Bộ công thơng
Viện máy và dụng cụ công nghiệp
oOo
Báo cáo tổng kết đề tài

m số: 141.11.rd/hĐ-KHCN Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng phần mềm điều khiển
trên máy tính PC để giám sát, điều khiển hệ thống
nguồn phát tia X đến 160kV
Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài

9

10

Nguyễn Chí Cờng

Phan Anh Dũng

Nguyễn Hữu Vĩnh

Phùng Văn Đông

Phạm Thanh Tú

Trần Văn Chung

Nguyễn Văn Đông

Nguyễn Hồng Giang

Nguyễn Văn Thoại

Dơng Văn Nghĩa ThS. CNTT

ThS. Điện tử VT



Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp 2
Bộ công thơng
Viện máy và dụng cụ công nghiệp
Cộng hoà x hội chủ nghĩa Việt nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Báo cáo tóm tắt
thực hiện đề tài 141.11.rd/HĐ-KHCN

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng phần mềm điều khiển trên
máy tính PC để giám sát, điều khiển hệ thống nguồn phát
tia X đến 160kV
Cấp quản lý: Bộ Công Thơng
Cơ quan thực hiện: Viện máy và dụng cụ công nghiệp.

Theo tinh thần và nội dung của Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển
công nghệ số 141.11.RD/HĐ-KHCN, ký ngày 18/04/2011 với Bộ Công thơng, Viện
máy và dụng cụ công nghiệp đã hoàn thành đề tài Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng
phần mềm điều khiển trên máy tính PC để giám sát, điều khiển hệ thống nguồn phát

+ Phần mềm giám sát, điều khiển nguồn phát tia X trên máy tính PC.
+ Ghép nối, đồng bộ hệ thống điều khiển nguồn phát tia X trên cơ sỏ các thiết
bị X-Ray thuộc Phòng thí nghiệm Kỹ thuật tia X IMI.
+ Báo cáo thử nghiệm, đánh giá kết quả hoạt động của toàn bộ hệ thống

Qua các kết quả thu đợc trong quá trình thử nghiệm, thấy rằng hệ thống đợc
thiết kế, xây dựng và ghép nối đã đáp ứng đợc tất cả các yêu cầu đề ra của đề tài.
II.> Sử dụng kinh phí đề tài:
Kinh phí đợc cấp cho đề tài đã đợc sử dụng đúng mục đích, theo đúng nh
các hạng mục đã nêu trong dự toán ban đầu. Toàn bộ kinh phí từ nguồn NSNN của đề
tài (140.000.000 VNĐ - Một trăm bốn mơi triệu đồng) đã đợc sử dụng hết.
- Mua vật t, nguyên, nhiên, vật liệu, tài liệu, dụng cụ phục vụ cho công việc
thực hiện đề tài.
- Thuê khoán chuyên môn.
- Vật t, văn phòng phẩm, công tác phí.
III.> Kết luận và hớng phát triển:
Đề tài 141.11.RD/HĐ-KHCN đã đợc hoàn thành và đáp ứng đợc các mục
tiêu đặt ra ban đầu.

4
Sản phẩm của đề tài đã đợc đánh giá, thử nghiệm tại cơ sở, đạt đợc các chỉ
tiêu chất lợng, kỹ thuật mong muốn.
Kết quả của đề tài góp phần nâng cao tính an toàn, hiệu quả, tính đồng bộ, tự
động hóa trong việc sử dụng các thiết bị X-Ray của Phòng thí nghiệm Kỹ thuật tia X
IMI.
Các kết quả nghiên cứu và sản phẩm của đề tài đã góp phần để Viện IMI làm
chủ công nghệ và chế tạo thành công Bộ điều khiển trong hệ thống nguồn phát tia X
cho máy chụp X quang thờng quy trong y tế.
Để kết quả của đề tài có thể đợc ứng dụng rộng rãi hơn, nhóm thực hiện đề tài
kiến nghị:


Cơ sở xây dựng, lu đồ hoạt động, sơ đồ thuật toán và các chức
năng của phần mềm điều khiển hệ thống nguồn phát tia X

Phần IV:
Tích hợp, thử nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống
nguồn phát tiaKết luận và hớng phát triển
+ Các kết quả đạt đợc
+ Hớng phát triển
6
Mục lục

