CC BY
36
DOI: 12737/21690 УДК 630*
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕНТГЕНОТЕЛЕВИЗИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПИИ ВНУТРЕННИХ ПОРОКОВ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ
И. С. Фролов
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»,
г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
В статье представлены сведения, посвященные использованию портативной досмотровой рентгеновской установки в качестве дефектоскопа внутренних пороков в круглых лесоматериалах. Тематикой дефектоскопии пороков в круглых лесоматериалах занимаются более 40 лет, но она не теряет актуальность и сегодня. Существующие системы дефектоскопии на основе рентгена или томографа позволяют производить дефектоскопию исключительно стационарно. Производитель после дефектоскопии и сортировки круглых лесоматериалов получает объем низкокачественной древесины, которая требует дополнительной обработки. В таком случае создаются цеха, которые в свою очередь влекут расходы на оборудование, электроэнергию, рабочие места и другие расходы. Предлагаемая модернизация харвестерной головки посредством внедрения портативного рентгена предполагает учет внутренних пороков и сортировку непосредственно при лесозаготовках. Информация о сортности сортиментов заносится на специальные RFID метки, на основе которых далее составляется декларация о заготавливаемой древесине. В соответствии с регламентом № 995/2010, принятым Европейским парламентом и Советом от 20 октября 2010 г., устанавливающим обязательство импортеров на запрещение ввоза в страны ЕС незаконно заготавливаемой древесины, а также в соответствии с ФЗ от 28 декабря 2013 г. № 415-ФЗ, учету и поштучной маркировки подлежит древесина ценных пород (дуб, бук, ясень). Полученную информацию о сорте древесины и объеме заготавливаемой продукции, можно использовать для составления декларации. Форвардер формирует пачку на вывоз из лесосеки определенного сорта по полученной информации с RFID метки. Далее эту же информацию о месте размещения порока, его размере и процентном соотношении здоровой древесины используют для раскряжевки на автоматизированной системе, что также сокращает технологическую цепочку, так как сортименты не требуют сортировки после получения их потребителем. Древесина, которая по своим физико-механическим характеристикам не может использоваться как деловая или ее вывозка нерентабельна, перерабатывается в щепу непосредственно на лесосеке, что также экономит средства на транспортировку сырья.
Ключевые слова: лесозаготовки, харвестер, сердцевинная гниль, хлыст, дефектоскопия, рентген, маркировка, учет, транспортировка.
THE USE OF PORTABLE X-RAY EQUIPMENT FOR DETECTION OF INNER DEFECTS OF TIMBER
WOOD I. S. Frolov
Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Saint-Petersburg state forest technical University named after S. M. Kirov», Saint-Petersburg, Russian Federation
Abstract
The article deals with information on the use of portable x-ray equipment as a detector of internal defects in round timber. The problem of defects inspection in round timber is over 40 years old, but it is still vital today. The present inspection system on the basis of x-ray or MRI testing scanner exclusively are stationary. After inspection and sorting round timber a manufacturer has the amount of low-quality wood, which needs additional processing. Then the enterprises (units) are organized which ars labour cnsum-ing, energy consuming, and need special equipment. The suggested improving of a harvester head with the help of portable X-rays considers internal defects and sorting during the logging jobs. Information on the sortiment type is recorded on special RFID tags or notes which are the basis to create the Declaration of the harvestered wood. According to regulating number №995/2010 of the European Parliament and Council dated by October, 20 2010 which forbids illegal import to the European Community as well as ac-
cording to the Federal Law № №415-FZ dated by December, 28 2013 valuable wood species (oak, beech, ash-tree) are to be accounted and piece-marked. The obtained data on wood sort and its value can be used for the Declaration. A forwarder forms a bunch to transport it from the stump area basing upon the information of RFID tag. This information about the defects, its location, its size and percentage is used for automatically, it reduces production chain because sortiments do not need sorting after selling to consumers. Low-quality wood is processed into chip right on the stump area, it saves money on transportation.
