基于LabVIEW的水質(zhì)微型站實時故障診斷專家系統(tǒng)*

鄒遐邇 李新民, 羅學(xué)科 李文 徐明剛

(1.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院 武漢430074; 2.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院 北京 100144; 3.北京印刷學(xué)院 北京102600)

0 引言

水質(zhì)分析過程的穩(wěn)定、連續(xù)是保證水質(zhì)在線連續(xù)監(jiān)測的基本要求。在水質(zhì)檢測設(shè)備出現(xiàn)故障時，能夠準(zhǔn)確定位故障源，迅速處理故障，恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。本文以水質(zhì)微型站監(jiān)測系統(tǒng)為診斷對象，建立了基于LabVIEW的故障診斷專家系統(tǒng)[1-2]，為實現(xiàn)水質(zhì)在線連續(xù)監(jiān)測工作提供有力保障。

針對現(xiàn)有的實時監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)，需要考慮如何有效進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)與相關(guān)信息資源的模塊化，以及如何有效解決監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行過程中的功能異構(gòu)和其復(fù)雜性存在的問題[3]。本研究進(jìn)一步提出了基于LabVIEW的微型站水質(zhì)監(jiān)測和微型站實時監(jiān)測與智能微型站故障診斷專家系統(tǒng)[4],依據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)和各模塊參數(shù)信息, 充分利用上位機(jī)的可視化特性和系統(tǒng)反饋，提供在線系統(tǒng)狀態(tài)的分析和系統(tǒng)故障的診斷信息查詢功能，可及時有效地向系統(tǒng)操作管理人員提供當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行情況和狀態(tài)，并預(yù)警系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障信息，幫助管理者進(jìn)行正確的決策或及時中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，采取恰當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC儀器安全[5]。該系統(tǒng)克服了以往水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)開發(fā)費(fèi)用高、設(shè)計復(fù)雜等問題，便于實現(xiàn)基于Web的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，可顯著降低設(shè)備維護(hù)成本。因此，研究水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)對于保證其安全可靠運(yùn)行，減少或避免事故的發(fā)生，具有十分重要的意義[6]。

1 專家系統(tǒng)設(shè)計

專家系統(tǒng)是目前人工智能水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域非常重要的一項技術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域，是一類包含著大量科學(xué)知識和邏輯推理的人工智能計算應(yīng)用程序的系統(tǒng)。水質(zhì)微型站監(jiān)測設(shè)備的專家系統(tǒng)主要包括知識獲取子系統(tǒng)、知識庫管理子系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、推理機(jī)子系統(tǒng)和人機(jī)界面子系統(tǒng)等[7]，如圖1所示。

圖1 水質(zhì)微型站信號設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 知識獲取

該模塊主要是通過人工或機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，實現(xiàn)將水質(zhì)自動檢測的環(huán)保事實性知識和系統(tǒng)設(shè)計專家的經(jīng)驗知識轉(zhuǎn)化為程序語言的過程，為專家系統(tǒng)知識庫提供規(guī)則[8]。知識獲取是構(gòu)建知識庫的基礎(chǔ)，將專家思想或原理邏輯轉(zhuǎn)變成規(guī)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(tǒng)工程師及設(shè)計技術(shù)專家的經(jīng)驗性設(shè)計技術(shù)知識及一般技術(shù)常識等。其中，知識庫模塊中的基礎(chǔ)知識主要來源于知識庫模塊獲取子系統(tǒng)模塊，為推理機(jī)診斷和分析系統(tǒng)中的故障源提供使用。此外知識庫模塊還實現(xiàn)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(tài)的，隨著系統(tǒng)運(yùn)行，知識觀點(diǎn)的變化，或增加新的應(yīng)用，可能會發(fā)現(xiàn)原先的知識組合不合理，因此就需要重新組合，以適應(yīng)新的故障和解決方案。水質(zhì)微型站的專家系統(tǒng)中的知識庫，采用的模式是層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 水質(zhì)微型站監(jiān)測系統(tǒng)知識庫層次結(jié)構(gòu)

1.3 推理機(jī)

