黃琦蘭 李尚尚

摘 要： 為了制氧裝備廠家及時準確地掌握不同區(qū)域設(shè)備的運行參數(shù)和故障信息，使得技術(shù)人員能夠快速地進行遠程故障判斷和設(shè)備維護，開發(fā)一套關(guān)于醫(yī)用制氧裝備的遠程故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)由醫(yī)用制氧裝備信息系統(tǒng)、遠程故障診斷服務(wù)中心和專家系統(tǒng)組成。系統(tǒng)采用OPC技術(shù)讀取現(xiàn)場設(shè)備PLC中的數(shù)據(jù)信息，通過OPC服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳送到故障診斷服務(wù)中心，實現(xiàn)遠程故障數(shù)據(jù)采集的目的，故障服務(wù)中心根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和專家系統(tǒng)提供的經(jīng)驗支持，發(fā)布包含故障數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁，技術(shù)人員通過遠程訪問這些網(wǎng)頁，并根據(jù)經(jīng)驗判斷出故障原因，實現(xiàn)對制氧裝備遠程故障診斷的目的。和多數(shù)設(shè)備提供的遠程故障診斷服務(wù)相比，所提系統(tǒng)具有針對性強、使用方便、易于擴展的優(yōu)點，能夠更好地滿足醫(yī)用制氧企業(yè)的需求。

關(guān)鍵詞： 醫(yī)用制氧裝備； 遠程故障診斷； 專家系統(tǒng)； OPC； PLC； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TN99?34； TP311.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0121?04

Abstract： A remote fault diagnosis system for medical oxygen generation equipment was developed， which can make the medical oxygen generation equipment manufacturers master the operation parameters and fault information of different regional equipments， and the technician quickly perform the remote fault judgment and equipment maintenance. The system is composed of medical oxygen generation equipment information system， remote fault diagnosis service center and expert system. The OPC technology is adopted in the system to read the data information in field apparatus PLC， and then the data is sent to the fault diagnosis service center to realize the remote fault data acquisition. The fault service center releases the webpage containing fault data according to the acquired data and experience support provided by expert system， and then the technician judges the fault cause according to his experience by means of remote access of the webpage， which can realize the remote fault diagnosis of medical oxygen generation equipment. In comparison with the remote fault diagnosis service provided by a majority of equipments， the system has the advantages of stronger pertinence， more convenient use and easier expansibility， and can meet the needs of medical oxygen generation enterprises much better.

Keywords： medical oxygen generation equipment； remote fault diagnosis； expert system； OPC； PLC； data acquisition

0 引 言

醫(yī)用制氧裝備在醫(yī)院制氧過程中具有重要的作用，一旦發(fā)生故障停機的情況，將會引發(fā)醫(yī)院缺乏氧氣的嚴重后果。因此如何快速、準確地判斷出設(shè)備的故障所在，使維修人員能夠根據(jù)故障原因及時進行維護已成為制氧行業(yè)面臨的一個主要問題。隨著網(wǎng)絡(luò)信息化的快速發(fā)展，遠程故障診斷在醫(yī)用制氧裝備方面的應(yīng)用也越來越多，通過Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測，使得維修人員能夠遠程查看設(shè)備發(fā)生故障時的一些數(shù)據(jù)信息，從而根據(jù)以往經(jīng)驗完成對設(shè)備的遠程故障診斷[1]。

在遠程故障診斷中，故障信息的獲取是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。由于各個設(shè)備分布在不同的地方，使用傳統(tǒng)的客戶機/服務(wù)器模式要求用戶安裝客戶端應(yīng)用程序，并且應(yīng)用程序需要特定的運行環(huán)境[2]，因此這樣的模式已不再適用?，F(xiàn)在大多數(shù)的遠程故障診斷系統(tǒng)是在設(shè)備使用的地方建立Web站點，當設(shè)備發(fā)生故障時，通過該站點將采集到的故障信息傳送到設(shè)備生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)庫，然后廠家發(fā)布故障數(shù)據(jù)網(wǎng)頁，維修人員就可以通過瀏覽器查看設(shè)備的故障信息，但這種基于瀏覽器/服務(wù)器的模式需要在每個設(shè)備使用的地方建立Web站點，當使用醫(yī)用制氧裝備的醫(yī)院較多時，這樣的方式運行起來就變得復(fù)雜，無法滿足制氧裝備廠家對設(shè)備故障診斷簡單高效的要求。針對此問題，本文設(shè)計的醫(yī)用制氧裝備故障診斷系統(tǒng)將現(xiàn)場的PLC設(shè)備與遠程故障診斷中心之間進行通信，OPC Server將從PLC設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到故障診斷中，故障診斷中心將這些數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁的形式發(fā)布出去，維修人員通過遠程登錄的形式訪問該網(wǎng)頁，查看分析設(shè)備的故障數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷，避免了通過Web站點獲取數(shù)據(jù)[3?4]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為醫(yī)用制氧裝備遠程故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)存儲單元和故障診斷中心組成。其中數(shù)據(jù)采集單元包括現(xiàn)場PLC設(shè)備和智能遠程終端，在監(jiān)測現(xiàn)場制氧裝備系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)均與PLC進行連接，將每個子系統(tǒng)的運行參數(shù)等數(shù)據(jù)上傳至PLC，智能遠程終端通過以太網(wǎng)接口與PLC連接，讀取PLC中采集的現(xiàn)場制氧裝備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)采集的功能[5]。