Keywords: logging, harvester, core rot, whip, flaw detection, x-ray, marking, record-keeping, transportation.
При проведении лесозаготовок в спелых и перестойных насаждениях объем низкокачественной древесины, особенно у лиственных пород, может составлять от 40 до 60 %. Рациональное использование всего объема ствола дерева, а не только его деловой части позволяет повысить выход полезной древесной продукции и даст экономический эффект [1].
Одним из основных факторов, определяющих качество круглых лесоматериалов, является наличие внутренней (ядровой) гнили, которую оценивает оператор при раскряжевке хлыстов и сортировке сортиментов, доставляемых с лесосеки. При этом оператору необходимо увидеть чистый торцевой срез круглого лесоматериала, оценить величину гнили и по опыту своей работы наметить дальнейшие поперечные резы. Такой же ход операции отмечается и у оператора хар-вестера.
Человеческий фактор в этих операциях затрудняет процесс дальнейшей обработки древесины и влияет на качество выпускаемой древесной продукции. В связи с этим автоматизация основных технологических операций при оценке качества лесоматериалов, их раскряжевке и сортировке является приоритетной задачей. [6]
Использование рентгенотелевизионного оборудования стационарного типа позволяет «заглянуть» вовнутрь древесины до ее раскряжевки, но это возможно только на нижнем складе. С использованием портативного рентгенотелевизионного комплекса стало возможным сканирование древесины на лесозаготовках. Отличия стационарного рентгенотелевизион-ного оборудования от переносного в том, что размеры объекта дефектоскопии, в нашем случае древесины, ограничиваются размером детектора рентгеновских лучей (экрана) при использовании переносного рентге-нотелевизионного комплекса. При использовании стационарного рентгенотелевизионного дефектоскопа размеры объекта дефектоскопии не ограничиваются. [8, 9, 10, 11, 12, 13].
Автоматизация технологической операции по раскряжевке древесины подразумевает не только проведение раскряжевки традиционными методами, но и внедрение методики выявления и определения характеристик внутренних пороков (гниль, сучки, трещины) на основе самообучающейся системы определения образов с использованием переносного рентгенотеле-визионной комплекса (далее - ПРТК).
Использование автоматизированной системы дефектоскопии позволяет получить повышенный выход из хлыстов деловой древесины, например, пиловочника. С учетом обобщающих сведений о пиловочнике, полученных с помощью (ПРТК), можно повысить и выход качественной древесной продукции -пиломатериалов.
Основной частью ПРТК является рентгеновский узел [5]. Общий вид рентгеновского узла фирмы 1СМ представлен на рис. 1.
Рис. 1. Рентгеновская установка 1СМ ЕМзсап 30: 1 - детектор рентгеновских лучей; 2 - рентгеновский аппарат
Основным направлением работы досмотрового рентгена является обнаружение предметов, запрещённых к провозу в багаже, грузах, автомобилях. В зависимости от того, какой объект необходимо будет досмотреть, возможно использовать рентгены разных размеров, от малогабаритных рентгеновских установок до стационарных установок повышенного размера. При работе досмотровые рентгеновские установки абсолютно безопасны для человека и не требуют дополнительной защиты. Имеют множество настроек для получения более качественного изображения. Схема ра-
боты рентгенотелевизионной установки представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема работы досмотровой рентгеновской установки: 1 - компьютер; 2 - портативный рентгеновский аппарат; 3 - предмет досмотра;
4 - детектор рентгеновских лучей
Принцип работы ПРТК аналогичен принципу работы стационарного досмотрового рентгена, есть излучатель и приемник сигнала. Использование ПРТК даёт преимущества в модернизации. ПРТК можно использовать вручную и на специальной технике. Установка ПРТК на голову харвестера позволяет не только производить раскряжевку, но и получить информацию о размере и расположении внутренней гнили. Использовать ПРТК без внесения изменений в конструкцию прибора можно на харвестерной голове фирмы Kesla 25SH или 20SH. Принцип работы харвестерной головы фирмы Kesla интересен, так как она не имеет протаскивающих валов, на месте размещения протаскивающих валов размещаем ПРТК. ПРТК крепится к задним ножам. На одном ноже крепится детектор рентгеновских лучей, а на другом - портативный рентгеновский аппарат. При заинтересованности в получении более качественного 3D изображения устанавливается дополнительный ПРТК, расположенный наоборот и работающий в обратном направлении. Такая схема позволяет путем математической обработки получить 3D изображение. Изображение размещения ПРТК на хар-вестерной голове на рис. 3.
