實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用分析研究

梁飛超

(天津市賽維爾科技有限公司 天津300100)

我國正在向科技強(qiáng)國邁進(jìn)，現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室則是科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)保障設(shè)施，完成各類高精尖的科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開安全有效的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。建設(shè)一個安全性高、可視化強(qiáng)的智慧實(shí)驗(yàn)室，將給科研工作者提供更加有力的科學(xué)探索武器，促進(jìn)“中國制造”到“中國智造”的升級。我國實(shí)驗(yàn)室行業(yè)經(jīng)過30多年的發(fā)展與前行，結(jié)合國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域的建設(shè)理念和經(jīng)驗(yàn)，與時俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新。本文將電氣自動化技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相結(jié)合，形成促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室智能化水平進(jìn)一步提升的重要途徑，從而為優(yōu)化升級相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作研發(fā)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供新的經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)代實(shí)驗(yàn)室電氣自動化還處于發(fā)展階段，大致可 以分為：

第一階段，實(shí)驗(yàn)室電氣自動化系統(tǒng)采用市電配合室內(nèi)配電箱空開供電，無自動化概念；

第二階段，實(shí)驗(yàn)室電氣自動化系統(tǒng)在第一階段的基礎(chǔ)上，配置了等電位系統(tǒng)、UPS不間斷電源系統(tǒng)，室內(nèi)電氣漏電保護(hù)裝置系統(tǒng)等，初步實(shí)現(xiàn)電氣半自動化基礎(chǔ)；

第三階段，實(shí)驗(yàn)室電氣自動化系統(tǒng)采用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PLC邏輯監(jiān)控管理、紅外人體感應(yīng)技術(shù)及智慧實(shí)驗(yàn)室互生平臺，對實(shí)驗(yàn)室電氣自動化系統(tǒng)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，通過現(xiàn)代科技監(jiān)控、管理、預(yù)警實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過程中的安全性問題，保障實(shí)驗(yàn)室科研人員的安全健康，提高實(shí)驗(yàn)科研工作的成果轉(zhuǎn)換率。

目前實(shí)驗(yàn)室電氣自動化在運(yùn)行管理過程中存在以下幾點(diǎn)問題：①運(yùn)行安全問題，近年來實(shí)驗(yàn)室安全 故障頻發(fā)，電氣自動化安全檢測及應(yīng)對措施不到位；②運(yùn)行穩(wěn)定問題，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)儀器自身價值越來越高，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫濕度、電氣電壓穩(wěn)定性等無法得到監(jiān)控管理，不能有效實(shí)時獲取儀器狀態(tài)；③運(yùn)行能耗問題，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空調(diào)設(shè)備、通排風(fēng)設(shè)備、環(huán)境溫濕度控制等無法做到自動化管理，針對有人無人狀態(tài)和有無實(shí)驗(yàn)工作狀態(tài)無法實(shí)時控制管理，能耗問題無法做到可視化，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行一直處于“閉眼”運(yùn)行的狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化的運(yùn)行分析

隨著科技強(qiáng)國戰(zhàn)略部署的推進(jìn)，大眾對于實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)知度越來越高，從中國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)到科研高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，正在一步一步推動著人類社會的發(fā)展進(jìn)步。每個人的衣食住行都離不開實(shí)驗(yàn)室和科研工作人員的創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)室是保障我們安全生活、生產(chǎn)的基石。因此實(shí)驗(yàn)室的電氣自動化尤為重要，實(shí)現(xiàn)電氣自動化既可保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性、安全性、真實(shí)性，又能保證科研工作者的健康安全。

2.1 運(yùn)行安全問題分析

實(shí)驗(yàn)室電氣自動化安全運(yùn)行問題主要包含以下幾個方面：①實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備電氣線路在設(shè)計(jì)、安裝上存在安全隱患；②實(shí)驗(yàn)室電氣自動化沒有設(shè)置必要的自動化安全保證技術(shù)措施(濃度傳感器、聯(lián)動控制系統(tǒng)、緊急切斷應(yīng)急系統(tǒng))，或者安全措施失效；③實(shí)驗(yàn)室電氣自動化配置方案過時或不當(dāng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行環(huán)境安全無法保證；④實(shí)驗(yàn)室電氣自動化可視化數(shù)據(jù)顯示及存儲記錄不能滿足日漸提升的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行維護(hù)需求，部分?jǐn)?shù)據(jù)溯源比對依據(jù)性差；⑤實(shí)驗(yàn)室電氣自動化無自檢自啟；⑥實(shí)驗(yàn)室電氣自動化無法實(shí)現(xiàn)可視化運(yùn)行，儀器設(shè)備等運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境狀態(tài)無法讀取顯示及記錄分析。

