醫用制氧裝備遠程故障診斷系統設計

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域設備的運行參數和故障信息，使得技術人員能夠快速地進行遠程故障判斷和設備維護，開發一套關于醫用制氧裝備的遠程故障診斷系統。該系統由醫用制氧裝備信息系統、遠程故障診斷服務中心和專家系統組成。系統采用OPC技術讀取現場設備PLC中的數據信息，通過OPC服務器將數據傳送到故障診斷服務中心，實現遠程故障數據采集的目的，故障服務中心根據采集到的數據和專家系統提供的經驗支持，發布包含故障數據的網頁，技術人員通過遠程訪問這些網頁，并根據經驗判斷出故障原因，實現對制氧裝備遠程故障診斷的目的。和多數設備提供的遠程故障診斷服務相比，所提系統具有針對性強、使用方便、易于擴展的優點，能夠更好地滿足醫用制氧企業的需求。

關鍵詞： 醫用制氧裝備； 遠程故障診斷； 專家系統； OPC； PLC； 數據采集

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

醫用制氧裝備在醫院制氧過程中具有重要的作用，一旦發生故障停機的情況，將會引發醫院缺乏氧氣的嚴重后果。因此如何快速、準確地判斷出設備的故障所在，使維修人員能夠根據故障原因及時進行維護已成為制氧行業面臨的一個主要問題。隨著網絡信息化的快速發展，遠程故障診斷在醫用制氧裝備方面的應用也越來越多，通過Internet網絡實現遠程數據監測，使得維修人員能夠遠程查看設備發生故障時的一些數據信息，從而根據以往經驗完成對設備的遠程故障診斷[1]。

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

1 系統結構

圖1為醫用制氧裝備遠程故障診斷系統結構圖，主要由數據采集單元、數據存儲單元和故障診斷中心組成。其中數據采集單元包括現場PLC設備和智能遠程終端，在監測現場制氧裝備系統中的各子系統均與PLC進行連接，將每個子系統的運行參數等數據上傳至PLC，智能遠程終端通過以太網接口與PLC連接，讀取PLC中采集的現場制氧裝備系統的數據信息，完成數據采集的功能[5]。

數據存儲單元包括OPC服務器、設備故障數據庫和專家知識庫，智能遠程終端把采集到的數據通過網絡上傳到OPC服務器，OPC服務器將數據存儲下來并給其他使用者提供訪問接口。設備故障數據庫是遠程故障診斷中心用來存儲設備故障數據的，制氧裝備廠家可以調用該數據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備常見的故障信息和解決方案以及專家的診斷經驗[6]。

遠程故障診斷中心包括Web服務器、專家知識庫和設備故障數據庫。Web服務器發布網頁和診斷服務，發布的網頁能夠訪問OPC服務器獲取制氧裝備的運行數據，可以根據專家知識庫和獲取的數據進行知識匹配，對設備運行狀態進行初步的故障分析，亦可診斷出常見的故障現象，同時網頁可以通過調用設備故障數據庫對歷史故障信息進行查詢[7]。

2 遠程故障診斷系統

2.1 數據采集單元工作機制

醫用制氧裝備系統包括空壓機、冷干機、制氧機和儲氧罐等設備，每個設備均來自不同的生產廠家。為了使各系統之間能夠協調穩定地工作，在整個系統中采用PLC作為設備的控制器件，這樣既可以控制制氧裝備系統中各個子系統正常工作，又可以使用PLC將各個器件的數據采集起來，保存到PLC的存儲區中。

智能遠程終端通過TCP/IP協議與PLC連接獲取其存儲區中的內容，本文采用GRM500作為智能遠程終端，制氧裝備系統運行時，GRM500負責將PLC中的數據采集出來并提供給OPC服務器，Web服務器發布的網頁可以依據OPC服務器提供的Web接口方法對其中的數據進行存取操作，遠程的制氧裝備廠家通過瀏覽這些網頁對設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論，因此要借助專家系統的幫助。本文在故障診斷的過程中引入專家系統。專家系統在使用時集中了大量的專門知識和專家經驗，是根據一個或多個專家提供的專業知識經驗進行推理和判斷，模擬人類專家的思維對那些只有專家才能決定的復雜的設備故障給出故障原因并提供解決方案的綜合系統[9]。它本質上是一組計算機程序，以專家的知識水平完成某一特定領域的具有一定難度的任務。在醫用制氧裝備故障診斷系統中，專家系統的設計是整個系統的核心問題[10?11]，主要包括設備知識庫、系統故障推理機、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系如圖2所示。

設備知識庫存放在遠程故障診斷中心的數據庫中，其中包含每個設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解決的有關制氧裝備的故障原因和解決方案等信息[12]。

系統故障推理機是專家系統的主要組成部分，可以根據不同的理論實現不同的算法，依據故障征兆與設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計的過程中對可能造成設備故障的各種因素（如硬件、軟件、外部環境和人為因素等）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生的概率，針對具體的故障給出相應的解決方案，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，確保依據知識庫推理出的結果的準確性。人機接口是專家系統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頁，該網頁引用設備故障數據庫，將設備的參數信息作為專家系統的輸入顯示出來，系統對輸入信息調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果顯示到診斷網頁上，專家根據結果進行故障判斷并給出專家意見。診斷完成后，專家系統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 遠程故障診斷系統平臺

遠程故障診斷系統平臺軟件的開發工具是Microsoft Visual Studio 2015，數據庫使用的是SQL Server 2012。本文采用VS2015環境下的C#語言、基于ASP.NET和B/S交互模式編寫程序，網頁發布成功后，只需在瀏覽器登錄即可實現遠程訪問。遠程故障診斷系統平臺采用模塊化思想進行設計，根據廠家要求，設計分為實時數據顯示、歷史數據查詢、故障診斷、知識庫管理和系統管理5大模塊[16]，圖3為遠程故障診斷系統功能框圖。

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

2） 歷史數據查詢。包括操作查詢、故障查詢和數據查詢，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，對已發生的故障信息按時間和設備名稱進行查詢；數據查詢，對設備以前的歷史運行參數進行查看。

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備表維護，其功能為：案例表維護，對已經解決的故障案例進行添加、修改、刪除等操作；設備表維護，添加新的設備信息，對原有的設備進行更新操作[17]。

5） 系統管理。設計了用戶管理、權限管理和日志管理，具體功能為：用戶管理，對使用該系統的所有用戶進行管理操作；權限管理，對用戶的權限進行分配管理，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 故障診斷系統總體功能實現

故障診斷系統運行時，當制氧裝備系統中有設備發生故障，現場操作人員可以依據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。但當出現的故障較為復雜或工控機無法給出故障原因時，現場人員便無法根據提示信息進行設備維修，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據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場人員共同維修設備，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，以備下次查詢時調用。

5 結 語

醫用制氧裝備遠程故障診斷系統為故障診斷的遠程化、信息化和專家協同化提供了方便的途徑，提高了故障診斷的效率。本文開發的故障診斷系統通過對知識庫的不斷添加補充，已經能夠實現在網頁上遠程登錄進行故障診斷的功能，目前該故障診斷系統在實際應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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