На внешнюю сторону ножей прикрепляется штанга. На штангу прикрепляется ПРТК. В том случае, если используется два ПРТК, то необходимо разделить специальным материалом, не пропускающим рентгеновское излучение. Экран-детектор и портативный рентген необходимо защитить от внешних воздействий, способных нанести урон ПРТК, На ПРТК уста-
навливается кожух, изготовленный из композитных материалов, способных защитить ПРТК и не создавать помех для работы установки.
Рис. 3. Изображение размещения ПРТК на голове: 1 - место установки экрана-детектора;
2 - место установки портативного рентгена
В этом случае харвестер продолжает работу в обычном режиме и производит разделку по заданной программе, при этом обрабатываемый хлыст сканируется ПРТК. Существуют рентгеновские установки, способные производить съем предмета в движении. Модель получения рентгеновского изображения в движении принимается за основную. Изображение внутренних пороков, полученное на ПРТК, идентично изображению, полученному на стационарной модернизированной рентгеновской установке, что позволяет использовать модель определения образов внутренних пороков со снимка, полученного на ПРТК, для автоматизации присвоения сорта, дальнейшей раскряжевки и учета древесины.
Полученную после дефектоскопии информацию можно заносить на специальные метки. Применительно к работе харвестера это могут быть RFID и изотопные метки. RFID метки имеют сочетание устойчивого к температуре и влажности пластика, который можно сканировать детектором, а также УВЧ радиометки, которые позволяют считывать и заносить информацию дистанционно, метки можно использовать неоднократно [3]. RFID метка представлена на рис. 4.
Использование RFID метки позволяет производить не только учёт обрабатываемого леса, но и использовать информацию, полученную от ПРТК, и определить объем деловой и низкокачественной древесины в круглых лесоматериалах до вывозки из лесосеки,
Рис. 4. Изображение RFID метки: а - УВЧ радиометка; б - корпус радиометки со штрих кодом
произвести сортировку круглых лесоматериалов, что далее дает возможность не сортировать круглые лесоматериалы на нижнем складе. Занесенную на RFID метку информацию о месте расположения пороков, их размере и количестве можно использовать для раскряжевки древесины, считав информацию с RFID метки. Устанавливаются RFID метки специальным оборудованием. Метка устанавливается на торец круглых лесоматериалов, информация на нее заносится дистанционно. Форвардер, собирая сортименты, может сразу же производить сортировку по полученным данным и создавать пачки уже отсортированных сортиментов, что также сокращает технологическую цепочку.
Изотопные метки в отличие от RFID метки можно использовать без вмешательства в работу хар-вестера и не создавать дополнительную операцию. В головке харвестера можно использовать уже существующую систему нанесения меток. Харвестер делает отметки на торцах краской и выполняет ту же операцию, что и с изотопными метками. Изотопные метки будут использоваться в виде аэрозоля и могут считы-ваться дистанционно, т. к. разные изотопы имеют разное излучение. Необходимо создать градацию изотопов в зависимости от полученной информации, по породному составу, объему пороков, месте расположения, диаметру, длине и др.
Мы полагаем, что RFID метки являются перспективным средством маркировки, т. к. эти метки применяются при сортировке и маркировке пиломатериалов и круглых лесоматериалов. Также на них можно заносить информацию более точно и использовать ее для раскряжевки.
