基于物聯網的PSA制氧機設備遠程監控系統研究*

盧桂萍，吳榮鑫，蔡梓沁，李 翔，康詩鑠，陳永鍵，王舒漾

（北京理工大學珠海學院工業自動化學院，廣東珠海 519088）

0 引言

隨著社會現代化的發展，醫療現代化也逐漸加快了，各個國家對制氧需求的在不斷地增加。但是目前的PSA 制氧機不具備監控運行狀態的技術條件，對中心供氧系統發生的安全問題難以及時控制。當中心供氧系統發生較大的氧氣泄漏，又沒有及時有效的監控措施，就必然會導致設備的運行負荷加重及加大氧氣的使用成本。

而醫用PSA 中心制氧機，主要由空氣罐、空氣壓縮機、冷干機、分子篩塔、氧氣罐、供氣系統等組成。制氧機核心以空氣壓縮機為動力，冷干機為更好的凈化氧氣提供基礎。為了縮短維修人員的檢驗周期，提高檢驗效率，及時的排查安全隱患，同時減少人力人工成本費用。參考上海瑞氣氣體科技有限公司《普通PSA 制氧機存在問題及解決方法》[1]和《YY 0298-1998 醫用分子篩制氧設備通用技術規范》[2]由此針對性的提出對制氧機監控系統開發。

根據控制目標和要求，應用STC 單片機模擬采集、Labview 操作系統與Vue 操作界面作為監控系統，建立適用于PSA制氧機各類硬件參數的實時反饋系統，實現PSA制氧機遠程監控應用系統的開發。本應用系統實現了制氧機運行過程自動化、硬件故障實時檢測與報警，提高了機器運轉的可靠性，縮減了保養和維修的人力成本和時間成本，完善了醫療系統。

1 制氧機設備檢測流程設計

1.1 傳統人工制氧機維護

傳統制氧機在無應用系統的監控下，需要定期安排人員對系統各部件全部進行檢查占比小的隱患，如此循環，耗費大量的時間成本[3]。同時制氧機內部核心零件若需維護或故障，必要停機處理[4]，如此反復，且一次檢查能排除的故障是一個未知數，因此每次排查的效率極低，且浪費人力成本。傳統排查流程如圖1 所示。

圖1 傳統排查流程

當產生故障或排查到潛在隱患時，無法第一時間調動維護人員領取關鍵部件進行，直接前往問題所在地并更替。需要等待現場全面排查故障，再前往領取部件到手后，才能進行維護。這意味著維護人員的幾次往返，損失的是制氧機的工作時間，延長維修周期。

1.2 應用系統制氧機維護

在應用系統協助下，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期值班，通過設計的Vue 監控系統管理后臺數據等待報錯。當遇到潛在異常或故障時，管理人員通過監控系統顯示數據，聯系維修人員并告知故障所在設備號及設備與相應故障信息，到場前提前判斷故障所在。并在兩名維護人員出發之前，便可先準備應對該故障所需的物資，精確抵達故障所在。如圖2所示，此種管理方法，即可做到3人輕松管理多臺制氧設備。

圖2 應用系統排查流程

1.3 監控應用系統的檢測原理結構框架

如圖3 所示。應用系統從設備儀器出發，由多個傳感器通過WiFi 傳遞設備信息到各機器STC 單片機中，單片機起傳輸媒介跟執行控制啟停的作用。通過網絡連接，使得單片機講數據寫入Labview 檢測系統中，做數據可視化處理。單個Labview 檢測系統與單臺制氧機的所有單片機進行通訊，最后匯總不同設備的參數值與報錯信息傳至Vue數據管理系統。

圖3 應用系統實現框架

2 制氧機監控系統硬件設計

硬件組成如圖4 所示，利用STC 單片機自身的功能，例如：I∕O口，定時器等技術，通過溫度傳感器來來進行一個負反饋調節。通過對每一個傳感器設置的異常報警值為標準，結合選取的溫濕度、煙霧濃度傳感器，通過Proteus軟件進行仿真實現。

圖4 應用系統硬件組成

借助STC 進行外擴，參考MSP43F149 的數據采集設計做法[5]，采用DS18B20 溫度傳感器使用12 位的模數轉換器，1 us 轉換時間，處理并顯示出溫度信息，進行溫度傳感器的信號實時讀取。例如：測量冷干機內部溫度是否處于2～3 ℃[1]。

借助ESP8266WIFI 模塊，串口無線（CAM-AP）模式，讓ESP8266 作為無線WiFi 熱點，允許其他WIFI 設備連接到本模塊，實現串口與其他設備之間的無線數據轉換。通過設置協議類型為TCP client，查詢設備IP，完成鏈接。

通過寫入STC 單片機設備先前使用時間開始計時，并與如空氣壓縮機中空氣過濾器（周期2 000 h）等壽命值寫入的異常報警值數據單片機進行判斷。

3 制氧機監控系統軟件設計

3.1 Labview檢測系統——監控單臺制氧機所有設備

對于以往不夠直觀的界面[6]，選擇Labview 開發數據檢測預處理平臺。完成零部件使用時間的的累加記錄，實時監測數據與用戶設定標準值是否異常，以及輸出寫入從單個設備各處的傳感器實時信息文檔，以及發生警告信息至監控日志文件，提供網頁數據管理系統進行讀取匯總。如圖5所示。

