基于RS-485及無線局域網(wǎng)的在役化工實驗設備信息化改造

崔 琳， 彭 勇， 丁 立

(清華大學 化學工程系 化工實驗教學中心，北京 100084)

基于RS-485及無線局域網(wǎng)的在役化工實驗設備信息化改造

崔 琳， 彭 勇， 丁 立

(清華大學 化學工程系 化工實驗教學中心，北京 100084)

介紹了一種對現(xiàn)有化工原理實驗設備進行改造，實現(xiàn)整個實驗中心級別的實驗數(shù)據(jù)自動采集功能的方法。在實驗室層次使用采集站經(jīng)由RS-485總線及RS-232接口進行數(shù)據(jù)采集，而后將數(shù)據(jù)匯總至中心服務器供教師和學生實時查看、分析和下載。這一數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡可以提高數(shù)據(jù)采集精度和頻率，減少學生用于記錄數(shù)據(jù)的時間，增強實驗課程課內(nèi)教學效果。

化工實驗； 數(shù)據(jù)采集； 實驗教學； 無線局域網(wǎng)

0 引言

化工原理實驗基礎實驗及綜合實驗是專業(yè)基礎課程“化工原理”的配套實驗課程，屬于化工專業(yè)的基礎實驗課程，是化工工藝、高分子等專業(yè)的必修實驗?！盎ぴ怼笔且婚T專業(yè)基礎課，因此，國內(nèi)外各高?；は嚓P專業(yè)均開設該課程及配套實驗，但是也正由于它是專業(yè)基礎課，各?；ぴ韺嶒炇医ㄔO較早，多存在設備老舊、功能單一等情況[1]。就我系實驗中心試驗設備情況來看，多數(shù)實驗裝置僅配備現(xiàn)場顯示儀表或控制器，有的僅配備直接讀數(shù)型的測量儀表，儀表數(shù)據(jù)讀取及操作需要在儀表柜或裝置上進行，不具備現(xiàn)代的自動數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)自動處理等能力。

這類在役實驗裝置就其工作原理和性能方面，仍基本能夠滿足化工原理驗證性實驗的教學要求。但學生使用這些裝置在實驗過程中有諸多不便，學生往往花費相當多精力用于人工計時、記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的記錄頻率、精度、準確性等有相當大不穩(wěn)定性，相當于向?qū)嶒灲Y(jié)果中引入了較大的人為因素誤差，對實驗的結(jié)果分析產(chǎn)生不利影響。同時，因為需要記錄數(shù)據(jù)，學生的注意力不能全部集中于實驗本身，往往沒有時間進行充足的思考和討論。

化工原理實驗的教學目地主要是讓學生實際操作實驗裝置，分析實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，了解掌握化工原理的各個單元操作。而對實驗數(shù)據(jù)的準確讀取及記錄能力已經(jīng)在諸如普通物理等基礎課實驗環(huán)節(jié)完成了訓練，故不應作為實驗的主要內(nèi)容。因此，如能在實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)自動采集能力，可以節(jié)省學生的一部分時間和精力，讓學生更注重實驗原理本身，實驗過程中學生就可以進行數(shù)據(jù)分析和討論[2]。對某些實驗，例如精餾等，通過實時分析可以綜合多個實驗數(shù)據(jù)繪制相應的數(shù)據(jù)曲線等并直接與實驗現(xiàn)象做比對，方便隨時調(diào)整裝置。

使用以往的實驗報告的學習方式從原理、實驗、報告分析再回到原理，其學習反饋周期很長，而有了實時數(shù)據(jù)處理能力以后，學習反饋周期可以縮短，實驗效果也能夠有效提升。此外，節(jié)約的時間也可以用于增加更多實驗內(nèi)容，可以充分利用有限的實驗課時。