Анализ работы ПРТК (портативного рентгено-телевизионного комплекса) показал, что для получения снимка оборудованию необходимо от 1,5 до 3 секунд.
Принцип работы харвестерной головки представлен на рис. 5.
Принцип работы головки следующий: изна-
в)
Рис. 5. Принцип работы харвестерной головки Kesla 25SH: а) головка находится в начальном этапе; б) коросрезающий нож, расположенный рядом с пилой, неподвижен, а другие ножи передвигаются; в) головка возвращается в первоначальное положение
чально головка корообдирающими ножами обхватывает дерево. Производится спил, а также в этот момент производится первоначальный замер при помощи ПРТК. Далее после валки хлыста начинается процесс срезания сучьев и раскряжевки. Анализ показал, что в это время происходит передвижение двух дальних ножей, нож, который находится у пилы, неподвижен, соответственно в этот момент возможно произвести
замер. Время остановки ножа составляет 3,4 с, чего достаточно для проведения замера ПРТК.
Соответственно схема получения изображения хлыста при обработке должна быть усовершенствована путем построения модели сердцевинной гнили по точкам, полученным при замере, и на основании этих данных должна быть произведена раскряжевка. Расстояние между ножами, куда будет установлен ПРТК, в раздвинутом положении равняется 1100 см, экран прибора способен обрабатывать около 650 см. Соответственно, необработанная область равняется 450 см. Схема построения модели приводится на рис. 6.
7 3
Рис. 6. Схема дефектоскопии хлыста с использованием рентгенотелевизионного оборудования: 1 - не обрабатываемая зона; 2 - начала зоны обработки; 3 - конец зоны обработки; 4 - обрабатываемая зона
Согласно предлагаемой схеме построения модели предполагаемой линии гнили между крайними точками обработанных зон строится прямая линия.
Схема построения линии в зонах, которые не обрабатываются ПРТК, представлена на рис. 7.
Согласно предлагаемой модели определения образа гнили с использованием ПРТК, не обрабатываемая зона составляет около 3 % от сердцевинной гнили, и этим значением можно пренебречь.
В дальнейшем планируется разработка программы с использованием языка программирования С++, способной, аналогично принципу и алгоритму построенной по нему программы рассчитывать процент содержания гнили и принять решение о раскряжевке и сортировке сортиментов для вывозки из лесосеки.
Рис. 7. Схема построения линии между
необработанными зонами: 1 - зона не обрабатываемой древесины; 2 - зона не выявленной гнили согласно построенной схеме; 3 - начало зоны дефектоскопии; 4 - конец зоны дефектоскопии; 5 - зона дефектоскопии; 6 - сердцевинная гниль
Библиографический список
1. Лекция для операторов РУДБТ [Электронный ресурс] - Режим доступа http://yur-gulov.narod.ru/doc/dok.htm/
2. RFГО метки [Электронный ресурс] - Режим доступа http://latschbacher.com.ru/elektronnyj-uchet-drevesiny-v-икате/ргс^шЛюп/Ь1гк1/^#
3. Маркировка и учет древесины [Электронный ресурс] - Режим доступа http://datascan.ru/systems/forrest/forrest.htm
4. Интерскопы [Электронный ресурс] - Режим доступа http://неоскан.рф/produkcziya/produktyi-po-proizvoditelyu/produkcziya-smiths-detection/rtu/?yclid=1015173411203713337
5. Обзор технологий маркировки и автоматической идентификации лесоматериалов ценных лесных пород [Текст] / М. В. Симоненков, Э. О. Салминен, И .С. Никитина, И. В. Бачериков // Леса России в XXI веке : Материалы одиннадцатой международной научно-практической интернет-конференции. СПбГЛТУ, Санкт-Петербург, 2014. -С. 69-89.