依據(jù)不同的監(jiān)測條件和故障樹，結(jié)合知識庫建立相應(yīng)的規(guī)則[10-11]。對于知識庫的建立關(guān)鍵是如何把專家知識轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則庫。產(chǎn)生式規(guī)則的一般形式為：

Rule n：If Then <結(jié)論>

在推理中，規(guī)則前提條件是否成立取決于數(shù)據(jù)庫中是否已有相應(yīng)的證據(jù)(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(zhì)微試劑檢測儀圖像識別故障樹，本例基于“Rule n”產(chǎn)生式規(guī)則的水質(zhì)微試劑檢測儀知識庫(簡化)原碼程序為：

圖3 水質(zhì)微試劑檢測儀圖像識別故障樹

Rule 1 If 試劑反應(yīng)有色差 and 試劑進(jìn)給量錯誤 Then 圖像識別錯誤

Rule 2 If 試劑進(jìn)給量錯誤 Then 試劑反應(yīng)有色差

Rule 3 If 攝像頭異常 Then 試劑反應(yīng)有色差

Rule 4 If 試劑不足 Then 試劑進(jìn)給量錯誤

Rule 5 If 倒錐接頭松動 Then 試劑進(jìn)給量錯誤

…

實際水質(zhì)微型站測控系統(tǒng)由上百個器件組成，故障種類繁多。本文根據(jù)系統(tǒng)主要組成部分，建立了基于圖形演繹機(jī)理分析的故障診斷數(shù)據(jù)庫，采用該方法實現(xiàn)了故障源定位?；贔TA的知識庫創(chuàng)建規(guī)則，通過定量分析可推斷或預(yù)測“圖像識別數(shù)據(jù)錯誤”事件是否發(fā)生[12]；若為異常結(jié)論，則再根據(jù)故障識別模塊在數(shù)據(jù)庫中圖像識別的實時數(shù)據(jù)獲取試劑反應(yīng)色澤和進(jìn)給量數(shù)據(jù)，并采用下行法由規(guī)則結(jié)果篩選故障原因。掃描相應(yīng)知識庫的每一條規(guī)則，上一條規(guī)則的結(jié)論作為下一條規(guī)則的條件，直到一條規(guī)則的結(jié)論不能作為其他規(guī)則的條件，則規(guī)則掃描結(jié)束。故障源就是這條規(guī)則的條件，此時就可終止推理過程。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)機(jī)柜結(jié)構(gòu)如圖4所示，構(gòu)成控制系統(tǒng)的硬件單元結(jié)構(gòu)。監(jiān)測系統(tǒng)分為3個部分：能量流、信息流和物質(zhì)流[13]。