Nội dung
Trang
Mở đầu
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nớc
Mục tiêu nghiên cứu và các nội dung thực hiện chính của đề tài

nội dung chính 9
11


1. Cơ sở xây dựng phần mềm
27
1.1. Xác định các yêu cầu cho bài toán xây dựng phần mềm 27
1.2. Bộ lệnh hỗ trợ truyền thông của nhà sản xuất Gulmay Ltd 27
1.2.1. Yêu cầu truy vấn dữ liệu 28
1.2.2. Gói tin lệnh 31

7
2. Lu đồ hoạt động, cơ chế giao tiếp và sơ đồ thuật toán của phần mềm
32
2.1. Lu đồ hoạt động của phần mềm 32
2.2. Cơ chế giao tiếp giữa phần mềm điều khiển trên máy tính và bộ điều
khiển XRG Controller
32
2.3. Sơ đồ thuật toán của phần mềm 35
3. Các đặc điểm, chức năng chính và một số giao diện chính của phần mềm
36
3.1. Các đặc điểm, chức năng chính của phần mềm 36
3.2. Các giao diện chính của phần mềm 36
Phần IV Tích hợp, thử nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống
nguồn phát tia
42
1. Quá trình tích hợp hệ thống nguồn phát tia
42
2. Quá trình thử nghiệm, đánh giá tính năng hoạt động của toàn bộ hệ thống
44
* Đánh giá chung về quá trình và kết quả thử nghiệm 46
Kết luận và hớng phát triển
47
Tài liệu tham khảo

Do các thiết bị tia X có công nghệ tơng đối phức tạp và đòi hỏi sự kết hợp của
nhiều lĩnh vực nh: vật lý, điện tử, điều khiển, cơ khí chính xác và CNTT nên hầu hết
các công ty trên thế giới sản xuất các module cho nhóm thiết bị này đều phải có quá
trình nghiên cứu, thử nghiệm rất lâu dài mới có thể đi tới sản xuất, chế tạo thành công
các sản phẩm. Thông thờng các công ty này đều có các know-how riêng để tạo ra sự
thành công cũng nh thế mạnh cho sản phẩm của mình. Do vậy nên việc phổ biến,
trao đổi thông tin khoa học về lĩnh vực công nghệ này là rất hạn chế. Bên cạnh đó các
hệ thống máy móc, thiết bị sử dụng tia X luôn luôn phải đáp ứng các yêu cầu rất cao
về an toàn. Vì các lý do này, nên việc nghiên cứu, chế tạo và phát triển nhóm sản
phẩm này thờng gặp phải nhiều khó khăn và điều này cũng làm cho các thiết bị

10
trong nhóm sản phẩm này có giá thành tơng đối cao, từ vài chục nghìn đô la cho
những thiết bị đơn giản, đến hàng vài trăm nghìn đô la cho các hệ máy phức tạp.
Tại Việt Nam việc nghiên cứu, ứng dụng các thiết bị sử dụng tia X chủ yếu tập
trung vào hớng: nhập khẩu đồng bộ các thiết bị của nớc ngoài để khai thác, ví dụ
nh : các máy soi hàng (kiểm tra hành lý) tại các sân bay/ cửa khẩu, các thiết bị y tế
sử dụng tia X (chụp X quang, CT Scanner), các máy kiểm tra không phá hủy (NDT)
sử dụng trong công nhiệp, v.v Qua đó tại một số công ty đã xây dựng đợc đội ngũ
cán bộ đợc trang bị kiến thức phục vụ cho công việc lắp ráp, khai thác, sửa chữa các
lỗi đơn giản cho nhóm thiết bị này. Bên cạnh đó cũng có một số công ty tiến hành chế
tạo một phần (chủ yếu là phần khung, sờn, bàn gá, các chi tiết cơ khí, v.v.) và lắp ráp
các thiết bị ứng dụng tia X (chủ yếu là các thiết bị phục vụ trong lĩnh vực y tế) tại
Việt Nam, tuy nhiên các bí quyết công nghệ hay kiến thức kỹ thuật quan trọng về sản
phẩm đều rất khó tiếp cận.
Gần đây đã có một số đơn vị trong nớc tiếp cận vào lĩnh vực đầy tiềm năng
này nh : Trung tâm KHTN & CN Quốc gia, ĐH Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ
thuật Quân sự, Viện trang thiết bị Y tế, Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI), v.v
Các đơn vị này đã từng bớc xây dựng đội ngũ cán bộ nghiên cứu khoa học có kiến
thức chuyên sâu về lĩnh vực ứng dụng tia X, tiến hành thực hiện các nhiệm vụ khoa

