基于LabVIEW的水質微型站實時故障診斷專家系統*

鄒遐邇 李新民, 羅學科 李文 徐明剛

(1.華中科技大學光學與電子信息學院 武漢430074; 2.北方工業大學機械與材料工程學院 北京 100144; 3.北京印刷學院 北京102600)

0 引言

水質分析過程的穩定、連續是保證水質在線連續監測的基本要求。在水質檢測設備出現故障時，能夠準確定位故障源，迅速處理故障，恢復設備正常運行，具有較好的經濟效益。本文以水質微型站監測系統為診斷對象，建立了基于LabVIEW的故障診斷專家系統[1-2]，為實現水質在線連續監測工作提供有力保障。

針對現有的實時監測與智能故障診斷系統，需要考慮如何有效進行監測數據與相關信息資源的模塊化，以及如何有效解決監測系統運行過程中的功能異構和其復雜性存在的問題[3]。本研究進一步提出了基于LabVIEW的微型站水質監測和微型站實時監測與智能微型站故障診斷專家系統[4],依據監測系統正常運行狀態和各模塊參數信息, 充分利用上位機的可視化特性和系統反饋，提供在線系統狀態的分析和系統故障的診斷信息查詢功能，可及時有效地向系統操作管理人員提供當前系統的運行情況和狀態，并預警系統可能出現的故障信息，幫助管理者進行正確的決策或及時中斷系統的運行，采取恰當的措施保證儀器安全[5]。該系統克服了以往水質在線監測設備狀態監測與故障診斷系統開發費用高、設計復雜等問題，便于實現基于Web的遠程狀態監測與故障診斷，可顯著降低設備維護成本。因此，研究水質監測設備狀態監測及故障診斷系統對于保證其安全可靠運行，減少或避免事故的發生，具有十分重要的意義[6]。

1 專家系統設計

專家系統是目前人工智能水質監測領域非常重要的一項技術研究和應用領域，是一類包含著大量科學知識和邏輯推理的人工智能計算應用程序的系統。水質微型站監測設備的專家系統主要包括知識獲取子系統、知識庫管理子系統、綜合數據庫管理子系統、推理機子系統和人機界面子系統等[7]，如圖1所示。

圖1 水質微型站信號設備故障診斷專家系統結構

1.1 知識獲取

該模塊主要是通過人工或機器學習的方法，實現將水質自動檢測的環保事實性知識和系統設計專家的經驗知識轉化為程序語言的過程，為專家系統知識庫提供規則[8]。知識獲取是構建知識庫的基礎，將專家思想或原理邏輯轉變成規則條件。

1.2 知識庫

知識庫模塊的主要功能是用于存儲和管理系統工程師及設計技術專家的經驗性設計技術知識及一般技術常識等。其中，知識庫模塊中的基礎知識主要來源于知識庫模塊獲取子系統模塊，為推理機診斷和分析系統中的故障源提供使用。此外知識庫模塊還實現了對知識的存儲、編輯、刪除、增加、搜索等功能[9]。知識庫是動態的，隨著系統運行，知識觀點的變化，或增加新的應用，可能會發現原先的知識組合不合理，因此就需要重新組合，以適應新的故障和解決方案。水質微型站的專家系統中的知識庫，采用的模式是層次結構，系統的組成如圖2所示。

圖2 水質微型站監測系統知識庫層次結構

1.3 推理機

依據不同的監測條件和故障樹，結合知識庫建立相應的規則[10-11]。對于知識庫的建立關鍵是如何把專家知識轉變為規則庫。產生式規則的一般形式為：

Rule n：If Then <結論>

在推理中，規則前提條件是否成立取決于數據庫中是否已有相應的證據(由故障識別模塊得出)以及它是否滿足闕值條件。圖3是水質微試劑檢測儀圖像識別故障樹，本例基于“Rule n”產生式規則的水質微試劑檢測儀知識庫(簡化)原碼程序為：

圖3 水質微試劑檢測儀圖像識別故障樹

Rule 1 If 試劑反應有色差 and 試劑進給量錯誤 Then 圖像識別錯誤

Rule 2 If 試劑進給量錯誤 Then 試劑反應有色差

Rule 3 If 攝像頭異常 Then 試劑反應有色差

Rule 4 If 試劑不足 Then 試劑進給量錯誤

Rule 5 If 倒錐接頭松動 Then 試劑進給量錯誤

…

實際水質微型站測控系統由上百個器件組成，故障種類繁多。本文根據系統主要組成部分，建立了基于圖形演繹機理分析的故障診斷數據庫，采用該方法實現了故障源定位?；贔TA的知識庫創建規則，通過定量分析可推斷或預測“圖像識別數據錯誤”事件是否發生[12]；若為異常結論，則再根據故障識別模塊在數據庫中圖像識別的實時數據獲取試劑反應色澤和進給量數據，并采用下行法由規則結果篩選故障原因。掃描相應知識庫的每一條規則，上一條規則的結論作為下一條規則的條件，直到一條規則的結論不能作為其他規則的條件，則規則掃描結束。故障源就是這條規則的條件，此時就可終止推理過程。

