网络通信技术在Ｘ射线工业的应用

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摘要：X射线工业CT（计算机断层扫描）可以展现被检测物体内部结构的真实情况，被广泛应用于科学研究、航天航空、工业生产等领域。CT图像的生成是一个复杂的数据采集—重建过程，其过程涉及大量的数据采集与传输和复杂的数学运算，大量基础数据的实时稳定传输是首要前提。本文从X射线工业CT的基本成像理论入手，以锥束X射线工业CT为例探讨网络通信技术在X射线工业CT数据通信中的应用。

关键词：X射线；工业CT；光纤网络；工业以太网

1概述

随着计算机技术的发展，CT（计算机断层扫描）技术被逐渐引入工业无损检测领域，这种通过外部投影数据重建物体内部结构的方法［1］很好地展现了无重叠状态下被检测物体的内部情况。X射线工业CT涉及到许多学科的综合应用，本文仅以锥束X射线工业CT为例，探讨网络通信技术在X射线工业CT数据通信中的应用。

1．1X射线工业CT成像的基本理论概述

［1］X射线照射被检测物体时，不同物质（密度差异）对透照射线的衰减量不同，衰减规律符合比尔定律：I＝I0e－μx（1）式中I0—入射X射线强度；I—出射X射线强度；X—透照厚度；μ—材料的线性衰减系数。CT图像反映的是被检测对象某一断层结构的图像，如果将该断层划分为若干个均匀的单元，每个单元的线性衰减系数分别为μ1，μ2，μ3……μN，单一X射线路径上的长度分别为x1，x2，x3……xN，假设单元尺寸足够小则可以认为x1＝x2＝x3＝xN＝Δx，根据式（1）对于该射线透照若干个单元后入射和出射强度关系可以写为：（3）对于式（3）入射强度I0和出射的强度I的比值可以从射线探测器中获取，p为X射线穿透物体后的投影数据，包含了X射线强度信息和位置信息，在测量单元尺寸缩小以后，其数值上等于X射线路径上线衰减系数的线积分。从X射线源发出的射线束中包含若干条单一射线，透照物体后到达射线探测器的各个像素单元，形成了一系列与式（3）相同的关于线性衰减系数的方程，这些方程组成了线性衰减系数矩阵，按照一定的算法求解线性衰减系数的分布并用计算机图像的形式表示出来就形成了断层图像。

1．2锥束X射线工业CT工作原理概述

锥束X射线工业CT主要由X射线源、X射线探测器、图形工作站、CT图像采集及重建软件、多轴机械运动平台、PLC控制系统、运动控制系统、X射线防护室等组成。图1是一种锥束X射线工业CT的结构示意图，X射线源与X射线探测器固定不动，被检测物体放置于转台上，转台可以围绕其转动轴进行旋转同时可以在水平面内沿X轴和Y轴移动，转台也可以在垂直平面内作升降运动即Z轴运动。设备工作时，由X射线源发出锥束射线，X射线穿透被检测物体或直接照射到X射线探测器上形成投影数据，数据采集软件按转台旋转的步进角度进行数据采集，一般需要在被检测物体旋转一周内完成有效数据的采集。

1．3锥束X射线工业

CT通信网络的总体框架为了求解该线性衰减系数矩阵从而得到被检测物体的断层图像，需要从X射线探测器中读取被检测物体在不同角度的透照数据，这些数据是在被检测物体动态旋转过程中得到的，而且旋转角度（步进角）划分越细微图像效果越好。大量数据的高速、稳定、实时传输是数据采集过程的硬性需求，否则将影响重建图像的质量。通过网络进行信息交换和数据传输是锥束X射线工业CT数据传输过程中的一个有效手段，图2所示为一种锥束X射线工业CT中的网络总体框架，X射线探测器与图形工作站之间采用光纤网络连接，PLC控制系统与运动控制系统之间采用工业以太网连接，PLC控制系统与图形工作站之间采用工业以太网连接。本文中涉及的网络通信部件有XRD1621数字平板探测器、高性能图形工作站、S7－1500PLC控制系统和S120伺服驱动系统。

2光纤网络在锥束X射线工业CT的应用

XRD1621数字平板探测器像素矩阵为2048×2048＠16bit，每帧图像的大小约为8．2MB，如图像数据采集过程中采集720帧～1200帧图像，那么总传输量大约为5．8GB～9．6GB，图像数据采集软件大约1s采集一次数据即每秒至少需要传输8．2MB数据。探测器每帧图像以数据包形式发送，根据上述理论计算，该数据包只能采用以太网的方式进行传输。对于百兆以太网而言，其理论传输速度为12．5MB／s，但是在实际应用中由于线路的损害、设备自身、预留带宽等原因传输远远达不到理论值，而平板探测器帧数据包传输需求接近百兆以太网的能力上限，如果使用百兆以太网进行传输很容易造成网络瘫痪，导致不能得到正确的基础数据，影响CT图像的重建效果和精度。因此，XRD1621数字平板探测器和图形工作站之间采用了传输速度更快、稳定性更高的以光纤为传输介质的千兆以太网进行数据传输。在硬件接口方面，探测器提供了光纤网络的接口，图形工作站配套了专用的带光纤网络接口的数据采集卡；在软件方面，可以直接调用SDK进行数据采集。千兆以太网的传输速度是百兆以太网传输速度的10倍，理论值可以达到125MB／s，可以轻松应对平板探测器帧数据包传输需求，采用光纤作为传输介质可以最大程度地减少数据传输中的带宽损耗和电磁干扰。光纤网络很好地满足了X射线工业CT大量基础数据采集过程中的高速、稳定的传输要求。

