學(xué)出版社，2009．

［2］崔堅．西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南（下冊）［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

作者：李俊霖 單位：遼寧儀表研究所有限責(zé)任公司