林 洋(1.上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點實驗室，上海 200072；2.上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

基于無線WIFI的RTU裝置進行實驗室建設(shè)管理平臺的設(shè)計與實踐

林 洋1，2
(1.上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點實驗室，上海 200072；
2.上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

高校實驗室內(nèi)大型設(shè)備的安全運行管理是一個重要問題。本文針對上海大學(xué)新型顯示技術(shù)與應(yīng)用集成教育部重點實驗室內(nèi)重要設(shè)備的運行設(shè)計了一套基于無線WIFI的RTU控制裝置，通過RTU裝置和手機APP軟件，學(xué)生和老師在對MBraun帶手套箱真空蒸發(fā)鍍膜機等設(shè)備進行數(shù)字化操作的同時，實現(xiàn)對設(shè)備安全運行監(jiān)控管理，同時整合實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對重點實驗室的規(guī)范和優(yōu)化管理。

實驗室建設(shè)；安全運行；RTU；WIFI；數(shù)字化操作

隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，我國的高等教育事業(yè)也得到了快速的壯大。高校實驗室是培養(yǎng)高素質(zhì)人才以及從事科研活動、教學(xué)活動的重要場所，對學(xué)校的建設(shè)和發(fā)展起著重要作用。目前，我國實驗室根據(jù)重要性的等級和所扮演角色的大小，從高到低分為國家實驗室、國家重點實驗室、教育部重點實驗室、省市級重點實驗室以及校級重點實驗室等。

隨著高校科技創(chuàng)新能力的提升，實驗室的人員、設(shè)備等規(guī)模不斷擴大。據(jù)對全國75所教育部直屬高校的統(tǒng)計，目前這些高校建設(shè)了4029個實驗室，每年承擔(dān)著400多萬個小時的科研教學(xué)活動[1]。在這些科研教學(xué)活動實踐中，研究人員不可避免地使用到危險設(shè)備以及危險化學(xué)藥品，稍有不慎就會引發(fā)灼傷、爆炸、中毒等各種災(zāi)難性事故[2]。實驗室的安全事故的發(fā)生，直接影響實驗室的正?？蒲薪虒W(xué)活動的開展，甚至導(dǎo)致學(xué)生或者研究人員傷亡等無法挽回的損失。

因此，要建設(shè)好實驗室，提高其管理水平，減少安全事故的發(fā)生，必須從多方面入手。例如，在設(shè)計和建設(shè)實驗室的時候，充分考慮消防、健康、衛(wèi)生以及安全標(biāo)準(zhǔn)，建立一整套切實可行的規(guī)章制度。同時，對實驗室管理人員進行培訓(xùn)，加強其對實驗室儀器與設(shè)備的科學(xué)化管理。此外，也要強化對應(yīng)急措施以及急救設(shè)施的系統(tǒng)化管理[3]。針對實驗安全事故頻發(fā)的現(xiàn)象以及對于已發(fā)生事故原因的分析，傳統(tǒng)的實驗室安全性建設(shè)和管理制度已經(jīng)得到逐步完善。

1 實驗室建設(shè)和管理改革的創(chuàng)新

如圖1所示，傳統(tǒng)的實驗室安全建設(shè)和管理制度包括：提升科研人員的安全意識、完善實驗室的安全制度、嚴(yán)格控制三廢處理和化學(xué)品管理、危險實驗安全評審以及實驗室危險程度分級管理[4]。嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)有的傳統(tǒng)實驗室安全建設(shè)和管理制度，能夠大大地降低實驗室安全事故的發(fā)生，保證高校教育順利進行，研究人員的生命安全得到了保障，使環(huán)境的污染降到了最低[5]。

圖1 實驗室安全建設(shè)和管理的種類

WIFI是一種允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)(WLAN)的技術(shù)，憑借其建設(shè)便捷、無需布線、無線電波覆蓋范圍廣、長距離工作、傳輸速度快等優(yōu)點在無線領(lǐng)域中脫穎而出，被廣泛應(yīng)用于電力監(jiān)控、油田監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測、水利監(jiān)測、熱網(wǎng)監(jiān)測、電表監(jiān)測、機房監(jiān)控等方面[6-7]。由于其自身傳輸速度快的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測的特性。因此，本文應(yīng)用WIFI無線技術(shù)將手機和實驗室內(nèi)安裝在設(shè)備上的芯片通過無線連接，實現(xiàn)實時監(jiān)控實驗室安全的目的。通過傳統(tǒng)實驗室安全建設(shè)和管理與無線實時監(jiān)控相結(jié)合的方法，進一步降低實驗室安全事故發(fā)生的幾率。