3工业以太网在锥束X射线工业CT的应用

为了得到被检测物体的层析图像，除了需要大量的基础图像数据外，还需要知道被检测物体的位置数据，这些位置数据虽然数据量不大，但是必须保证准确性、实时性，错误或错位的位置数据会影响重建图像的精度和质量，这些位置数据均来自于PLC控制系统和运动控制系统。工业以太网为锥束X射线工业CT位置数据的获取提供了一个很好的解决方案。工业以太网是将以太网技术应用于工业控制领域，一般是数据链路层和物理层使用以太网的标准，而应用层根据工业控制需求被各个厂家重新定义。使以太网具有更高的可靠性、实时性、抗干扰性、本质安全性等，响应时间可以达到毫秒级别，更适合工业现场的使用要求。

3．1PROFINET通信应用

PROFINET由PROFIBUS国际组织推出的基于工业以太网技术的自动化总线标准，包括了实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等的解决方案，PROFINET传输的数据包被区分优先次序，以确保数据实时性。在图1所示的锥束X射线工业CT中，运动机构有转台（即被检测物体）的旋转运动、X方向运动、Y方向运动和Z方向运动，这些运动均由伺服电机驱动，各运动机构的实际位置值和运行状态由伺服驱动系统传送至PLC控制系统。在CT数据采集中，转台的X方向、Y方向和Z方向的位置值不需要进行调整，但是旋转运动始终在进行，而且需要准确、实时地将转台转动角度的实际值反馈到PLC控制系统。如图2所示，采用S7－1500PLC控制系统和S120伺服驱动系统，两者都具备PROFINET通信接口，可以通过交换机直接组网，采用报文形式进行数据通信。报文可以理解为通信数据包，报文中包含了控制字和状态字等信息，基本单位（PZD）为Word类型数据。本文采用西门子110标准报文完成基本定位操作，该报文由12个控制字和7个状态字组成，其基本组成结构如图3所示。由于是多轴伺服系统，因此转台的旋转运动、X方向运动、Y方向运动和Z方向运动各对应一组报文。在PLC控制系统中，调用“DPWR＿DAT”函数写控制字报文，将控制数据发送至伺服驱动系统，用于转台的运动控制；调用“DPRD＿DAT”函数读状态字报文，将转台各运动机构的实际位置值和运行状态读入到PLC控制系统，该数据将用于伺服系统的监控并实时传递到CT图像采集软件。PLC控制系统与伺服驱动系统的双向通信过程如图4所示。

3．2OPC通信应用

OPC（OLEforProcessControl，用于过程控制的OLE）是自动化行业中的一个开放的接口标准和技术规范，采用服务器／客户机进行数据交换，无需关心不同设备厂商的硬件细节和通讯协议，可以方便地实现多厂商、多设备之间信息的无缝集成。在图1所示的锥束X射线工业CT中，CT图像采集软件需要控制转台的运动机构，转台运动机构的实际位置值和状态信息要实时反馈给CT图像采集软件，尤其是CT数据采集中，转台的实际角度值更需要准确、实时地反馈到CT图像采集软件，以便软件将实时角度与图像数据相对应形成准确的投影数据。如图2所示，在图形工作站上安装了OPC服务器，PLC控制系统通过工业以太网与图形工作站进行连接，两者之间采用OPC方式进行通信。CT图像采集软件读、写OPC服务器的数据就可以通过PLC控制系统及伺服驱动系统对转台运动机构进行控制，并实时获取各运动机构的实际位置值和状态信息。在CT图像采集软件中调用西门子公司提供的动态链接库直接对OPC服务器的数据进行操作，采用变量名称作为索引，定义访问形式为“站点名称．PLC名称．数据块名称．变量名称”。PLC控制系统与图形工作站的双向通信过程如图5所示。

4小结

本文研究的网络通信方式已在我公司研制的LY－450XCTX射线工业CT中得到应用，可以满足锥束X射线工业CT数据采集过程中大量数据的高速、稳定、实时传输的要求，经数据重建后二维断层图像能够满足性能要求。图6所示为该设备获取的某岩心样品在力学加载过程中同一断层的图像，当外部加载力发生变化后样品内部变化状态清晰可见，在CT扫描过程中有大量基础数据进行实时传输而且准确无误，数据重建后的断层图像真实反映了被检测物体的内部状态变化，无伪影和错位数据产生。网络通信技术为锥束X射线工业CT高速、稳定的数据采集和数据通信提供了可靠、有效的技术手段。（a）无加载力（b）1900N加载力（气孔增多）图6岩心样品加载过程层析图像此外，本文研究的网络通信方式也拓展到了扇束X射线工业CT的应用之中，同样可以满足其数据采集和通信的要求。

参考文献：

［1］张朝宗．工业CT技术和原理［M］．北京：科学出版社，2009．

［2］崔坚．西门子工业网络通信指南（下册）［M］．北京：机械工业出版社，2005．

作者：李俊霖 单位：辽宁仪表研究所有限责任公司