2.2 運(yùn)行穩(wěn)定問題分析

實(shí)驗(yàn)室電氣自動化運(yùn)行穩(wěn)定性問題主要為電壓和頻率的不穩(wěn)定，一個是電壓偏差，一個是電壓波動。電氣系統(tǒng)不穩(wěn)定，對實(shí)驗(yàn)儀器檢測結(jié)果及儀器自身運(yùn)行易造成不良后果，嚴(yán)重時更易導(dǎo)致儀器設(shè)備損壞故障。在實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)工藝電氣配置時考慮設(shè)備系統(tǒng)配置，保障電氣運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.3 運(yùn)行能耗問題分析

實(shí)驗(yàn)室電氣自動化能耗問題主要包含以下幾個方面：①實(shí)驗(yàn)室環(huán)境輔助設(shè)備系統(tǒng)電氣自動化管理水平較低，設(shè)備運(yùn)行配置邏輯性差，造成能源消耗較大；②實(shí)驗(yàn)室通排風(fēng)設(shè)備系統(tǒng)電氣自動化水平低，無法有效判定有人無人情況和有無實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行情況，并做出應(yīng)對運(yùn)行方式，造成能源浪費(fèi)較大；③實(shí)驗(yàn)室電氣自動化可視性低，設(shè)備系統(tǒng)能源監(jiān)控管理系統(tǒng)未建立，不能在大數(shù)據(jù)下分析記錄設(shè)備運(yùn)行能耗，還處于“機(jī)械化”管理模式。

3 實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化應(yīng)用除高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室外，還有一些屬于企業(yè)、行業(yè)自主機(jī)密性研究實(shí)驗(yàn)室。智慧電氣自動化是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行，所以在網(wǎng)絡(luò)配置上應(yīng)考慮內(nèi)網(wǎng)及外網(wǎng)的不同需求進(jìn)行配置。在網(wǎng)絡(luò)安全管理的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)可以采用無線技術(shù)、5G通信技術(shù)進(jìn)行硬件、軟件、數(shù)據(jù)的保存?zhèn)鬏數(shù)?。?shí)驗(yàn)室儀器數(shù)據(jù)宜采用內(nèi)網(wǎng)傳輸，保障實(shí)驗(yàn)室信息的安全性。

3.1 運(yùn)行安全問題應(yīng)用研究

搭建智慧實(shí)驗(yàn)室電氣自動化系統(tǒng)，以安全運(yùn)行為第一出發(fā)點(diǎn)，提出以下應(yīng)用措施，實(shí)現(xiàn)電氣自動化的應(yīng)用研究。

①實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備電氣線路在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮每個回路用電負(fù)荷、同時使用系數(shù)等，在設(shè)計(jì)斷路器、電線線管時充分考慮用電冗余(考慮到實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行過程中，可能增設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器，冗余宜在10%以上)，實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)儀器供電每一路供電宜采用不低于4mm2的BV線，考慮每路線路的冗余(若儀器負(fù)荷較大則需采用電流計(jì)算所得數(shù)據(jù)選用電線)。實(shí)驗(yàn)室儀器用電應(yīng)與實(shí)驗(yàn)室照明及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備系統(tǒng)(空調(diào)、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)等)3項(xiàng)相互獨(dú)立。在大型貴重精密儀器設(shè)備供電前段宜設(shè)置穩(wěn)壓不間斷的電源裝置，保障精密儀器運(yùn)行安全。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)及附屬設(shè)備用房內(nèi)應(yīng)設(shè)置等電位接地系統(tǒng)，接地電阻值不宜大于1Ω。

②實(shí)驗(yàn)室電氣自動化安裝上應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范 要求進(jìn)行安裝對接，并做好線路系統(tǒng)通電調(diào)試驗(yàn)收記錄。

