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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200072;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)
基于無(wú)線WIFI的RTU裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200072;
2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)
高校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大型設(shè)備的安全運(yùn)行管理是一個(gè)重要問題。本文針對(duì)上海大學(xué)新型顯示技術(shù)與應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重要設(shè)備的運(yùn)行設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)線WIFI的RTU控制裝置,通過RTU裝置和手機(jī)APP軟件,學(xué)生和老師在對(duì)MBraun帶手套箱真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)等設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化操作的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行監(jiān)控管理,同時(shí)整合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)范和優(yōu)化管理。
實(shí)驗(yàn)室建設(shè);安全運(yùn)行;RTU;WIFI;數(shù)字化操作
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,我國(guó)的高等教育事業(yè)也得到了快速的壯大。高校實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)高素質(zhì)人才以及從事科研活動(dòng)、教學(xué)活動(dòng)的重要場(chǎng)所,對(duì)學(xué)校的建設(shè)和發(fā)展起著重要作用。目前,我國(guó)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)重要性的等級(jí)和所扮演角色的大小,從高到低分為國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、省市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及校級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。
隨著高??萍紕?chuàng)新能力的提升,實(shí)驗(yàn)室的人員、設(shè)備等規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)對(duì)全國(guó)75所教育部直屬高校的統(tǒng)計(jì),目前這些高校建設(shè)了4029個(gè)實(shí)驗(yàn)室,每年承擔(dān)著400多萬(wàn)個(gè)小時(shí)的科研教學(xué)活動(dòng)[1]。在這些科研教學(xué)活動(dòng)實(shí)踐中,研究人員不可避免地使用到危險(xiǎn)設(shè)備以及危險(xiǎn)化學(xué)藥品,稍有不慎就會(huì)引發(fā)灼傷、爆炸、中毒等各種災(zāi)難性事故[2]。實(shí)驗(yàn)室的安全事故的發(fā)生,直接影響實(shí)驗(yàn)室的正??蒲薪虒W(xué)活動(dòng)的開展,甚至導(dǎo)致學(xué)生或者研究人員傷亡等無(wú)法挽回的損失。
因此,要建設(shè)好實(shí)驗(yàn)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(jì)和建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)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(shí)可行的規(guī)章制度。同時(shí),對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理人員進(jìn)行培訓(xùn),加強(qiáng)其對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器與設(shè)備的科學(xué)化管理。此外,也要強(qiáng)化對(duì)應(yīng)急措施以及急救設(shè)施的系統(tǒng)化管理[3]。針對(duì)實(shí)驗(yàn)安全事故頻發(fā)的現(xiàn)象以及對(duì)于已發(fā)生事故原因的分析,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室安全性建設(shè)和管理制度已經(jīng)得到逐步完善。
如圖1所示,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)和管理制度包括:提升科研人員的安全意識(shí)、完善實(shí)驗(yàn)室的安全制度、嚴(yán)格控制三廢處理和化學(xué)品管理、危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)安全評(píng)審以及實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)程度分級(jí)管理[4]。嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)和管理制度,能夠大大地降低實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生,保證高校教育順利進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(gè)無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的技術(shù),憑借其建設(shè)便捷、無(wú)需布線、無(wú)線電波覆蓋范圍廣、長(zhǎng)距離工作、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)在無(wú)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(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、水利監(jiān)測(cè)、熱網(wǎng)監(jiān)測(cè)、電表監(jiān)測(cè)、機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特性。因此,本文應(yīng)用WIFI無(wú)線技術(shù)將手機(jī)和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝在設(shè)備上的芯片通過無(wú)線連接,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室安全的目的。通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)和管理與無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控相結(jié)合的方法,進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)室安全事故發(fā)生的幾率。