6. Куницкая, О. А. Актуальные проблемы лесозаготовительного производства в России на рубеже 2015 года [Текст] / О. А. Куницкая // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции - Воронеж, 2014. - Т. 2. -С. 183-186.
7. Патякин, В. И. Технология и машины лесосечных работ [Текст] : учеб. / под ред. В. И. Патякина. - СПб. : СПбГПУ, 2012. - 362 с.
8. Куницкая, О. А. Перспективы увеличения объемов лесоэксплуатации за счет низкотоварной древесины [Текст] / О. А. Куницкая, И. В. Григорьев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции -Воронеж, 2014. - Т. 2. - С. 104-107.
9. Application of an ultrasonic tomographic technique for detecting defects in standing trees [ТеХ] / C.-J. Lin [et al] // International Biodeterioration & Biodegradation 62. - 2008. - pp. 434-441.
10. Selman Jabo Machine Vision for Wood Defect Detection and Classification, Master of Science Thesis, Chalmers University of Technology [ТеХ] / Selman Jabo. // Göteborg. - Sweden, 2011. - 106 p.
11. Bucur, V. Techniques for high resolution imaging of wood structure: a review [ТеХ] / V. Bucur // Measurement Science and Technology. - 2003. - 14. - R91-R98.
12. Ultrasonic device for the imaging of green wood [ТеХ] / Brancheriau [et al.] // 6th Plant Biomechanics Conference -Cayenne, November 16-21, 2009.
13. Xiangyu Xiao A Multiple Sensors Approach To Wood Defect Detection. [ТеХ] / Xiangyu Xiao Ph.D. Dissertation Thesis, Virginia Tech, 1998.
References
1. Lekcija dlja operatorov R UDBT [Lecture for operators RODBC] Available at: http://yur-gulov.narod.ru/doc/dok.htm/
2. RFID metki [RFID tags] Available at: http://latschbacher.com.ru/elektronnyj-uchet-drevesiny-v-ukraine/production/birki/rfid#
3. Markirovka i uchet drevesiny [Marking and registration of wood] Available at: http://datascan.ru/systems/forrest/forrest.htm
4. Interskopy [Interscope] Available at: http://xn--80ajpkddv.xn--p1ai/produkcziya/produktyi-po-proizvoditelyu/produkcziya-smiths-detection/rtu/?yclid=1015173411203713337
5. Simonenkov M.V., Salminen E.O., Nikitina I.S., Bacherikov I.V. Obzor tehnologij markirovki i avtomaticheskoj identifikacii lesomaterialov cennyh lesnyh porod [Review of technologies and materials marking and automatic identification of forest species of timber] Lesa Rossii v XXI veke Materialy odinnadcatoj mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj internet-konferencii. [Forests Of Russia in the XXI Century Proceedings of the eleventh international scientific and practical Internetconference] Saint Petersburg, 2014, pp. 69-89. (In Russian).
6. Kunitsky O.A. Aktual'nye problemy lesozagotovitel'nogo proizvodstva v Rossii na rubezhe 2015 goda [Actual problems of timber production in Russia at the turn of 2015] Aktual'nye napravlenija nauchnyh issledovanij XXI veka: teorija i praktika. Sbornik nauchnyh trudov po materialam mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Recent research trends of the XXI century: Theory and Practice. Collection of scientific papers based on internanative correspondence scientific-practical conference] Voronezh, 2014, Vol. 2, pp. 183-186. (In Russian).
7. Patyakin VI [et al]. Tehnologija i mashiny lesosechnyh rabot [The technology and machine logging activities]. Saint Petersburg, 2012, 362 p. (In Russian).
8. Kunitsky O.A., Grigoriev I.V. Perspektivy uvelichenija ob#emov lesojekspluatacii za schet nizkotovarnoj drevesiny [Prospects for increasing the volume of forest exploitation at the expense of low-grade wood] Aktual'nye napravlenija nauchnyh issledovanij XXI veka: teorija i praktika. Sbornik nauchnyh trudov po materialam mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Recent research trends of the XXI century: Theory and Practice. Collection of scientific papers based on international correspondence scientific-practical conference] Voronezh, 2014, Vol. 2, pp 104 - 107. (In Russian).
