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(yàn)站,蘭州730050;2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所,合肥230088)
海拔3 000 m 以上的高原地區(qū)被醫(yī)學(xué)界稱為“醫(yī)學(xué)高原”,超過3 000 m 這個(gè)臨界高度,人體容易出現(xiàn)缺氧的高原反應(yīng)。吸氧是預(yù)防和治療急性高原反應(yīng)、高原水腫、高原心臟病等最有效的方法之一[1-2],而制氧機(jī)是處置高原反應(yīng)及其并發(fā)癥的急救裝備,是高原寒區(qū)部隊(duì)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(duì)的制氧裝備普遍采用分子篩變壓吸附(pressure swing adsorption,PSA)技術(shù)[3],雖然具有自動(dòng)化程度高、操作簡單等特點(diǎn),但缺乏專業(yè)人員維護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控保障,且裝備帶病運(yùn)行情況普遍,極易導(dǎo)致裝備損壞,嚴(yán)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(shù)人員要掌握所有裝備的工況尤為困難。在此背景下,本文設(shè)計(jì)了一種高原制氧裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)高原上廣泛分布的制氧裝備進(jìn)行遠(yuǎn)程保密監(jiān)控,通過使用北斗系統(tǒng)的定位及通信技術(shù),將制氧裝備的位置及工況信息實(shí)時(shí)加密傳輸至監(jiān)控終端,出現(xiàn)異常情況時(shí),維護(hù)人員根據(jù)警報(bào)信息采取應(yīng)急處理措施,確保制氧裝備正常工作和氧氣正常供應(yīng)。
現(xiàn)有的制氧裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要是針對(duì)廠家自有的裝備品牌運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)使用Web 技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[4-5],但各個(gè)廠家的制氧裝備結(jié)構(gòu)原理有差異,個(gè)別存在兼容性和保密性差、依賴現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)等弊端。本設(shè)計(jì)充分考慮了制氧裝備的通用性和擴(kuò)展性,能夠兼容不同型號(hào)、規(guī)格的制氧裝備,直接獲取制氧裝備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行故障判定,完全脫離裝備自身的故障診斷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端掌握裝備的現(xiàn)場實(shí)時(shí)工況。本系統(tǒng)不受網(wǎng)絡(luò)、地點(diǎn)和裝備型號(hào)的限制,可滿足技術(shù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控各地區(qū)制氧裝備的運(yùn)行情況,實(shí)現(xiàn)維保單位對(duì)所轄保障區(qū)域制氧裝備的統(tǒng)一管理。
高原制氧裝備普遍采用PSA 制氧技術(shù),該類型制氧裝備主要由空氣壓縮機(jī)、空氣過濾器、冷干機(jī)、空氣緩沖罐、制氧塔、氧氣緩沖罐、增壓機(jī)和氧氣儲(chǔ)氣罐等單元組成[4],如圖1 所示。
圖1 PSA 制氧裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
其中,空氣壓縮機(jī)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(zhì)過濾掉,冷干機(jī)將空氣壓縮機(jī)輸送的熱空氣降溫,防止熱空氣在制氧塔中產(chǎn)生冷凝水而導(dǎo)致制氧塔損壞。制氧塔采用分子篩物理吸附和解吸技術(shù)制備氧氣,加壓時(shí)將空氣中的氮?dú)馕?,剩余未被吸附的氧氣被收集起來,?jīng)過凈化處理后即成為高純度的氧氣[5],分子篩在減壓時(shí)將吸附的氮?dú)馀欧胖镰h(huán)境空氣中,此過程周期性地往復(fù)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(chǎn)的氧氣[6],增壓機(jī)將制氧塔制備的氧氣加壓后輸送到氧氣儲(chǔ)氣罐中,實(shí)現(xiàn)氧氣的不斷產(chǎn)生和聚積。制氧裝備啟動(dòng)后,空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓縮空氣,經(jīng)過過濾后,輸送至冷干機(jī)??諝饩彌_罐將過濾、冷干后的壓縮空氣聚集儲(chǔ)存,然后輸入到制氧塔轉(zhuǎn)化成(制備)氧氣并存儲(chǔ)到氧氣緩沖罐中。最后經(jīng)過加壓,將氧氣存儲(chǔ)在氧氣儲(chǔ)氣罐中。