數(shù)據(jù)存儲單元包括OPC服務(wù)器、設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫和專家知識庫，智能遠程終端把采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到OPC服務(wù)器，OPC服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲下來并給其他使用者提供訪問接口。設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫是遠程故障診斷中心用來存儲設(shè)備故障數(shù)據(jù)的，制氧裝備廠家可以調(diào)用該數(shù)據(jù)查看以往的故障信息，為專家知識庫的建立提供信息支持。專家知識庫的主要作用是錄入設(shè)備常見的故障信息和解決方案以及專家的診斷經(jīng)驗[6]。

遠程故障診斷中心包括Web服務(wù)器、專家知識庫和設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫。Web服務(wù)器發(fā)布網(wǎng)頁和診斷服務(wù)，發(fā)布的網(wǎng)頁能夠訪問OPC服務(wù)器獲取制氧裝備的運行數(shù)據(jù)，可以根據(jù)專家知識庫和獲取的數(shù)據(jù)進行知識匹配，對設(shè)備運行狀態(tài)進行初步的故障分析，亦可診斷出常見的故障現(xiàn)象，同時網(wǎng)頁可以通過調(diào)用設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫對歷史故障信息進行查詢[7]。

2 遠程故障診斷系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集單元工作機制

醫(yī)用制氧裝備系統(tǒng)包括空壓機、冷干機、制氧機和儲氧罐等設(shè)備，每個設(shè)備均來自不同的生產(chǎn)廠家。為了使各系統(tǒng)之間能夠協(xié)調(diào)穩(wěn)定地工作，在整個系統(tǒng)中采用PLC作為設(shè)備的控制器件，這樣既可以控制制氧裝備系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)正常工作，又可以使用PLC將各個器件的數(shù)據(jù)采集起來，保存到PLC的存儲區(qū)中。

智能遠程終端通過TCP/IP協(xié)議與PLC連接獲取其存儲區(qū)中的內(nèi)容，本文采用GRM500作為智能遠程終端，制氧裝備系統(tǒng)運行時，GRM500負責將PLC中的數(shù)據(jù)采集出來并提供給OPC服務(wù)器，Web服務(wù)器發(fā)布的網(wǎng)頁可以依據(jù)OPC服務(wù)器提供的Web接口方法對其中的數(shù)據(jù)進行存取操作，遠程的制氧裝備廠家通過瀏覽這些網(wǎng)頁對設(shè)備的運行狀況進行故障分析，然后給出解決方案[8]。

2.2 基于專家系統(tǒng)的故障診斷

一般的故障診斷都是依靠程序的自動對比進行判斷的，但這種方法在許多情況下并不能得到令人滿意的結(jié)論，因此要借助專家系統(tǒng)的幫助。本文在故障診斷的過程中引入專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)在使用時集中了大量的專門知識和專家經(jīng)驗，是根據(jù)一個或多個專家提供的專業(yè)知識經(jīng)驗進行推理和判斷，模擬人類專家的思維對那些只有專家才能決定的復(fù)雜的設(shè)備故障給出故障原因并提供解決方案的綜合系統(tǒng)[9]。它本質(zhì)上是一組計算機程序，以專家的知識水平完成某一特定領(lǐng)域的具有一定難度的任務(wù)。在醫(yī)用制氧裝備故障診斷系統(tǒng)中，專家系統(tǒng)的設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心問題[10?11]，主要包括設(shè)備知識庫、系統(tǒng)故障推理機、故障解釋部分、專家知識獲取部分和B/S人機接口，幾個部分之間的邏輯關(guān)系如圖2所示。

設(shè)備知識庫存放在遠程故障診斷中心的數(shù)據(jù)庫中，其中包含每個設(shè)備的信息表和以往的故障案例表。信息表中有每套制氧裝備所在的地址、名稱和維修記錄等基本信息，故障案例表中存儲已經(jīng)解決的有關(guān)制氧裝備的故障原因和解決方案等信息[12]。

系統(tǒng)故障推理機是專家系統(tǒng)的主要組成部分，可以根據(jù)不同的理論實現(xiàn)不同的算法，依據(jù)故障征兆與設(shè)備知識庫中的知識進行匹配，推理出故障原因和解決方法，同時更新知識庫，使系統(tǒng)具有自學習的能力。本文采用故障樹分析法對故障征兆進行分析判斷。故障樹分析法能夠在設(shè)計的過程中對可能造成設(shè)備故障的各種因素（如硬件、軟件、外部環(huán)境和人為因素等）做出提前分析，然后畫出邏輯故障樹，確定引起故障的組合方式及其發(fā)生的概率，針對具體的故障給出相應(yīng)的解決方案，提高故障診斷的準確度[13?14]。故障解釋部分是對推理機分析出的故障原因和解決方案給出合理的解釋說明，使得遠程操作人員能夠明確地理解推理結(jié)果。知識獲取部分是管理人員對知識庫的添加、修改的過程，通過對知識庫不斷的更新，確保依據(jù)知識庫推理出的結(jié)果的準確性。人機接口是專家系統(tǒng)與專家進行信息交流的頁面，用來顯示制氧裝備的全部信息和推理機得到的結(jié)論[15]。