目前有很多實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有成套電能驅(qū)動(dòng),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(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣開關(guān)或低壓斷路器組提供運(yùn)行電源,由于各設(shè)備功率負(fù)載差異較大,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)不規(guī)范操作導(dǎo)致設(shè)備超載運(yùn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)程,同時(shí)也會(huì)造成意外傷害,使學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電氣安全運(yùn)行的管理陷入困境。如何對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大型機(jī)械實(shí)驗(yàn)裝置安全運(yùn)行實(shí)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(shí)驗(yàn)室設(shè)備的安全運(yùn)行,有的高校提出了嚴(yán)格的規(guī)章制度來(lái)規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和操作流程;有的高校設(shè)立實(shí)驗(yàn)室門禁或者視頻錄像監(jiān)控系統(tǒng);有的高校設(shè)計(jì)了復(fù)雜的聯(lián)鎖與報(bào)警系統(tǒng)來(lái)保障實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全運(yùn)行。這些都是解決問題的有效方法,保證了實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行[8-9]。
本文也設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)線WIFI的RTU智能裝置和基于Android手機(jī)軟件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大型設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和使用管理,同時(shí)詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過程的操作數(shù)據(jù),為分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供操作流程上的可追溯因素。
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(cè)量遠(yuǎn)程環(huán)境的傳感器和電子設(shè)備。RTU可以把測(cè)得的工作狀態(tài)或采集的信號(hào)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(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)的輸入/輸出模塊、有線/無(wú)線通訊設(shè)備、微處理器、電源及包裝等幾個(gè)硬件。通過微處理器進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的儀表進(jìn)行遙測(cè)、遙控、遙信和遙調(diào)等[10-13],這對(duì)實(shí)驗(yàn)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(wú)線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。幾乎市場(chǎng)上使用的手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦甚至臺(tái)式機(jī)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[14-16]。
將RTU技術(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置配電系統(tǒng)有效結(jié)合,通過無(wú)線WIFI連接,可以對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置通電與否或?qū)嶒?yàn)時(shí)的電能參數(shù)(如電壓、電流、功率)等實(shí)時(shí)采集,設(shè)置安全報(bào)警閥值。同時(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置自帶的控制單元連接,讀取控制單元中存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)傳輸?shù)絆PC Server服務(wù)器,通過Web發(fā)布到手機(jī)APP軟件上,實(shí)時(shí)記錄和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)RTU裝置具備對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置的遙測(cè)、遙控和遙信是保障高校實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行的措施之一[17]。
3.1 平臺(tái)的設(shè)計(jì)
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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有2套MBraun帶手套箱真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)(MB-MO-SE1),蒸發(fā)源含有4個(gè)溫度控制的石英坩堝源和6個(gè)電流控制的鎢舟源,還有各類真空壓縮機(jī)及其他成套設(shè)備。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于WIFI的RTU裝置用以保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全運(yùn)行。該平臺(tái)由兩部分組成,一是基于智能手機(jī)APP應(yīng)用的監(jiān)測(cè)平臺(tái);二是RTU設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制裝置。兩者通過無(wú)線WIFI組網(wǎng)連接。系統(tǒng)連接圖如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)連接圖
設(shè)計(jì)改造后安全運(yùn)行管理平臺(tái)具備以下功能:
(1)在插排和設(shè)備之間加入RTU裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的電壓、電流和功率負(fù)荷的監(jiān)控;在設(shè)置報(bào)警閥值的同時(shí)具備遠(yuǎn)程開關(guān)通斷的功能,使實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師可以通過手機(jī)APP軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)該設(shè)備通斷電的控制;同時(shí)結(jié)合學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間的順序表,也可以設(shè)定和監(jiān)管學(xué)生實(shí)驗(yàn)。
(2)RTU裝置通過Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議,可以與MBraun帶手套箱真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)的控制單元-SIEMENS PLC系統(tǒng)相連接,學(xué)生通過手機(jī)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?cè)摍C(jī)械設(shè)備或工藝操作中原有的控制和運(yùn)行模式(如溫度、電流的PID控制模式等)。
(3)RTU裝置通過定時(shí)主動(dòng)發(fā)送查詢命令的方式,讀取SIEMENS PLC中DB庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)的設(shè)備運(yùn)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(jī)的操作流程和對(duì)應(yīng)的參數(shù),并形成電子操作歷史記錄。實(shí)驗(yàn)過程與參數(shù)采集同步,利于分析實(shí)驗(yàn)的成敗。
(4)RTU裝置提供實(shí)驗(yàn)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(bào)警閥值,通過無(wú)線WIFI聯(lián)網(wǎng),便于后臺(tái)校園信息系統(tǒng)統(tǒng)一集中管理。