高原制氧裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端、現(xiàn)場北斗通信終端、遠(yuǎn)程北斗通信終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端4 個(gè)部分組成。現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端的主要功能是采集制氧裝備各單元監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(yuǎn)程傳遞,遠(yuǎn)程北斗通信終端接收到數(shù)據(jù)后即時(shí)傳遞到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端,遠(yuǎn)程監(jiān)控終端對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和故障分析,出現(xiàn)故障信息時(shí),遠(yuǎn)程監(jiān)控終端立即將信息反饋給維保人員,針對(duì)故障嚴(yán)重的設(shè)備,可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備停機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 高原制氧裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3 為高原制氧裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端將采集到的空氣壓縮機(jī)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(chǔ)氣罐壓力值、冷干機(jī)進(jìn)出口溫度值和氧氣緩沖罐中氧氣體積分?jǐn)?shù)值數(shù)據(jù)信息,通過RS-485 轉(zhuǎn)換器發(fā)送給工控機(jī),工控機(jī)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(yuǎn)程北斗通信終端,遠(yuǎn)程監(jiān)控終端通過遠(yuǎn)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(yù)警顯示,同時(shí)將裝備故障信息通過手機(jī)短信息方式及時(shí)地發(fā)送給維保人員,在緊急情況下,可以遠(yuǎn)程控制故障裝備停機(jī),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)統(tǒng)一的監(jiān)控。例如:當(dāng)空氣壓縮機(jī)出口壓力一直處于0.3 MPa 左右時(shí),說明制氧裝備的空氣壓縮機(jī)有故障的可能;當(dāng)其他測(cè)量值正常,氧氣體積分?jǐn)?shù)低于60%時(shí),則說明制氧塔有故障的可能;當(dāng)冷干機(jī)進(jìn)出口溫度差值小于5 ℃時(shí),說明冷干機(jī)有故障的可能。
通過對(duì)制氧裝備監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)研究,空氣壓縮機(jī)正常使用時(shí),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(jī)的工作狀態(tài);冷干機(jī)正常工作時(shí),進(jìn)氣口和出氣口的溫度差大于10 ℃,在進(jìn)氣口和出氣口安裝貼片式熱電偶,測(cè)量出這2 個(gè)位置的溫度值,判斷冷干機(jī)的工作狀態(tài);空氣緩沖罐中儲(chǔ)備純凈的空氣,直接通入到制氧塔中使用,需要檢測(cè)空氣緩沖罐中的氣體壓力值;當(dāng)空氣儲(chǔ)氣罐壓力高于制氧塔吸附的最低壓力時(shí),制氧塔通過升壓時(shí)吸附氮?dú)?、收集氧氣,降壓時(shí)釋放氮?dú)?,不斷重?fù)連續(xù)制備氧氣,制氧塔最高吸附壓力為0.49 MPa 左右,排氮?dú)鈺r(shí)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(jīng)過增壓機(jī)加壓后輸送到氧氣儲(chǔ)氣罐中,可以通過測(cè)量氧氣儲(chǔ)氣罐中的壓力來判斷增壓機(jī)的工作狀態(tài)。
圖3 高原制氧裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖4 現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端硬件實(shí)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?jǐn)?shù)這3 項(xiàng)參數(shù)變化情況來反映制氧裝備各單元運(yùn)行的狀況[7-9],任何一個(gè)單元參數(shù)發(fā)生異常變化,都會(huì)給制氧裝備的運(yùn)行帶來一定的影響。本系統(tǒng)重點(diǎn)針對(duì)PSA-YY 系列制氧裝備的主要工作單元的關(guān)鍵位置進(jìn)行傳感器加裝和數(shù)據(jù)采集,建立獨(dú)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(jī)、空氣緩沖罐、制氧塔、氧氣緩沖罐和氧氣儲(chǔ)氣罐上安裝壓力傳感器,在冷干機(jī)進(jìn)出口分別安裝溫度傳感器,同時(shí)在氧氣緩沖罐上安裝氧氣濃度傳感器[10-11]。
針對(duì)上述參數(shù)檢測(cè)要求,壓力傳感器的型號(hào)為PY210,量程為0~1.0 MPa;溫度傳感器型號(hào)為PT100,量程為-50~100 ℃;采用型號(hào)為BEE-AO-220、量程為10%~99.99%的離子流氧氣傳感器檢測(cè)氧氣緩沖罐中的氧氣體積分?jǐn)?shù),來判斷制氧裝備產(chǎn)生的氧氣體積分?jǐn)?shù)是否符合GJB 2799—96《醫(yī)用分子篩制氧機(jī)通用規(guī)范》中對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)≥90%的要求[10]。
