基于無線WIFI的RTU裝置進行實驗室建設管理平臺的設計與實踐

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

基于無線WIFI的RTU裝置進行實驗室建設管理平臺的設計與實踐

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

高校實驗室內大型設備的安全運行管理是一個重要問題。本文針對上海大學新型顯示技術與應用集成教育部重點實驗室內重要設備的運行設計了一套基于無線WIFI的RTU控制裝置，通過RTU裝置和手機APP軟件，學生和老師在對MBraun帶手套箱真空蒸發鍍膜機等設備進行數字化操作的同時，實現對設備安全運行監控管理，同時整合實驗室管理系統，實現對重點實驗室的規范和優化管理。

實驗室建設；安全運行；RTU；WIFI；數字化操作

隨著我國經濟和社會的發展，我國的高等教育事業也得到了快速的壯大。高校實驗室是培養高素質人才以及從事科研活動、教學活動的重要場所，對學校的建設和發展起著重要作用。目前，我國實驗室根據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。

隨著高校科技創新能力的提升，實驗室的人員、設備等規模不斷擴大。據對全國75所教育部直屬高校的統計，目前這些高校建設了4029個實驗室，每年承擔著400多萬個小時的科研教學活動[1]。在這些科研教學活動實踐中，研究人員不可避免地使用到危險設備以及危險化學藥品，稍有不慎就會引發灼傷、爆炸、中毒等各種災難性事故[2]。實驗室的安全事故的發生，直接影響實驗室的正常科研教學活動的開展，甚至導致學生或者研究人員傷亡等無法挽回的損失。

因此，要建設好實驗室，提高其管理水平，減少安全事故的發生，必須從多方面入手。例如，在設計和建設實驗室的時候，充分考慮消防、健康、衛生以及安全標準，建立一整套切實可行的規章制度。同時，對實驗室管理人員進行培訓，加強其對實驗室儀器與設備的科學化管理。此外，也要強化對應急措施以及急救設施的系統化管理[3]。針對實驗安全事故頻發的現象以及對于已發生事故原因的分析，傳統的實驗室安全性建設和管理制度已經得到逐步完善。

1 實驗室建設和管理改革的創新

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

圖1 實驗室安全建設和管理的種類

WIFI是一種允許電子設備連接到一個無線局域網(WLAN)的技術，憑借其建設便捷、無需布線、無線電波覆蓋范圍廣、長距離工作、傳輸速度快等優點在無線領域中脫穎而出，被廣泛應用于電力監控、油田監測、環境監測、氣象監測、水利監測、熱網監測、電表監測、機房監控等方面[6-7]。由于其自身傳輸速度快的特性，能夠實現實時監測的特性。因此，本文應用WIFI無線技術將手機和實驗室內安裝在設備上的芯片通過無線連接，實現實時監控實驗室安全的目的。通過傳統實驗室安全建設和管理與無線實時監控相結合的方法，進一步降低實驗室安全事故發生的幾率。

目前有很多實驗室內有成套電能驅動，如手套真空操作箱、電流加熱源控制柜、真空壓縮泵等。這些設備通常由實驗室內的空氣開關或低壓斷路器組提供運行電源，由于各設備功率負載差異較大，學生在實驗時不規范操作導致設備超載運行,造成電流偏大或短路跳閘、漏電等事故發生，嚴重影響學生實驗進程,同時也會造成意外傷害，使學校對實驗室內電氣安全運行的管理陷入困境。如何對實驗室內大型機械實驗裝置安全運行實現有效的管理，一直是各高校面臨的重要難題。為了提高實驗室設備的安全運行，有的高校提出了嚴格的規章制度來規范學生的實驗時間和操作流程；有的高校設立實驗室門禁或者視頻錄像監控系統；有的高校設計了復雜的聯鎖與報警系統來保障實驗設備的安全運行。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對實驗室內大型設備的運行監測和使用管理，同時詳細記錄實驗過程的操作數據，為分析實驗結果提供操作流程上的可追溯因素。

2 基于無線WIFI的RTU技術應用的可行性分析

遠程終端控制系統(RTU)是安裝在遠程操作環境的電子設備。它可以監視和測量遠程環境的傳感器和電子設備。RTU可以把測得的工作狀態或采集的信號轉換成可以通過常見的通信媒體傳送的數據格式。它還能把從中央控制器發送來的數據轉換成命令，實現對監控設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/無線通訊設備、微處理器、電源及包裝等幾個硬件。通過微處理器進行遠程控制，并可以和網絡系統兼容。RTU能夠利用本身的智能軟件系統，完美地實現對遠程環境中設備的操作監控，還能夠很好地利用調度系統，對生產現場的儀表進行遙測、遙控、遙信和遙調等[10-13]，這對實驗室的科學化管理極為重要。

此外，WIFI允許任何在WLAN范圍內的設備與之連接，保證基于IEEE 802.11標準的無線網路產品之間的互通性。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備，大都支持WIFI上網。WIFI上網有別于有線傳輸，是目前使用的最為廣泛的一種的無線網絡傳輸技術[14-16]。

