高原制氧装备远程监控系统的设计与实现

周 峰，吴晓松，张昌戎，施志刚，张 烨，叶 超，张泽瑞

（1.西宁联勤保障中心药品仪器监督检验站，兰州730050；2.中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所，合肥230088）

0 引言

海拔3 000 m 以上的高原地区被医学界称为“医学高原”，超过3 000 m 这个临界高度，人体容易出现缺氧的高原反应。吸氧是预防和治疗急性高原反应、高原水肿、高原心脏病等最有效的方法之一[1-2]，而制氧机是处置高原反应及其并发症的急救装备，是高原寒区部队官兵日常工作和生活必不可少的保障物资。

目前，高海拔地区部队的制氧装备普遍采用分子筛变压吸附（pressure swing adsorption，PSA）技术[3]，虽然具有自动化程度高、操作简单等特点，但缺乏专业人员维护和远程监控保障，且装备带病运行情况普遍，极易导致装备损坏，严重影响高原官兵的用氧安全。近年来，高原地区制氧装备分布范围愈加广泛，所属保障部门的技术人员要掌握所有装备的工况尤为困难。在此背景下，本文设计了一种高原制氧装备远程监控系统，对高原上广泛分布的制氧装备进行远程保密监控，通过使用北斗系统的定位及通信技术，将制氧装备的位置及工况信息实时加密传输至监控终端，出现异常情况时，维护人员根据警报信息采取应急处理措施，确保制氧装备正常工作和氧气正常供应。

现有的制氧装备远程监控系统主要是针对厂家自有的装备品牌运行状态数据使用Web 技术进行远程监控[4-5]，但各个厂家的制氧装备结构原理有差异，个别存在兼容性和保密性差、依赖现有网络等弊端。本设计充分考虑了制氧装备的通用性和扩展性，能够兼容不同型号、规格的制氧装备，直接获取制氧装备关键节点参数进行故障判定，完全脱离装备自身的故障诊断系统，实现监控终端掌握装备的现场实时工况。本系统不受网络、地点和装备型号的限制，可满足技术人员实时监控各地区制氧装备的运行情况，实现维保单位对所辖保障区域制氧装备的统一管理。

1 PSA 制氧工艺流程

高原制氧装备普遍采用PSA 制氧技术，该类型制氧装备主要由空气压缩机、空气过滤器、冷干机、空气缓冲罐、制氧塔、氧气缓冲罐、增压机和氧气储气罐等单元组成[4]，如图1 所示。

图1 PSA 制氧装备系统结构图

其中，空气压缩机为制氧塔提供氧气原料，过滤器将空气中的水分和颗粒杂质过滤掉，冷干机将空气压缩机输送的热空气降温，防止热空气在制氧塔中产生冷凝水而导致制氧塔损坏。制氧塔采用分子筛物理吸附和解吸技术制备氧气，加压时将空气中的氮气吸附，剩余未被吸附的氧气被收集起来，经过净化处理后即成为高纯度的氧气[5]，分子筛在减压时将吸附的氮气排放至环境空气中，此过程周期性地往复循环，不断从空气中提取氧气。氧气缓冲罐用于收集制氧塔生产的氧气[6]，增压机将制氧塔制备的氧气加压后输送到氧气储气罐中，实现氧气的不断产生和聚积。制氧装备启动后，空气压缩机运转产生压缩空气，经过过滤后，输送至冷干机。空气缓冲罐将过滤、冷干后的压缩空气聚集储存，然后输入到制氧塔转化成（制备）氧气并存储到氧气缓冲罐中。最后经过加压，将氧气存储在氧气储气罐中。

2 高原制氧装备远程监控系统设计及其实现

高原制氧装备远程监控系统由现场监测终端、现场北斗通信终端、远程北斗通信终端和远程监控终端4 个部分组成。现场监测终端的主要功能是采集制氧装备各单元监测点的传感器值，采集的数据一是直接在现场显示，二是发送至现场北斗通信终端将数据远程传递，远程北斗通信终端接收到数据后即时传递到远程监控终端，远程监控终端对数据信息进行存储、显示和故障分析，出现故障信息时，远程监控终端立即将信息反馈给维保人员，针对故障严重的设备，可以远程控制现场设备停机。系统结构如图2 所示。

图2 高原制氧装备远程监控系统结构图

2.1 高原制氧装备远程监控系统方案设计

图3 为高原制氧装备远程监控系统结构图，现场监测终端将采集到的空气压缩机出口压力值、空气缓冲罐压力值、制氧塔压力值、氧气缓冲罐压力值、氧气储气罐压力值、冷干机进出口温度值和氧气缓冲罐中氧气体积分数值数据信息，通过RS-485 转换器发送给工控机，工控机将数据信息发送至现场北斗通信终端，以北斗卫星为中继，将信息汇总传输到远程北斗通信终端，远程监控终端通过远程北斗通信终端获取制氧装备的工况信息，并诊断分析出制氧装备是否处于正常工作状态，有故障的制氧装备将被预警显示，同时将装备故障信息通过手机短信息方式及时地发送给维保人员，在紧急情况下，可以远程控制故障装备停机，实现远程在线实时统一的监控。例如：当空气压缩机出口压力一直处于0.3 MPa 左右时，说明制氧装备的空气压缩机有故障的可能；当其他测量值正常，氧气体积分数低于60%时，则说明制氧塔有故障的可能；当冷干机进出口温度差值小于5 ℃时，说明冷干机有故障的可能。