2 監測系統硬件設計

系統機柜結構如圖4所示，構成控制系統的硬件單元結構。監測系統分為3個部分：能量流、信息流和物質流[13]。

2.1 能量流

能量流模塊是系統運行的保障，主要是系統能量輸入的監測，通過監測設備的供電電壓或電流監測系統故障。一些檢測點比較偏遠，經常出現掉電或欠壓現象，導致電壓供給不穩定。為解決此類問題，系統采用UPS(不間斷電源)為整個系統提供220 V電源輸出的電壓及電流。UPS可作為交流市電穩壓器，利用機內電池組蓄電功能，實現外部掉電后持續供電的作用，保證系統不間斷運行。水質監測設備在線智能運行，為避免非工作人員誤操作，設置了門禁；對外部輔助設備如恒溫箱、空調等，既要監測供電電壓，還要通過環境變量如溫度、濕度等實現設備監測。為保證供給電源的穩定性，需要在UPS后加穩壓電源，減少因電源波動造成數據采集誤差。由AC 220 V轉DC 24 V開關電源為一體式多參數水質傳感器和水質微試劑檢測儀提供供電電壓。

2.2 信息流

信息流模塊分為兩部分：一是水質數據采集傳感器，二是狀態數據采集傳感器。水質數據采集傳感器是由一體式多參數水質傳感器和4套水質微試劑檢測儀組成，可檢測水樣中11個參數，分別是：TEM(溫度)、TURB(濁度)、COND(電導率)、pH值、DO(水中溶解氧)、水質硬度、懸浮物(SS)、TP(總磷)、TN(總氮)、COD(化學需氧量)和氨氮。狀態數據采集傳感器主要包括微型測力傳感器、液位傳感器、液壓傳感器、圖像識別、溫濕度傳感器等。水質監測設備一般用于條件比較惡劣的環境，在長時間運行過程中，內部損耗會使設備溫度升高，若持續高溫而又無法將設備的水蒸氣和熱量及時從機柜散出，將有可能會使配電箱出現跳閘、燒毀等異?，F象，還會影響設備及其元器件的使用壽命[14]。機柜內的各種電子產品在潮濕和高溫的環境下長時間運行時，將會對電器元件造成嚴重的損壞，因此需要對機柜內的溫濕度進行監測。整套管路中安裝了3個液壓傳感器，用來監測管路工作狀態；液位傳感器分別安裝在系統的沉砂池、測量池和4個測量杯中，用來監測這些容器進液量；水質微試劑檢測儀結構微小，在其內部安裝攝像頭，通過圖像識別對內部消解池的液位和閥島進行監測；圖像識別依據成像與實物比例關系，監測消解池中液位位置，還可以監測試劑進給量是否正確。水質微試劑檢測儀采用的是試劑法，儀器在測試過程中需要用到一些試劑，采用微型測力傳感器監測這些試劑的剩余量。信息流模塊通過RS485與上位機進行通訊，經推理機對采集到的數據分析、處理診斷出故障源，并做出決策。

2.3 物質流

物質流是系統水樣傳輸模塊，是實現水質檢測的重要環節，分為兩部分：一是機柜內水樣傳輸，主要包括管路、電動閥、水泵、過濾器、空壓機、攪拌器、溫控箱和臭氧發生器，實現測控系統的排液、清洗、潤洗、蓄水和試劑存儲等功能；二是水質微試劑檢測儀內部水樣傳輸，主要包括閥島、注射泵、電磁閥、釋壓閥等。物質流模塊通過與信息流模塊結合，實現了對水質微型站測控系統監控和故障診斷。

3 監測系統軟件設計

基于多傳感器的水質微型站監控系統軟件由信息化服務器軟件、基于LabVIEW 2014的上位機軟件、NI VISA(virtual instrument software architecture，虛擬儀器軟件串口通訊工具)[15]、TCP(虛擬儀器軟件數據通訊協議工具)、LabSQL(虛擬儀器軟件數據庫管理工具)和數據庫基礎工具SQL Server 2008 R2組成，如圖5所示。

