基于MCGS對高校實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的思考與設(shè)計

2016-07-09 22:03:37馬振寰

絲路視野 2016年6期

馬振寰

【摘要】本文以集寧師范學院物理系實驗室為例，對現(xiàn)有高校實驗室的現(xiàn)狀展開分析，結(jié)合物理系實驗室的現(xiàn)有情況，利用組態(tài)軟件MCGS的靈活性，操作界面安全易操作的等特點，對當前實驗室的監(jiān)控系統(tǒng)提出了行之有效的設(shè)計思路，并給出符合實際需求的解決方法。

【關(guān)鍵詞】實驗室現(xiàn)狀；MCGS；監(jiān)控系統(tǒng)

一、前言

實驗室是高等院校進行教學和科學研究活動的重要場所，存放有眾多種類的儀器設(shè)備，也有易燃、易爆、劇毒等危險性物品，加之使用頻繁、人員集中且流動性大，常有火災、中毒、機電傷人、環(huán)境污染等事故發(fā)生，這往往會給學校帶來巨大的財產(chǎn)損失，有時甚至是人員的傷亡。實際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)大部分學校的實驗室沒有監(jiān)控系統(tǒng)，存在很大的安全隱患。其中包括實驗室門禁功能，虛擬控制桌面，火災監(jiān)控、用電用水安全監(jiān)控、設(shè)備藥品監(jiān)控以及溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境監(jiān)控。為了提高實驗室安全系數(shù)、設(shè)備使用壽命以及節(jié)約能源，提出了實驗室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。

近年來，高校在校生數(shù)量的增多，更加劇了安全隱患給實驗室管理工作帶來的困擾。在此背景下，2016年2月，經(jīng)學校改革與及研究課題評審委員會評議，“基于MCGS的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究（課題編號為：JGKY2016061）”獲批校級自然科學一般項目，研究周期為一年，2016年2月，課題組全體成員召開了第一次工作會議，正式啟動了該課題。

二、中外高校實驗室現(xiàn)狀

（一）美國多數(shù)高校實驗室采用 EHS 管理系統(tǒng)

美國多數(shù)知名高等學府，如麻省理工學院等學校的實驗管理體系是 EHS （Environment、Health and Safety）管理系統(tǒng)，EHS 管理體系是環(huán)境、健康、安全的縮寫，是環(huán)境管理體系（EMS）和職業(yè)健康安全管理體系（OHSMS）兩體系的整合，簡稱 EHS 管理體系。EHS 總部對帶有技術(shù)性的安全問題進行統(tǒng)一管理，管理體系縱橫交錯，非常完善，為健康和安全提供了強有力的保障。

美國很多知名院校的實驗室都采用EHS的管理理念，他們比較重視人員的健康和實驗室的環(huán)境。而高校實驗室也是從最初的設(shè)計建造，到后期的投入使用，都每時每刻的體現(xiàn)著EHS 的管理理念，像在初始規(guī)劃設(shè)計的時期，需提前科學的規(guī)劃出各種安全防范措施，包括消防的器材、氣體的監(jiān)測裝置、空氣的凈化系統(tǒng)、廢物的存放以及它們的回收位置等等，并且需上報EHS 總部審查批準；在后期投入使用后，各種安全設(shè)施和標識一應俱全，實驗室房門都設(shè)有明確的安全與環(huán)保警示標識、圖案或告示。

（二）日本高校實驗室設(shè)立安全管理機構(gòu)

日本很多高等院校根據(jù)各自學校的具體情況，結(jié)合自身的特點，安排設(shè)立安全環(huán)保管理機構(gòu)。比如東京大學，就根據(jù)自身的特點，設(shè)立環(huán)境安全部、保健健康部和實驗委員會；比如京都大學，則根據(jù)自身的特點，設(shè)立環(huán)境安全保健機構(gòu)、環(huán)境安全衛(wèi)生部以及環(huán)境安全衛(wèi)生委員會；而大阪大學，就利用自身的優(yōu)勢，設(shè)立安全衛(wèi)生管理部；早稻田大學則結(jié)合自身的特點，設(shè)立校園環(huán)境宣傳委員會。

其實設(shè)立的這些安全管理機構(gòu)，他們的職能與國內(nèi)高校的實驗室設(shè)備處的管理職能類似，都是負責管理學校實驗室安全。但是日本高校的安全管理機構(gòu)與我國大學不同的是，這些機構(gòu)普遍都是由該校副校長負責，同時成立委員會來指導這些機構(gòu)開展安全管理工作和日常事務的，并且日本高校對校園的環(huán)保、安全也特別重視，并且還形成了一套具有自身特點的嚴格的實驗室安全管理體系。

（三）德國高校實驗室管理靈活重建設(shè)

