實驗室智慧電氣自動化技術的應用分析研究

梁飛超

(天津市賽維爾科技有限公司 天津300100)

我國正在向科技強國邁進，現代化實驗室則是科技創新的基礎保障設施，完成各類高精尖的科學實驗都離不開安全有效的實驗室環境。建設一個安全性高、可視化強的智慧實驗室，將給科研工作者提供更加有力的科學探索武器，促進“中國制造”到“中國智造”的升級。我國實驗室行業經過30多年的發展與前行，結合國內外實驗室領域的建設理念和經驗，與時俱進，不斷創新。本文將電氣自動化技術與實驗室建設相結合，形成促進實驗室智能化水平進一步提升的重要途徑，從而為優化升級相關實驗工作研發環節，實現實驗室行業的持續發展提供新的經驗。

1 實驗室智慧電氣自動化的發展現狀

當代實驗室電氣自動化還處于發展階段，大致可 以分為：

第一階段，實驗室電氣自動化系統采用市電配合室內配電箱空開供電，無自動化概念；

第二階段，實驗室電氣自動化系統在第一階段的基礎上，配置了等電位系統、UPS不間斷電源系統，室內電氣漏電保護裝置系統等，初步實現電氣半自動化基礎；

第三階段，實驗室電氣自動化系統采用現代物聯網技術、PLC邏輯監控管理、紅外人體感應技術及智慧實驗室互生平臺，對實驗室電氣自動化系統進行生態系統建設，通過現代科技監控、管理、預警實驗室運行過程中的安全性問題，保障實驗室科研人員的安全健康，提高實驗科研工作的成果轉換率。

目前實驗室電氣自動化在運行管理過程中存在以下幾點問題：①運行安全問題，近年來實驗室安全 故障頻發，電氣自動化安全檢測及應對措施不到位；②運行穩定問題，現在實驗儀器自身價值越來越高，設備運行環境溫濕度、電氣電壓穩定性等無法得到監控管理，不能有效實時獲取儀器狀態；③運行能耗問題，實驗室內空調設備、通排風設備、環境溫濕度控制等無法做到自動化管理，針對有人無人狀態和有無實驗工作狀態無法實時控制管理，能耗問題無法做到可視化，實驗室運行一直處于“閉眼”運行的狀態。

2 實驗室智慧電氣自動化的運行分析

隨著科技強國戰略部署的推進，大眾對于實驗室的認知度越來越高，從中國重點實驗室建設到科研高校教學實驗室的建設，正在一步一步推動著人類社會的發展進步。每個人的衣食住行都離不開實驗室和科研工作人員的創新，實驗室是保障我們安全生活、生產的基石。因此實驗室的電氣自動化尤為重要，實現電氣自動化既可保證實驗結果的有效性、安全性、真實性，又能保證科研工作者的健康安全。

2.1 運行安全問題分析

實驗室電氣自動化安全運行問題主要包含以下幾個方面：①實驗室儀器設備電氣線路在設計、安裝上存在安全隱患；②實驗室電氣自動化沒有設置必要的自動化安全保證技術措施(濃度傳感器、聯動控制系統、緊急切斷應急系統)，或者安全措施失效；③實驗室電氣自動化配置方案過時或不當，導致實驗室運行環境安全無法保證；④實驗室電氣自動化可視化數據顯示及存儲記錄不能滿足日漸提升的實驗室運行維護需求，部分數據溯源比對依據性差；⑤實驗室電氣自動化無自檢自啟；⑥實驗室電氣自動化無法實現可視化運行，儀器設備等運行狀態、實驗環境狀態無法讀取顯示及記錄分析。

2.2 運行穩定問題分析

實驗室電氣自動化運行穩定性問題主要為電壓和頻率的不穩定，一個是電壓偏差，一個是電壓波動。電氣系統不穩定，對實驗儀器檢測結果及儀器自身運行易造成不良后果，嚴重時更易導致儀器設備損壞故障。在實驗室室內工藝電氣配置時考慮設備系統配置，保障電氣運行穩定性。