+ Tiến hành thiết kế xây dựng thuật toán cho phần mềm điều khiển, giám sát hệ
thống nguồn phát tia X.
+ Thực hiện xây dựng phần mềm điều khiển, giám sát hệ thống nguồn phát tia
X.
+ Tích hợp toàn bộ hệ thống điều khiển nguồn phát tia X bao gồm phần mềm
điều khiển trên PC và các thành phần của hệ thống nguồn phát tia X sẵn có của Phòng
thí nghiệm Kỹ thuật tia X IMI.
+ Thử nghiệm, đánh giá tính năng, sự hoạt động của hệ thống nguồn phát tia X.
Phần I
Tổng quan về tia X và hệ thống nguồn phát tia X
1. Tổng quan về tia X:
1.1. Bản chất vật lý của tia X:
Tia X là bức xạ điện từ xuyên thấu, có bớc sóng ngắn hơn ánh sáng. Tia X
đợc phát hiện năm 1895 bởi nhà vật lí Wilhelm Conrad Rơngen.

12

1. Sóng radio AM
2. Sóng radio ngắn
3. Sóng vô tuyến,FM
4. Radar vi sóng
5. Sóng milimets
6. Sóng siêu âm
7. ánh sáng nhìn thấy

hơn (mô mềm) sẽ hấp thụ bức
xạ nhiều hơn, vì vậy tạo nên
bóng mầu sẫm hơn trên các ảnh
chụp còn phần có cấu tạo
nguyên tử nhẹ hơn (xơng đợc
cấu tạo bởi các nguyên tử canxi)
sẽ có mầu trắng nhạt.
Ngoài ra tia X còn có một sô tính chất đặc trng khác nh:
H
ình 1.2: Ví dụ về sự hấp thụ tia X của các phần
tử v
ậ
t chấ
t
+ Phát huỳnh quang: Các tia X gây sự phát huỳnh quang trên một số vật liệu nh
barium platinocyanide và zincsulfide. Nếu một màn hình phủ vật liệu huỳnh quang
thay cho phim chụp, thì cấu trúc của vật thể đợc tia X chiếu qua sẽ đợc nhận thấy
trực tiếp trên màn huỳnh quang. Kỹ thuật này gọi là phép nghiệm huỳnh quang
(fluoroscopy).
+ Ion hoá: Một đặc tính quan trọng khác của tia X là khả năng ion hoá của chúng,
phụ thuộc vào chiều dài bớc sóng của tia. Khả năng ion hoá của tia X đơn sắc tỉ lệ
thuận với năng lợng của nó. Đặc tính này tạo nên một phơng pháp đo năng lợng
của tia X. Khi tia X đi qua một buồng ion hoá, một dòng điện đợc sinh ra, tỉ lệ thuận
với năng lợng của tia tới. Nếu bổ sung vào buồng ion các thiết bị có độ nhạy cao nh
mạch đếm Geiger-Myxller (Geiger-Myxller counter) và bộ đếm scintillation
(scintillation counter), năng lợng của tia X có thể đo đợc trên cơ sở của sự ion hoá.
+ Nhiễu xạ: Tia X có thể bị nhiễu về phía xuyên qua hoặc ngợc lại (trong trờng
hợp phản xạ) khi chiếu qua một tinh thể có các mạng nguyên tử đều. Các dạng giao

13

hình 1.4.
14

ng phỏt tia X
Cỏp HV
Ngun cao ỏp
B lm mỏt
T in
(Chuyn i
Tớn hiu v
ngun cp)
Ngun Cp 220/
380 VAC
B iu khin
Khúa Ca
ốn C

