基于X射線的薄膜在線測(cè)厚系統(tǒng)

李福強(qiáng) 王美林

（廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省廣州市 510006）

薄膜材料的使用遍及工業(yè)生產(chǎn)的許多行業(yè)，如各種金屬薄膜、塑料薄膜、紙張、布匹、玻璃等等。根據(jù)工作原理的不同，測(cè)厚系統(tǒng)中的測(cè)厚儀一般分為以下幾種，渦流傳感測(cè)厚儀、激光測(cè)厚儀、超聲波測(cè)厚儀、X 射線測(cè)厚儀等[1]。其中，因?yàn)閄 射線測(cè)厚儀是一種非接觸式測(cè)厚儀，并且在測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間以及靈敏度方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，得到了許多薄膜生產(chǎn)廠家的青睞。目前很多研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)研制的測(cè)厚系統(tǒng)，雖然在測(cè)厚儀的測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間以及靈敏度方面并無太大差異，但在測(cè)厚儀與上位機(jī)的通信方式方面卻選擇了RS232、USB 以及MPI（Multipoint Interface）等[2-4]，以這些方式進(jìn)行上下位機(jī)之間的通信雖然能夠降低硬件軟件的開發(fā)成本和難度，但在現(xiàn)今的薄膜企業(yè)生產(chǎn)中卻有著以下兩個(gè)缺點(diǎn)：

（1）這幾種通信方式的通信距離都比較短，目前我們了解到很多薄膜生產(chǎn)企業(yè)需要能夠?qū)⑸衔粰C(jī)部署在離薄膜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)的控制室等地方觀察薄膜生產(chǎn)的具體狀況；

（2）目前很多薄膜生產(chǎn)企業(yè)都采用了高速薄膜生產(chǎn)線，生產(chǎn)線速度能夠達(dá)到數(shù)百米甚至數(shù)千米每分鐘，這就對(duì)整個(gè)測(cè)厚系統(tǒng)的厚度測(cè)量速度和通信速度提出了更高的要求，而RS232 等一些傳輸速率較低通信方式在通信速率上有可能成為系統(tǒng)性能的瓶頸，導(dǎo)致厚度測(cè)量數(shù)據(jù)丟失等不良現(xiàn)象。

這些缺點(diǎn)將會(huì)使得測(cè)厚系統(tǒng)無法高效的幫助薄膜生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)一步提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率。

本文設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崟r(shí)在線測(cè)厚的X 射線測(cè)厚系統(tǒng)，系統(tǒng)采用C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)下位機(jī)視為客戶端，上位機(jī)視為服務(wù)器，二者之間采用TCP/IP 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)下位機(jī)測(cè)厚儀以SIMATIC S7-1200 為核心控制單元，S7-1200 是一款緊湊型、模塊化的PLC[5]，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單卻高度精確的自動(dòng)化任務(wù)，并擁有集成的以太網(wǎng)接口，能夠和上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速通信。上位機(jī)PC 端因?yàn)槭峭ㄟ^網(wǎng)絡(luò)接收下位機(jī)發(fā)送過來的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，在理論上能夠部署在任何地方，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示，能夠很好的幫助工作人員及時(shí)掌握薄膜生產(chǎn)狀況。

1 X射線測(cè)厚儀原理

X 射線測(cè)厚技術(shù)是由射線發(fā)射端發(fā)出X 射線，當(dāng)射線穿過位于射線發(fā)射端和接收端之間的被測(cè)材料時(shí)，由于部分射線被被測(cè)材料吸收，接收端收到的射線強(qiáng)度將有所衰減，而且對(duì)于同一種材質(zhì)，厚度越大，則射線的衰減越大，因此我們可以利用這個(gè)原理來檢測(cè)被測(cè)材料的厚度[6]。

假設(shè)為I0為射線發(fā)射端發(fā)出的射線強(qiáng)度，I 為穿過被測(cè)材料接收端檢測(cè)到的射線強(qiáng)度，那么它們之間有著如下關(guān)系：

式中d 為被測(cè)材料的厚度，μ 為被測(cè)材料的吸收系數(shù)，對(duì)式子兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

當(dāng)測(cè)出X 射線發(fā)射端I0強(qiáng)度和接收端強(qiáng)度I 之后，我們即可得出被測(cè)材料的厚度d。

圖1：測(cè)厚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

2 測(cè)厚系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1 所示，X 射線測(cè)厚系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由以O(shè) 型架、控制機(jī)柜、厚度傳感器和上位機(jī)四部分組成。厚度傳感器被放置在帶有導(dǎo)軌的O 型架上，這樣我們就能夠?qū)Ρ∧みM(jìn)行掃描式厚度測(cè)量。