目前有很多實驗室內(nèi)有成套電能驅(qū)動，如手套真空操作箱、電流加熱源控制柜、真空壓縮泵等。這些設(shè)備通常由實驗室內(nèi)的空氣開關(guān)或低壓斷路器組提供運行電源，由于各設(shè)備功率負(fù)載差異較大，學(xué)生在實驗時不規(guī)范操作導(dǎo)致設(shè)備超載運行,造成電流偏大或短路跳閘、漏電等事故發(fā)生，嚴(yán)重影響學(xué)生實驗進程,同時也會造成意外傷害，使學(xué)校對實驗室內(nèi)電氣安全運行的管理陷入困境。如何對實驗室內(nèi)大型機械實驗裝置安全運行實現(xiàn)有效的管理，一直是各高校面臨的重要難題。為了提高實驗室設(shè)備的安全運行，有的高校提出了嚴(yán)格的規(guī)章制度來規(guī)范學(xué)生的實驗時間和操作流程；有的高校設(shè)立實驗室門禁或者視頻錄像監(jiān)控系統(tǒng)；有的高校設(shè)計了復(fù)雜的聯(lián)鎖與報警系統(tǒng)來保障實驗設(shè)備的安全運行。這些都是解決問題的有效方法，保證了實驗室的安全運行[8-9]。

本文也設(shè)計了一套基于無線WIFI的RTU智能裝置和基于Android手機軟件平臺來實現(xiàn)對實驗室內(nèi)大型設(shè)備的運行監(jiān)測和使用管理，同時詳細(xì)記錄實驗過程的操作數(shù)據(jù)，為分析實驗結(jié)果提供操作流程上的可追溯因素。

2 基于無線WIFI的RTU技術(shù)應(yīng)用的可行性分析

遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)(RTU)是安裝在遠(yuǎn)程操作環(huán)境的電子設(shè)備。它可以監(jiān)視和測量遠(yuǎn)程環(huán)境的傳感器和電子設(shè)備。RTU可以把測得的工作狀態(tài)或采集的信號轉(zhuǎn)換成可以通過常見的通信媒體傳送的數(shù)據(jù)格式。它還能把從中央控制器發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實現(xiàn)對監(jiān)控設(shè)備的功能化管理和人工控制。RTU的組成部分包括信號的輸入/輸出模塊、有線/無線通訊設(shè)備、微處理器、電源及包裝等幾個硬件。通過微處理器進行遠(yuǎn)程控制，并可以和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兼容。RTU能夠利用本身的智能軟件系統(tǒng)，完美地實現(xiàn)對遠(yuǎn)程環(huán)境中設(shè)備的操作監(jiān)控，還能夠很好地利用調(diào)度系統(tǒng)，對生產(chǎn)現(xiàn)場的儀表進行遙測、遙控、遙信和遙調(diào)等[10-13]，這對實驗室的科學(xué)化管理極為重要。

此外，WIFI允許任何在WLAN范圍內(nèi)的設(shè)備與之連接，保證基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。幾乎市場上使用的手機、平板電腦、筆記本電腦甚至臺式機等電子設(shè)備，大都支持WIFI上網(wǎng)。WIFI上網(wǎng)有別于有線傳輸，是目前使用的最為廣泛的一種的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[14-16]。

將RTU技術(shù)和實驗裝置配電系統(tǒng)有效結(jié)合，通過無線WIFI連接，可以對實驗設(shè)備裝置通電與否或?qū)嶒灂r的電能參數(shù)(如電壓、電流、功率)等實時采集，設(shè)置安全報警閥值。同時由于RTU支持通信標(biāo)準(zhǔn)DNPs和IEC870，利用RTU設(shè)備可以將多種總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如Modbus協(xié)議、Profibus-DP協(xié)議等)和實驗設(shè)備裝置自帶的控制單元連接，讀取控制單元中存儲的實驗數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)絆PC Server服務(wù)器，通過Web發(fā)布到手機APP軟件上，實時記錄和實驗數(shù)據(jù)。同時RTU裝置具備對實驗室周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的采集功能，如溫度、有毒、可燃?xì)怏w等。因此將RTU技術(shù)應(yīng)用到實驗室內(nèi)對實驗設(shè)備裝置的遙測、遙控和遙信是保障高校實驗室安全運行的措施之一[17]。