化工原理實驗內(nèi)容豐富，需要裝置數(shù)量較多，多為定制型裝置，將裝置本身全部更新一方面限于條件短期內(nèi)無法實現(xiàn)，另一方面也實無必要。因此為實現(xiàn)上述的數(shù)據(jù)自動采集，在部分實驗室進行了信息化改造的嘗試，以現(xiàn)有技術(shù)裝置為基礎，添加少量硬件設備，輔以軟件配套，實現(xiàn)裝置整體的數(shù)據(jù)采集自動化。

1 硬件部分

1.1 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

實驗中心各個實驗分布在同一建筑內(nèi)相鄰的若干較小的實驗室房間，各個房間沒有網(wǎng)絡連接。為實現(xiàn)全實驗中心各個實驗裝置的自動化數(shù)據(jù)采集，同時避免進行大量硬件布線工作，不使用常用的PLC方案[3-4]及直接計算機采集數(shù)據(jù)方案[5-7]，而是設計使用了如圖1所示的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。

圖1 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡硬件結(jié)構(gòu)圖

每個實驗室有一臺計算機采集站負責采集本室的各儀表數(shù)據(jù)，實驗樓內(nèi)架設無線局域網(wǎng)，各數(shù)據(jù)采集站通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)同步至中心數(shù)據(jù)服務器。各采集站負責進行與儀表的通信采集工作，不長期保存實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的保存、讀取、下載等均使用中心服務器。中心服務器以Web Server形式提供數(shù)據(jù)服務，教師、學生均可訪問實驗數(shù)據(jù)。該中心服務器與現(xiàn)有的開放實驗預約服務器連接，可以使用學生的實驗預約信息進行訪問許可管理，學生僅可以訪問自己實驗時間段內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集接口

化工原理實驗中需要采集的數(shù)據(jù)有溫度、壓力、質(zhì)量、流量等，在實驗中心的大部分實驗裝置上，這些常規(guī)實驗參數(shù)的測量已經(jīng)逐步使用顯示儀表取代了直接測量式儀表，各參數(shù)已經(jīng)被儀表轉(zhuǎn)換成模擬電信號。數(shù)據(jù)采集站進行數(shù)據(jù)自動采集首先需要計算機與這些儀表的數(shù)據(jù)通信接口。

在各種通信接口中，RS-485通信接口是一種被智能儀表廣泛使用的數(shù)據(jù)通信接口[8-10]。它誕生于20世紀80年代，是一種成熟可靠的低成本通信電氣標準。RS-485接口標準僅定義了通信的電氣規(guī)范，因此可以實現(xiàn)從最簡單的點對點通信到復雜的現(xiàn)場總線通信等各種通信模式。RS-485通信標準是一種兩線制總線型通信標準，允許在一條雙線的總線上接多臺設備構(gòu)成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，具有抗干擾能力強，帶負載能力強，線路連接方式簡單等優(yōu)點，非常適合工業(yè)應用中數(shù)據(jù)通信，因此，在數(shù)字化儀表中被廣泛采用，成為數(shù)顯儀表的標準配置已經(jīng)有了10年以上的歷史。

經(jīng)檢查確認，中心現(xiàn)有的數(shù)字式顯示、控制儀表大部分都帶有RS-485串行通信接口或預留了RS-485通信模塊的位置。因此，硬件通信方案主要使用RS-485通信接口，并給現(xiàn)有儀表配齊了RS-485模塊，把所有帶有RS-485接口的儀表接入實驗室內(nèi)的RS-485數(shù)據(jù)采集總線。部分儀表沒有RS-485接口的，使用單獨的模擬信號轉(zhuǎn)RS-485的接口模塊，也可以接入485通信總線。

數(shù)據(jù)采集站計算機使用RS-485轉(zhuǎn)USB的方式連接RS-485采集總線，由于RS-485是總線型通信協(xié)議，故一臺采集站就可以連接整個實驗室的全部RS-485儀表。

部分實驗室另有少量使用RS-232接口的設備，RS-232是PC機的標準接口，可以直接接入采集站計算機，但是它是點對點型通信接口，不能一對多，因此，若設備數(shù)量少于2個，可以直接使用計算機上自帶的2個RS-232接口；如果數(shù)量較多，則使用RS-232轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)接附件接入。

