摘? 要: 簡(jiǎn)述了基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的PLC的特點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)以及所完成的功能。

　　關(guān)鍵詞: 鈷-60集裝箱檢查控制系統(tǒng)? PLC? PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

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　　清華大學(xué)核研院繼研制成功固定式(TCF-SCAN)和車載移動(dòng)式(TCM-SCAN)鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)之后，又成功研制了組合移動(dòng)式(TCR-SCAN)鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)。組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)將輻射源、探測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成移動(dòng)探測(cè)架——移動(dòng)門架，在地面鋪設(shè)的導(dǎo)軌上移動(dòng)，整套系統(tǒng)可安裝在可拆裝式或永久性的建筑物中。它取消了集裝箱運(yùn)輸卡車拖動(dòng)系統(tǒng)，從而更加經(jīng)濟(jì)便捷。組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)為了能適應(yīng)可拆裝性，并能工作在條件相對(duì)惡劣的陸路邊境口岸，對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性有更高的要求。

　　PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是近年來國際上最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率最快的一種現(xiàn)場(chǎng)總線(傳輸率可達(dá)12M波特)，在很多領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用。因此，在組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)中采用基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的西門子公司PLC產(chǎn)品設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。

1 PLC簡(jiǎn)介

　　可編程邏輯控制器(PLC)是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置，是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專門用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。由于控制對(duì)象的復(fù)雜性、使用環(huán)境的特殊性和運(yùn)行的長(zhǎng)期連續(xù)性，使PLC在設(shè)計(jì)上有自己明顯的特點(diǎn):可靠性高、適應(yīng)性廣、具有通信功能、編程方便、結(jié)構(gòu)模塊化。在現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)中，PLC已經(jīng)成為一種重要的基本控制單元，在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用極為廣泛。

　　德國西門子公司的SIMATIC S7-200系列和S7-300系列PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、指令集豐富、運(yùn)算速度快、易于掌握、操作便捷、內(nèi)置集成功能豐富、實(shí)時(shí)性好、通訊能力強(qiáng)、擴(kuò)展模塊豐富等優(yōu)點(diǎn)，適用于許多場(chǎng)合的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)利用γ射線與物質(zhì)相互作用的原理對(duì)大型集裝箱進(jìn)行不開箱檢查，是打擊走私和防止恐怖活動(dòng)的有力武器。從移動(dòng)式鈷-60工業(yè)γ照相機(jī)輻射源發(fā)射出的γ射線束穿過被檢測(cè)物體后，進(jìn)入陣列探測(cè)器轉(zhuǎn)化為與射線強(qiáng)度成正比的電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大，并進(jìn)行A/D變換后送到數(shù)據(jù)采集機(jī)，得到被檢測(cè)物體的二維投影圖像。再把得到的被檢測(cè)物體圖像傳送到圖像服務(wù)器和圖像檢查系統(tǒng)，由海關(guān)檢查人員對(duì)圖像進(jìn)行分析處理。

　　組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)與固定式鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)最大的區(qū)別是被檢查集裝箱不動(dòng)，通過安裝有整套輻射檢測(cè)裝置的移動(dòng)門架在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)完成檢查過程。整個(gè)控制系統(tǒng)如圖1所示，可以分為以下幾個(gè)主要部分:①移動(dòng)門架，安裝有陣列探測(cè)器及空調(diào)保溫系統(tǒng);②數(shù)據(jù)采集柜，安裝有前放電路、A/D變換電路等電子學(xué)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集機(jī);③輻射源室，有輻射源、快門、安全聯(lián)鎖機(jī)構(gòu);④門架控制柜;⑤就地控制臺(tái);⑥主控臺(tái)，作為集裝箱檢查系統(tǒng)的主操作臺(tái)，安裝有操作按鈕與指示燈，并有一臺(tái)工控機(jī)做系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備。

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　　完成控制功能的PLC分別安裝在主控臺(tái)與門架控制柜中。主控臺(tái)安裝有一個(gè)S7-300系列的S7-315-2DP作為主站，帶有3個(gè)S7-200系列的S7-215-DP和1個(gè)PP17，共4個(gè)從站。其中PP17是西門子公司新推出的一款帶按鈕與指示燈的模塊，設(shè)計(jì)緊湊，把CPU、按鈕、指示燈集成在一起作為S7-315的一個(gè)從站，省去了外圍開關(guān)按鈕、指示燈的安裝與大量的接線，同時(shí)提高了可靠性與穩(wěn)定性，主控臺(tái)的所有操作都通過它來完成。其它3個(gè)S7-215-DP從站分別為:①采集機(jī)控制單元，增加了3個(gè)模擬信號(hào)采集模塊，完成圖像數(shù)據(jù)采集啟停控制與環(huán)境溫度、輻射劑量的采集;②起點(diǎn)控制單元，完成起點(diǎn)的道桿、指示燈的控制;③終點(diǎn)控制單元，完成終點(diǎn)道桿、指示燈的控制。門架控制柜安裝有一個(gè)S7-300系列的S7-315-2DP作為主站，帶有2個(gè)S7-215-DP作為從站，分別為源室控制單元和門架運(yùn)動(dòng)控制單元。源室控制單元完成快門的開啟與關(guān)閉和實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖控制，門架運(yùn)動(dòng)控制單元完成移動(dòng)門架的運(yùn)動(dòng)控制。

