醫(yī)用制氧裝備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃琦蘭 李尚尚

摘 要： 為了制氧裝備廠家及時(shí)準(zhǔn)確地掌握不同區(qū)域設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和故障信息，使得技術(shù)人員能夠快速地進(jìn)行遠(yuǎn)程故障判斷和設(shè)備維護(hù)，開發(fā)一套關(guān)于醫(yī)用制氧裝備的遠(yuǎn)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(yuǎn)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(yàn)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(yuǎn)程訪問這些網(wǎng)頁，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷出故障原因，實(shí)現(xiàn)對(duì)制氧裝備遠(yuǎn)程故障診斷的目的。和多數(shù)設(shè)備提供的遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)相比，所提系統(tǒng)具有針對(duì)性強(qiáng)、使用方便、易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，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(yuǎn)程故障診斷； 專家系統(tǒng)； OPC； PLC； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TN99?34； TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)的情況，將會(huì)引發(fā)醫(yī)院缺乏氧氣的嚴(yán)重后果。因此如何快速、準(zhǔn)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(shí)進(jìn)行維護(hù)已成為制氧行業(yè)面臨的一個(gè)主要問題。隨著網(wǎng)絡(luò)信息化的快速發(fā)展，遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，使得維修人員能夠遠(yuǎn)程查看設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的一些數(shù)據(jù)信息，從而根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)完成對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷[1]。

在遠(yuǎn)程故障診斷中，故障信息的獲取是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。由于各個(gè)設(shè)備分布在不同的地方，使用傳統(tǒng)的客戶機(jī)/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(yùn)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(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)是在設(shè)備使用的地方建立Web站點(diǎn)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，通過該站點(diǎn)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(gè)設(shè)備使用的地方建立Web站點(diǎn)，當(dāng)使用醫(yī)用制氧裝備的醫(yī)院較多時(shí)，這樣的方式運(yùn)行起來就變得復(fù)雜，無法滿足制氧裝備廠家對(duì)設(shè)備故障診斷簡(jiǎn)單高效的要求。針對(duì)此問題，本文設(shè)計(jì)的醫(yī)用制氧裝備故障診斷系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)的PLC設(shè)備與遠(yuǎn)程故障診斷中心之間進(jìn)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障診斷，避免了通過Web站點(diǎn)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(yuǎn)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(chǔ)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(chǎng)PLC設(shè)備和智能遠(yuǎn)程終端，在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)制氧裝備系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)均與PLC進(jìn)行連接，將每個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)上傳至PLC，智能遠(yuǎn)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(chǎng)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(chǔ)單元包括OPC服務(wù)器、設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫和專家知識(shí)庫，智能遠(yuǎn)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(chǔ)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(yuǎn)程故障診斷中心用來存儲(chǔ)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(shí)庫的建立提供信息支持。專家知識(shí)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(yàn)[6]。

遠(yuǎn)程故障診斷中心包括Web服務(wù)器、專家知識(shí)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(yùn)行數(shù)據(jù)，可以根據(jù)專家知識(shí)庫和獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)匹配，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初步的故障分析，亦可診斷出常見的故障現(xiàn)象，同時(shí)網(wǎng)頁可以通過調(diào)用設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫對(duì)歷史故障信息進(jìn)行查詢[7]。

2 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集單元工作機(jī)制

醫(yī)用制氧裝備系統(tǒng)包括空壓機(jī)、冷干機(jī)、制氧機(jī)和儲(chǔ)氧罐等設(shè)備，每個(gè)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(gè)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(gè)子系統(tǒng)正常工作，又可以使用PLC將各個(gè)器件的數(shù)據(jù)采集起來，保存到PLC的存儲(chǔ)區(qū)中。