(5)各個(gè)RTU裝置設(shè)備,通過改造安裝在各個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)(如電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速、壓力等)、故障信息、報(bào)警類別等數(shù)據(jù)監(jiān)控,同時(shí)在獲得授權(quán)的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置的控制單元的參數(shù)修改。手機(jī)端操作界面如圖3所示。
圖3 手機(jī)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(kù)構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)RTU和手機(jī)APP對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀??;(2)現(xiàn)場(chǎng)控制層,實(shí)現(xiàn)RTU對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的控制與通信,實(shí)驗(yàn)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(jī)APP操作界面對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和動(dòng)作過程的數(shù)字化操作,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
系統(tǒng)采用程序使用C#語(yǔ)言編寫,基于.net平臺(tái)。WinForm是.Net開發(fā)平臺(tái)中對(duì)Windows Form的一種稱謂,可以實(shí)時(shí)顯示儀表采集到的模擬量值并保存,隨時(shí)讀取查看歷史數(shù)據(jù),更改設(shè)備運(yùn)行值,如電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值。程序可以后臺(tái)運(yùn)行,并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)[18]。
這里的PC服務(wù)程序相當(dāng)于一個(gè)Server,接收RTU裝置(Client)發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù),手機(jī)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(jī)端程序,實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)電腦保存數(shù)據(jù)的訪問,甚至控制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過手機(jī)APP軟件經(jīng)RTU裝置中對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)采集、設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)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C(jī)APP或者PC機(jī)上,通過此程序來(lái)接收數(shù)據(jù),并將其顯示在程序界面上。
為每一個(gè)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(jī)時(shí),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理上位機(jī)自動(dòng)開辟一個(gè)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(dòng)采集數(shù)據(jù)時(shí),上位機(jī)每?jī)擅氩杉瘜?shí)驗(yàn)設(shè)備中控制單元數(shù)據(jù)庫(kù)DB中的一次數(shù)據(jù)。選擇自動(dòng)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(cuò)誤。本程序使用delegate和invoke來(lái)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(gè)委托,相當(dāng)于主線程來(lái)執(zhí)行這個(gè)函數(shù),從而避免了其他線程調(diào)用窗體控件的錯(cuò)誤。
Web管理平臺(tái)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
在利用現(xiàn)代技術(shù)改善實(shí)驗(yàn)水平的同時(shí),我們還需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的專業(yè)化和規(guī)范化,加強(qiáng)業(yè)務(wù)能力,不斷提高工作水平和效率。隨著改進(jìn)的設(shè)備安全運(yùn)行管理平臺(tái)的運(yùn)行,將會(huì)取得以下方面的成效:
(1)提高了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重大實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備的安全運(yùn)行管理水平,實(shí)驗(yàn)室電源無(wú)跳閘事件、特種氣體無(wú)泄漏情況,設(shè)備全年保持無(wú)故障運(yùn)行,設(shè)備維護(hù)運(yùn)行成本降低,與往年相比,維護(hù)費(fèi)用降低35%左右。
(2)加強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)控與管理,做到了實(shí)驗(yàn)學(xué)生和指導(dǎo)教師實(shí)時(shí)匹配管理與指導(dǎo),教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)步驟、操作進(jìn)程和過程參數(shù)了然于胸,保障了實(shí)驗(yàn)效果可靠有效。
(3)學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置方便快捷,參數(shù)設(shè)置、修改時(shí)效性好,實(shí)驗(yàn)節(jié)奏明顯加快,實(shí)驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)可以追溯、分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作行為對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響,利于開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
(4)方便實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部績(jī)效考核管理。利用平臺(tái)數(shù)據(jù),導(dǎo)出以實(shí)驗(yàn)設(shè)備、學(xué)術(shù)論文或者實(shí)驗(yàn)操作者為考核分析對(duì)象的數(shù)據(jù)管理,進(jìn)行專項(xiàng)數(shù)據(jù)分析。
(5)加強(qiáng)制度建設(shè),不斷完善系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備安全運(yùn)行管理系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)也面臨一些新的問題,如在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)部分學(xué)生玩手機(jī)游戲、聊天等現(xiàn)象。因此,在不斷完善系統(tǒng)的同時(shí)要進(jìn)行內(nèi)涵建設(shè),完善規(guī)章制度,加強(qiáng)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(shí)驗(yàn)師,從事有機(jī)電致發(fā)光器件研究。
TN014
A
2095-7602(2017)04-0038-06