數(shù)據(jù)采集站計算機基本不需要與人員進行交互，無需顯示器、鍵盤等人機設備。由于它也不進行計算任務，故對其性能要求很低。為降低成本，實際使用的是其他實驗室淘汰的舊計算機，并加裝了無線網(wǎng)卡實現(xiàn)無線通信。

中心服務器通過無線局域網(wǎng)與各個采集站聯(lián)系，只要一臺硬件配置達到當前主流水平的計算機即可，無需特殊硬件。

綜上，系統(tǒng)硬件改造部分工作量并不多，包括部分儀表的更換，RS-485數(shù)據(jù)采集的布線和計算機采集站、服務器的準備。信息化改造的主要工作是軟件配套。

2 軟件配套

2.1 軟件整體結(jié)構(gòu)設計

中心實驗室信息化改造的主要目的是代替人工數(shù)據(jù)采集，并提供一定程度的實時數(shù)據(jù)處理能力，為學生現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)提供可能。為滿足以上需求，需要設計軟件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡配合。根據(jù)上述硬件平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)也被設計為2個層次：實驗室數(shù)據(jù)采集站軟件和中心服務器軟件，其中中心服務器軟件又可以分為數(shù)據(jù)同步存儲部分和用戶界面兩部分。這些軟件在不同層級上分別完成不同任務。

2.2 數(shù)據(jù)采集站軟件設計

數(shù)據(jù)采集站的軟件需求有2項：使用RS-485通信接口從各個儀表采集數(shù)據(jù)，向服務器傳送采集到的數(shù)據(jù)。雖然實驗室現(xiàn)有儀表均帶有RS-485數(shù)據(jù)采集接口，但由于設備制造時間，采用的儀表批次等均不同，RS-485通信指令也存在大同小異的現(xiàn)象，而且各個實驗內(nèi)容中需要采集的數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)的數(shù)值換算，采集頻率等也都不同，需要逐個定義，因此，軟件需要逐個進行適配。

數(shù)據(jù)采集站需要連接RS-485通信電纜，需要擺放在實驗室內(nèi)，但是為避免干擾學生實驗，也避免數(shù)據(jù)采集任務被意外中斷，所以不配備顯示器、鍵盤等人機交互設備，學生不能操作數(shù)據(jù)采集站，所以需要采集站軟件能夠進行無人值守全自動運行。采集站的數(shù)據(jù)最終會匯總到服務器，數(shù)據(jù)的上傳方式一般有2種：可以使用采集站定期或?qū)崟r自動上傳數(shù)據(jù)，或服務器輪詢各個采集站進行數(shù)據(jù)收取?？紤]到服務器負載、數(shù)據(jù)有效性和安全性，采用了服務器輪詢的方式。這種方式由服務器控制數(shù)據(jù)上傳活動，在每個時刻只與一個采集站通信，避免各個采集站競爭的情況。同時各個采集站也必須具備自己的數(shù)據(jù)緩存，這樣在服務器故障時，數(shù)據(jù)仍能夠保持完整，保障了系統(tǒng)安全。采集站軟件的模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集站軟件模塊

儀表通信模塊從配置文件讀取一個實驗室需要采集的儀表的配置信息，包括采集的各點的數(shù)據(jù)類型，通信地址，采集頻率，數(shù)據(jù)單位換算方法，數(shù)據(jù)采集指令等，而后按照讀取到的配置信息進行對各個儀表進行定時輪詢式數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)緩存處理模塊將采集到的數(shù)據(jù)保存到采集站上的緩存數(shù)據(jù)庫，同時也提供數(shù)據(jù)訪問接口供其他模塊訪問數(shù)據(jù)。保存的數(shù)據(jù)包括原始數(shù)據(jù)，變換后對應的實際物理量數(shù)據(jù)，儀表地址，采集時間等。數(shù)據(jù)服務模塊與無線局域網(wǎng)連接，接受來自服務器的數(shù)據(jù)傳輸命令。每次收到數(shù)據(jù)傳輸命令后，通過數(shù)據(jù)緩存處理模塊訪問緩存數(shù)據(jù)庫，將最新的數(shù)據(jù)返回給服務器。等待服務器確認后，將已傳送的數(shù)據(jù)標注為已傳送，而后歸檔儲存，以備數(shù)據(jù)恢復時使用。