智能遠(yuǎn)程終端通過TCP/IP協(xié)議與PLC連接獲取其存儲(chǔ)區(qū)中的內(nèi)容，本文采用GRM500作為智能遠(yuǎn)程終端，制氧裝備系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，GRM500負(fù)責(zé)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(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取操作，遠(yuǎn)程的制氧裝備廠家通過瀏覽這些網(wǎng)頁對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)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(dòng)對(duì)比進(jìn)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(shí)集中了大量的專門知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)，是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)專家提供的專業(yè)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的思維對(duì)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(jì)算機(jī)程序，以專家的知識(shí)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(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心問題[10?11]，主要包括設(shè)備知識(shí)庫、系統(tǒng)故障推理機(jī)、故障解釋部分、專家知識(shí)獲取部分和B/S人機(jī)接口，幾個(gè)部分之間的邏輯關(guān)系如圖2所示。

設(shè)備知識(shí)庫存放在遠(yuǎn)程故障診斷中心的數(shù)據(jù)庫中，其中包含每個(gè)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(chǔ)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(jī)是專家系統(tǒng)的主要組成部分，可以根據(jù)不同的理論實(shí)現(xiàn)不同的算法，依據(jù)故障征兆與設(shè)備知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行匹配，推理出故障原因和解決方法，同時(shí)更新知識(shí)庫，使系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)的能力。本文采用故障樹分析法對(duì)故障征兆進(jìn)行分析判斷。故障樹分析法能夠在設(shè)計(jì)的過程中對(duì)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(duì)具體的故障給出相應(yīng)的解決方案，提高故障診斷的準(zhǔn)確度[13?14]。故障解釋部分是對(duì)推理機(jī)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(yuǎn)程操作人員能夠明確地理解推理結(jié)果。知識(shí)獲取部分是管理人員對(duì)知識(shí)庫的添加、修改的過程，通過對(duì)知識(shí)庫不斷的更新，確保依據(jù)知識(shí)庫推理出的結(jié)果的準(zhǔn)確性。人機(jī)接口是專家系統(tǒng)與專家進(jìn)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(jī)得到的結(jié)論[15]。

當(dāng)需要故障診斷時(shí)，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(duì)輸入信息調(diào)用故障案例表建立故障樹進(jìn)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(jìn)行故障判斷并給出專家意見。診斷完成后，專家系統(tǒng)會(huì)把故障信息和專家給出的意見存入知識(shí)庫和案例表中，提高知識(shí)庫的儲(chǔ)量和下次檢索的效率。

3 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)平臺(tái)

遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問。遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)平臺(tái)采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)廠家要求，設(shè)計(jì)分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障診斷、知識(shí)庫管理和系統(tǒng)管理5大模塊[16]，圖3為遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)功能框圖。

1） 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。包括制氧裝備運(yùn)行參數(shù)、故障信息和設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線，具體功能為：運(yùn)行參數(shù)，顯示制氧裝備運(yùn)行時(shí)各種數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；故障信息，顯示所有制氧裝備的故障信息；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，將要顯示的數(shù)據(jù)以曲線的形式表達(dá)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(duì)制氧裝備進(jìn)行過操作的人員名稱、時(shí)間、地點(diǎn)和IP地址等信息；故障查詢，對(duì)已發(fā)生的故障信息按時(shí)間和設(shè)備名稱進(jìn)行查詢；數(shù)據(jù)查詢，對(duì)設(shè)備以前的歷史運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行查看。

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

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

5） 系統(tǒng)管理。設(shè)計(jì)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(duì)使用該系統(tǒng)的所有用戶進(jìn)行管理操作；權(quán)限管理，對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行分配管理，使不同的用戶能夠進(jìn)行不同等級(jí)的操作；日志管理，對(duì)用戶的登錄日志進(jìn)行查看、刪除等處理。

4 故障診斷系統(tǒng)總體功能實(shí)現(xiàn)

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

5 結(jié) 語

醫(yī)用制氧裝備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)為故障診斷的遠(yuǎn)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(duì)知識(shí)庫的不斷添加補(bǔ)充，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在網(wǎng)頁上遠(yuǎn)程登錄進(jìn)行故障診斷的功能，目前該故障診斷系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了理想的效果。但由于知識(shí)庫中的案例還不完善，無法對(duì)故障進(jìn)行更加精確的分析。

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