基于物聯(lián)網(wǎng)的PSA制氧機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究*

盧桂萍，吳榮鑫，蔡梓沁，李 翔，康詩(shī)鑠，陳永鍵，王舒漾

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東珠海 519088）

0 引言

隨著社會(huì)現(xiàn)代化的發(fā)展，醫(yī)療現(xiàn)代化也逐漸加快了，各個(gè)國(guó)家對(duì)制氧需求的在不斷地增加。但是目前的PSA 制氧機(jī)不具備監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)條件，對(duì)中心供氧系統(tǒng)發(fā)生的安全問(wèn)題難以及時(shí)控制。當(dāng)中心供氧系統(tǒng)發(fā)生較大的氧氣泄漏，又沒(méi)有及時(shí)有效的監(jiān)控措施，就必然會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷加重及加大氧氣的使用成本。

而醫(yī)用PSA 中心制氧機(jī)，主要由空氣罐、空氣壓縮機(jī)、冷干機(jī)、分子篩塔、氧氣罐、供氣系統(tǒng)等組成。制氧機(jī)核心以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力，冷干機(jī)為更好的凈化氧氣提供基礎(chǔ)。為了縮短維修人員的檢驗(yàn)周期，提高檢驗(yàn)效率，及時(shí)的排查安全隱患，同時(shí)減少人力人工成本費(fèi)用。參考上海瑞氣氣體科技有限公司《普通PSA 制氧機(jī)存在問(wèn)題及解決方法》[1]和《YY 0298-1998 醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范》[2]由此針對(duì)性的提出對(duì)制氧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

根據(jù)控制目標(biāo)和要求，應(yīng)用STC 單片機(jī)模擬采集、Labview 操作系統(tǒng)與Vue 操作界面作為監(jiān)控系統(tǒng)，建立適用于PSA制氧機(jī)各類(lèi)硬件參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PSA制氧機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。本應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了制氧機(jī)運(yùn)行過(guò)程自動(dòng)化、硬件故障實(shí)時(shí)檢測(cè)與報(bào)警，提高了機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，縮減了保養(yǎng)和維修的人力成本和時(shí)間成本，完善了醫(yī)療系統(tǒng)。

1 制氧機(jī)設(shè)備檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)人工制氧機(jī)維護(hù)

傳統(tǒng)制氧機(jī)在無(wú)應(yīng)用系統(tǒng)的監(jiān)控下，需要定期安排人員對(duì)系統(tǒng)各部件全部進(jìn)行檢查占比小的隱患，如此循環(huán)，耗費(fèi)大量的時(shí)間成本[3]。同時(shí)制氧機(jī)內(nèi)部核心零件若需維護(hù)或故障，必要停機(jī)處理[4]，如此反復(fù)，且一次檢查能排除的故障是一個(gè)未知數(shù)，因此每次排查的效率極低，且浪費(fèi)人力成本。傳統(tǒng)排查流程如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)排查流程

當(dāng)產(chǎn)生故障或排查到潛在隱患時(shí)，無(wú)法第一時(shí)間調(diào)動(dòng)維護(hù)人員領(lǐng)取關(guān)鍵部件進(jìn)行，直接前往問(wèn)題所在地并更替。需要等待現(xiàn)場(chǎng)全面排查故障，再前往領(lǐng)取部件到手后，才能進(jìn)行維護(hù)。這意味著維護(hù)人員的幾次往返，損失的是制氧機(jī)的工作時(shí)間，延長(zhǎng)維修周期。

1.2 應(yīng)用系統(tǒng)制氧機(jī)維護(hù)