采集站軟件以 HTTP服務的形式開機自動運行，無需人工干預。這一軟件模式將來可以增加新的服務內(nèi)容，例如來自服務器的對儀表的操作命令?；騺碜詫W生或教師的對歷史緩存的原始數(shù)據(jù)的訪問等。

2.3 中心服務器軟件設計

服務器軟件可以分為圖3所示的若干模塊。

圖3 中心服務器軟件模塊

數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)系統(tǒng)配置信息，按照一定的頻率輪詢各個數(shù)據(jù)采集站，發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，接受返回的數(shù)據(jù)并向采集站發(fā)送確認信息；數(shù)據(jù)庫同步模塊負責將各個采集站采集回的數(shù)據(jù)存入中央數(shù)據(jù)庫，并負責進行數(shù)據(jù)有效性、重復性檢查；數(shù)據(jù)庫訪問模塊也提供接口供其他模塊檢索其中的數(shù)據(jù)；用戶權(quán)限管理模塊負責與現(xiàn)有的實驗預約系統(tǒng)連接，獲取各學生用戶可以訪問的來源采集站和數(shù)據(jù)時間段，并提供接口將獲取到的權(quán)限數(shù)據(jù)供其他模塊使用；用戶接口模塊在以上兩個模塊提供的接口基礎上，以HTTP服務的形式提供給用戶各種數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)處理等服務。目前提供的服務有：實驗數(shù)據(jù)表格瀏覽、趨勢圖顯示、數(shù)據(jù)下載3項主要服務。HTTP服務可以使用Web瀏覽器通過網(wǎng)絡訪問，用戶不需要安裝客戶端軟件，所以學生和教師可以很方便地使用個人計算機或智能手機等設備經(jīng)無線局域網(wǎng)連接數(shù)據(jù)服務器，實時查看實驗數(shù)據(jù)、趨勢?？紤]到系統(tǒng)需要兼容小屏幕的智能手機等移動終端，系統(tǒng)界面盡可能地使用了簡潔的模式。

3 系統(tǒng)使用

目前整個實驗中心的改造仍在逐步進行中，已經(jīng)進行改造的實驗裝置包括干燥實驗、管路流體實驗等幾個[11]。以干燥實驗中的紅外干燥實驗環(huán)節(jié)為例，干燥實驗是化工原理基礎實驗的一個必修環(huán)節(jié)，紅外干燥實驗的原有內(nèi)容是對一份干重1 g左右，濕重3～5 g的濕潤的試樣在紅外干燥器中進行干燥，記錄從開始至干燥完成過程中各時刻的時間及試樣的質(zhì)量，進而獲取試樣的干燥曲線與干燥速率曲線，了解和掌握干燥這一傳質(zhì)過程的特性[12]。

實驗所得干燥速率曲線上應有2個明顯轉(zhuǎn)折點，為取得理想實驗數(shù)據(jù)，需清楚地顯現(xiàn)干燥曲線的這一特征，整個曲線應由至少30個以上數(shù)據(jù)點擬合而成。由于試樣整體質(zhì)量較小，視紅外干燥器的輸出功率大小，每次干燥過程可以在6～20 min完成。

以往學生進行實驗過程中，學生需要2人配合，1人看表讀數(shù)，另1人持紙筆記錄。如在干燥功率較大情況下，實驗過程在不到10 min即完成，平均每個數(shù)據(jù)的時間間隔不足20 s或更短，對時間的記錄很難保證精確。因此，一般學生都會選擇較小紅外加熱功率來延長實驗時間，避免數(shù)據(jù)的過大誤差。這樣整個實驗課可以進行的干燥次數(shù)多為4～6次，可以進行對比測試、重復測試的試樣種類和干燥條件都比較有限。而且整個實驗過程學生都在忙于記錄數(shù)據(jù)，無暇觀察和思考。