德國的高等院校從實驗室的規(guī)劃建設(shè)初期就投入巨大，經(jīng)費的來源廣、資金充足、經(jīng)驗豐富，效率高，但管理非常嚴格。德國的學校包括高等院校沒有特意設(shè)立的實驗室管理機構(gòu)，他們更注重安全項目的考核目標；他們不具備龐大的管理隊伍，他們也沒有安全管理模式，他們德國人更注重實驗室的獨立運行機制；他們對實驗室開放、儀器設(shè)備利用率沒有量化指標，但德國人會在建設(shè)初期對實驗室，注重規(guī)劃，來盡可能地滿足教學、科研需要；他們務實的保留舊設(shè)備，并根據(jù)實際的需要購置新設(shè)備；課程體系的設(shè)置也是依據(jù)人才培養(yǎng)的要求，沒有專門的綜合性、設(shè)計性實驗要求，但實驗教學質(zhì)量有保證；沒有明確的實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)的指標，卻在實驗室經(jīng)?？吹玫綄W生的實驗作品以及與企業(yè)合作研制的產(chǎn)品，可以感受到良好的創(chuàng)新氛圍；無國家級優(yōu)秀實驗教材評選，但教授的實驗講義具有特色，及時把最新技術(shù)和研究成果寫進講義；實驗場地布局合理，儀器設(shè)備布置便于教學和科研活動，不奢華但很方便使用。

（四）新加坡大學實驗室安全管理要求嚴格

新加坡的大學一般建有 2 個專門組織負責安全管理工作。一個是環(huán)境與健康安全辦公室，另一個是實驗室安全和生物安全委員會。大學所有的項目負責人必須通過學校的認證，獲得大學頒發(fā)的PI（ PrincipleInvestigator）證書，其所獲得的各種科研經(jīng)費才能夠?qū)嶋H用來進行科學研究。沒有 PI 證書，科研經(jīng)費無法投入使用。進入實驗室的所有人員都需要經(jīng)過安全培訓。所有的培訓工作留有書面記錄，每個系設(shè)有專職安全員。

三、集寧師范學院物理系實驗室現(xiàn)狀

物理系實驗室始建于1980年，現(xiàn)有實驗室22個分室28個，建筑面積達3000多平米，教學儀器設(shè)備總價值2628萬元。主要承擔物理系的三個本科專業(yè)：物理學專業(yè)、應用物理學專業(yè)、電子信息科學與技術(shù)專業(yè)和一個?？茖I(yè)：供用電技術(shù)專業(yè)的實驗、實訓等教學任務，同時也承擔其他理工科專業(yè)的大學物理課程的實驗教學任務；物理系注重理論聯(lián)系實踐的教學模式，全系大部分教師既承擔理論課的教學也參與實驗教學和實驗室建設(shè)工作，實驗室專兼職教師共28名，其中高級實驗師8名，講師和實驗師20名。

經(jīng)過30多年的發(fā)展，現(xiàn)已形成了具有一定規(guī)模和實力的實驗教學中心，除滿足日常的實驗教學外，還承擔著學生的專業(yè)實訓，畢業(yè)設(shè)計，教育實習等實踐類教學活動，共能開設(shè)實驗項目300多個，能很好地滿足“3+1”人才培養(yǎng)教學模式的需求。大大地提高了學生的專業(yè)實踐能力，提升了學生的就業(yè)競爭力。實驗室根據(jù)專業(yè)需求與實驗方向，又將其分為五個分室：

（一）基礎(chǔ)物理實驗室分室

基礎(chǔ)物理實驗室分為：力學實驗室、熱學實驗室、電磁學實驗室、光學實驗室（一）、光學實驗室（二）、教學法實驗室、分析天平室共7個分室，儀器設(shè)備總價值303多萬元。主要面向物理系物理學專業(yè)、應用物理學專業(yè)和電子信息科學與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課實驗教學。共能開設(shè)100多個實驗項目，實驗開出率100%。其中在2005年4月自治區(qū)“雙基”實驗室評估中，基礎(chǔ)物理實驗室被評為自治區(qū)條件合格實驗室?；A(chǔ)物理實驗室為學生打下堅實的基本實驗技能，為后續(xù)專業(yè)技術(shù)和專業(yè)實驗課實踐打下基礎(chǔ)。

（二）電子電工實驗室分室

電子電工實驗室分為：模擬電路實驗室、數(shù)字電路實驗室、電工學實驗室（一）、電工學實驗室（二）、電力技術(shù)實驗室、電器—變壓器實驗室、電子工藝實驗室、電視機實驗室、電子虛擬仿真實驗室9個分室，儀器設(shè)備總價值：1058萬元。主要面向物理系各專業(yè)開設(shè)的專業(yè)技術(shù)實驗課程。共能開設(shè)100多個實驗項目，實驗開出率100%。其中在2005年4月自治區(qū)“雙基”實驗室評估中，電子電工實驗室被評為自治區(qū)條件合格實驗室。電子電工實驗室為相關(guān)專業(yè)的學生提高了實驗技能，為將來開設(shè)專業(yè)實驗打下了基礎(chǔ)，同時也為將來從事專業(yè)工作提高了學生的就業(yè)競爭力。