圖5 水質微型站測控系統軟件組成

實驗室用戶登錄上位機軟件，進行串口設置、傳感器校準參數設置、運行周期設置和水質傳感器的閥值設置；上位機軟件與數據采集模塊之間通過NI VISA串口通信模塊實現通信，完成系統的數據采集、處理、顯示、存儲以及報表生成。上位機通過SQL Server進行數據存儲和讀取，LabVIEW通過使用LabSQL工具實現訪問本地SQL Server 2008 R2 數據庫和對各種信息數據的存儲；LabVIEW還具有網絡通訊功能，在實驗時，上位機將通過TCP/IP定時向信息化服務器軟件發送系統狀態數據和水質參數數據[16]。

水質監測系統需要長時間持續運行，各個模塊之間相互聯系，測試過程循序漸進嚴格執行。若中間某個流程出現問題，將會給整個系統帶來巨大損失。例如進液電動閥未能正常開啟，輕則導致水管破裂，重則導致水泵毀壞、系統癱瘓、測試無法進行。為保證系統順利實現正常的循環測試，需要監測各個電器件和檢測設備的工作狀態，并能實現故障急停、故障來源診斷、故障報警和記錄等。

通過對監測系統的各主要部分進行具象化，用動態圖形語言顯示管道及各電器件的運動狀態，用圖表的形式展示各水質傳感器數據參數；抽象化的模型在圖像的支持下可真實地反映水質檢測系統的運行狀態。對于各電器件的工作狀態，將實時記錄到數據庫中；系統運行末尾時，會將各種水質傳感器檢測到的數據保存到數據庫中；對一些參數和限值的設定需要登錄密碼完成，在確認用戶的身份后賦予其相應的操作及管理權限，并對用戶修改后的參數和限值進行保存。

4 現場實驗

系統于2019年6月底通過現場驗收并投入試運行,試運行100 d后，通過了重慶市水利局專家組的技術鑒定。自試運行以來,系統運行穩定、可靠,證明了此系統既適用于地表水，也適用于污染源水；其作用得到了專家組的肯定。圖6為機柜實物。

圖6 機柜實物

在流程運行前10 min，先打開O3，除去管路和容器中的藻類物質；打開VD2，排空沉砂池；然后依次打開VD10和清水泵P4，清洗管路及沉砂池；1 min后依次關閉P4和VD10，依次打開VD8和原水泵P2，對沉砂池進行潤洗；1 min后關閉VD2，同時打開VD1排空測量池，等待沉砂池蓄水結束；測量池排空后，依次打開VD9和P4，清洗管路及測量池；1 min后依次關閉P4和VD9，依次打開VD7和P2,對測量池進行潤洗；1 min后關閉VD1，等待測量池蓄水結束后打開一體式多參數水質傳感器測試數據，將測得數據傳入上位機；等待25 min使沉砂池水樣充分沉淀后，打開VD3排空測量杯1；待測量杯1排空后，依次打開VD11和P4，清洗管路及測量杯1；0.25 min后關閉P4，打開配水泵P3,對測量杯1進行潤洗；0.4 min后關閉VD11，同時打開VD4排空測量杯2，等待測量杯1蓄水結束；重復測量杯2、測量杯3和測量杯4的類似操作，完成對所有測量杯蓄水；打開微試劑水質檢測儀測試數據，約50 min后將數據上傳到上位機，發給Web服務器。

在實驗過程中，故意造成電動閥VD2的異常狀態。當流程運行沉砂池排水過程時，上位機右上角報警燈閃爍，界面出現異常信息彈窗“電動閥VD2開異常，流程已停止，請技術人員盡快處理。Electric valve VD2 open abnormal.The process has stopped.Please contact the technician as soon as possible.”并伴隨警報聲音，如圖7所示。

圖7 上位機報警顯示

5 結論

通過對系統的各部件進行狀態監測，可以預測其運行狀況、發現潛在故障，從而避免或減輕設備不可逆的損傷。微型水質多參數分析過程狀態監測與故障診斷系統通過對檢測系統的作業狀態等信息進行實時監測，記錄設備作業時的工作狀態，經有效的處理和分析，對水質監測設備的作業情況做出預判斷，為設備的維護提供了可靠的依據。運行結果表明，它能及時準確地報告事故發生的原因，能及時有效地針對出現的不同故障有選擇性地處理，極大地提高了水質檢測的作業效率和質量。同時本系統有極強的擴展性，方便系統升級和降低系統維護費用，具有良好的經濟效益。