③實(shí)驗(yàn)室電氣自動化應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中涉及到的相關(guān)氣體種類配置對應(yīng)的濃度傳感器(例如：氫氣、乙炔、甲烷、丙烷等)，將其設(shè)置在房間內(nèi)或各用氣點(diǎn)位置，安裝高度根據(jù)氣體密度調(diào)整。濃度傳感器應(yīng)聯(lián)動報警系統(tǒng)及通排風(fēng)控制系統(tǒng)，在接受濃度傳感器反饋信號后，及時有效地加大房間內(nèi)換氣，將室內(nèi)濃度降低至安全指標(biāo)內(nèi)，并發(fā)送報警信息，通知科研人員有序及時撤離，并由專業(yè)安全管理人員進(jìn)行事故應(yīng)對處理。可燃性氣體應(yīng)放置在防爆氣瓶柜內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行安全要求，宜在氣瓶柜內(nèi)鋼瓶接口處設(shè)置氣動關(guān)斷裝置，接受濃度傳感器的反饋信號后，及時關(guān)斷氣瓶供氣。以上所有傳感器、制動裝置及聯(lián)動裝置均通過信息采集、網(wǎng)絡(luò)化鏈接進(jìn)行集中統(tǒng)一可視化顯示管理，給實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行提供有力保障。

④實(shí)驗(yàn)室電氣自動化應(yīng)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境需求進(jìn)行配置電氣自動化方案，電氣自動化方案中應(yīng)對門體開關(guān)狀態(tài)、房間溫濕度狀態(tài)、房間壓力梯度、房間照明燈具開啟狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)室空調(diào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、暖通模擬量(開關(guān)量)閥門狀態(tài)、滅菌殺毒裝置(臭氧發(fā)生器、紫外線滅菌燈)運(yùn)行狀態(tài)、過濾器使用狀態(tài)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電加熱器運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控管理，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)可視化，設(shè)備輸入輸出量可視化，設(shè)備運(yùn)行能耗可視化。

⑤實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化可視化應(yīng)具有自檢自啟，由使用部門設(shè)定自檢自啟時間周期，在假期及實(shí)驗(yàn)空置期對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)運(yùn)行及記錄上報隱患問題，并通知維護(hù)維保人員及時進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，降低安全事故率。

⑥實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化應(yīng)結(jié)合組態(tài)軟件等進(jìn)行智慧自動化平臺組建，通過各項(xiàng)傳感器等反饋信息在PC機(jī)或手機(jī)客戶終端機(jī)上實(shí)現(xiàn)電子自動化信息可視化呈現(xiàn)，對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境指標(biāo)監(jiān)控(溫濕度、壓力、潔凈度、PM2.5濃度、CO2濃度)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行可視化管理。

3.2 運(yùn)行穩(wěn)定問題應(yīng)用研究

實(shí)驗(yàn)室電氣自動化運(yùn)行穩(wěn)定性問題主要為電壓和頻率的穩(wěn)定，針對科研實(shí)驗(yàn)室中貴重精密儀器(氣相色譜儀、氣質(zhì)聯(lián)動色譜儀等)的電氣自動化系統(tǒng)需要穩(wěn)定性極高，電氣系統(tǒng)不穩(wěn)定對實(shí)驗(yàn)儀器檢測結(jié)果及儀器自身運(yùn)行易造成不良后果，嚴(yán)重時更易導(dǎo)致儀器設(shè)備損壞故障。在實(shí)驗(yàn)室供電系統(tǒng)始端增加一個滿足實(shí)驗(yàn)室負(fù)荷容量的UPS不間斷電源裝置，保障電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性。UPS電源宜單獨(dú)一個房間，設(shè)置獨(dú)立開啟的空調(diào)系統(tǒng)，降低部分地區(qū)因過渡季節(jié)，中央空調(diào)無法滿足制冷降溫的環(huán)境要求，保障實(shí)驗(yàn)室電氣系統(tǒng)及UPS電源設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.3 運(yùn)行能耗問題應(yīng)用研究

實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化能耗問題一直困擾著實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出同面積辦公室的數(shù)十倍，若1間實(shí)驗(yàn)室升級為1棟實(shí)驗(yàn)樓，產(chǎn)生的功耗問題就比較明顯。

針對實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化能耗管理系統(tǒng)應(yīng)用 應(yīng)組建以下幾項(xiàng)模塊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能耗管理記錄監(jiān)控的可視化運(yùn)行。