在應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)助下，盡量在故障之前，排查所有隱患。日常流程只需一名工作人員長(zhǎng)期值班，通過(guò)設(shè)計(jì)的Vue 監(jiān)控系統(tǒng)管理后臺(tái)數(shù)據(jù)等待報(bào)錯(cuò)。當(dāng)遇到潛在異常或故障時(shí)，管理人員通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)，聯(lián)系維修人員并告知故障所在設(shè)備號(hào)及設(shè)備與相應(yīng)故障信息，到場(chǎng)前提前判斷故障所在。并在兩名維護(hù)人員出發(fā)之前，便可先準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)該故障所需的物資，精確抵達(dá)故障所在。如圖2所示，此種管理方法，即可做到3人輕松管理多臺(tái)制氧設(shè)備。

圖2 應(yīng)用系統(tǒng)排查流程

1.3 監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)的檢測(cè)原理結(jié)構(gòu)框架

如圖3 所示。應(yīng)用系統(tǒng)從設(shè)備儀器出發(fā)，由多個(gè)傳感器通過(guò)WiFi 傳遞設(shè)備信息到各機(jī)器STC 單片機(jī)中，單片機(jī)起傳輸媒介跟執(zhí)行控制啟停的作用。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，使得單片機(jī)講數(shù)據(jù)寫(xiě)入Labview 檢測(cè)系統(tǒng)中，做數(shù)據(jù)可視化處理。單個(gè)Labview 檢測(cè)系統(tǒng)與單臺(tái)制氧機(jī)的所有單片機(jī)進(jìn)行通訊，最后匯總不同設(shè)備的參數(shù)值與報(bào)錯(cuò)信息傳至Vue數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

圖3 應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架

2 制氧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件組成如圖4 所示，利用STC 單片機(jī)自身的功能，例如：I∕O口，定時(shí)器等技術(shù)，通過(guò)溫度傳感器來(lái)來(lái)進(jìn)行一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)每一個(gè)傳感器設(shè)置的異常報(bào)警值為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合選取的溫濕度、煙霧濃度傳感器，通過(guò)Proteus軟件進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。

圖4 應(yīng)用系統(tǒng)硬件組成

借助STC 進(jìn)行外擴(kuò)，參考MSP43F149 的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)做法[5]，采用DS18B20 溫度傳感器使用12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1 us 轉(zhuǎn)換時(shí)間，處理并顯示出溫度信息，進(jìn)行溫度傳感器的信號(hào)實(shí)時(shí)讀取。例如：測(cè)量冷干機(jī)內(nèi)部溫度是否處于2～3 ℃[1]。

借助ESP8266WIFI 模塊，串口無(wú)線（CAM-AP）模式，讓ESP8266 作為無(wú)線WiFi 熱點(diǎn)，允許其他WIFI 設(shè)備連接到本模塊，實(shí)現(xiàn)串口與其他設(shè)備之間的無(wú)線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)設(shè)置協(xié)議類(lèi)型為T(mén)CP client，查詢(xún)?cè)O(shè)備IP，完成鏈接。

通過(guò)寫(xiě)入STC 單片機(jī)設(shè)備先前使用時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)，并與如空氣壓縮機(jī)中空氣過(guò)濾器（周期2 000 h）等壽命值寫(xiě)入的異常報(bào)警值數(shù)據(jù)單片機(jī)進(jìn)行判斷。

3 制氧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Labview檢測(cè)系統(tǒng)——監(jiān)控單臺(tái)制氧機(jī)所有設(shè)備

對(duì)于以往不夠直觀的界面[6]，選擇Labview 開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)檢測(cè)預(yù)處理平臺(tái)。完成零部件使用時(shí)間的的累加記錄，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與用戶(hù)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值是否異常，以及輸出寫(xiě)入從單個(gè)設(shè)備各處的傳感器實(shí)時(shí)信息文檔，以及發(fā)生警告信息至監(jiān)控日志文件，提供網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行讀取匯總。如圖5所示。