3 實驗室安全運行平臺的設(shè)計與實踐

3.1 平臺的設(shè)計

考慮到上海大學(xué)新型顯示技術(shù)與應(yīng)用集成教育部重點實驗室內(nèi)有2套MBraun帶手套箱真空蒸發(fā)鍍膜機(MB-MO-SE1)，蒸發(fā)源含有4個溫度控制的石英坩堝源和6個電流控制的鎢舟源，還有各類真空壓縮機及其他成套設(shè)備。為此我們設(shè)計了一套基于WIFI的RTU裝置用以保證實驗設(shè)備的安全運行。該平臺由兩部分組成，一是基于智能手機APP應(yīng)用的監(jiān)測平臺；二是RTU設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制裝置。兩者通過無線WIFI組網(wǎng)連接。系統(tǒng)連接圖如圖2所示。

圖2 實驗室系統(tǒng)連接圖

設(shè)計改造后安全運行管理平臺具備以下功能：

(1)在插排和設(shè)備之間加入RTU裝置，實現(xiàn)對實驗設(shè)備的電壓、電流和功率負(fù)荷的監(jiān)控；在設(shè)置報警閥值的同時具備遠(yuǎn)程開關(guān)通斷的功能，使實驗指導(dǎo)老師可以通過手機APP軟件實現(xiàn)對該設(shè)備通斷電的控制；同時結(jié)合學(xué)生實驗時間的順序表，也可以設(shè)定和監(jiān)管學(xué)生實驗。

(2)RTU裝置通過Modbus現(xiàn)場總線協(xié)議，可以與MBraun帶手套箱真空蒸發(fā)鍍膜機的控制單元-SIEMENS PLC系統(tǒng)相連接，學(xué)生通過手機APP軟件上的操作界面可以數(shù)字化設(shè)定蒸發(fā)源的溫度或加熱電流值等參數(shù)，但不改變該機械設(shè)備或工藝操作中原有的控制和運行模式(如溫度、電流的PID控制模式等)。

(3)RTU裝置通過定時主動發(fā)送查詢命令的方式，讀取SIEMENS PLC中DB庫內(nèi)存儲的設(shè)備運行信息，如手套箱內(nèi)的真空度、水氧含量、溫度等參數(shù)以及蒸發(fā)鍍膜機的操作流程和對應(yīng)的參數(shù)，并形成電子操作歷史記錄。實驗過程與參數(shù)采集同步，利于分析實驗的成敗。

(4)RTU裝置提供實驗室環(huán)境參數(shù)的采集與遠(yuǎn)傳傳輸，如溫度、壓力、有毒和可燃?xì)怏w濃度等；設(shè)置報警閥值，通過無線WIFI聯(lián)網(wǎng)，便于后臺校園信息系統(tǒng)統(tǒng)一集中管理。

(5)各個RTU裝置設(shè)備，通過改造安裝在各個實驗設(shè)備裝置的供電電源單元或控制單元，由RTU自帶的WIFI數(shù)據(jù)連接器，經(jīng)路由器連接到英特網(wǎng)，利用APP實現(xiàn)對設(shè)備的運行參數(shù)(如電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速、壓力等)、故障信息、報警類別等數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時在獲得授權(quán)的前提下實現(xiàn)對實驗設(shè)備裝置的控制單元的參數(shù)修改。手機端操作界面如圖3所示。

圖3 手機端操作界面

3.2 系統(tǒng)的搭建

系統(tǒng)的搭建可以分成三層結(jié)構(gòu)：(1)由底層的服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，實現(xiàn)RTU和手機APP對數(shù)據(jù)的存儲與讀??；(2)現(xiàn)場控制層，實現(xiàn)RTU對實驗設(shè)備的控制與通信，實驗室環(huán)境參數(shù)的采集；(3)應(yīng)用交互層，學(xué)生和教師通過手機APP操作界面對實驗裝置進行參數(shù)設(shè)置和動作過程的數(shù)字化操作，實現(xiàn)人機交互。

系統(tǒng)采用程序使用C#語言編寫，基于.net平臺。WinForm是.Net開發(fā)平臺中對Windows Form的一種稱謂,可以實時顯示儀表采集到的模擬量值并保存，隨時讀取查看歷史數(shù)據(jù)，更改設(shè)備運行值,如電機轉(zhuǎn)速給定值。程序可以后臺運行，并實時采集數(shù)據(jù)[18]。

這里的PC服務(wù)程序相當(dāng)于一個Server，接收RTU裝置(Client)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，手機端也相當(dāng)于Client,但可以讀取PC中保存的數(shù)據(jù)。