2.1 能量流

能量流模塊是系統(tǒng)運(yùn)行的保障，主要是系統(tǒng)能量輸入的監(jiān)測，通過監(jiān)測設(shè)備的供電電壓或電流監(jiān)測系統(tǒng)故障。一些檢測點(diǎn)比較偏遠(yuǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)掉電或欠壓現(xiàn)象，導(dǎo)致電壓供給不穩(wěn)定。為解決此類問題，系統(tǒng)采用UPS(不間斷電源)為整個系統(tǒng)提供220 V電源輸出的電壓及電流。UPS可作為交流市電穩(wěn)壓器，利用機(jī)內(nèi)電池組蓄電功能，實現(xiàn)外部掉電后持續(xù)供電的作用，保證系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備在線智能運(yùn)行，為避免非工作人員誤操作，設(shè)置了門禁；對外部輔助設(shè)備如恒溫箱、空調(diào)等，既要監(jiān)測供電電壓，還要通過環(huán)境變量如溫度、濕度等實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測。為保證供給電源的穩(wěn)定性，需要在UPS后加穩(wěn)壓電源，減少因電源波動造成數(shù)據(jù)采集誤差。由AC 220 V轉(zhuǎn)DC 24 V開關(guān)電源為一體式多參數(shù)水質(zhì)傳感器和水質(zhì)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(zhì)數(shù)據(jù)采集傳感器，二是狀態(tài)數(shù)據(jù)采集傳感器。水質(zhì)數(shù)據(jù)采集傳感器是由一體式多參數(shù)水質(zhì)傳感器和4套水質(zhì)微試劑檢測儀組成，可檢測水樣中11個參數(shù)，分別是：TEM(溫度)、TURB(濁度)、COND(電導(dǎo)率)、pH值、DO(水中溶解氧)、水質(zhì)硬度、懸浮物(SS)、TP(總磷)、TN(總氮)、COD(化學(xué)需氧量)和氨氮。狀態(tài)數(shù)據(jù)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(zhì)監(jiān)測設(shè)備一般用于條件比較惡劣的環(huán)境，在長時間運(yùn)行過程中，內(nèi)部損耗會使設(shè)備溫度升高，若持續(xù)高溫而又無法將設(shè)備的水蒸氣和熱量及時從機(jī)柜散出，將有可能會使配電箱出現(xiàn)跳閘、燒毀等異常現(xiàn)象，還會影響設(shè)備及其元器件的使用壽命[14]。機(jī)柜內(nèi)的各種電子產(chǎn)品在潮濕和高溫的環(huán)境下長時間運(yùn)行時，將會對電器元件造成嚴(yán)重的損壞，因此需要對機(jī)柜內(nèi)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測。整套管路中安裝了3個液壓傳感器，用來監(jiān)測管路工作狀態(tài)；液位傳感器分別安裝在系統(tǒng)的沉砂池、測量池和4個測量杯中，用來監(jiān)測這些容器進(jìn)液量；水質(zhì)微試劑檢測儀結(jié)構(gòu)微小，在其內(nèi)部安裝攝像頭，通過圖像識別對內(nèi)部消解池的液位和閥島進(jìn)行監(jiān)測；圖像識別依據(jù)成像與實物比例關(guān)系，監(jiān)測消解池中液位位置，還可以監(jiān)測試劑進(jìn)給量是否正確。水質(zhì)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(jiān)測這些試劑的剩余量。信息流模塊通過RS485與上位機(jī)進(jìn)行通訊，經(jīng)推理機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)分析、處理診斷出故障源，并做出決策。

2.3 物質(zhì)流

物質(zhì)流是系統(tǒng)水樣傳輸模塊，是實現(xiàn)水質(zhì)檢測的重要環(huán)節(jié)，分為兩部分：一是機(jī)柜內(nèi)水樣傳輸，主要包括管路、電動閥、水泵、過濾器、空壓機(jī)、攪拌器、溫控箱和臭氧發(fā)生器，實現(xiàn)測控系統(tǒng)的排液、清洗、潤洗、蓄水和試劑存儲等功能；二是水質(zhì)微試劑檢測儀內(nèi)部水樣傳輸，主要包括閥島、注射泵、電磁閥、釋壓閥等。物質(zhì)流模塊通過與信息流模塊結(jié)合，實現(xiàn)了對水質(zhì)微型站測控系統(tǒng)監(jiān)控和故障診斷。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于多傳感器的水質(zhì)微型站監(jiān)控系統(tǒng)軟件由信息化服務(wù)器軟件、基于LabVIEW 2014的上位機(jī)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(shù)據(jù)通訊協(xié)議工具)、LabSQL(虛擬儀器軟件數(shù)據(jù)庫管理工具)和數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)工具SQL Server 2008 R2組成，如圖5所示。

圖5 水質(zhì)微型站測控系統(tǒng)軟件組成

實驗室用戶登錄上位機(jī)軟件，進(jìn)行串口設(shè)置、傳感器校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行周期設(shè)置和水質(zhì)傳感器的閥值設(shè)置；上位機(jī)軟件與數(shù)據(jù)采集模塊之間通過NI VISA串口通信模塊實現(xiàn)通信，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲以及報表生成。上位機(jī)通過SQL Server進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和讀取，LabVIEW通過使用LabSQL工具實現(xiàn)訪問本地SQL Server 2008 R2 數(shù)據(jù)庫和對各種信息數(shù)據(jù)的存儲；LabVIEW還具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，在實驗時，上位機(jī)將通過TCP/IP定時向信息化服務(wù)器軟件發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)[16]。