9. C.-J. Lin [et al]. Application of an ultrasonic tomographic technique for detecting defects in standing trees International Biodeterioration & Biodegradation 62. 2008, pp. 34-441
10. Selman Jabo Machine Vision for Wood Defect Detection and Classification, Master of Science Thesis, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2011, 106 p.
11. Bucur V. Techniques for high resolution imaging of wood structure: a review. Measurement Science and Technology, 2003, 14, R91-R98.
12. Brancheriau et al. Ultrasonic device for the imaging of green wood 6th Plant Biomechanics Conference - Cayenne, November 16-21, 2009
13.Xiangyu Xiao A Multiple Sensors Approach To Wood Defect Detection. Ph.D. Disser-tation Thesis, Virginia Tech, 1998.
Сведения об авторе
Фролов Иван Сергеевич - аспирант кафедры технологии лесозаготовительных производств Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; e-mail: frolovtrubach90@mail.ru.
Information about author
Frolov Ivan Sergeevich - post-graduate student of the Department of Technology and Timber industries, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Saint-Petersburg state forest technical University named after S.M. Kirov», Saint Petersburg, Russian Federation; e-mail: frolovtrubach90@mail.ru.
DOI: 12737/21691 УДК 630*
ДЕФЕКТОСКОПИЯ ВНУТРЕННИХ ПОРОКОВ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕНТГЕНОТЕЛЕВИЗИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
И. С. Фролов1 И. В. Бачериков1
1 - ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»,
г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
В статье представлены сведения, посвященные использованию досмотровых рентгеновских установок в качестве дефектоскопов древесины с сердцевинной гнилью. Основным направлением работы досмотровых рентгеновских установок является сканирование багажа на провозимые опасные и запрещенные вещества. Использование данного прибора для дефектоскопии древесины актуально тем, что прибор имеет строение проходного типа, соответственно при небольшой модернизации оборудования получаем готовый прибор для дефектоскопии круглых лесоматериалов. В модернизацию входит замена транспортировочной ленты на цепной транспортер. По сравнению с аналогичным дефектоскопом на основе томографа имеем преимущество в размере рабочей камеры, т. к. она ограничена только размерами помещения, где производится дефектоскопия. Размеры досмотровых систем возможны от портативных, которыми можно работать вручную, до систем, способных производить досмотр грузовых автомобилей. Специфика работы досмотрового рентгена подразумевает большое количество настроек изображения, как по цвету, так и по контрасту, для получения более качественного изображения. В качестве образцов при проведении эксперимента нами использовалась береза, пораженная внутренней гнилью в комлевой части ствола. Образцы древесины, пораженные гнилью, были взяты из стволовой части, напилены через метр. Линия перехода от здоровой части древесины к гнилой на черно-белом изображении легко выявляется, так как модернизированная рентгеновская установка, оценивая деловые и низкокачественные зоны древесины, показывает, что имеется значительное изменение плотности древесины, и выделяет зону по краям. Такое выделение упрощает задачу использования снимков, полученных на МРУ, для определения внутренних пороков с использованием самообучающейся системы при определении образов, что позволяет полностью автоматизировать процесс дефектоскопии и применять его при сортировке и раскряжевке круглых лесоматериалов. Использование модернизированной рентгеновской установки дает возможность получить более высокий выход деловой древесины, повысить качество выпускаемых пиломатериалов, автоматизировать процесс и исключить человеческий фактор.
Ключевые слова: рентген, досмотровая рентгеновская установка, сердцевинная гниль, внутренние пороки, раскряжевка, сортировка, автоматизация раскряжевки, автоматизация дефектоскопии.