2.3 運行能耗問題分析

實驗室電氣自動化能耗問題主要包含以下幾個方面：①實驗室環境輔助設備系統電氣自動化管理水平較低，設備運行配置邏輯性差，造成能源消耗較大；②實驗室通排風設備系統電氣自動化水平低，無法有效判定有人無人情況和有無實驗室運行情況，并做出應對運行方式，造成能源浪費較大；③實驗室電氣自動化可視性低，設備系統能源監控管理系統未建立，不能在大數據下分析記錄設備運行能耗，還處于“機械化”管理模式。

3 實驗室智慧電氣自動化的應用

實驗室智慧電氣自動化應用除高校教學實驗室外，還有一些屬于企業、行業自主機密性研究實驗室。智慧電氣自動化是在網絡技術開發研究的基礎上進行，所以在網絡配置上應考慮內網及外網的不同需求進行配置。在網絡安全管理的基礎上，實驗設備系統可以采用無線技術、5G通信技術進行硬件、軟件、數據的保存傳輸等。實驗室儀器數據宜采用內網傳輸，保障實驗室信息的安全性。

3.1 運行安全問題應用研究

搭建智慧實驗室電氣自動化系統，以安全運行為第一出發點，提出以下應用措施，實現電氣自動化的應用研究。

①實驗室儀器設備電氣線路在設計時應考慮每個回路用電負荷、同時使用系數等，在設計斷路器、電線線管時充分考慮用電冗余(考慮到實驗室在運行過程中，可能增設實驗設備儀器，冗余宜在10%以上)，實驗室室內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(若儀器負荷較大則需采用電流計算所得數據選用電線)。實驗室儀器用電應與實驗室照明及實驗室設備系統(空調、風機、空壓機等)3項相互獨立。在大型貴重精密儀器設備供電前段宜設置穩壓不間斷的電源裝置，保障精密儀器運行安全。實驗室內及附屬設備用房內應設置等電位接地系統，接地電阻值不宜大于1Ω。

②實驗室電氣自動化安裝上應嚴格按照規范 要求進行安裝對接，并做好線路系統通電調試驗收記錄。

③實驗室電氣自動化應根據實驗室內實驗運行過程中涉及到的相關氣體種類配置對應的濃度傳感器(例如：氫氣、乙炔、甲烷、丙烷等)，將其設置在房間內或各用氣點位置，安裝高度根據氣體密度調整。濃度傳感器應聯動報警系統及通排風控制系統，在接受濃度傳感器反饋信號后，及時有效地加大房間內換氣，將室內濃度降低至安全指標內，并發送報警信息，通知科研人員有序及時撤離，并由專業安全管理人員進行事故應對處理。可燃性氣體應放置在防爆氣瓶柜內，根據實驗室運行安全要求，宜在氣瓶柜內鋼瓶接口處設置氣動關斷裝置，接受濃度傳感器的反饋信號后，及時關斷氣瓶供氣。以上所有傳感器、制動裝置及聯動裝置均通過信息采集、網絡化鏈接進行集中統一可視化顯示管理，給實驗室安全運行提供有力保障。

④實驗室電氣自動化應根據不同的實驗室環境需求進行配置電氣自動化方案，電氣自動化方案中應對門體開關狀態、房間溫濕度狀態、房間壓力梯度、房間照明燈具開啟狀態、實驗室空調機組運行狀態、暖通模擬量(開關量)閥門狀態、滅菌殺毒裝置(臭氧發生器、紫外線滅菌燈)運行狀態、過濾器使用狀態、風機運行狀態、電加熱器運行狀態等進行實時監控管理，可實現運行狀態可視化，設備輸入輸出量可視化，設備運行能耗可視化。

⑤實驗室智慧電氣自動化可視化應具有自檢自啟，由使用部門設定自檢自啟時間周期，在假期及實驗空置期對實驗室進行預運行及記錄上報隱患問題，并通知維護維保人員及時進行維護保養，降低安全事故率。

⑥實驗室智慧電氣自動化應結合組態軟件等進行智慧自動化平臺組建，通過各項傳感器等反饋信息在PC機或手機客戶終端機上實現電子自動化信息可視化呈現，對實驗室環境指標監控(溫濕度、壓力、潔凈度、PM2.5濃度、CO2濃度)、設備運行狀態等進行可視化管理。

