基于LabVIEW的水质微型站实时故障诊断专家系统*

邹遐迩 李新民, 罗学科 李文 徐明刚

(1.华中科技大学光学与电子信息学院 武汉430074; 2.北方工业大学机械与材料工程学院 北京 100144; 3.北京印刷学院 北京102600)

0 引言

水质分析过程的稳定、连续是保证水质在线连续监测的基本要求。在水质检测设备出现故障时，能够准确定位故障源，迅速处理故障，恢复设备正常运行，具有较好的经济效益。本文以水质微型站监测系统为诊断对象，建立了基于LabVIEW的故障诊断专家系统[1-2]，为实现水质在线连续监测工作提供有力保障。

针对现有的实时监测与智能故障诊断系统，需要考虑如何有效进行监测数据与相关信息资源的模块化，以及如何有效解决监测系统运行过程中的功能异构和其复杂性存在的问题[3]。本研究进一步提出了基于LabVIEW的微型站水质监测和微型站实时监测与智能微型站故障诊断专家系统[4],依据监测系统正常运行状态和各模块参数信息, 充分利用上位机的可视化特性和系统反馈，提供在线系统状态的分析和系统故障的诊断信息查询功能，可及时有效地向系统操作管理人员提供当前系统的运行情况和状态，并预警系统可能出现的故障信息，帮助管理者进行正确的决策或及时中断系统的运行，采取恰当的措施保证仪器安全[5]。该系统克服了以往水质在线监测设备状态监测与故障诊断系统开发费用高、设计复杂等问题，便于实现基于Web的远程状态监测与故障诊断，可显著降低设备维护成本。因此，研究水质监测设备状态监测及故障诊断系统对于保证其安全可靠运行，减少或避免事故的发生，具有十分重要的意义[6]。

1 专家系统设计

专家系统是目前人工智能水质监测领域非常重要的一项技术研究和应用领域，是一类包含着大量科学知识和逻辑推理的人工智能计算应用程序的系统。水质微型站监测设备的专家系统主要包括知识获取子系统、知识库管理子系统、综合数据库管理子系统、推理机子系统和人机界面子系统等[7]，如图1所示。

图1 水质微型站信号设备故障诊断专家系统结构

1.1 知识获取

该模块主要是通过人工或机器学习的方法，实现将水质自动检测的环保事实性知识和系统设计专家的经验知识转化为程序语言的过程，为专家系统知识库提供规则[8]。知识获取是构建知识库的基础，将专家思想或原理逻辑转变成规则条件。

1.2 知识库

知识库模块的主要功能是用于存储和管理系统工程师及设计技术专家的经验性设计技术知识及一般技术常识等。其中，知识库模块中的基础知识主要来源于知识库模块获取子系统模块，为推理机诊断和分析系统中的故障源提供使用。此外知识库模块还实现了对知识的存储、编辑、删除、增加、搜索等功能[9]。知识库是动态的，随着系统运行，知识观点的变化，或增加新的应用，可能会发现原先的知识组合不合理，因此就需要重新组合，以适应新的故障和解决方案。水质微型站的专家系统中的知识库，采用的模式是层次结构，系统的组成如图2所示。

图2 水质微型站监测系统知识库层次结构

1.3 推理机

依据不同的监测条件和故障树，结合知识库建立相应的规则[10-11]。对于知识库的建立关键是如何把专家知识转变为规则库。产生式规则的一般形式为：

Rule n：If Then <结论>

在推理中，规则前提条件是否成立取决于数据库中是否已有相应的证据(由故障识别模块得出)以及它是否满足阙值条件。图3是水质微试剂检测仪图像识别故障树，本例基于“Rule n”产生式规则的水质微试剂检测仪知识库(简化)原码程序为：

图3 水质微试剂检测仪图像识别故障树

Rule 1 If 试剂反应有色差 and 试剂进给量错误 Then 图像识别错误

Rule 2 If 试剂进给量错误 Then 试剂反应有色差

Rule 3 If 摄像头异常 Then 试剂反应有色差

Rule 4 If 试剂不足 Then 试剂进给量错误

Rule 5 If 倒锥接头松动 Then 试剂进给量错误

…

实际水质微型站测控系统由上百个器件组成，故障种类繁多。本文根据系统主要组成部分，建立了基于图形演绎机理分析的故障诊断数据库，采用该方法实现了故障源定位。基于FTA的知识库创建规则，通过定量分析可推断或预测“图像识别数据错误”事件是否发生[12]；若为异常结论，则再根据故障识别模块在数据库中图像识别的实时数据获取试剂反应色泽和进给量数据，并采用下行法由规则结果筛选故障原因。扫描相应知识库的每一条规则，上一条规则的结论作为下一条规则的条件，直到一条规则的结论不能作为其他规则的条件，则规则扫描结束。故障源就是这条规则的条件，此时就可终止推理过程。