nh bỏo
GND
Tớn hiu
N
g
un
n
g
tru
y

- Cữ đóng cửa, đèn cảnh báo: Để đảm bảo sự an toàn khi vận hành hệ thống. Ví
dụ: chỉ khi cữ báo đóng thì hệ thống mới có thể START. 15
2.2. Nguyên lý hoạt động chung của các hệ thống nguồn phát tia X:
2.2.1. Nguyên lý hoạt động:
+ Các hệ thống nguồn phát tia X hoạt động đều dựa trên nguyên lý chung là: bộ phận
điều khiển sẽ chuyển các thông số điều khiển sang nguồn phát để lu, Khi có yêu cầu
START hệ thống sẽ kiểm tra các tín hiệu báo an toàn, nếu OK, lệnh START đợc gửi
sang nguồn phát, nguồn phát sẽ tạo ra và truyền sang ống phát một dòng cao áp với
các thông số điều khiển đã lu trên nguồn phát.
+ Đối với tất cả các hệ thống nguồn phát tia X thì bộ thông số điều khiển là: điện áp
(cỡ kV), cờng độ dòng (cỡ mA) và thời gian phát tia (cỡ mS). Trong đó:
- Điện áp: quyết định độ cứng của tia X (hay còn gọi là độ đâm xuyên).
- Dòng: quyết định đến mật độ của tia X phát ra.
- Thời gian phát tia: quy định thời gian duy trì phát tia.
Các giá trị của bộ thông số điều khiển trên đợc thay đổi tuỳ thuộc vào yêu cầu
sử dụng và dải phát tia của thiết bị. Trong các máy X quang công suất bé thì mạch
điều chỉnh mA đợc thay đổi độc lập sao cho ứng với mỗi giá trị mA ta có các giá trị
kV tơng ứng sao cho bóng X quang không vợt quá tải cho phép. Trong các máy X
quang công suất lớn thì việc thay đổi giá trị mA thờng đợc đồng chỉnh với thời gian
phát tia X.
2.2.2. Sơ đồ mạch điều chỉnh các thông số điều khiển cho hệ thống nguồn phát tia X:
+ Điều chỉnh điện áp kV:
Để thay đổi điện áp đặt lên ống anốt bóng X quang, thờng ngời ta thực hiện ở
sơ cấp biến thế cao thế, có thể liên tục hoặc từng nấc.

Hình 1.5. Mạch điều chỉnh điện áp liên tuc


Hệ thống nguồn phát tia X XRS, điện áp 160 kV, công suất 1000W, đợc
trang bị tại Phòng kỹ thuật tia X Viện IMI là sản phẩm của hãng COMET AG
(Switzerland). Hệ thống bao gồm các thiết bị sau:
- Nguồn phát XRP-160/1000/2
- ống phát tia X MXR-160/20
- Bộ làm mát XRC-1000WA
- Bộ điều khiển XRG
- HV cable dài 5m (N3/160-R24-R24-5)
1.1. Nguồn phát XRP-160/1000/2

Hình 2.1 Nguồn phát XRP-160/1000/2
Thông số kỹ thuật nguồn phát XRP-160/1000/2
- Bộ phát dạng đơn cực
- Dải điện áp : 10 160kV
- Dải dòng điện : 0 8 mA
- Công suất cực đại : 1000W
- Hiệu điện thế kết nối dạng : R24
- Nguồn dây tóc : 4.5A@9V
- Tính ổn định : +/-0.1%
- Hiệu điện thế đầu vào : 220VAC +/- 10% 47-63Hz
- Nguồn điện yêu cầu : 2.2kVA 1pha

19
- Trọng lợng : 102kg
- Kích thớc : 360 x 613 x 482 (mm)
1.2. Bộ điều khiển XRG Controller

Hình 2.2 Bộ điều khiển XRG Controller
- Thông số kỹ thuật bộ điều khiển COMET XRG controller
+ Trọng lợng : 5,3Kg

công tắc khoá có thể đặt đợc ba vị trí.
Vị trí thứ nhất của công tắc khoá là ở vị trí có số 0 (No power switched
on in the unit). Tại vị trí này thì bộ điều khiển không làm việc.
Vị trí thứ hai của công tắc chính là khi khoá chỉ ở vị trí có dấu hình sin (
~ hay còn gọi là Mains on). Tại vị trí này thì cho phép ngời sử dụng
kiểm tra tất cả các điều kiện quy định cho việc bật tia X.
Mỗi lần bật, bộ điều khiển tự động vào chế độ warm-up (mã 101). Điều
này có nghĩa là thiết bị không phát tia X trong ít nhất 24 giờ.
Hv on enable. Vị trí nguồn phát đã sẵn sàng để chạy.
1.3. ống phát tia X MXR-160/20