通過C/S方式可以方便地添加手機端程序，實現(xiàn)手機對電腦保存數(shù)據(jù)的訪問，甚至控制現(xiàn)場實驗設(shè)備。通過手機APP軟件經(jīng)RTU裝置中對實驗設(shè)備運行參數(shù)采集、設(shè)置以及實驗過程的數(shù)字化操作管理。RTU裝置通過WIFI通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP或者PC機上，通過此程序來接收數(shù)據(jù)，并將其顯示在程序界面上。

為每一個已經(jīng)連接的設(shè)備創(chuàng)建接收線程，當(dāng)設(shè)備第一次傳送數(shù)據(jù)到上位機時，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理上位機自動開辟一個新的PageTable,方便用戶切換查看不同的設(shè)備數(shù)據(jù)。選擇自動采集數(shù)據(jù)時，上位機每兩秒采集實驗設(shè)備中控制單元數(shù)據(jù)庫DB中的一次數(shù)據(jù)。選擇自動保存功能可以每分鐘保存一次數(shù)據(jù),方便查看。

由于要在接收線程中創(chuàng)建控件，并添加數(shù)據(jù)到控件中，為了避免可能發(fā)生的錯誤。本程序使用delegate和invoke來從其他線程中調(diào)用控件。Invoke指定用主線程中的控件去調(diào)用這個委托,相當(dāng)于主線程來執(zhí)行這個函數(shù),從而避免了其他線程調(diào)用窗體控件的錯誤。

Web管理平臺中數(shù)據(jù)采集管理界面如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集控制界面

4 實施效果分析及反思

在利用現(xiàn)代技術(shù)改善實驗水平的同時，我們還需要加強實驗室建設(shè)的專業(yè)化和規(guī)范化，加強業(yè)務(wù)能力，不斷提高工作水平和效率。隨著改進的設(shè)備安全運行管理平臺的運行，將會取得以下方面的成效：

(1)提高了實驗室內(nèi)重大實驗裝置設(shè)備的安全運行管理水平，實驗室電源無跳閘事件、特種氣體無泄漏情況，設(shè)備全年保持無故障運行，設(shè)備維護運行成本降低，與往年相比，維護費用降低35%左右。

(2)加強了對實驗過程的監(jiān)控與管理，做到了實驗學(xué)生和指導(dǎo)教師實時匹配管理與指導(dǎo)，教師對學(xué)生實驗步驟、操作進程和過程參數(shù)了然于胸，保障了實驗效果可靠有效。

(3)學(xué)生操作實驗設(shè)備裝置方便快捷，參數(shù)設(shè)置、修改時效性好，實驗節(jié)奏明顯加快，實驗歷史數(shù)據(jù)可以追溯、分析學(xué)生實驗操作行為對實驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，利于開展后續(xù)實驗。

(4)方便實驗室內(nèi)部績效考核管理。利用平臺數(shù)據(jù)，導(dǎo)出以實驗設(shè)備、學(xué)術(shù)論文或者實驗操作者為考核分析對象的數(shù)據(jù)管理，進行專項數(shù)據(jù)分析。

(5)加強制度建設(shè)，不斷完善系統(tǒng)。實驗室設(shè)備安全運行管理系統(tǒng)運行以來也面臨一些新的問題，如在實驗過程中出現(xiàn)部分學(xué)生玩手機游戲、聊天等現(xiàn)象。因此，在不斷完善系統(tǒng)的同時要進行內(nèi)涵建設(shè)，完善規(guī)章制度，加強學(xué)生日常管理，以取得更好的教學(xué)效果。

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Design and Realization of Laboratory Construction and Management Platform Based on WIFI-RTU Equipment

LIN Yang1,2

(1.Key Laboratory of Advanced Display and System Applications, Ministry of Education, Shanghai University,Shanghai 200072,China;2. School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072,China)

It is important to perform the safe operation management of the large-scale equipments in the university laboratories. In this paper, we have developed a WIFI-RTU control system of the important equipments of the key lab of advanced display. By means of the RTU system and the mobile application, students and teachers could realize the monitoring management on the safety of equipments during the digital operation of the MBraun vacuum evaporation coater with glove box. Meanwhile, the management system of the lab could be integrated to achieve the optimal and normative management of the key lab.

laboratory management; safe operation; RTU; WIFI; digital operation

2017-01-12

林 洋(1982- )，女，實驗師，從事有機電致發(fā)光器件研究。

TN014

A

2095-7602(2017)04-0038-06