2 监测系统硬件设计

系统机柜结构如图4所示，构成控制系统的硬件单元结构。监测系统分为3个部分：能量流、信息流和物质流[13]。

2.1 能量流

能量流模块是系统运行的保障，主要是系统能量输入的监测，通过监测设备的供电电压或电流监测系统故障。一些检测点比较偏远，经常出现掉电或欠压现象，导致电压供给不稳定。为解决此类问题，系统采用UPS(不间断电源)为整个系统提供220 V电源输出的电压及电流。UPS可作为交流市电稳压器，利用机内电池组蓄电功能，实现外部掉电后持续供电的作用，保证系统不间断运行。水质监测设备在线智能运行，为避免非工作人员误操作，设置了门禁；对外部辅助设备如恒温箱、空调等，既要监测供电电压，还要通过环境变量如温度、湿度等实现设备监测。为保证供给电源的稳定性，需要在UPS后加稳压电源，减少因电源波动造成数据采集误差。由AC 220 V转DC 24 V开关电源为一体式多参数水质传感器和水质微试剂检测仪提供供电电压。

2.2 信息流

信息流模块分为两部分：一是水质数据采集传感器，二是状态数据采集传感器。水质数据采集传感器是由一体式多参数水质传感器和4套水质微试剂检测仪组成，可检测水样中11个参数，分别是：TEM(温度)、TURB(浊度)、COND(电导率)、pH值、DO(水中溶解氧)、水质硬度、悬浮物(SS)、TP(总磷)、TN(总氮)、COD(化学需氧量)和氨氮。状态数据采集传感器主要包括微型测力传感器、液位传感器、液压传感器、图像识别、温湿度传感器等。水质监测设备一般用于条件比较恶劣的环境，在长时间运行过程中，内部损耗会使设备温度升高，若持续高温而又无法将设备的水蒸气和热量及时从机柜散出，将有可能会使配电箱出现跳闸、烧毁等异常现象，还会影响设备及其元器件的使用寿命[14]。机柜内的各种电子产品在潮湿和高温的环境下长时间运行时，将会对电器元件造成严重的损坏，因此需要对机柜内的温湿度进行监测。整套管路中安装了3个液压传感器，用来监测管路工作状态；液位传感器分别安装在系统的沉砂池、测量池和4个测量杯中，用来监测这些容器进液量；水质微试剂检测仪结构微小，在其内部安装摄像头，通过图像识别对内部消解池的液位和阀岛进行监测；图像识别依据成像与实物比例关系，监测消解池中液位位置，还可以监测试剂进给量是否正确。水质微试剂检测仪采用的是试剂法，仪器在测试过程中需要用到一些试剂，采用微型测力传感器监测这些试剂的剩余量。信息流模块通过RS485与上位机进行通讯，经推理机对采集到的数据分析、处理诊断出故障源，并做出决策。

2.3 物质流

物质流是系统水样传输模块，是实现水质检测的重要环节，分为两部分：一是机柜内水样传输，主要包括管路、电动阀、水泵、过滤器、空压机、搅拌器、温控箱和臭氧发生器，实现测控系统的排液、清洗、润洗、蓄水和试剂存储等功能；二是水质微试剂检测仪内部水样传输，主要包括阀岛、注射泵、电磁阀、释压阀等。物质流模块通过与信息流模块结合，实现了对水质微型站测控系统监控和故障诊断。

3 监测系统软件设计

基于多传感器的水质微型站监控系统软件由信息化服务器软件、基于LabVIEW 2014的上位机软件、NI VISA(virtual instrument software architecture，虚拟仪器软件串口通讯工具)[15]、TCP(虚拟仪器软件数据通讯协议工具)、LabSQL(虚拟仪器软件数据库管理工具)和数据库基础工具SQL Server 2008 R2组成，如图5所示。