測(cè)厚系統(tǒng)下位機(jī)以控制柜中的SIMATIC S7-1200 為核心控制單元，它主要完成四個(gè)方面的功能。

（1）與上位機(jī)和HMI 面板的通信，包括接受上位機(jī)和HMI面板的控制指令以及將測(cè)出的厚度數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行處理等等；

（2）接受HMI 面板和運(yùn)動(dòng)控制按鈕的指令進(jìn)行測(cè)量橫頭的運(yùn)動(dòng)控制；

（3）通過D/A 和A/D 轉(zhuǎn)換模塊完成薄膜厚度的測(cè)量工作；

（4）通過數(shù)字IO 模塊完成與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的交互，包括在厚度測(cè)量數(shù)據(jù)超出上下限值時(shí)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警和采集測(cè)量橫頭運(yùn)動(dòng)位置信息等等。

3 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)厚系統(tǒng)上位機(jī)軟件是在Visual Studio 2017 開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的。為降低上位機(jī)軟件的代碼耦合性，使得軟件代碼可維護(hù)性高，軟件借鑒MVC（Model-View -Controller）模式在層次架構(gòu)上分為4層：交互層、控制器層、數(shù)據(jù)模型層和數(shù)據(jù)庫(kù)層。在交互層的人機(jī)交互部分中，我們使用了界面與處理邏輯分離，能夠極大地提高開發(fā)效率的Duilib 界面庫(kù)進(jìn)行交互界面開發(fā)[7]。在數(shù)據(jù)庫(kù)層，本測(cè)厚系統(tǒng)需要一個(gè)管理、使用和維護(hù)都比較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫(kù)，因此我們選擇了無需安裝和管理配置的輕型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite 進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。上位機(jī)軟件層次架構(gòu)如圖3 所示。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件交互層在功能上主要包括管理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。管理模塊主要完成用戶信息、薄膜品種信息和歷史報(bào)表查詢等基本任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于與下位機(jī)進(jìn)行通信，通信內(nèi)容包括發(fā)送薄膜品種信息或控制指令到下位機(jī)和接收下位機(jī)發(fā)送的厚度測(cè)量數(shù)據(jù)或薄膜品種標(biāo)定數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)通信模塊收到從下位機(jī)發(fā)送的厚度測(cè)量數(shù)據(jù)之后，上位機(jī)軟件將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)并通過數(shù)據(jù)顯示模塊進(jìn)行顯示。

當(dāng)用戶界面操作與通信模塊處于同一線程時(shí)，為避免測(cè)厚系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信和上位機(jī)軟件用戶界面操作響應(yīng)、數(shù)據(jù)顯示刷新產(chǎn)生沖突導(dǎo)致厚度測(cè)量數(shù)據(jù)丟失或者上位機(jī)軟件用戶界面操作響應(yīng)和數(shù)據(jù)顯示刷新延遲等問題，我們基于Windows IOCP(Input/Output Completion Port)設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件的網(wǎng)絡(luò)通信模塊。當(dāng)厚度數(shù)據(jù)接收完成后，網(wǎng)絡(luò)通信模塊創(chuàng)建的工作線程將發(fā)出通知讓主線程進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示更新，這樣我們就避免了網(wǎng)絡(luò)通信處理與用戶界面邏輯處理之間的沖突。通信模塊流程圖如圖4 所示。

4 厚度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與顯示

目前，許多薄膜生產(chǎn)企業(yè)都希望能夠從多個(gè)角度對(duì)厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察分析。但是和法國(guó)SCANTECH 公司和一些國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)一樣，大部分現(xiàn)有的測(cè)厚系統(tǒng)都只對(duì)實(shí)時(shí)的厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，這顯然并不能滿足當(dāng)下薄膜生產(chǎn)企業(yè)對(duì)厚度監(jiān)測(cè)軟件的需求。為方便工廠管理人員更好地觀察測(cè)厚系統(tǒng)測(cè)出的厚度數(shù)據(jù)，本測(cè)厚系統(tǒng)將對(duì)下位機(jī)實(shí)時(shí)上傳的厚度數(shù)據(jù)從六個(gè)觀察角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過輪廓圖、多輪廓圖、曲線圖、趨勢(shì)圖、分布圖以及定點(diǎn)圖顯示各個(gè)角度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。薄膜生產(chǎn)企業(yè)工作人員可根據(jù)生產(chǎn)時(shí)的具體狀況選擇一個(gè)角度觀察生產(chǎn)狀況，以便在出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。本測(cè)厚系統(tǒng)厚度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與顯示的方法的具體介紹如下。

