周 峰，吳曉松，張昌戎，施志剛，張 燁，葉 超，張澤瑞

（1.西寧聯(lián)勤保障中心藥品儀器監(jiān)督檢驗站，蘭州730050；2.中國科學院合肥物質科學研究院應用技術研究所，合肥230088）

0 引言

海拔3 000 m 以上的高原地區(qū)被醫(yī)學界稱為“醫(yī)學高原”，超過3 000 m 這個臨界高度，人體容易出現(xiàn)缺氧的高原反應。吸氧是預防和治療急性高原反應、高原水腫、高原心臟病等最有效的方法之一[1-2]，而制氧機是處置高原反應及其并發(fā)癥的急救裝備，是高原寒區(qū)部隊官兵日常工作和生活必不可少的保障物資。

目前，高海拔地區(qū)部隊的制氧裝備普遍采用分子篩變壓吸附（pressure swing adsorption，PSA）技術[3]，雖然具有自動化程度高、操作簡單等特點，但缺乏專業(yè)人員維護和遠程監(jiān)控保障，且裝備帶病運行情況普遍，極易導致裝備損壞，嚴重影響高原官兵的用氧安全。近年來，高原地區(qū)制氧裝備分布范圍愈加廣泛，所屬保障部門的技術人員要掌握所有裝備的工況尤為困難。在此背景下，本文設計了一種高原制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對高原上廣泛分布的制氧裝備進行遠程保密監(jiān)控，通過使用北斗系統(tǒng)的定位及通信技術，將制氧裝備的位置及工況信息實時加密傳輸至監(jiān)控終端，出現(xiàn)異常情況時，維護人員根據(jù)警報信息采取應急處理措施，確保制氧裝備正常工作和氧氣正常供應。

現(xiàn)有的制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要是針對廠家自有的裝備品牌運行狀態(tài)數(shù)據(jù)使用Web 技術進行遠程監(jiān)控[4-5]，但各個廠家的制氧裝備結構原理有差異，個別存在兼容性和保密性差、依賴現(xiàn)有網絡等弊端。本設計充分考慮了制氧裝備的通用性和擴展性，能夠兼容不同型號、規(guī)格的制氧裝備，直接獲取制氧裝備關鍵節(jié)點參數(shù)進行故障判定，完全脫離裝備自身的故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)控終端掌握裝備的現(xiàn)場實時工況。本系統(tǒng)不受網絡、地點和裝備型號的限制，可滿足技術人員實時監(jiān)控各地區(qū)制氧裝備的運行情況，實現(xiàn)維保單位對所轄保障區(qū)域制氧裝備的統(tǒng)一管理。

1 PSA 制氧工藝流程

高原制氧裝備普遍采用PSA 制氧技術，該類型制氧裝備主要由空氣壓縮機、空氣過濾器、冷干機、空氣緩沖罐、制氧塔、氧氣緩沖罐、增壓機和氧氣儲氣罐等單元組成[4]，如圖1 所示。

圖1 PSA 制氧裝備系統(tǒng)結構圖

其中，空氣壓縮機為制氧塔提供氧氣原料，過濾器將空氣中的水分和顆粒雜質過濾掉，冷干機將空氣壓縮機輸送的熱空氣降溫，防止熱空氣在制氧塔中產生冷凝水而導致制氧塔損壞。制氧塔采用分子篩物理吸附和解吸技術制備氧氣，加壓時將空氣中的氮氣吸附，剩余未被吸附的氧氣被收集起來，經過凈化處理后即成為高純度的氧氣[5]，分子篩在減壓時將吸附的氮氣排放至環(huán)境空氣中，此過程周期性地往復循環(huán)，不斷從空氣中提取氧氣。氧氣緩沖罐用于收集制氧塔生產的氧氣[6]，增壓機將制氧塔制備的氧氣加壓后輸送到氧氣儲氣罐中，實現(xiàn)氧氣的不斷產生和聚積。制氧裝備啟動后，空氣壓縮機運轉產生壓縮空氣，經過過濾后，輸送至冷干機?？諝饩彌_罐將過濾、冷干后的壓縮空氣聚集儲存，然后輸入到制氧塔轉化成（制備）氧氣并存儲到氧氣緩沖罐中。最后經過加壓，將氧氣存儲在氧氣儲氣罐中。

2 高原制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計及其實現(xiàn)