圖5 Labview檢測(cè)系統(tǒng)界面局部

3.1.1 設(shè)備狀態(tài)界面

為保證便于維護(hù)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理。該界面分別顯示制氧主機(jī)的空壓機(jī)轉(zhuǎn)子軸承、軸封、傳動(dòng)皮帶等零部件的使用時(shí)間[7]、工作溫度[8]等。以使用時(shí)間為例，如圖6 所示。提供參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定更改，以便于不同設(shè)備不同工作環(huán)境下的設(shè)備管理。

圖6 使用壽命界面的設(shè)置、顯示

為提高設(shè)備壽命，適應(yīng)不同工作條件下的運(yùn)行時(shí)間。用戶(hù)可觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并控制啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短[9]。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)，關(guān)閉制氧主機(jī)，切換狀態(tài)燈轉(zhuǎn)為綠色，以表設(shè)備正常且正進(jìn)行休息保養(yǎng)狀態(tài)。如圖7 所示。

圖7 制氧機(jī)運(yùn)行及使用時(shí)間設(shè)置

3.1.2 信息反饋界面

為了方便維護(hù)人員的日常維護(hù)，做到單臺(tái)制氧機(jī)儀表多位一體的顯示，設(shè)計(jì)的單個(gè)時(shí)間點(diǎn)的報(bào)錯(cuò)歷史信息匯總界面，使得維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)能夠精準(zhǔn)維護(hù)，無(wú)需反復(fù)檢測(cè)或查看[10]。

3.1.3 參數(shù)信息存儲(chǔ)

用戶(hù)通過(guò)先前選擇存放路徑。分別輸出數(shù)據(jù)txt文檔與監(jiān)控日志excel文檔，以供網(wǎng)頁(yè)系統(tǒng)同步設(shè)備數(shù)據(jù)，與讀取報(bào)錯(cuò)信息，進(jìn)行記錄。

3.2 Vue數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)——監(jiān)控多臺(tái)制氧機(jī)所有設(shè)備

3.2.1 功能設(shè)計(jì)

為了良好的用戶(hù)交互體驗(yàn)使用了Vue 開(kāi)發(fā)[11]。本操作系統(tǒng)的功能如圖8 所示，可用于制氧機(jī)的多臺(tái)管理、設(shè)備異常的查看、異常標(biāo)準(zhǔn)值后臺(tái)設(shè)置，管理人員信息錄入。

圖8 Vue數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

使用前，管理人員通過(guò)管理員管理界面對(duì)使用者信息進(jìn)行錄入，添加與修改。正常時(shí)，管理人員只需兩人輪班查看電腦，等待各臺(tái)制氧機(jī)內(nèi)的設(shè)備上發(fā)送實(shí)時(shí)的相應(yīng)數(shù)據(jù)是否有報(bào)警信息。異常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)顯示所有出現(xiàn)異常的設(shè)備與其制氧機(jī)編號(hào)。此時(shí)管理人員可借系統(tǒng)的與維修人員預(yù)判分析，維修人員可以做好相應(yīng)的維修準(zhǔn)備，直接精準(zhǔn)奔赴相應(yīng)的制氧機(jī)內(nèi)相應(yīng)的故障部分。維護(hù)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)顯示所有出現(xiàn)異常的設(shè)備，維護(hù)直接奔赴需要維護(hù)的部分，保證設(shè)備正常運(yùn)行壽命的的最大化。統(tǒng)管時(shí)，不同制氧機(jī)所處的工作環(huán)境大有不同，有些異常標(biāo)準(zhǔn)值的大小不可一概而論。

同時(shí)還需提供不同臺(tái)制氧機(jī)內(nèi)不同設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)值修改功能，大大提高監(jiān)控系統(tǒng)的通用性。

3.2.2 界面設(shè)計(jì)