當需要故障診斷時，專家通過瀏覽器登錄到故障診斷網(wǎng)頁，該網(wǎng)頁引用設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫，將設(shè)備的參數(shù)信息作為專家系統(tǒng)的輸入顯示出來，系統(tǒng)對輸入信息調(diào)用故障案例表建立故障樹進行故障推理，最終將推理得出的結(jié)果顯示到診斷網(wǎng)頁上，專家根據(jù)結(jié)果進行故障判斷并給出專家意見。診斷完成后，專家系統(tǒng)會把故障信息和專家給出的意見存入知識庫和案例表中，提高知識庫的儲量和下次檢索的效率。

3 遠程故障診斷系統(tǒng)平臺

遠程故障診斷系統(tǒng)平臺軟件的開發(fā)工具是Microsoft Visual Studio 2015，數(shù)據(jù)庫使用的是SQL Server 2012。本文采用VS2015環(huán)境下的C#語言、基于ASP.NET和B/S交互模式編寫程序，網(wǎng)頁發(fā)布成功后，只需在瀏覽器登錄即可實現(xiàn)遠程訪問。遠程故障診斷系統(tǒng)平臺采用模塊化思想進行設(shè)計，根據(jù)廠家要求，設(shè)計分為實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障診斷、知識庫管理和系統(tǒng)管理5大模塊[16]，圖3為遠程故障診斷系統(tǒng)功能框圖。

1） 實時數(shù)據(jù)顯示。包括制氧裝備運行參數(shù)、故障信息和設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)曲線，具體功能為：運行參數(shù)，顯示制氧裝備運行時各種數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量等實時數(shù)據(jù)；故障信息，顯示所有制氧裝備的故障信息；實時數(shù)據(jù)曲線，將要顯示的數(shù)據(jù)以曲線的形式表達出來，更加直觀清晰。

2） 歷史數(shù)據(jù)查詢。包括操作查詢、故障查詢和數(shù)據(jù)查詢，具體功能為：操作查詢，查詢對制氧裝備進行過操作的人員名稱、時間、地點和IP地址等信息；故障查詢，對已發(fā)生的故障信息按時間和設(shè)備名稱進行查詢；數(shù)據(jù)查詢，對設(shè)備以前的歷史運行參數(shù)進行查看。

3） 故障診斷。包括添加故障和故障遠程維護，具體的功能有：添加故障，在網(wǎng)頁上手動操作添加一條故障信息；故障遠程維護，遠程對故障信息進行查詢、修改等管理。

4） 知識庫管理。主要包括案例表維護和設(shè)備表維護，其功能為：案例表維護，對已經(jīng)解決的故障案例進行添加、修改、刪除等操作；設(shè)備表維護，添加新的設(shè)備信息，對原有的設(shè)備進行更新操作[17]。

5） 系統(tǒng)管理。設(shè)計了用戶管理、權(quán)限管理和日志管理，具體功能為：用戶管理，對使用該系統(tǒng)的所有用戶進行管理操作；權(quán)限管理，對用戶的權(quán)限進行分配管理，使不同的用戶能夠進行不同等級的操作；日志管理，對用戶的登錄日志進行查看、刪除等處理。

4 故障診斷系統(tǒng)總體功能實現(xiàn)

故障診斷系統(tǒng)運行時，當制氧裝備系統(tǒng)中有設(shè)備發(fā)生故障，現(xiàn)場操作人員可以依據(jù)工控機上的信息對故障進行初步的診斷，若是簡單的故障，操作人員可以直接進行維修。但當出現(xiàn)的故障較為復(fù)雜或工控機無法給出故障原因時，現(xiàn)場人員便無法根據(jù)提示信息進行設(shè)備維修，此時可以登錄遠程故障診斷中心請求對故障做出診斷，診斷中心首先會將故障數(shù)據(jù)與知識庫中已有的案例進行匹配對比，找到合理的解決方案。若知識庫中也沒有類似的故障信息，則報請專家進行故障分析，并請求給出相應(yīng)的解決方案。制氧裝備廠家可以遠程查看故障診斷信息與現(xiàn)場人員共同維修設(shè)備，故障診斷中心最終會將診斷過程中的故障信息和解決方案存入知識庫，以備下次查詢時調(diào)用。

5 結(jié) 語

醫(yī)用制氧裝備遠程故障診斷系統(tǒng)為故障診斷的遠程化、信息化和專家協(xié)同化提供了方便的途徑，提高了故障診斷的效率。本文開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)通過對知識庫的不斷添加補充，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在網(wǎng)頁上遠程登錄進行故障診斷的功能，目前該故障診斷系統(tǒng)在實際應(yīng)用中達到了理想的效果。但由于知識庫中的案例還不完善，無法對故障進行更加精確的分析。

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