（三）近代物理實驗室分室

近代物理實驗室分為：近代物理實驗室（一）和近代物理實驗室（二），儀器設(shè)備總價值達307萬元。主要面向物理學、應用物理學本科專業(yè)高年級學生的專業(yè)實驗室。能開設(shè)30多個單項實驗，大部分實驗項目屬于綜合型、設(shè)計型和研究型實驗項目，能反映當前新科學技術(shù)的應用型物理實驗。實驗涉及力、熱、光、電、原子物理基礎(chǔ)物理及理論物理，固體物理，低溫超導等各個學科領(lǐng)域，同時也為學生的課外創(chuàng)新及教師科研提供有力的支撐。

（四）應用物理學專業(yè)實驗室分室

應用物理學專業(yè)實驗室分為：光電子實驗室（一）、光電子實驗室（二）和DSP創(chuàng)新實驗室共三個分室。儀器設(shè)備總價值85萬元。這三個實驗室都是2015年新建的實驗室、儀器設(shè)備先進，性能完善。光電子實驗室以光電技術(shù)為導向，能開設(shè)多個設(shè)計性，綜合性的實驗項目。DSP創(chuàng)新實驗室增加學生對數(shù)字信號處理的實踐能力和創(chuàng)新能力。讓學生會應用世界領(lǐng)先的DSP技術(shù)和DSP芯片，構(gòu)成信息處理系統(tǒng)，全方位提高學生DSP應用能力。為學生的就業(yè)和各種大賽提供實驗平臺。實驗室的建成對于教師的教學與科研能力的提升起到明顯作用。

（五）電子信息科學與技術(shù)專業(yè)實驗室分室

電子信息科學與技術(shù)專業(yè)實驗室分為：Xilinx SoPc創(chuàng)新實驗室、通信原理實驗室（一）、通信原理實驗室（二）、嵌入式—單片機實驗室、傳感器實驗室、PLC實驗室（一）、PLC實驗室（二）共7個分室。儀器設(shè)備總價值875萬元。這些實驗儀器設(shè)備大部分是利用奧地利政府貸款購置的外國進口儀器，儀器設(shè)備先進，性能完善，為電子信息科學與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)實踐提供了優(yōu)越的實驗平臺。嵌入式—單片機實驗室是和凌陽教育集團企業(yè)共建的實驗室。Xilinx SoPc創(chuàng)新實驗室是由美國Xilinx公司和集寧師范學院共建。目前，實驗室承擔電子信息類專業(yè)本科生的專業(yè)課實驗，課程設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計等教學任務。實驗室還為師生科研等科技實踐活動提供有力的支撐。

經(jīng)過長時間的摸索，物理系實驗室有完善的規(guī)章制度，包括實驗室管理制度、實驗室人員崗位職責、實驗室安全衛(wèi)生制度，學生實驗守則等。實驗室有完善的實驗課教學大綱，實驗記錄單及實驗課成績評定細則，有實驗室年度工作計劃和工作總結(jié)。但是實驗室人員安全管理意識薄弱，防盜、消防安全措施陳舊老套，缺乏系統(tǒng)的安全管理模式，常出現(xiàn)校院兩級信息不對稱、溝通不及時的情況，而原有的定期和不定期安全檢查為主的監(jiān)督方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有實驗室安全管理的要求，目前這些問題都亟待解決。

四、基于MCGS的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計思路

（一）MCGS介紹

它是以監(jiān)測控制計算機為主體，加上檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)與被監(jiān)測控制的對象（生產(chǎn)過程）共同構(gòu)成的整體。而組態(tài)軟件具有動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、工程報表、數(shù)據(jù)與曲線等強大功能，如果可以用計算機全真模擬被控對象，不但可以克服真實被控對象的缺點，而且也能解決無實際控制對象或由于經(jīng)費不足購置困難等一些問題。

同時Mod bus是目前工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議，此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Mod bus協(xié)議作為他們之間的通訊標準。

（二）研究內(nèi)容

（1）分析目前高校實驗室的管理狀況，對其進行研究分析，包括實驗室資源和任務分析，找出實驗室管理存在的問題及解決的方法；

（2）實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的流程分析；

（3）基于MCGS平臺的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的功能和模塊設(shè)計；

（4）基于MCGS平臺的開放式實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)實現(xiàn)。

（三）擬解決的問題

基于MCGS的實驗室監(jiān)控以數(shù)字化、遠程化監(jiān)控為基礎(chǔ)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠識別不同的物體和監(jiān)控環(huán)境，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控環(huán)境中的異常情況，并能夠以最快和最佳的方式發(fā)出警報和提供有用信息，從而能夠更加有效地協(xié)助安全人員處理危機，并最大限度地降低誤報和漏報現(xiàn)象。在該系統(tǒng)中，計算機實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的檢測、監(jiān)督和控制功能。

在實驗室的安全管理中，采用的是組態(tài)軟件與PLC硬件的有機結(jié)合，使實驗室大量的物理量、環(huán)境參數(shù)、工藝數(shù)據(jù)、特性參數(shù)需要進行實時檢測、監(jiān)督管理和自動控制，并對安全隱患進行預警，解放大量的實驗室管理人員。

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