改用計算機自動記錄以后。數(shù)據(jù)記錄頻率可以提高至2 s/次，時間與物料質(zhì)量同步獲取，數(shù)據(jù)記錄誤差大大縮小。隨數(shù)據(jù)記錄時間間隔的縮短，每次實驗所獲取到的數(shù)據(jù)量也大大增加，實驗結(jié)果擬合曲線的精確度有明顯提高。而且由于數(shù)據(jù)采樣速度提高，允許使用較短的時間完成每次干燥過程，以及進行更多樣的實驗條件比對和不同試樣的比對，學生可以測試各種不同物料、不同干燥條件下的干燥過程進行比對分析。

4 結(jié) 語

我中心進行的對現(xiàn)有設備的改造過程以現(xiàn)有設備為基礎，進行少量硬件變更，輔以配套軟件，實現(xiàn)了部分設備的數(shù)據(jù)自動采集和處理。這一改造避免了對現(xiàn)有實驗內(nèi)容的影響，在不影響實驗課程的情況下，增強了試驗設備的可用性，使得在現(xiàn)有設備基礎上可以更好地開展實驗教學工作。自動化數(shù)據(jù)采集把學生從機械地進行實驗數(shù)據(jù)記錄活動中解放出來，在有限的實驗課時內(nèi)，學生可以把更多精力和時間放到對實驗原理的思考、實驗現(xiàn)象的觀察、實驗數(shù)據(jù)的討論中，有效地提升了實驗教學環(huán)節(jié)的教學效果。這一改造需要的軟硬件成本并不高，適合一些設備不易更換的基礎實驗設備、老舊實驗設備采用。

目前的改造僅限于自動讀取實驗數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡完全支持對儀表的控制。只要在現(xiàn)有軟件系統(tǒng)中增加相應功能模塊，即可對可以控制輸出的環(huán)節(jié)，例如干燥實驗中的溫度控制等，實現(xiàn)在線監(jiān)控、調(diào)整等操作。

這一改造大幅度減少了學生記錄數(shù)據(jù)的時間，對某些實驗而言相當于大量增加了有效實驗時間，故需要向?qū)嶒炚n程增加更多實驗內(nèi)容來填充實驗時間，因此對實驗課程的設計提出了新的挑戰(zhàn)，這也是實驗中心下一步要進行的主要工作內(nèi)容。

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·名人名言·

我們應該不虛度一生，應該能夠說，“我已經(jīng)做了我能做的事?！?/p>

——居里夫人

The Approach of Informatization on the Existing Chemical Engineering Experiment Equipment Based on RS-485 and Wireless Network

CUILin，PENGYong,DINGLi

(Chemical Engineering Experiment and Teaching Center, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In this paper, the authors presented an approach of modifying the existing chemical engineering experiments equipment. After the modification, students and teachers can acquire the experiment data via a unified data transfer network which covers the whole experiment center. The data were acquired via RS-485 and RS-232 communication interface by the data acquiring station in each laboratory. Then data acquiring stations transfer the data bundle to the data center server. The users, including students and teachers, can access the data center server, analyze, inspect and download the data online. Comparing with the manually data recording manner, the data acquiring network can increase the data accuracy and record frequency, decrease the time cost of data recording. It is helpful for improving the chemical engineering experiment education.

chemical engineering experiments; data acquisition; experiment education; wireless local network

2016-07-20

崔 琳(1975-)，男，河南濟源人，博士，工程師，研究方向：實驗技術(shù)，實驗教學與管理，實驗設備與自控。

Tel.：13661243043；E-mail: mr.cuilin@mail.tsinghua.edu.cn

彭 勇(1974-)，男，上海人，碩士，高級工程師，主要從事實驗技術(shù)、實驗教學與管理、實驗設備與自控方面的研究。

TP 29

A

1006-7167(2017)03-0133-04