Hình 2.3: ống phát tia X - MXR-160/20
Thông số kỹ thuật
- Điện áp danh nghĩa : 160kV
- Công suất liên tục : 640W
- Điểm tiêu cự : d = 0.1mm
- Dòng điện dây tóc thông thờng/ cực đại : 4.1A/4.1A
- Điện áp dây tóc : 4.2V
- Góc tác dụng : 20
0

- Góc bức xạ : 40
021
- Mức độ rò rỉ bức xạ tối đa : 2.5mSv/h
- Làm mát : nớc
- Lu lợng làm mát trên phút : 4l/phút
- Nhiệt độ tối đa : 35

22
1.5. Cáp cao áp: HV cable N3-160/R24

Hình 2.5a Đầu cáp N3-160/R24 Hình 2.5b Cáp N3-160/R24 dài 5m
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp : 160kVDC
- Đờng kính danh nghĩa : 29mm
- Trở kháng dây dẫn trần ở 20
0
C : 6.6m/m
- Trở kháng dây dẫn trắng và đỏ ở 20
o
C : 11 m/m
- Bán kính uốn cong nhỏ nhất : 120mm
- Điện trở cách điện : 1x10
12
.m
- Điện dung : 126 pF/m
- Nhiệt dộ làm việc tối đa : + 70
0
C
2. Sơ đồ ghép nối hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI
2.1. Sơ đồ ghép nối hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI:
Từ các thiết bị riêng lẻ đợc trang bị cho Phòng thí nghiệm kỹ thuật tia X
IMI, và với sự chuyển giao công nghệ từ hãng COMET AG (Switzerland), nhóm thực
hiện đề tài đã xây dựng đợc sơ đồ ghép nối các thiết bị (hình 2.6) để hình thành hệ
thống nguồn phát tia X.

Hình 2.6 Sơ đồ ghép nối hệ thống nguồn phát tia X


ớc.
- Chế độ Fluoro: đây là chế độ sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng thời gian
thực. Thời gian phát tia là không giới hạn và sẽ chỉ đợc xác định bằng cách

25
tắt nguồn phát tia X. Thời gian này đợc xác định bằng cách đặt/ hiển thị bộ
định thời gian
- Chế độ Auto watt: là chế độ mà dòng đầu ra đợc giới hạn tới mức cho phép
lớn nhất của ống phát tia X. Dòng đầu ra giới hạn có thể đợc lập trình sẵn
hoặc đặt thủ công khi ngời vận hành chọn tải cao hơn mức cho phép của ống
phát tia X.
Nh vậy bản thân bộ điều khiển XRG Controller đã đợc thiết kế để hoạt động
độc lập, việc thao tác vận hành và theo dõi đợc thực hiện qua bộ khóa/phím/nút xoay
và màn hình hiển thị LCD để hiển thị các thông số điều khiển và chế độ. Tuy nhiên,
khi thực hiện điều khiển trực tiếp nh vậy thì sẽ có một số hạn chế:
- Không thể kiểm soát đợc ngời vận hành.
- Bộ điều khiển thao tác đặt các chế độ phức tạp.
- Các số liệu về ngời vận hành, thời gian đặt các thông số điều khiển, thời gian
vận hành hệ thống nguồn phát tia sẽ không đợc quản lý/in ấn.
- Do hệ thống nguồn phát tia X ở đây có công suất tơng đối lớn
(160kV/1000W), do vậy nếu có sai sót trong quá trình vận hành hoặc có lỗi ở
phần cảnh báo/an toàn thì đó sẽ là một mối nguy hại lớn cho ngời vận hành.
- Không chủ động về công nghệ khi muốn mở rộng các chức năng cho bộ điều
khiển.
Do các hệ thống nguồn phát tia X mà nhóm thực hiện đề tài hớng tới là các hệ
thống có công xuất phát tơng đối lớn (tới 160kV), do vậy việc điều khiển gián tiếp
(thông qua phần mềm điều khiển trên máy tính) để nâng cao hiệu quả sử dụng và đảm
bảo an toàn là cần thiết. Nhiệm vụ chính của đề tài là xây dựng phần mềm điều khiển
trên máy tính để gián tiếp điều khiển hệ thống nguồn phát tia X hiện có tại Viện IMI,
tiến tới có thể ứng dụng cho mọi hệ thống nguồn phát tia X (tới 160kV) có nhu cầu