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)需要長時間持續(xù)運(yùn)行，各個模塊之間相互聯(lián)系，測試過程循序漸進(jìn)嚴(yán)格執(zhí)行。若中間某個流程出現(xiàn)問題，將會給整個系統(tǒng)帶來巨大損失。例如進(jìn)液電動閥未能正常開啟，輕則導(dǎo)致水管破裂，重則導(dǎo)致水泵毀壞、系統(tǒng)癱瘓、測試無法進(jìn)行。為保證系統(tǒng)順利實現(xiàn)正常的循環(huán)測試，需要監(jiān)測各個電器件和檢測設(shè)備的工作狀態(tài)，并能實現(xiàn)故障急停、故障來源診斷、故障報警和記錄等。

通過對監(jiān)測系統(tǒng)的各主要部分進(jìn)行具象化，用動態(tài)圖形語言顯示管道及各電器件的運(yùn)動狀態(tài)，用圖表的形式展示各水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)參數(shù)；抽象化的模型在圖像的支持下可真實地反映水質(zhì)檢測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。對于各電器件的工作狀態(tài)，將實時記錄到數(shù)據(jù)庫中；系統(tǒng)運(yùn)行末尾時，會將各種水質(zhì)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中；對一些參數(shù)和限值的設(shè)定需要登錄密碼完成，在確認(rèn)用戶的身份后賦予其相應(yīng)的操作及管理權(quán)限，并對用戶修改后的參數(shù)和限值進(jìn)行保存。

4 現(xiàn)場實驗

系統(tǒng)于2019年6月底通過現(xiàn)場驗收并投入試運(yùn)行,試運(yùn)行100 d后，通過了重慶市水利局專家組的技術(shù)鑒定。自試運(yùn)行以來,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,證明了此系統(tǒng)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(jī)柜實物。

圖6 機(jī)柜實物

在流程運(yùn)行前10 min，先打開O3，除去管路和容器中的藻類物質(zhì)；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(guān)閉P4和VD10，依次打開VD8和原水泵P2，對沉砂池進(jìn)行潤洗；1 min后關(guān)閉VD2，同時打開VD1排空測量池，等待沉砂池蓄水結(jié)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(guān)閉P4和VD9，依次打開VD7和P2,對測量池進(jìn)行潤洗；1 min后關(guān)閉VD1，等待測量池蓄水結(jié)束后打開一體式多參數(shù)水質(zhì)傳感器測試數(shù)據(jù)，將測得數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)；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(guān)閉P4，打開配水泵P3,對測量杯1進(jìn)行潤洗；0.4 min后關(guān)閉VD11，同時打開VD4排空測量杯2，等待測量杯1蓄水結(jié)束；重復(fù)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(zhì)檢測儀測試數(shù)據(jù)，約50 min后將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，發(fā)給Web服務(wù)器。

在實驗過程中，故意造成電動閥VD2的異常狀態(tài)。當(dāng)流程運(yùn)行沉砂池排水過程時，上位機(jī)右上角報警燈閃爍，界面出現(xiàn)異常信息彈窗“電動閥VD2開異常，流程已停止，請技術(shù)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(jī)報警顯示

5 結(jié)論

通過對系統(tǒng)的各部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，可以預(yù)測其運(yùn)行狀況、發(fā)現(xiàn)潛在故障，從而避免或減輕設(shè)備不可逆的損傷。微型水質(zhì)多參數(shù)分析過程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)通過對檢測系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)等信息進(jìn)行實時監(jiān)測，記錄設(shè)備作業(yè)時的工作狀態(tài)，經(jīng)有效的處理和分析，對水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的作業(yè)情況做出預(yù)判斷，為設(shè)備的維護(hù)提供了可靠的依據(jù)。運(yùn)行結(jié)果表明，它能及時準(zhǔn)確地報告事故發(fā)生的原因，能及時有效地針對出現(xiàn)的不同故障有選擇性地處理，極大地提高了水質(zhì)檢測的作業(yè)效率和質(zhì)量。同時本系統(tǒng)有極強(qiáng)的擴(kuò)展性，方便系統(tǒng)升級和降低系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。