（1）用戶(hù)登錄界面：登錄頁(yè)面，管理員可以通過(guò)工號(hào)和密碼進(jìn)行登錄。

（2）監(jiān)控主界面：系統(tǒng)首頁(yè)左側(cè)提供了四種界面選擇，主頁(yè)彈出顯示會(huì)議通知。

（3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)頁(yè)面，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)頁(yè)面展示所有設(shè)備的數(shù)據(jù)，便于使用者對(duì)制氧設(shè)備的使用狀態(tài)一目了然。數(shù)據(jù)導(dǎo)出只需按下左上角導(dǎo)出鍵，生成exel文檔，便于維修者對(duì)制氧設(shè)備的過(guò)往使用狀態(tài)的翻閱，判斷故障與風(fēng)險(xiǎn)。

（4）異常查看界面。顯示各個(gè)制氧機(jī)內(nèi)所有故障設(shè)備的情況，同樣可導(dǎo)出。此時(shí)監(jiān)控人員可根據(jù)此情況開(kāi)始聯(lián)系維修人員。從單個(gè)設(shè)備異常，查得整臺(tái)制氧機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)進(jìn)行故障與潛在風(fēng)險(xiǎn)的判斷，隨后讓維修人員能第一時(shí)間帶上相應(yīng)的工具與零件精準(zhǔn)趕赴對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)。

（5）管理員管理頁(yè)面?？删庉嫽騽h除管理員可密碼、手機(jī)、用戶(hù)名、ID 的信息。本人或管理員才可編輯，保證內(nèi)部人員監(jiān)控權(quán)限。

（6）數(shù)據(jù)管理界面，如圖9所示。針對(duì)不同的設(shè)備，不同的工作環(huán)境，異常的報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)值各有不同。界面提供遠(yuǎn)程對(duì)各臺(tái)制氧機(jī)內(nèi)受監(jiān)管的設(shè)備的不同異常報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)值的編輯控制。

圖9 數(shù)據(jù)管理界面

4 監(jiān)控系統(tǒng)模擬仿真

仿真所用的異常判斷標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)上海瑞氣氣體科技有限公司《普通PSA 制氧機(jī)存在問(wèn)題及解決方法》所得，作為診斷標(biāo)準(zhǔn)，如圖10所示。

圖10 異常報(bào)警值參數(shù)

在STC 單片機(jī)中，數(shù)據(jù)能有效地顯示[12]，如圖11 所示。并且能夠同步到Labview 監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示中，生成相應(yīng)的日志如圖12 所示。最終把各個(gè)制氧機(jī)信息匯總到Vue 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，集中顯示異常設(shè)備，如圖13所示。

圖11 STC仿真反饋

圖12 Labview監(jiān)控日志故障顯示

圖13 Vue查看異常故障設(shè)備信息

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)與優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間，調(diào)查對(duì)比了傳統(tǒng)的制氧機(jī)使用、維護(hù)、修理等流程，說(shuō)明了應(yīng)用監(jiān)控系統(tǒng)的可行性與商業(yè)價(jià)值。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）隔絕機(jī)械故障。異常主動(dòng)反饋給管理人員，保證一切工作都在故障之前，同時(shí)減低老化速度，每次精準(zhǔn)保養(yǎng)，保證制氧機(jī)的使用壽命最大化。

（2）優(yōu)化排查流程。解決了人工檢測(cè)的繁瑣弊端，有效地保證制氧設(shè)備和制氧過(guò)程的安全可靠。

（3）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程讀取反饋數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容與故障信息，使工作人員做出預(yù)判，保證機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)省了人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的工作量和消除了人工檢測(cè)數(shù)據(jù)的滯后性。

（4）減少人工成本。工作人員僅需登錄系統(tǒng)界面即可快速準(zhǔn)確地讀取各臺(tái)設(shè)備各部分運(yùn)行狀態(tài)，一旦機(jī)器出現(xiàn)異?？梢缘谝粫r(shí)間提醒維護(hù)人員前往直接精準(zhǔn)維修。節(jié)約了大量時(shí)間、人工成本；實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療系統(tǒng)監(jiān)管自動(dòng)化，完善了醫(yī)療系統(tǒng)。