基于物联网的PSA制氧机设备远程监控系统研究*

卢桂萍，吴荣鑫，蔡梓沁，李 翔，康诗铄，陈永键，王舒漾

（北京理工大学珠海学院工业自动化学院，广东珠海 519088）

0 引言

随着社会现代化的发展，医疗现代化也逐渐加快了，各个国家对制氧需求的在不断地增加。但是目前的PSA 制氧机不具备监控运行状态的技术条件，对中心供氧系统发生的安全问题难以及时控制。当中心供氧系统发生较大的氧气泄漏，又没有及时有效的监控措施，就必然会导致设备的运行负荷加重及加大氧气的使用成本。

而医用PSA 中心制氧机，主要由空气罐、空气压缩机、冷干机、分子筛塔、氧气罐、供气系统等组成。制氧机核心以空气压缩机为动力，冷干机为更好的净化氧气提供基础。为了缩短维修人员的检验周期，提高检验效率，及时的排查安全隐患，同时减少人力人工成本费用。参考上海瑞气气体科技有限公司《普通PSA 制氧机存在问题及解决方法》[1]和《YY 0298-1998 医用分子筛制氧设备通用技术规范》[2]由此针对性的提出对制氧机监控系统开发。

根据控制目标和要求，应用STC 单片机模拟采集、Labview 操作系统与Vue 操作界面作为监控系统，建立适用于PSA制氧机各类硬件参数的实时反馈系统，实现PSA制氧机远程监控应用系统的开发。本应用系统实现了制氧机运行过程自动化、硬件故障实时检测与报警，提高了机器运转的可靠性，缩减了保养和维修的人力成本和时间成本，完善了医疗系统。

1 制氧机设备检测流程设计

1.1 传统人工制氧机维护

传统制氧机在无应用系统的监控下，需要定期安排人员对系统各部件全部进行检查占比小的隐患，如此循环，耗费大量的时间成本[3]。同时制氧机内部核心零件若需维护或故障，必要停机处理[4]，如此反复，且一次检查能排除的故障是一个未知数，因此每次排查的效率极低，且浪费人力成本。传统排查流程如图1 所示。

图1 传统排查流程

当产生故障或排查到潜在隐患时，无法第一时间调动维护人员领取关键部件进行，直接前往问题所在地并更替。需要等待现场全面排查故障，再前往领取部件到手后，才能进行维护。这意味着维护人员的几次往返，损失的是制氧机的工作时间，延长维修周期。

1.2 应用系统制氧机维护

在应用系统协助下，尽量在故障之前，排查所有隐患。日常流程只需一名工作人员长期值班，通过设计的Vue 监控系统管理后台数据等待报错。当遇到潜在异常或故障时，管理人员通过监控系统显示数据，联系维修人员并告知故障所在设备号及设备与相应故障信息，到场前提前判断故障所在。并在两名维护人员出发之前，便可先准备应对该故障所需的物资，精确抵达故障所在。如图2所示，此种管理方法，即可做到3人轻松管理多台制氧设备。

图2 应用系统排查流程

1.3 监控应用系统的检测原理结构框架

如图3 所示。应用系统从设备仪器出发，由多个传感器通过WiFi 传递设备信息到各机器STC 单片机中，单片机起传输媒介跟执行控制启停的作用。通过网络连接，使得单片机讲数据写入Labview 检测系统中，做数据可视化处理。单个Labview 检测系统与单台制氧机的所有单片机进行通讯，最后汇总不同设备的参数值与报错信息传至Vue数据管理系统。

图3 应用系统实现框架

2 制氧机监控系统硬件设计

硬件组成如图4 所示，利用STC 单片机自身的功能，例如：I∕O口，定时器等技术，通过温度传感器来来进行一个负反馈调节。通过对每一个传感器设置的异常报警值为标准，结合选取的温湿度、烟雾浓度传感器，通过Proteus软件进行仿真实现。

图4 应用系统硬件组成

借助STC 进行外扩，参考MSP43F149 的数据采集设计做法[5]，采用DS18B20 温度传感器使用12 位的模数转换器，1 us 转换时间，处理并显示出温度信息，进行温度传感器的信号实时读取。例如：测量冷干机内部温度是否处于2～3 ℃[1]。

借助ESP8266WIFI 模块，串口无线（CAM-AP）模式，让ESP8266 作为无线WiFi 热点，允许其他WIFI 设备连接到本模块，实现串口与其他设备之间的无线数据转换。通过设置协议类型为TCP client，查询设备IP，完成链接。

通过写入STC 单片机设备先前使用时间开始计时，并与如空气压缩机中空气过滤器（周期2 000 h）等寿命值写入的异常报警值数据单片机进行判断。

3 制氧机监控系统软件设计

3.1 Labview检测系统——监控单台制氧机所有设备

对于以往不够直观的界面[6]，选择Labview 开发数据检测预处理平台。完成零部件使用时间的的累加记录，实时监测数据与用户设定标准值是否异常，以及输出写入从单个设备各处的传感器实时信息文档，以及发生警告信息至监控日志文件，提供网页数据管理系统进行读取汇总。如图5所示。