高原制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測終端、現(xiàn)場北斗通信終端、遠程北斗通信終端和遠程監(jiān)控終端4 個部分組成?，F(xiàn)場監(jiān)測終端的主要功能是采集制氧裝備各單元監(jiān)測點的傳感器值，采集的數(shù)據(jù)一是直接在現(xiàn)場顯示，二是發(fā)送至現(xiàn)場北斗通信終端將數(shù)據(jù)遠程傳遞，遠程北斗通信終端接收到數(shù)據(jù)后即時傳遞到遠程監(jiān)控終端，遠程監(jiān)控終端對數(shù)據(jù)信息進行存儲、顯示和故障分析，出現(xiàn)故障信息時，遠程監(jiān)控終端立即將信息反饋給維保人員，針對故障嚴重的設備，可以遠程控制現(xiàn)場設備停機。系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 高原制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

2.1 高原制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案設計

圖3 為高原制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構圖，現(xiàn)場監(jiān)測終端將采集到的空氣壓縮機出口壓力值、空氣緩沖罐壓力值、制氧塔壓力值、氧氣緩沖罐壓力值、氧氣儲氣罐壓力值、冷干機進出口溫度值和氧氣緩沖罐中氧氣體積分數(shù)值數(shù)據(jù)信息，通過RS-485 轉換器發(fā)送給工控機，工控機將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至現(xiàn)場北斗通信終端，以北斗衛(wèi)星為中繼，將信息匯總傳輸?shù)竭h程北斗通信終端，遠程監(jiān)控終端通過遠程北斗通信終端獲取制氧裝備的工況信息，并診斷分析出制氧裝備是否處于正常工作狀態(tài)，有故障的制氧裝備將被預警顯示，同時將裝備故障信息通過手機短信息方式及時地發(fā)送給維保人員，在緊急情況下，可以遠程控制故障裝備停機，實現(xiàn)遠程在線實時統(tǒng)一的監(jiān)控。例如：當空氣壓縮機出口壓力一直處于0.3 MPa 左右時，說明制氧裝備的空氣壓縮機有故障的可能；當其他測量值正常，氧氣體積分數(shù)低于60%時，則說明制氧塔有故障的可能；當冷干機進出口溫度差值小于5 ℃時，說明冷干機有故障的可能。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測終端硬件實現(xiàn)

通過對制氧裝備監(jiān)測節(jié)點的參數(shù)研究，空氣壓縮機正常使用時，出氣口的溫度在80 ℃左右，壓力在0.55 MPa 左右，可通過安裝耐高溫的壓力傳感器判斷空氣壓縮機的工作狀態(tài)；冷干機正常工作時，進氣口和出氣口的溫度差大于10 ℃，在進氣口和出氣口安裝貼片式熱電偶，測量出這2 個位置的溫度值，判斷冷干機的工作狀態(tài)；空氣緩沖罐中儲備純凈的空氣，直接通入到制氧塔中使用，需要檢測空氣緩沖罐中的氣體壓力值；當空氣儲氣罐壓力高于制氧塔吸附的最低壓力時，制氧塔通過升壓時吸附氮氣、收集氧氣，降壓時釋放氮氣，不斷重復連續(xù)制備氧氣，制氧塔最高吸附壓力為0.49 MPa 左右，排氮氣時壓力降為0 MPa，可以在制氧塔的壓力接口處添加壓力傳感器，判斷制氧塔的工作狀態(tài)；氧氣緩沖罐中的氧氣經過增壓機加壓后輸送到氧氣儲氣罐中，可以通過測量氧氣儲氣罐中的壓力來判斷增壓機的工作狀態(tài)。

圖3 高原制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測終端硬件實現(xiàn)示意圖

因此，本系統(tǒng)可以通過壓力、溫度和氧氣體積分數(shù)這3 項參數(shù)變化情況來反映制氧裝備各單元運行的狀況[7-9]，任何一個單元參數(shù)發(fā)生異常變化，都會給制氧裝備的運行帶來一定的影響。本系統(tǒng)重點針對PSA-YY 系列制氧裝備的主要工作單元的關鍵位置進行傳感器加裝和數(shù)據(jù)采集，建立獨立于裝備自身的故障診斷系統(tǒng)。如圖4 所示，在空氣壓縮機、空氣緩沖罐、制氧塔、氧氣緩沖罐和氧氣儲氣罐上安裝壓力傳感器，在冷干機進出口分別安裝溫度傳感器，同時在氧氣緩沖罐上安裝氧氣濃度傳感器[10-11]。

針對上述參數(shù)檢測要求，壓力傳感器的型號為PY210，量程為0～1.0 MPa；溫度傳感器型號為PT100，量程為-50～100 ℃；采用型號為BEE-AO-220、量程為10%～99.99%的離子流氧氣傳感器檢測氧氣緩沖罐中的氧氣體積分數(shù)，來判斷制氧裝備產生的氧氣體積分數(shù)是否符合GJB 2799—96《醫(yī)用分子篩制氧機通用規(guī)范》中對氧氣體積分數(shù)≥90%的要求[10]。