图5 水质微型站测控系统软件组成

实验室用户登录上位机软件，进行串口设置、传感器校准参数设置、运行周期设置和水质传感器的阀值设置；上位机软件与数据采集模块之间通过NI VISA串口通信模块实现通信，完成系统的数据采集、处理、显示、存储以及报表生成。上位机通过SQL Server进行数据存储和读取，LabVIEW通过使用LabSQL工具实现访问本地SQL Server 2008 R2 数据库和对各种信息数据的存储；LabVIEW还具有网络通讯功能，在实验时，上位机将通过TCP/IP定时向信息化服务器软件发送系统状态数据和水质参数数据[16]。

水质监测系统需要长时间持续运行，各个模块之间相互联系，测试过程循序渐进严格执行。若中间某个流程出现问题，将会给整个系统带来巨大损失。例如进液电动阀未能正常开启，轻则导致水管破裂，重则导致水泵毁坏、系统瘫痪、测试无法进行。为保证系统顺利实现正常的循环测试，需要监测各个电器件和检测设备的工作状态，并能实现故障急停、故障来源诊断、故障报警和记录等。

通过对监测系统的各主要部分进行具象化，用动态图形语言显示管道及各电器件的运动状态，用图表的形式展示各水质传感器数据参数；抽象化的模型在图像的支持下可真实地反映水质检测系统的运行状态。对于各电器件的工作状态，将实时记录到数据库中；系统运行末尾时，会将各种水质传感器检测到的数据保存到数据库中；对一些参数和限值的设定需要登录密码完成，在确认用户的身份后赋予其相应的操作及管理权限，并对用户修改后的参数和限值进行保存。

4 现场实验

系统于2019年6月底通过现场验收并投入试运行,试运行100 d后，通过了重庆市水利局专家组的技术鉴定。自试运行以来,系统运行稳定、可靠,证明了此系统既适用于地表水，也适用于污染源水；其作用得到了专家组的肯定。图6为机柜实物。

图6 机柜实物

在流程运行前10 min，先打开O3，除去管路和容器中的藻类物质；打开VD2，排空沉砂池；然后依次打开VD10和清水泵P4，清洗管路及沉砂池；1 min后依次关闭P4和VD10，依次打开VD8和原水泵P2，对沉砂池进行润洗；1 min后关闭VD2，同时打开VD1排空测量池，等待沉砂池蓄水结束；测量池排空后，依次打开VD9和P4，清洗管路及测量池；1 min后依次关闭P4和VD9，依次打开VD7和P2,对测量池进行润洗；1 min后关闭VD1，等待测量池蓄水结束后打开一体式多参数水质传感器测试数据，将测得数据传入上位机；等待25 min使沉砂池水样充分沉淀后，打开VD3排空测量杯1；待测量杯1排空后，依次打开VD11和P4，清洗管路及测量杯1；0.25 min后关闭P4，打开配水泵P3,对测量杯1进行润洗；0.4 min后关闭VD11，同时打开VD4排空测量杯2，等待测量杯1蓄水结束；重复测量杯2、测量杯3和测量杯4的类似操作，完成对所有测量杯蓄水；打开微试剂水质检测仪测试数据，约50 min后将数据上传到上位机，发给Web服务器。

在实验过程中，故意造成电动阀VD2的异常状态。当流程运行沉砂池排水过程时，上位机右上角报警灯闪烁，界面出现异常信息弹窗“电动阀VD2开异常，流程已停止，请技术人员尽快处理。Electric valve VD2 open abnormal.The process has stopped.Please contact the technician as soon as possible.”并伴随警报声音，如图7所示。

图7 上位机报警显示

5 结论

通过对系统的各部件进行状态监测，可以预测其运行状况、发现潜在故障，从而避免或减轻设备不可逆的损伤。微型水质多参数分析过程状态监测与故障诊断系统通过对检测系统的作业状态等信息进行实时监测，记录设备作业时的工作状态，经有效的处理和分析，对水质监测设备的作业情况做出预判断，为设备的维护提供了可靠的依据。运行结果表明，它能及时准确地报告事故发生的原因，能及时有效地针对出现的不同故障有选择性地处理，极大地提高了水质检测的作业效率和质量。同时本系统有极强的扩展性，方便系统升级和降低系统维护费用，具有良好的经济效益。