　　所有PLC之間的聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，S7-315-2DP與S7-215-DP之間通過PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線相連進(jìn)行通訊，主站與從站PLC的通訊是通過映象完成的，主站分配的映象地址與從站分配的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。2個(gè)S7-315-2DP之間通過MPI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊，MPI網(wǎng)絡(luò)都是主站，不分主/從站，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。MPI主站之間的通訊是通過全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)實(shí)現(xiàn)的，所以全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的建立與維護(hù)是相當(dāng)重要的。MPI網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互通過全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)來完成，系統(tǒng)開機(jī)后自動(dòng)運(yùn)行并能夠動(dòng)態(tài)刷新數(shù)據(jù)，不受對(duì)方主站狀態(tài)(如開/關(guān))的影響。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與功能

　　控制系統(tǒng)作為組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)的重要組成部分之一，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)之間的運(yùn)作，并保證整個(gè)集裝箱檢查系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。使用S7系列PLC的編程軟件STEP7 可以在WINDOWS環(huán)境下進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，該編程環(huán)境還提供了PID控制、定時(shí)中斷、外部事件中斷、增量編碼器計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出等功能，可以完成各種控制要求。PLC程序采用模塊化編程方式，程序由不同子模塊構(gòu)成，各子模塊獨(dú)立完成各自功能，互不干擾，因而程序結(jié)構(gòu)清晰，便于修改與調(diào)試。組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查控制系統(tǒng)通過軟件設(shè)計(jì)完成如下主要功能:

　　·可以手動(dòng)方式或自動(dòng)方式運(yùn)行:在自動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成整個(gè)集裝箱檢查流程，實(shí)現(xiàn)雙向檢查。

　　·數(shù)據(jù)采集機(jī)控制:完成采集機(jī)的自檢、校零和集裝箱圖像采集的啟停。

　　·移動(dòng)門架的控制:完成門架的啟動(dòng)、加速、減速、停止等運(yùn)動(dòng)過程，保證集裝箱檢查過程的順利進(jìn)行。

　　·起點(diǎn)控制:當(dāng)有集裝箱卡車進(jìn)入時(shí)，自動(dòng)打開起點(diǎn)道桿和保護(hù)門;卡車通過后，自動(dòng)關(guān)閉起點(diǎn)道桿和保護(hù)門，防止人員進(jìn)入檢查現(xiàn)場(chǎng)。

　　·終點(diǎn)控制:當(dāng)集裝箱檢查過程結(jié)束時(shí)，自動(dòng)打開終點(diǎn)道桿和保護(hù)門，讓卡車離開檢查現(xiàn)場(chǎng);卡車離開后終點(diǎn)道桿和保護(hù)門自動(dòng)關(guān)閉。

　　·安全聯(lián)鎖控制:當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有緊急情況時(shí)，如在集裝箱檢查的過程中有人員誤入現(xiàn)場(chǎng)或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉快門，移動(dòng)門架停止運(yùn)動(dòng)，中斷檢查過程，保證人員和設(shè)備的安全。

　　·現(xiàn)場(chǎng)指示燈控制:在集裝箱檢查過程中有各種指示燈顯示和聲光報(bào)警，包括快門指示燈、射線開指示燈等。

　　組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用西門子公司的SIMATIC WinCC組態(tài)軟件作為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，運(yùn)行在主控臺(tái)的工控機(jī)上。WinCC為基于 Windows 95/NT操作系統(tǒng)的開放型全圖形化人機(jī)操作界面，具有組態(tài)方便、操作簡(jiǎn)單、開放性良好等特點(diǎn)，是一個(gè)強(qiáng)大的全面開放的監(jiān)控系統(tǒng)，既可以用來完成小規(guī)模的簡(jiǎn)單的過程監(jiān)控應(yīng)用，也可以用來完成復(fù)雜的應(yīng)用。在任何情況下，WinCC都可以生成漂亮而便捷的人機(jī)對(duì)話接口，使操作員能夠清晰地管理和優(yōu)化生產(chǎn)過程。組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件完成如下功能:

　　· 以動(dòng)畫形式實(shí)時(shí)顯示集裝箱檢查過程。

　　· 顯示輻射源的工作狀態(tài)與檢查現(xiàn)場(chǎng)輻射劑量等環(huán)境情況。

　　· 動(dòng)態(tài)反映集裝箱檢查設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)。

　　· 故障報(bào)警、顯示與記錄功能。

　　· 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的記錄，形成歷史記錄文檔，并進(jìn)行用戶報(bào)表輸出。

　　· 數(shù)據(jù)圖表打印功能。

　　第一套組合移動(dòng)式鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)于2000年9月份開始在新疆霍爾果斯口岸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，并于2000年10月10日投入試運(yùn)行。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，已成功檢測(cè)幾百輛出口集裝箱貨車，海關(guān)對(duì)圖像效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性表示滿意。

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參考文獻(xiàn)

1 向新程，周立業(yè)，劉以思，王立強(qiáng).60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)(TC-SCAN)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).第9界全國核電子學(xué)與核探測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，1997

2 陽憲惠，徐用懋，魏慶福.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社，1999