某射线应用装置的自动控制系统
1.概述
控制系统通过计算机集中监测、监视和监控，完成对射线仪表的自动控制。系统以工业控制计算机作为上位机，通过由双绞线连接的RS-485通讯网络，完成对数据采集模块、运动控制模块和故障报警模块的全部控制功能。它即能大幅度降低设备成本，又能使刻度控制系统在较大范围内很容易实现自动，半自动，手动三种模式的调节。该系统响应当今工控领域网络化、分布式、面向信息的潮流，立足于可靠性和先进性，实现了控制与信息处理的自动化，是辐射仪表刻度控制系统的发展方向。
本控制系统需要解决的主要问题包括：
●控制射线机与治疗机处于工作或关闭状态
● 控制探测射线机运动到指定的位置
● 控制防护门的自动联锁
● 实时采集各种智能仪表的数据
● 动态检测和照射与治疗过程中可能出现的各种信号和故障
● 模块与上位机通讯
● 上位机集中监控管理
2.系统特点
2.1 操作过程实现全自动控制
该控制装置由工业计算机，智能化仪表和机械执行部件构成，全过程以工业计算机作为控制大脑，只需预先设置好合适的参数就能自动完成刻度过程的运动控制、数据采集和现场监视等功能。该系统的可靠性指标及自动化程度都接近或超过国内外同类产品水平。
2.2 采用集中式控制系统结构
与分布控制模式相比具有极高的可靠性与并行处理能力，位置控制精度和数据采集精度大大提高，同时具有微机全自动、半自动、人工手动三种操作工况，各种工况可以任意切换，并且可以在各工况间传递数据，为用户提供了极大的灵活性。
2.3 真正的自维护体系
所有的电控设备，采用高度模块化的工业级板卡和标准件，如有故障，用户可以自行更换备件，实现真正的自维护体系。
2.4 操作简便、实用性强
控制软件人机界面十分友好，所有的操作只需在一个控制面板上就可全部完成，简单易用，实用性强。
2.5技术先上的进性
刻度过程除实现全自动控制外，在技术手段的选择上，使用 "Microsoft.net解决方案"、"C#"、"三层结构"和"面向对象" 等比较成熟而又有发展前途的先进技术，保证整套系统在一定时期内的技术领先。
3.控制示意图
系统的控制核心主要由两台工业控制计算机组成。第一台计算机作为主要控制计算机，它通过多轴运动控制卡控制步进电机驱动器，由各驱动器驱动相应的步进电机来完成对多源装置控制器、轨道台车控制器和旋转照射台的运动控制；在RS485网络中连接数据采集器（带I/O输入输出）、γ标准剂量仪和γ剂量报警仪等设备，用数据采集器采集室内温度、湿度和气压等数据，并通过数据采集器中开关量的输入输出来控制防护门和空压机上活塞的往复运动（即快门的打开和关闭）使之进行联锁控制。
第二台计算机（硬盘刻录机）用于监视刻度的控制过程，配以云台控制器和四画面分割器来完成监视和读数任务。
另外整个控制系统通过UPS提供稳定的电源来保证系统的正常运行。
4. 系统结构图
由以上结构图我们知道 全部控制系统可由运动控制系统、数据采集系统、故障报警系统和视频监视系统四大组成。
4.1 运动控制系统
4.1.1 工作台定位系统
工作台定位系统用来控制被刻度仪器到放射源的距离。它由台车、轨道、丝杠和标尺组成，台车由步进电机驱动的丝杠传动。台车行走时由距离标尺指示被刻度仪器到放射源的距离。在控制软件中输入台车的当前位置（当前距放射源的距离）和目标位置（目的地距放射源的距离）后，控制软件驱动多轴运动控制卡向驱动器发出脉冲+方向的弱电信号，驱动器则将其转化为步进电机线圈的强电电流来驱动步进电机向某个方向转动一定数量的步距角，步进电机将其运动传给丝杠，使台车运动到指定的位置。
4.1.2 云台旋转系统
云台旋转系统用来调节仪器的照射角度，云台下面的两个手柄可以调节云台的高度。它由云台、齿轮传动装置和步进电机组成。云台旋转系统的控制过程与台车定位系统类似（请参看4.1.1的“运动控制图一”），只是将丝杠换成了齿轮，直接将步进电机的转动转化为齿轮和云台的转动。
4.1.3 放射头定位系统
定位系统用于，在工作状态时，快门打开并且使指定的源处于照射位置，非工作状态时，快门关闭并且所有的源都处于屏蔽位置。它由多源装置（放射源容器）、齿轮传动装置、步进电机、快门、空气压缩机组成。放射源安装在由齿轮驱动的轴上，每隔90°放置一个源，共放置四个放射源。另外还有用于防护和测量的屏蔽马槽、准直孔和快门。如下图“运动控制图二”所示，多源装置的换源动作与快门开关动作是一对连锁动作（即：快门打开，源工作；快门关闭，源屏蔽）。