以上傳感器的信號輸出都采用RS-485 模式。RS-485 是一個定義平衡數(shù)字多點系統(tǒng)中的驅動器和接收器的電氣特性的標準，該標準由電信行業(yè)協(xié)會和電子工業(yè)聯(lián)盟定義。RS-485 具有兼容TTL 電平、最高數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mbit/s、抗噪聲干擾性好、數(shù)據(jù)傳輸距離遠和最多允許連接32 個主從設備等特點。制氧裝備在制氧過程中存在信號干擾大、傳感器信號傳輸距離遠的特點，且需要在總線上獲取10 個傳感器信息，因此在現(xiàn)場監(jiān)測終端應用RS-485 通信模式的傳感器。現(xiàn)場監(jiān)測終端使用的RS-485 轉換器型號為MOXA TCC-80，其為串口取電的無源型轉換器，帶有15 kV 靜電放電（electro static discharge，ESD）保護，可防止靜電放電導致設備損壞，波特率使用范圍為50～115.2 bit/s。工控機使用的型號為AOC A22733G/04，CPU 為J1900，內存8 GB，固態(tài)硬盤128 GB，采用Windows 7 操作系統(tǒng)。

3 軟件設計

3.1 北斗RDSS 短報文通信技術

北斗系統(tǒng)是我國獨立自主設計的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，目前在水文監(jiān)測、農業(yè)領域和能源勘測等很多方面得到了應用[12]。與美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐洲GALILEO 相比，北斗在具有定位和授時功能的同時還具有獨特的短報文通信功能。

制氧裝備運行數(shù)據(jù)在本系統(tǒng)中的短報文通信幀格式由6 個部分組成，分別是指令、用戶地址、通信類別、傳輸方式、電文內容和校驗碼：$--TXA 為通信申請指令，占用6 個字節(jié)；用戶地址可以將數(shù)據(jù)信息定向發(fā)送到對應的北斗終端，占用7 個字節(jié)；通信類別表示普通通信和特快通信，占用1 個字節(jié)；傳輸方式有漢字和代碼2 種，占用1 個字節(jié)；電文內容包括壓力值、溫度值和氧氣體積分數(shù)值，占用26 個字節(jié)；校驗碼采用雙字節(jié)循環(huán)冗余（cyclic redundancy check，CRC）方式，占用2 個字節(jié)。

3.2 故障診斷機制

遠程監(jiān)控終端接收到制氧裝備各個單元的壓力、溫度和氧氣體積分數(shù)等傳感信號后，首先針對各個單元進行故障分析判斷，然后將各單元故障診斷結果進行綜合分析，確定出制氧裝備故障單元和工作狀態(tài)，在裝備發(fā)生緊急故障時，可以遠程控制裝備停機，避免不必要的損失；同時對裝備發(fā)生故障的可能性進行預判，通過遠程監(jiān)控終端提醒維保人員，及時對裝備檢修，降低事故發(fā)生的風險，并盡可能避免小故障引起嚴重的安全事故。系統(tǒng)軟件故障診斷流程如圖5 所示。

圖5 制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件故障診斷流程圖

3.3 監(jiān)控軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的開發(fā)模式為客戶端/服務器（Client/Server，C/S），該模式便于本系統(tǒng)的傳感數(shù)據(jù)采集和分析；通過Visual Studio 2017 平臺開發(fā)，編程語言采用C#。C#是事件驅動型、完全面向對象的可視化編程語言，適用于本系統(tǒng)的開發(fā)需求。整個系統(tǒng)軟件處理流程如圖6 所示，系統(tǒng)診斷到故障制氧裝備時，快速、準確地分析出故障制氧裝備的站點和損壞單元并反饋給維保人員，在緊急情況下可以遠程關閉裝備電源，將裝備損壞程度降到最低。

圖6 高原制氧裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件處理流程圖

4 測試與結果

4.1 數(shù)據(jù)采集測試

現(xiàn)場監(jiān)測終端采用RS-485串行總線標準，將制氧裝備各個檢測節(jié)點的傳感器值實時采集顯示。本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)分別與制氧裝備顯示值和標準器件測量值進行對比，詳見表1。其中壓力檢測標準器件的型號為PY210，量程為0～1 MPa，精度為0.5%FS，穩(wěn)定性為0.2%FS，校對時間為每年一次；氧氣檢測標準器件使用銅氨溶液吸收法測量裝置。