3.3.1 數(shù)據(jù)庫管理模塊

數(shù)據(jù)庫管理模塊提供數(shù)據(jù)查詢手段，可方便查詢各個設(shè)備、各個時間段的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的顯示可以表格、柱狀圖、餅狀圖等方式提供。按照分類要求或設(shè)備類型對記錄數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計(jì)。應(yīng)具有歷史數(shù)據(jù)備份的記錄棒或云盤儲存(根據(jù)企業(yè)涉密性要求)，便于數(shù)據(jù)查詢追溯。

3.3.2 用戶管理模塊

為便于實(shí)時監(jiān)控電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)操作人員的技術(shù)水平及管理權(quán)限，對用戶名、口令、操作權(quán)限、監(jiān)控范圍等進(jìn)行分級分類設(shè)置，對重要的控制使用口令密碼確認(rèn)方式，對操作員的重要操作給予記錄。

3.3.3 人機(jī)接口模塊

管理人員通過HUI交互屏幕查看畫面，可以形象直觀地觀察各種實(shí)時采集的數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)和各運(yùn)行設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，并可以了解歷史以及當(dāng)前觀察對象的變化趨勢，還可直接在畫面上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)、調(diào)節(jié)、設(shè)定及手動緊急鎖定等操作。

3.3.4 自動化子畫面編制

自動化系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)采集信息分類分量進(jìn)行編輯顯示，可針對實(shí)驗(yàn)室分層、分系統(tǒng)或分設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)樹狀顯示，使得管理人員可以隨時查看相關(guān)數(shù)據(jù)，方便地進(jìn)行設(shè)備的能耗監(jiān)控。

3.3.5 數(shù)據(jù)線性顯示模塊

自動化系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，應(yīng)可提供實(shí)時曲線和歷史曲線，方便用戶直觀地查看回路的電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、有功電度和無功電度等電力參數(shù)的趨勢。

3.3.6 報表管理模塊

自動化系統(tǒng)實(shí)時采集電力系統(tǒng)中重要的遙測數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析后實(shí)時保存在數(shù)據(jù)庫中。電力參數(shù)數(shù)據(jù)可以以報表形式進(jìn)行分類查詢和打印輸出。

3.3.7 電量計(jì)量模塊

電量計(jì)量模塊完成對不同線路電能數(shù)據(jù)的采集，并通過靈活設(shè)置不同時間段的復(fù)費(fèi)率，計(jì)算出各類電量小時、日、月、年度以及峰谷平電量，并提供所有設(shè)備的能耗分析，據(jù)此進(jìn)行節(jié)能潛力分析且提出節(jié)能建議指導(dǎo)。

電子自動化系統(tǒng)具有查詢功能，通過輸入檢索條件，可以查詢到歷史日統(tǒng)計(jì)電量、歷史月統(tǒng)計(jì)電量、歷史年統(tǒng)計(jì)電量。

3.3.8 事故查詢模塊

事故查詢功能在電力系統(tǒng)發(fā)生故障后啟動，通過對數(shù)據(jù)庫全部或部分實(shí)時信息進(jìn)行分析和顯示，為用戶分析事故原因提供必要的信息。軟件通過對事故發(fā)生時保存在數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以曲線、表格等形式展現(xiàn)出來，供用戶使用，以便采取相應(yīng)措施。軟件可顯示某一事故時間的前后幀數(shù)據(jù)。

3.3.9 自動化系統(tǒng)組件

1個數(shù)據(jù)服務(wù)器，為網(wǎng)絡(luò)管理；

1個帶專門發(fā)送報警短信的報警終端；

1個生成圖形及報告的打印機(jī)；

1個UPS不間斷電源；

PLC、HMI和I/O模塊之間通信用的網(wǎng)絡(luò)，至獨(dú)立控制系統(tǒng)的接口界面；

1組綜合控制柜，含各類元器件+終端顯示器。

4 結(jié)語

我國科技發(fā)展進(jìn)程中，實(shí)驗(yàn)室為科技發(fā)展提供了基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室智慧電氣自動化讓傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室升級為可視化實(shí)驗(yàn)室，提升了科研人員的人身健康安全指數(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備環(huán)境運(yùn)行的指標(biāo)化、可視化，使得實(shí)驗(yàn)室管理人員清晰直觀地觀測到每一個階段實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)。電氣自動化系統(tǒng)增加了危險性因素監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，提高了實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行的水平。為促進(jìn)我國實(shí)驗(yàn)室行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)電氣自動化領(lǐng)域的科學(xué)研究，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室電氣自動化技術(shù)向智能化、安全化、通用化、可視化方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國助力。