3.2 運行穩定問題應用研究

實驗室電氣自動化運行穩定性問題主要為電壓和頻率的穩定，針對科研實驗室中貴重精密儀器(氣相色譜儀、氣質聯動色譜儀等)的電氣自動化系統需要穩定性極高，電氣系統不穩定對實驗儀器檢測結果及儀器自身運行易造成不良后果，嚴重時更易導致儀器設備損壞故障。在實驗室供電系統始端增加一個滿足實驗室負荷容量的UPS不間斷電源裝置，保障電氣系統穩定性。UPS電源宜單獨一個房間，設置獨立開啟的空調系統，降低部分地區因過渡季節，中央空調無法滿足制冷降溫的環境要求，保障實驗室電氣系統及UPS電源設備的運行穩定性。

3.3 運行能耗問題應用研究

實驗室智慧電氣自動化能耗問題一直困擾著實驗室的運行，實驗室運行能耗遠遠高出同面積辦公室的數十倍，若1間實驗室升級為1棟實驗樓，產生的功耗問題就比較明顯。

針對實驗室智慧電氣自動化能耗管理系統應用 應組建以下幾項模塊系統，實現能耗管理記錄監控的可視化運行。

3.3.1 數據庫管理模塊

數據庫管理模塊提供數據查詢手段，可方便查詢各個設備、各個時間段的歷史數據，數據的顯示可以表格、柱狀圖、餅狀圖等方式提供。按照分類要求或設備類型對記錄數據分類統計。應具有歷史數據備份的記錄棒或云盤儲存(根據企業涉密性要求)，便于數據查詢追溯。

3.3.2 用戶管理模塊

為便于實時監控電氣系統的安全穩定運行，根據操作人員的技術水平及管理權限，對用戶名、口令、操作權限、監控范圍等進行分級分類設置，對重要的控制使用口令密碼確認方式，對操作員的重要操作給予記錄。

3.3.3 人機接口模塊

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時采集的數據，以及系統和各運行設備的實際運行情況，并可以了解歷史以及當前觀察對象的變化趨勢，還可直接在畫面上實現遠程開關、調節、設定及手動緊急鎖定等操作。

3.3.4 自動化子畫面編制

自動化系統應根據采集信息分類分量進行編輯顯示，可針對實驗室分層、分系統或分設備進行結構樹狀顯示，使得管理人員可以隨時查看相關數據，方便地進行設備的能耗監控。

3.3.5 數據線性顯示模塊

自動化系統根據用戶需求，應可提供實時曲線和歷史曲線，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的趨勢。

3.3.6 報表管理模塊

自動化系統實時采集電力系統中重要的遙測數據，進行統計、分析后實時保存在數據庫中。電力參數數據可以以報表形式進行分類查詢和打印輸出。

3.3.7 電量計量模塊

電量計量模塊完成對不同線路電能數據的采集，并通過靈活設置不同時間段的復費率，計算出各類電量小時、日、月、年度以及峰谷平電量，并提供所有設備的能耗分析，據此進行節能潛力分析且提出節能建議指導。

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

3.3.8 事故查詢模塊

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

3.3.9 自動化系統組件

1個數據服務器，為網絡管理；

1個帶專門發送報警短信的報警終端；

1個生成圖形及報告的打印機；

1個UPS不間斷電源；

PLC、HMI和I/O模塊之間通信用的網絡，至獨立控制系統的接口界面；

1組綜合控制柜，含各類元器件+終端顯示器。

4 結語

我國科技發展進程中，實驗室為科技發展提供了基礎環境，實驗室智慧電氣自動化讓傳統實驗室升級為可視化實驗室，提升了科研人員的人身健康安全指數，實現了實驗室設備環境運行的指標化、可視化，使得實驗室管理人員清晰直觀地觀測到每一個階段實驗室的運行環境狀態。電氣自動化系統增加了危險性因素監測預警系統，提高了實驗室安全運行的水平。為促進我國實驗室行業的進一步發展，應加強相關電氣自動化領域的科學研究，促進實驗室電氣自動化技術向智能化、安全化、通用化、可視化方向發展，為實現科技強國助力。