表1 不同測量裝置的壓力和氧氣體積分數(shù)測量結果

由表1 中數(shù)據(jù)可知，在壓力測量方面，制氧裝備與標準器件之間的測量值最大偏差為0.10 MPa，最小偏差為0.04 MPa，現(xiàn)場監(jiān)測終端與標準器件之間的測量值最大偏差為0.01 MPa，最小偏差為0 MPa；在氧氣體積分數(shù)測量方面，制氧裝備與標準器件之間的測量值偏差為2.12%，現(xiàn)場監(jiān)測終端與標準器件之間的測量值偏差為0.15%。結果表明，現(xiàn)場監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)比制氧裝備的測量值準確且精度高。

4.2 北斗通信測試

現(xiàn)場監(jiān)測終端采集到的制氧裝備工況信息通過北斗系統(tǒng)發(fā)送到遠程監(jiān)控終端，該過程中北斗通信的準確性至關重要。將現(xiàn)場監(jiān)測終端采集顯示的數(shù)據(jù)和遠程監(jiān)控終端接收顯示的數(shù)據(jù)進行對比，觀察數(shù)據(jù)是否有偏差，結果見表2。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測終端和遠程監(jiān)控終端傳感器顯示結果

由表2 數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場監(jiān)測終端顯示的數(shù)據(jù)和遠程監(jiān)控終端顯示的數(shù)據(jù)完全一致，說明北斗通信可以準確、可靠地應用于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 故障判斷準確性

遠程監(jiān)控終端對D1、D2 兩個站點（D1 站點海拔高度為3 100 m，D2 站點海拔高度為4 100 m，2 個站點的制氧裝備型號不同）的工況信息進行了連續(xù)監(jiān)控，結果見表3、4。

由表3 中數(shù)據(jù)可知，D1 站點制氧裝備顯示故障為冷干機有異常，氧氣儲氣罐單元有異常，制氧裝備未進行灌裝。因為冷干機入口和出口的溫度差在6 ℃以內屬于異?，F(xiàn)象，同時氧氣儲氣罐壓力為0.00 MPa屬于異?，F(xiàn)象，灌裝壓力為0.00 MPa，說明制氧裝備未進行灌裝。經過現(xiàn)場確認，冷干機壓縮機損壞，氧氣儲氣罐閥門是開啟狀態(tài)，氧氣不能輸送到氧氣儲氣罐就已經完全泄漏，另外，當天未進行灌裝任務。

表3 D1 站點制氧裝備監(jiān)控數(shù)據(jù)

表4 D2 站點制氧裝備監(jiān)控數(shù)據(jù)

由表4 中數(shù)據(jù)可知，D2 站點制氧裝備顯示故障為氧氣儲氣罐異常。因為氧氣體積分數(shù)為（89.94±0.01）%，冷干機進、出氣口溫度差最大為0.1 ℃，A、B制氧塔壓力相近，說明制氧裝備處于制氧完成后的關機狀態(tài)，但是氧氣儲氣罐中的壓力為0.00 MPa，分析出氧氣儲氣罐有異常。經過現(xiàn)場確認，氧氣儲氣罐的壓力表接頭出現(xiàn)破裂，導致氧氣儲氣罐大量泄漏。

上述2 臺制氧裝備的工況信息分析結果表明，遠程診斷結果與實際情況一致，故障判斷準確。

5 結語

高原惡劣環(huán)境下，制氧裝備出現(xiàn)異常情況時不易被及時發(fā)現(xiàn)，為保障制氧裝備的穩(wěn)定運行，遠程監(jiān)控制氧裝備的運行狀態(tài)具有非常重要的意義。本研究通過在關鍵環(huán)節(jié)安裝先進的檢測傳感器，實時地將制氧裝備工況發(fā)送到遠程監(jiān)控終端，實現(xiàn)遠程對多區(qū)域裝備進行同時監(jiān)控，當制氧裝備發(fā)生故障時，確保能夠及時安排維護人員對裝備進行維修，有效地解決高原部隊持續(xù)供氧問題。在本系統(tǒng)的基礎上，下一步需要將所有制氧裝備的使用和維保情況存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以便于精確地分析出各制氧站點制氧裝備的運行工況、制氧體積分數(shù)和灌裝能力，為衛(wèi)勤部門在所轄區(qū)域內提供準確的氧氣供應和調度數(shù)據(jù)以及高原戰(zhàn)士的日常用氧情況，確保在需要大量用氧或某些制氧站點失去制氧能力情況下，氧氣能夠正?？焖僬{度供應。