圖2：下位機(jī)HMI 操作顯示面板

圖3：上位機(jī)軟件層次架構(gòu)

（1）輪廓圖：輪廓圖使用直方圖顯示在測(cè)量范圍內(nèi)(可通過控制柜中的HMI 操作面板設(shè)置)每個(gè)測(cè)量位置處的厚度采樣均值（每個(gè)位置采樣20 次）。單次掃描測(cè)量的厚度數(shù)據(jù)可能會(huì)有波動(dòng)，因此我們提供了合成次數(shù)選項(xiàng)對(duì)最近若干次掃描的厚度采樣均值進(jìn)行濾波操作。薄膜厚度數(shù)據(jù)輪廓圖如5 所示。

（2）多輪廓圖：多輪廓圖包含當(dāng)前輪廓圖、最近輪廓圖和卷合成輪廓圖。其中當(dāng)前輪廓圖顯示當(dāng)前掃描測(cè)量的厚度均值數(shù)據(jù)，最近輪廓圖顯示上一次掃描的厚度數(shù)據(jù)，有了這兩幅圖我們就能夠了解當(dāng)前掃描與上一次掃描的厚度測(cè)量數(shù)據(jù)差別。卷輪廓圖將對(duì)當(dāng)前卷的所有掃描進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均顯示，這將能夠幫助管理人員了解整卷薄膜厚度信息的整體情況。薄膜厚度數(shù)據(jù)多輪廓圖如圖6 所示。

（3）曲線圖使用兩條曲線顯示測(cè)量范圍內(nèi)每個(gè)測(cè)量位置處所有厚度采樣值，曲線的顏色代表了厚度傳感器的移動(dòng)方向。薄膜厚度數(shù)據(jù)曲線圖如圖7 所示。

（4）趨勢(shì)圖：為了觀察厚度測(cè)量時(shí)每次掃描的厚度數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，趨勢(shì)圖在每次掃描完成后顯示本次掃描測(cè)量值中的平均值、最大值和最小值。系統(tǒng)用戶可選擇將每次掃描的厚度數(shù)據(jù)的平均值、最大值和最小值用曲線相連以便更好觀察薄膜生產(chǎn)時(shí)的厚度趨勢(shì)。薄膜厚度數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖如圖8 所示。

圖4：通信模塊流程圖

圖5：薄膜厚度數(shù)據(jù)輪廓圖

（5）分布圖將統(tǒng)計(jì)并顯示每次掃描完成后的厚度測(cè)量值的數(shù)據(jù)分布狀況。分布圖中橫軸為測(cè)量位置數(shù)量，縱軸為品種標(biāo)準(zhǔn)厚度區(qū)間。薄膜厚度數(shù)據(jù)分布圖如圖9 所示。

（6）在下位機(jī)將厚度傳感器定位至某一個(gè)測(cè)量位置后，監(jiān)測(cè)軟件將切換至定點(diǎn)圖，然后通過定點(diǎn)圖顯示此測(cè)量位置厚度測(cè)量值隨時(shí)間的變化情況。薄膜厚度數(shù)據(jù)定點(diǎn)圖如圖10 所示。

圖6：薄膜厚度數(shù)據(jù)多輪廓圖

圖7：薄膜厚度數(shù)據(jù)曲線圖

圖8：薄膜厚度數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

圖9：薄膜厚度數(shù)據(jù)分布圖

圖10：薄膜厚度數(shù)據(jù)定點(diǎn)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)厚系統(tǒng)已經(jīng)在佛山市天安新材料股份有限公司的PVC 薄膜生產(chǎn)線中試運(yùn)行，而且運(yùn)行狀況穩(wěn)定。該公司在使用這套測(cè)厚系統(tǒng)之前一直是使用人工進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)的產(chǎn)品厚度檢測(cè)工作，在使用本測(cè)厚系統(tǒng)之后，既幫助該公司極大地提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，又節(jié)省了相關(guān)的人力成本。相較于國(guó)內(nèi)外的同類型產(chǎn)品，我們的測(cè)厚系統(tǒng)有著較低的價(jià)格和較好的交互性，因此可以看出該測(cè)厚系統(tǒng)在以后的市場(chǎng)中是有較大競(jìng)爭(zhēng)力的。