4.1.4 防护门联锁控制系统
为保证工作人员的安全,需要将放射装置、快门装置和进入门装置联锁。在放射机打开的情况下，门通道不能打开。在出现故障的情况下，有紧停操作，包括源复位和快门关闭。必要时可以断开电源。另外，在没有刻度工作的情况下，剂量超阈报警也与安全防护门联锁。防护门的控制由软件通过数据采集器进行控制，其控制图类似“运动控制图二”中的快门控制，只是其开关状态由以上的联锁需求分析确定。
4.2 数据采集系统
4.2.1 温湿采集
为了记录刻度室的温度和湿度，在刻度室内安装一个温湿度测量传感器，传感器采集的信号通过RS485网络传到数据采集器中，控制软件自动获取数据采集器中的数据，并保存到数据库中。
4.2.2 大气压力采集
为了记录刻度室的大气压强，在刻度室内安装一个大气压力测量传感器，传感器采集的信号通过RS485网络传到数据采集器中，控制软件自动获取数据采集器中的数据，并保存到数据库中。
4.2.3 剂量率采集
为了记录刻度室的伽玛剂量率，在刻度室内安装一个标准伽玛剂量仪器，标准伽玛剂量仪器采集的信号通过RS485网络传到计算机中，控制软件自动获取数据采集器中的数据，并保存到数据库中。
4.2.4 被测量的剂量率采集
被刻度伽玛仪表的在刻度时的读数，通过监视系统中一台固定的摄象机进行摄象后传到控制台，由工作人员目测仪表的读数后，登记在控制软件的刻度登记表中进行存储。
4.2.5 数据存储与打印系统
数据存储与打印系统，用来设置或存储刻度前系统的各项参数，并将刻度过程采集的各种数据进行保存、打印等。特殊的数据提供导出Word或Excel文件的功能，实现控制过程中的计算机管理。
4.3 故障报警系统
4.3.1 伽玛剂量报警系统
如果周围伽玛剂量超过设定的阀值则伽玛剂量报警仪进行声光报警，并且报警信息通过RS485网络传递到控制计算机上，在控制软件的界面中进行相应的报警。
4.3.2 防护门联锁报警
在仪表刻度过程中，如果控制系统侦测到安全防护门没有被关上或被非法打开，防护门将进行声光报警，并且报警信息通过RS485网络传递到控制计算机上，在控制软件的界面中进行相应的报警。
4.3.3 控制程序异常处理
程序异常是指由于程序控制以外而使程序不能正常执行时发生的情况。某些操作（包括对象创建和输入/输出）容易出现错误以外的故障。例如，仪表刻度已经全部完成，而快门因特殊的问题没有关闭等情况。
为了保证刻度过程的安全运行，系统应该能捕获到控制程序运行过程抛出的所有异常，并对各类异常进行相应的安全保护处理后，提交给操作人员进行裁决。
捕获异常的通用格式如下：
try
{//需要执行的语句 ; }
catch(Exception ex)
{ //异常提示语句;}
finally
{//安全处理语句;}
4.4 视频监视系统
4.4.1 试验全景监视
监视系统通过一匀速球型一体化摄象机来监视刻度室内所有场景。在控制台中配有该摄象机的云台控制器（或通过硬盘录象机中的软件）来控制摄象机的拍摄角度，达到全场360度监控的目的，摄象机如下图所示：
4.4.2 台车位置监视
台车距放射源的距离由轨道上的标尺可以确定，在台车的合适位置上安装一固定的摄象机，来监视轨道标尺的读书，并通过硬盘录象在四分屏的显示器上显示。
4.4.3 被刻度仪表监视
为了读取刻度过程中，被刻度仪表的读数，需要在台车的合适位置安装一固定的摄象机来监视仪表的读数，并通过硬盘录象在四分屏的显示器上显示。
5.控制程序菜单
以上控制程序菜单将完成“4. 系统结构图”中各模块所描述的功能。该控制菜单以方便操作为原则来设计，主要包括设置（设置程序运行时所需要的必须系统参数）、操作（刻度过程的全自动化控制和数据保存与打印功能）、调试（各控制部件单项独立操作）和使用帮助。
该控制程序的主操作界面的示意图所示：
（主操作界面的示意图）
6. 运行环境
开发语言：Microsoft.Net C#
操作系统：Windows2000 Server
程序运行环境：Microsoft.Net FrameWork 1.1
数据库： Microsoft Access
支持软件：Microsoft Office
其他软件：Symantec Antivirus（诺顿杀毒软件）