图5 Labview检测系统界面局部

3.1.1 设备状态界面

为保证便于维护人员对设备进行维护管理。该界面分别显示制氧主机的空压机转子轴承、轴封、传动皮带等零部件的使用时间[7]、工作温度[8]等。以使用时间为例，如图6 所示。提供参数标准值的设定更改，以便于不同设备不同工作环境下的设备管理。

图6 使用寿命界面的设置、显示

为提高设备寿命，适应不同工作条件下的运行时间。用户可观察设备运行状态，并控制启动时间长短[9]。当倒计时时间结束时，关闭制氧主机，切换状态灯转为绿色，以表设备正常且正进行休息保养状态。如图7 所示。

图7 制氧机运行及使用时间设置

3.1.2 信息反馈界面

为了方便维护人员的日常维护，做到单台制氧机仪表多位一体的显示，设计的单个时间点的报错历史信息汇总界面，使得维护人员到现场能够精准维护，无需反复检测或查看[10]。

3.1.3 参数信息存储

用户通过先前选择存放路径。分别输出数据txt文档与监控日志excel文档，以供网页系统同步设备数据，与读取报错信息，进行记录。

3.2 Vue数据管理系统——监控多台制氧机所有设备

3.2.1 功能设计

为了良好的用户交互体验使用了Vue 开发[11]。本操作系统的功能如图8 所示，可用于制氧机的多台管理、设备异常的查看、异常标准值后台设置，管理人员信息录入。

图8 Vue数据管理系统功能结构

使用前，管理人员通过管理员管理界面对使用者信息进行录入，添加与修改。正常时，管理人员只需两人轮班查看电脑，等待各台制氧机内的设备上发送实时的相应数据是否有报警信息。异常时，监控系统显示所有出现异常的设备与其制氧机编号。此时管理人员可借系统的与维修人员预判分析，维修人员可以做好相应的维修准备，直接精准奔赴相应的制氧机内相应的故障部分。维护时，监控系统显示所有出现异常的设备，维护直接奔赴需要维护的部分，保证设备正常运行寿命的的最大化。统管时，不同制氧机所处的工作环境大有不同，有些异常标准值的大小不可一概而论。

同时还需提供不同台制氧机内不同设备的标准值修改功能，大大提高监控系统的通用性。

3.2.2 界面设计

（1）用户登录界面：登录页面，管理员可以通过工号和密码进行登录。

（2）监控主界面：系统首页左侧提供了四种界面选择，主页弹出显示会议通知。

（3）监测数据页面，监测数据页面展示所有设备的数据，便于使用者对制氧设备的使用状态一目了然。数据导出只需按下左上角导出键，生成exel文档，便于维修者对制氧设备的过往使用状态的翻阅，判断故障与风险。

（4）异常查看界面。显示各个制氧机内所有故障设备的情况，同样可导出。此时监控人员可根据此情况开始联系维修人员。从单个设备异常，查得整台制氧机的运转数据，对进行故障与潜在风险的判断，随后让维修人员能第一时间带上相应的工具与零件精准赶赴对应的现场。

（5）管理员管理页面。可编辑或删除管理员可密码、手机、用户名、ID 的信息。本人或管理员才可编辑，保证内部人员监控权限。

（6）数据管理界面，如图9所示。针对不同的设备，不同的工作环境，异常的报警标准值各有不同。界面提供远程对各台制氧机内受监管的设备的不同异常报警标准值的编辑控制。

图9 数据管理界面

4 监控系统模拟仿真

仿真所用的异常判断标准值，根据上海瑞气气体科技有限公司《普通PSA 制氧机存在问题及解决方法》所得，作为诊断标准，如图10所示。

图10 异常报警值参数

在STC 单片机中，数据能有效地显示[12]，如图11 所示。并且能够同步到Labview 监控系统的实时数据显示中，生成相应的日志如图12 所示。最终把各个制氧机信息汇总到Vue 数据管理系统中，集中显示异常设备，如图13所示。

图11 STC仿真反馈

图12 Labview监控日志故障显示

图13 Vue查看异常故障设备信息

5 结束语

通过对监控系统的联调与优化响应时间，调查对比了传统的制氧机使用、维护、修理等流程，说明了应用监控系统的可行性与商业价值。该系统具有以下优势。

（1）隔绝机械故障。异常主动反馈给管理人员，保证一切工作都在故障之前，同时减低老化速度，每次精准保养，保证制氧机的使用寿命最大化。

（2）优化排查流程。解决了人工检测的繁琐弊端，有效地保证制氧设备和制氧过程的安全可靠。

（3）实现远程监控。远程读取反馈数据并实时显示数据内容与故障信息，使工作人员做出预判，保证机器运行状态，节省了人工现场检测的工作量和消除了人工检测数据的滞后性。

（4）减少人工成本。工作人员仅需登录系统界面即可快速准确地读取各台设备各部分运行状态，一旦机器出现异常可以第一时间提醒维护人员前往直接精准维修。节约了大量时间、人工成本；实现了医疗系统监管自动化，完善了医疗系统。