2.2 现场监测终端硬件实现

通过对制氧装备监测节点的参数研究，空气压缩机正常使用时，出气口的温度在80 ℃左右，压力在0.55 MPa 左右，可通过安装耐高温的压力传感器判断空气压缩机的工作状态；冷干机正常工作时，进气口和出气口的温度差大于10 ℃，在进气口和出气口安装贴片式热电偶，测量出这2 个位置的温度值，判断冷干机的工作状态；空气缓冲罐中储备纯净的空气，直接通入到制氧塔中使用，需要检测空气缓冲罐中的气体压力值；当空气储气罐压力高于制氧塔吸附的最低压力时，制氧塔通过升压时吸附氮气、收集氧气，降压时释放氮气，不断重复连续制备氧气，制氧塔最高吸附压力为0.49 MPa 左右，排氮气时压力降为0 MPa，可以在制氧塔的压力接口处添加压力传感器，判断制氧塔的工作状态；氧气缓冲罐中的氧气经过增压机加压后输送到氧气储气罐中，可以通过测量氧气储气罐中的压力来判断增压机的工作状态。

图3 高原制氧装备远程监控系统结构图

图4 现场监测终端硬件实现示意图

因此，本系统可以通过压力、温度和氧气体积分数这3 项参数变化情况来反映制氧装备各单元运行的状况[7-9]，任何一个单元参数发生异常变化，都会给制氧装备的运行带来一定的影响。本系统重点针对PSA-YY 系列制氧装备的主要工作单元的关键位置进行传感器加装和数据采集，建立独立于装备自身的故障诊断系统。如图4 所示，在空气压缩机、空气缓冲罐、制氧塔、氧气缓冲罐和氧气储气罐上安装压力传感器，在冷干机进出口分别安装温度传感器，同时在氧气缓冲罐上安装氧气浓度传感器[10-11]。

针对上述参数检测要求，压力传感器的型号为PY210，量程为0～1.0 MPa；温度传感器型号为PT100，量程为-50～100 ℃；采用型号为BEE-AO-220、量程为10%～99.99%的离子流氧气传感器检测氧气缓冲罐中的氧气体积分数，来判断制氧装备产生的氧气体积分数是否符合GJB 2799—96《医用分子筛制氧机通用规范》中对氧气体积分数≥90%的要求[10]。

以上传感器的信号输出都采用RS-485 模式。RS-485 是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。RS-485 具有兼容TTL 电平、最高数据传输速率为10 Mbit/s、抗噪声干扰性好、数据传输距离远和最多允许连接32 个主从设备等特点。制氧装备在制氧过程中存在信号干扰大、传感器信号传输距离远的特点，且需要在总线上获取10 个传感器信息，因此在现场监测终端应用RS-485 通信模式的传感器。现场监测终端使用的RS-485 转换器型号为MOXA TCC-80，其为串口取电的无源型转换器，带有15 kV 静电放电（electro static discharge，ESD）保护，可防止静电放电导致设备损坏，波特率使用范围为50～115.2 bit/s。工控机使用的型号为AOC A22733G/04，CPU 为J1900，内存8 GB，固态硬盘128 GB，采用Windows 7 操作系统。

3 软件设计

3.1 北斗RDSS 短报文通信技术

北斗系统是我国独立自主设计的全球卫星导航系统，目前在水文监测、农业领域和能源勘测等很多方面得到了应用[12]。与美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧洲GALILEO 相比，北斗在具有定位和授时功能的同时还具有独特的短报文通信功能。

制氧装备运行数据在本系统中的短报文通信帧格式由6 个部分组成，分别是指令、用户地址、通信类别、传输方式、电文内容和校验码：$--TXA 为通信申请指令，占用6 个字节；用户地址可以将数据信息定向发送到对应的北斗终端，占用7 个字节；通信类别表示普通通信和特快通信，占用1 个字节；传输方式有汉字和代码2 种，占用1 个字节；电文内容包括压力值、温度值和氧气体积分数值，占用26 个字节；校验码采用双字节循环冗余（cyclic redundancy check，CRC）方式，占用2 个字节。