以上傳感器的信號(hào)輸出都采用RS-485 模式。RS-485 是一個(gè)定義平衡數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性的標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)由電信行業(yè)協(xié)會(huì)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(yuǎn)和最多允許連接32 個(gè)主從設(shè)備等特點(diǎn)。制氧裝備在制氧過程中存在信號(hào)干擾大、傳感器信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),且需要在總線上獲取10 個(gè)傳感器信息,因此在現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端應(yīng)用RS-485 通信模式的傳感器?,F(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端使用的RS-485 轉(zhuǎn)換器型號(hào)為MOXA TCC-80,其為串口取電的無源型轉(zhuǎn)換器,帶有15 kV 靜電放電(electro static discharge,ESD)保護(hù),可防止靜電放電導(dǎo)致設(shè)備損壞,波特率使用范圍為50~115.2 bit/s。工控機(jī)使用的型號(hào)為AOC A22733G/04,CPU 為J1900,內(nèi)存8 GB,固態(tài)硬盤128 GB,采用Windows 7 操作系統(tǒng)。
北斗系統(tǒng)是我國獨(dú)立自主設(shè)計(jì)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),目前在水文監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和能源勘測(cè)等很多方面得到了應(yīng)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(shí)功能的同時(shí)還具有獨(dú)特的短報(bào)文通信功能。
制氧裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)在本系統(tǒng)中的短報(bào)文通信幀格式由6 個(gè)部分組成,分別是指令、用戶地址、通信類別、傳輸方式、電文內(nèi)容和校驗(yàn)碼:$--TXA 為通信申請(qǐng)指令,占用6 個(gè)字節(jié);用戶地址可以將數(shù)據(jù)信息定向發(fā)送到對(duì)應(yīng)的北斗終端,占用7 個(gè)字節(jié);通信類別表示普通通信和特快通信,占用1 個(gè)字節(jié);傳輸方式有漢字和代碼2 種,占用1 個(gè)字節(jié);電文內(nèi)容包括壓力值、溫度值和氧氣體積分?jǐn)?shù)值,占用26 個(gè)字節(jié);校驗(yàn)碼采用雙字節(jié)循環(huán)冗余(cyclic redundancy check,CRC)方式,占用2 個(gè)字節(jié)。
遠(yuǎn)程監(jiān)控終端接收到制氧裝備各個(gè)單元的壓力、溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)等傳感信號(hào)后,首先針對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行故障分析判斷,然后將各單元故障診斷結(jié)果進(jìn)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(shí),可以遠(yuǎn)程控制裝備停機(jī),避免不必要的損失;同時(shí)對(duì)裝備發(fā)生故障的可能性進(jìn)行預(yù)判,通過遠(yuǎn)程監(jiān)控終端提醒維保人員,及時(shí)對(duì)裝備檢修,降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),并盡可能避免小故障引起嚴(yán)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件故障診斷流程圖
本系統(tǒng)的開發(fā)模式為客戶端/服務(wù)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(tái)開發(fā),編程語言采用C#。C#是事件驅(qū)動(dòng)型、完全面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言,適用于本系統(tǒng)的開發(fā)需求。整個(gè)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(shí),快速、準(zhǔn)確地分析出故障制氧裝備的站點(diǎn)和損壞單元并反饋給維保人員,在緊急情況下可以遠(yuǎn)程關(guān)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件處理流程圖
現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn),將制氧裝備各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳感器值實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)器件測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,詳見表1。其中壓力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器件的型號(hào)為PY210,量程為0~1 MPa,精度為0.5%FS,穩(wěn)定性為0.2%FS,校對(duì)時(shí)間為每年一次;氧氣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器件使用銅氨溶液吸收法測(cè)量裝置。
表1 不同測(cè)量裝置的壓力和氧氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)量結(jié)果