圖5 Labview檢測系統界面局部

3.1.1 設備狀態界面

為保證便于維護人員對設備進行維護管理。該界面分別顯示制氧主機的空壓機轉子軸承、軸封、傳動皮帶等零部件的使用時間[7]、工作溫度[8]等。以使用時間為例，如圖6 所示。提供參數標準值的設定更改，以便于不同設備不同工作環境下的設備管理。

圖6 使用壽命界面的設置、顯示

為提高設備壽命，適應不同工作條件下的運行時間。用戶可觀察設備運行狀態，并控制啟動時間長短[9]。當倒計時時間結束時，關閉制氧主機，切換狀態燈轉為綠色，以表設備正常且正進行休息保養狀態。如圖7 所示。

圖7 制氧機運行及使用時間設置

3.1.2 信息反饋界面

為了方便維護人員的日常維護，做到單臺制氧機儀表多位一體的顯示，設計的單個時間點的報錯歷史信息匯總界面，使得維護人員到現場能夠精準維護，無需反復檢測或查看[10]。

3.1.3 參數信息存儲

用戶通過先前選擇存放路徑。分別輸出數據txt文檔與監控日志excel文檔，以供網頁系統同步設備數據，與讀取報錯信息，進行記錄。

3.2 Vue數據管理系統——監控多臺制氧機所有設備

3.2.1 功能設計

為了良好的用戶交互體驗使用了Vue 開發[11]。本操作系統的功能如圖8 所示，可用于制氧機的多臺管理、設備異常的查看、異常標準值后臺設置，管理人員信息錄入。

圖8 Vue數據管理系統功能結構

使用前，管理人員通過管理員管理界面對使用者信息進行錄入，添加與修改。正常時，管理人員只需兩人輪班查看電腦，等待各臺制氧機內的設備上發送實時的相應數據是否有報警信息。異常時，監控系統顯示所有出現異常的設備與其制氧機編號。此時管理人員可借系統的與維修人員預判分析，維修人員可以做好相應的維修準備，直接精準奔赴相應的制氧機內相應的故障部分。維護時，監控系統顯示所有出現異常的設備，維護直接奔赴需要維護的部分，保證設備正常運行壽命的的最大化。統管時，不同制氧機所處的工作環境大有不同，有些異常標準值的大小不可一概而論。

同時還需提供不同臺制氧機內不同設備的標準值修改功能，大大提高監控系統的通用性。

3.2.2 界面設計

（1）用戶登錄界面：登錄頁面，管理員可以通過工號和密碼進行登錄。

（2）監控主界面：系統首頁左側提供了四種界面選擇，主頁彈出顯示會議通知。

（3）監測數據頁面，監測數據頁面展示所有設備的數據，便于使用者對制氧設備的使用狀態一目了然。數據導出只需按下左上角導出鍵，生成exel文檔，便于維修者對制氧設備的過往使用狀態的翻閱，判斷故障與風險。

（4）異常查看界面。顯示各個制氧機內所有故障設備的情況，同樣可導出。此時監控人員可根據此情況開始聯系維修人員。從單個設備異常，查得整臺制氧機的運轉數據，對進行故障與潛在風險的判斷，隨后讓維修人員能第一時間帶上相應的工具與零件精準趕赴對應的現場。

（5）管理員管理頁面。可編輯或刪除管理員可密碼、手機、用戶名、ID 的信息。本人或管理員才可編輯，保證內部人員監控權限。

（6）數據管理界面，如圖9所示。針對不同的設備，不同的工作環境，異常的報警標準值各有不同。界面提供遠程對各臺制氧機內受監管的設備的不同異常報警標準值的編輯控制。

圖9 數據管理界面

4 監控系統模擬仿真

仿真所用的異常判斷標準值，根據上海瑞氣氣體科技有限公司《普通PSA 制氧機存在問題及解決方法》所得，作為診斷標準，如圖10所示。

圖10 異常報警值參數

在STC 單片機中，數據能有效地顯示[12]，如圖11 所示。并且能夠同步到Labview 監控系統的實時數據顯示中，生成相應的日志如圖12 所示。最終把各個制氧機信息匯總到Vue 數據管理系統中，集中顯示異常設備，如圖13所示。

圖11 STC仿真反饋

圖12 Labview監控日志故障顯示

圖13 Vue查看異常故障設備信息

5 結束語

通過對監控系統的聯調與優化響應時間，調查對比了傳統的制氧機使用、維護、修理等流程，說明了應用監控系統的可行性與商業價值。該系統具有以下優勢。

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

（2）優化排查流程。解決了人工檢測的繁瑣弊端，有效地保證制氧設備和制氧過程的安全可靠。

（3）實現遠程監控。遠程讀取反饋數據并實時顯示數據內容與故障信息，使工作人員做出預判，保證機器運行狀態，節省了人工現場檢測的工作量和消除了人工檢測數據的滯后性。

（4）減少人工成本。工作人員僅需登錄系統界面即可快速準確地讀取各臺設備各部分運行狀態，一旦機器出現異常可以第一時間提醒維護人員前往直接精準維修。節約了大量時間、人工成本；實現了醫療系統監管自動化，完善了醫療系統。