3.2 故障诊断机制

远程监控终端接收到制氧装备各个单元的压力、温度和氧气体积分数等传感信号后，首先针对各个单元进行故障分析判断，然后将各单元故障诊断结果进行综合分析，确定出制氧装备故障单元和工作状态，在装备发生紧急故障时，可以远程控制装备停机，避免不必要的损失；同时对装备发生故障的可能性进行预判，通过远程监控终端提醒维保人员，及时对装备检修，降低事故发生的风险，并尽可能避免小故障引起严重的安全事故。系统软件故障诊断流程如图5 所示。

图5 制氧装备远程监控系统软件故障诊断流程图

3.3 监控软件实现

本系统的开发模式为客户端/服务器（Client/Server，C/S），该模式便于本系统的传感数据采集和分析；通过Visual Studio 2017 平台开发，编程语言采用C#。C#是事件驱动型、完全面向对象的可视化编程语言，适用于本系统的开发需求。整个系统软件处理流程如图6 所示，系统诊断到故障制氧装备时，快速、准确地分析出故障制氧装备的站点和损坏单元并反馈给维保人员，在紧急情况下可以远程关闭装备电源，将装备损坏程度降到最低。

图6 高原制氧装备远程监控系统软件处理流程图

4 测试与结果

4.1 数据采集测试

现场监测终端采用RS-485串行总线标准，将制氧装备各个检测节点的传感器值实时采集显示。本系统采集到的数据分别与制氧装备显示值和标准器件测量值进行对比，详见表1。其中压力检测标准器件的型号为PY210，量程为0～1 MPa，精度为0.5%FS，稳定性为0.2%FS，校对时间为每年一次；氧气检测标准器件使用铜氨溶液吸收法测量装置。

表1 不同测量装置的压力和氧气体积分数测量结果

由表1 中数据可知，在压力测量方面，制氧装备与标准器件之间的测量值最大偏差为0.10 MPa，最小偏差为0.04 MPa，现场监测终端与标准器件之间的测量值最大偏差为0.01 MPa，最小偏差为0 MPa；在氧气体积分数测量方面，制氧装备与标准器件之间的测量值偏差为2.12%，现场监测终端与标准器件之间的测量值偏差为0.15%。结果表明，现场监测终端采集的数据比制氧装备的测量值准确且精度高。

4.2 北斗通信测试

现场监测终端采集到的制氧装备工况信息通过北斗系统发送到远程监控终端，该过程中北斗通信的准确性至关重要。将现场监测终端采集显示的数据和远程监控终端接收显示的数据进行对比，观察数据是否有偏差，结果见表2。

表2 现场监测终端和远程监控终端传感器显示结果

由表2 数据可知，现场监测终端显示的数据和远程监控终端显示的数据完全一致，说明北斗通信可以准确、可靠地应用于本系统的数据传输。

4.3 故障判断准确性

远程监控终端对D1、D2 两个站点（D1 站点海拔高度为3 100 m，D2 站点海拔高度为4 100 m，2 个站点的制氧装备型号不同）的工况信息进行了连续监控，结果见表3、4。

由表3 中数据可知，D1 站点制氧装备显示故障为冷干机有异常，氧气储气罐单元有异常，制氧装备未进行灌装。因为冷干机入口和出口的温度差在6 ℃以内属于异常现象，同时氧气储气罐压力为0.00 MPa属于异常现象，灌装压力为0.00 MPa，说明制氧装备未进行灌装。经过现场确认，冷干机压缩机损坏，氧气储气罐阀门是开启状态，氧气不能输送到氧气储气罐就已经完全泄漏，另外，当天未进行灌装任务。

表3 D1 站点制氧装备监控数据

表4 D2 站点制氧装备监控数据

由表4 中数据可知，D2 站点制氧装备显示故障为氧气储气罐异常。因为氧气体积分数为（89.94±0.01）%，冷干机进、出气口温度差最大为0.1 ℃，A、B制氧塔压力相近，说明制氧装备处于制氧完成后的关机状态，但是氧气储气罐中的压力为0.00 MPa，分析出氧气储气罐有异常。经过现场确认，氧气储气罐的压力表接头出现破裂，导致氧气储气罐大量泄漏。

上述2 台制氧装备的工况信息分析结果表明，远程诊断结果与实际情况一致，故障判断准确。

5 结语

高原恶劣环境下，制氧装备出现异常情况时不易被及时发现，为保障制氧装备的稳定运行，远程监控制氧装备的运行状态具有非常重要的意义。本研究通过在关键环节安装先进的检测传感器，实时地将制氧装备工况发送到远程监控终端，实现远程对多区域装备进行同时监控，当制氧装备发生故障时，确保能够及时安排维护人员对装备进行维修，有效地解决高原部队持续供氧问题。在本系统的基础上，下一步需要将所有制氧装备的使用和维保情况存储到系统数据库中，以便于精确地分析出各制氧站点制氧装备的运行工况、制氧体积分数和灌装能力，为卫勤部门在所辖区域内提供准确的氧气供应和调度数据以及高原战士的日常用氧情况，确保在需要大量用氧或某些制氧站点失去制氧能力情况下，氧气能够正常快速调度供应。