组合移动式钴-60集装箱检查控制系统的设计与实现

    摘要：简述了基于PROFIBUS现场总线技术的PLC的特点，并详细介绍了组合移动式钴-60集装箱检查控制系统的硬件结构、软件设计以及所完成的功能。

    关键词：钴-60集装箱检查控制系统 PLC PROFIBUS现场总线

清华大学核研院继研制成功固定式（TCF-SCAN）和车载移动式（TCM-SCAN）钴-60集装箱检查系统之后，又成功研制了组合移动式（TCR-SCAN）钴-60集装箱检查系统。组合移动式钴-60集装检查系统将辐射源、探测系统、数据采集系统组成移动探测架——移动门架，在地面铺设的导轨上移动，整套系统可安装在可拆装式或永久性的建筑物中。它取消了集装箱运输卡车拖动系统，从而更加经济便捷。组合移动式钴-60集装箱检查系统为了能适应可拆装性，并能工作在条件相对恶劣的陆路边境口岸，对控制系统的稳定性、可靠性和安全性有更高的要求。

PROFIBUS现场总线是近年来国际上最为流行的现场总线，也是目前数据传输率最快的一种现场总线（传输率可达12M波特），在很多领域内有广泛的应用。因此，在组合移动多钴-60集装箱检查系统中采用基于PROFIBUS现场总线技术的西门子公司PLC产品设计其控制系统。

1 PLC简介

可编程逻辑控制器（PLC）是二十世纪八十年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。由于控制对象的复杂性、使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有自己明显的特点：可靠性高、适应性广、具有通信功能、编程方便、结构模块化。在现场集散控制系统中，PLC已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用极为广泛。

德国西门子公司的SIMATIC S7-200系列和S7-300系列PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、指令集丰富、运行速度快、易于掌握、操作便捷、内置集成功能丰富、实时性好、通讯能力强、扩展模块丰富的优点，适用于许多场合的检测、监测及控制的自动化。

2 系统硬件结构

钴-60集装箱检查系统利用γ射线与物质相互作用的原理对大型集装箱进行不开箱检查，是打击走私和防止恐怖活动的有力武器。从移动式钴-60工业γ照相机辐射源发射出的γ射线束穿过被检测物体后，进入阵列探测器转化为与射线强度成正比的电信号，经过信号放大，并进行A/D变换后送到数据采集机，得到被检测物体的二维投影图像。再把得到的被检测物体图像传送到图像服务器和图像检查系统，由海关检查人员对图像进行分析处理。

组合移动式钴-60集装箱检查系统与固定式钴-60集装箱检查系统最大的区别是被检查集装箱不动，通过安装有整套辐射测装置的移动门架在导轨上运动完成检查过程。整个控制系统图1所示，可以分为以下几个主要部分：①移动门架，安装有限列探测器及空调保温系统；②数据采集柜，安装有前放电路、A/D变换电路等电子学系统与数据采集机；③辐射源室，有辐射源、快门、安全取锁机构；④门架控制柜；⑤就地控制台；⑥主控台，作为集装箱检查系统的主操作台，安装有操作按钮与指示灯，并有一台工控机做系统的监控设备。

完成控制功能的PLC分别安装在主控台与门架控制柜中。主控台安装有一个S7-300系列的S7-315-2DP作为主站，带有3个S7-200系列的S7-215-DP和1个PP17，共4个从站。其中PP17是西门子公司新推出的一款带按钮与指示灯的模块，设计紧凑，把CPU、按钮、指示灯集成在一起作为S7-315的一个从站，省去了外转帐开关按钮、指示灯的安装与大量的接线，同时提高了可靠性与稳定性，主控台的所有操作都通过它来完成。其它3个S7-215-DP从站分别为：①采集机控制单元，增加了3个模拟信号采集模块，完成图像数据采集启停控制与环境温度、辐射剂量的采集；②起点控制单元，完成起点的道杆、指示灯的控制；③终点控制单元，完成终点道杆、指示灯的控制。门架控制柜安装有一个S7-300系列的S7-315-2DP作为主站，带有2个S7-215-DP作为从站，分别为源室控制单元和门架运行控制单元。源室控制单元完成快门的开启与关闭和实现安全联锁控制，门架运动控制单元完成移动门架的运动控制。

所有PLC之间的联网结构如图2所示，S7-315-2SP与S7-215-DP之间通过PROFIBUS现场总线相连进行通讯，主站与从站PLC的通讯是通过映象完成的，主站分配的映象地址与从站分配的对应数据区进行数据交互。2个S7-315-2DP之间通过MPI网络实现通讯，MPI网络都是主站，不分主/从站，实现点对点通讯。MPI主站之间的通讯是通过全局数据区实现的，所以全局数据区的建立与维护是相当重要的。MPI网络的数据交互通过全局数据区来完成，系统开机后自动运行并能够动态刷新数据，不受对方主站状态（如开/关）的影响。

3 系统软件设计与功能

控制系统作为组合移动式钴-60集装箱检查系统的重要组成部分之一，协调各子系统之间的动作，并保证整个集装箱检查系统安全、稳定、可靠地运行。使用S7系列PLC的编程软件STEP7可以在WINDOWS环境下进行软件设计，该编程环境还提供了PID控制、定时中断、外部事件中断、增量编码器计数器和高速脉冲输出等功能，可以完成各种控制要求。PLC程序采用模块化编程方式，程序由不同子模块构成，各子模块独立完成各自功能，互不干扰，因而程序结构清晰，便于修改与调试。组合移动式钴-60集装箱检查控制系统通过软件设计完成如下主要功能：

·可以手动方式或自动方式运行：在自动方式运行时，系统自动完成整个集装箱检查流程，实现双向检查。

·数据采集机控制：完成采集机的自检、校零和集装箱图像采集的启停。

·移动门架的控制：完成门架的启动、加速、减速、停止等运动过程，保证集装箱检查过程的顺利进行。

·起点控制：当有集装箱卡车进入时，自动打开起点道杆和保护门；卡车通过后，自动关闭起点道杆和保护门，防止人员进入检查现场。

·终点控制：当集装箱检查过程结束时，自动打开终点道杆和保护门，让卡车离开检查现场；卡车离开后终点道杆和保护门自动关闭。

·安全联锁控制：当现场有紧急情况时，如在集装箱检查的过程中有人员误入现场或系统姓故障时，系统自动关闭快门，移动门架停止运动，中断检查过程，保证人员和设备的安全。

现场指示灯控制：在集装箱检查过程中有各种指示灯显示和声光报警，包括快门指示灯、射线开指示灯等。

组合移动式钴-60集装箱检查控制系统的监控软件采用西门子公司的SIMATIC WiwCC组态软件作为控制系统的人机交互界面，运行在主控台的工控机上。WinCC为基于Windows 95/NT操作系统的开放型全图形化人机操作界面，具有组态方便、操作简单、开放性良好等特点，是一个强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小模块的简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。在任何情况下，WinCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。组合移动式钴-60集装箱检查控制系统的监控软件完成如下功能：

·以动现形式实时显示集装箱检查过程。

·显示辐射源的工作状态与检查现场辐射剂量等环境情况。

·动态反映集装箱检查设备的运行状态与运行参数。

·故障报警、显示与记录功能。

·系统运行参数的记录，形成历史记录文档，并进行用户报表输出。

·数据图表打印功能。

第一套组合移动式钴-60集装箱检查系统于2000年9月份开始在新疆霍尔果斯口岸进行现场安装调试，并于2000年10月10日投入式运行。该系统运行稳定、可靠，已成功检测几百辆出口集装箱货车，海关对图像效果和系统稳定性表示满意。