由表1 中數(shù)據(jù)可知,在壓力測(cè)量方面,制氧裝備與標(biāo)準(zhǔn)器件之間的測(cè)量值最大偏差為0.10 MPa,最小偏差為0.04 MPa,現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端與標(biāo)準(zhǔn)器件之間的測(cè)量值最大偏差為0.01 MPa,最小偏差為0 MPa;在氧氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)量方面,制氧裝備與標(biāo)準(zhǔn)器件之間的測(cè)量值偏差為2.12%,現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端與標(biāo)準(zhǔn)器件之間的測(cè)量值偏差為0.15%。結(jié)果表明,現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)比制氧裝備的測(cè)量值準(zhǔn)確且精度高。
現(xiàn)場監(jiān)測(cè)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(yuǎn)程監(jiān)控終端,該過程中北斗通信的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。將現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端采集顯示的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端接收顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,觀察數(shù)據(jù)是否有偏差,結(jié)果見表2。
表2 現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端傳感器顯示結(jié)果
由表2 數(shù)據(jù)可知,現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端顯示的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)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(zhǔn)確、可靠地應(yīng)用于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。
遠(yuǎn)程監(jiān)控終端對(duì)D1、D2 兩個(gè)站點(diǎn)(D1 站點(diǎn)海拔高度為3 100 m,D2 站點(diǎn)海拔高度為4 100 m,2 個(gè)站點(diǎn)的制氧裝備型號(hào)不同)的工況信息進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)控,結(jié)果見表3、4。
由表3 中數(shù)據(jù)可知,D1 站點(diǎn)制氧裝備顯示故障為冷干機(jī)有異常,氧氣儲(chǔ)氣罐單元有異常,制氧裝備未進(jìn)行灌裝。因?yàn)槔涓蓹C(jī)入口和出口的溫度差在6 ℃以內(nèi)屬于異?,F(xiàn)象,同時(shí)氧氣儲(chǔ)氣罐壓力為0.00 MPa屬于異常現(xiàn)象,灌裝壓力為0.00 MPa,說明制氧裝備未進(jìn)行灌裝。經(jīng)過現(xiàn)場確認(rèn),冷干機(jī)壓縮機(jī)損壞,氧氣儲(chǔ)氣罐閥門是開啟狀態(tài),氧氣不能輸送到氧氣儲(chǔ)氣罐就已經(jīng)完全泄漏,另外,當(dāng)天未進(jìn)行灌裝任務(wù)。
表3 D1 站點(diǎn)制氧裝備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)
表4 D2 站點(diǎn)制氧裝備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)
由表4 中數(shù)據(jù)可知,D2 站點(diǎn)制氧裝備顯示故障為氧氣儲(chǔ)氣罐異常。因?yàn)檠鯕怏w積分?jǐn)?shù)為(89.94±0.01)%,冷干機(jī)進(jìn)、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(guān)機(jī)狀態(tài),但是氧氣儲(chǔ)氣罐中的壓力為0.00 MPa,分析出氧氣儲(chǔ)氣罐有異常。經(jīng)過現(xiàn)場確認(rèn),氧氣儲(chǔ)氣罐的壓力表接頭出現(xiàn)破裂,導(dǎo)致氧氣儲(chǔ)氣罐大量泄漏。
上述2 臺(tái)制氧裝備的工況信息分析結(jié)果表明,遠(yuǎn)程診斷結(jié)果與實(shí)際情況一致,故障判斷準(zhǔn)確。
高原惡劣環(huán)境下,制氧裝備出現(xiàn)異常情況時(shí)不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn),為保障制氧裝備的穩(wěn)定運(yùn)行,遠(yuǎn)程監(jiān)控制氧裝備的運(yùn)行狀態(tài)具有非常重要的意義。本研究通過在關(guān)鍵環(huán)節(jié)安裝先進(jìn)的檢測(cè)傳感器,實(shí)時(shí)地將制氧裝備工況發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)多區(qū)域裝備進(jìn)行同時(shí)監(jiān)控,當(dāng)制氧裝備發(fā)生故障時(shí),確保能夠及時(shí)安排維護(hù)人員對(duì)裝備進(jìn)行維修,有效地解決高原部隊(duì)持續(xù)供氧問題。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,下一步需要將所有制氧裝備的使用和維保情況存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,以便于精確地分析出各制氧站點(diǎn)制氧裝備的運(yùn)行工況、制氧體積分?jǐn)?shù)和灌裝能力,為衛(wèi)勤部門在所轄區(qū)域內(nèi)提供準(zhǔn)確的氧氣供應(yīng)和調(diào)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(diǎn)失去制氧能力情況下,氧氣能夠正??焖僬{(diào)度供應(yīng)。