將RTU技術和實驗裝置配電系統有效結合，通過無線WIFI連接，可以對實驗設備裝置通電與否或實驗時的電能參數(如電壓、電流、功率)等實時采集，設置安全報警閥值。同時由于RTU支持通信標準DNPs和IEC870，利用RTU設備可以將多種總線網絡協議(如Modbus協議、Profibus-DP協議等)和實驗設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據，實時傳輸到OPC Server服務器，通過Web發布到手機APP軟件上，實時記錄和實驗數據。同時RTU裝置具備對實驗室周邊環境數據的采集功能，如溫度、有毒、可燃氣體等。因此將RTU技術應用到實驗室內對實驗設備裝置的遙測、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計與實踐

3.1 平臺的設計

考慮到上海大學新型顯示技術與應用集成教育部重點實驗室內有2套MBraun帶手套箱真空蒸發鍍膜機(MB-MO-SE1)，蒸發源含有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備。為此我們設計了一套基于WIFI的RTU裝置用以保證實驗設備的安全運行。該平臺由兩部分組成，一是基于智能手機APP應用的監測平臺；二是RTU設備的數據采集與控制裝置。兩者通過無線WIFI組網連接。系統連接圖如圖2所示。

圖2 實驗室系統連接圖

設計改造后安全運行管理平臺具備以下功能：

(1)在插排和設備之間加入RTU裝置，實現對實驗設備的電壓、電流和功率負荷的監控；在設置報警閥值的同時具備遠程開關通斷的功能，使實驗指導老師可以通過手機APP軟件實現對該設備通斷電的控制；同時結合學生實驗時間的順序表，也可以設定和監管學生實驗。

(2)RTU裝置通過Modbus現場總線協議，可以與MBraun帶手套箱真空蒸發鍍膜機的控制單元-SIEMENS PLC系統相連接，學生通過手機APP軟件上的操作界面可以數字化設定蒸發源的溫度或加熱電流值等參數，但不改變該機械設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送查詢命令的方式，讀取SIEMENS PLC中DB庫內存儲的設備運行信息，如手套箱內的真空度、水氧含量、溫度等參數以及蒸發鍍膜機的操作流程和對應的參數，并形成電子操作歷史記錄。實驗過程與參數采集同步，利于分析實驗的成敗。

(4)RTU裝置提供實驗室環境參數的采集與遠傳傳輸，如溫度、壓力、有毒和可燃氣體濃度等；設置報警閥值，通過無線WIFI聯網，便于后臺校園信息系統統一集中管理。

(5)各個RTU裝置設備，通過改造安裝在各個實驗設備裝置的供電電源單元或控制單元，由RTU自帶的WIFI數據連接器，經路由器連接到英特網，利用APP實現對設備的運行參數(如電壓、電流、功率、轉速、壓力等)、故障信息、報警類別等數據監控，同時在獲得授權的前提下實現對實驗設備裝置的控制單元的參數修改。手機端操作界面如圖3所示。

圖3 手機端操作界面

3.2 系統的搭建

系統的搭建可以分成三層結構：(1)由底層的服務器、數據庫構成，實現RTU和手機APP對數據的存儲與讀取；(2)現場控制層，實現RTU對實驗設備的控制與通信，實驗室環境參數的采集；(3)應用交互層，學生和教師通過手機APP操作界面對實驗裝置進行參數設置和動作過程的數字化操作，實現人機交互。

系統采用程序使用C#語言編寫，基于.net平臺。WinForm是.Net開發平臺中對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據，更改設備運行值,如電機轉速給定值。程序可以后臺運行，并實時采集數據[18]。

這里的PC服務程序相當于一個Server，接收RTU裝置(Client)發送過來的數據，手機端也相當于Client,但可以讀取PC中保存的數據。

通過C/S方式可以方便地添加手機端程序，實現手機對電腦保存數據的訪問，甚至控制現場實驗設備。通過手機APP軟件經RTU裝置中對實驗設備運行參數采集、設置以及實驗過程的數字化操作管理。RTU裝置通過WIFI通信，將數據傳輸到手機APP或者PC機上，通過此程序來接收數據，并將其顯示在程序界面上。

為每一個已經連接的設備創建接收線程，當設備第一次傳送數據到上位機時，經過數據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備數據。選擇自動采集數據時，上位機每兩秒采集實驗設備中控制單元數據庫DB中的一次數據。選擇自動保存功能可以每分鐘保存一次數據,方便查看。

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

Web管理平臺中數據采集管理界面如圖4所示。

圖4 數據采集控制界面

4 實施效果分析及反思

在利用現代技術改善實驗水平的同時，我們還需要加強實驗室建設的專業化和規范化，加強業務能力，不斷提高工作水平和效率。隨著改進的設備安全運行管理平臺的運行，將會取得以下方面的成效：

(1)提高了實驗室內重大實驗裝置設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，設備全年保持無故障運行，設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控與管理，做到了實驗學生和指導教師實時匹配管理與指導，教師對學生實驗步驟、操作進程和過程參數了然于胸，保障了實驗效果可靠有效。

(3)學生操作實驗設備裝置方便快捷，參數設置、修改時效性好，實驗節奏明顯加快，實驗歷史數據可以追溯、分析學生實驗操作行為對實驗結果產生的影響，利于開展后續實驗。

(4)方便實驗室內部績效考核管理。利用平臺數據，導出以實驗設備、學術論文或者實驗操作者為考核分析對象的數據管理，進行專項數據分析。

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

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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，從事有機電致發光器件研究。

TN014

A

2095-7602(2017)04-0038-06