基于无线WIFI的RTU装置进行实验室建设管理平台的设计与实践

林 洋(1.上海大学新型显示技术及应用集成教育部重点实验室，上海 200072；2.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

基于无线WIFI的RTU装置进行实验室建设管理平台的设计与实践

林 洋1，2
(1.上海大学新型显示技术及应用集成教育部重点实验室，上海 200072；
2.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

高校实验室内大型设备的安全运行管理是一个重要问题。本文针对上海大学新型显示技术与应用集成教育部重点实验室内重要设备的运行设计了一套基于无线WIFI的RTU控制装置，通过RTU装置和手机APP软件，学生和老师在对MBraun带手套箱真空蒸发镀膜机等设备进行数字化操作的同时，实现对设备安全运行监控管理，同时整合实验室管理系统，实现对重点实验室的规范和优化管理。

实验室建设；安全运行；RTU；WIFI；数字化操作

随着我国经济和社会的发展，我国的高等教育事业也得到了快速的壮大。高校实验室是培养高素质人才以及从事科研活动、教学活动的重要场所，对学校的建设和发展起着重要作用。目前，我国实验室根据重要性的等级和所扮演角色的大小，从高到低分为国家实验室、国家重点实验室、教育部重点实验室、省市级重点实验室以及校级重点实验室等。

随着高校科技创新能力的提升，实验室的人员、设备等规模不断扩大。据对全国75所教育部直属高校的统计，目前这些高校建设了4029个实验室，每年承担着400多万个小时的科研教学活动[1]。在这些科研教学活动实践中，研究人员不可避免地使用到危险设备以及危险化学药品，稍有不慎就会引发灼伤、爆炸、中毒等各种灾难性事故[2]。实验室的安全事故的发生，直接影响实验室的正常科研教学活动的开展，甚至导致学生或者研究人员伤亡等无法挽回的损失。

因此，要建设好实验室，提高其管理水平，减少安全事故的发生，必须从多方面入手。例如，在设计和建设实验室的时候，充分考虑消防、健康、卫生以及安全标准，建立一整套切实可行的规章制度。同时，对实验室管理人员进行培训，加强其对实验室仪器与设备的科学化管理。此外，也要强化对应急措施以及急救设施的系统化管理[3]。针对实验安全事故频发的现象以及对于已发生事故原因的分析，传统的实验室安全性建设和管理制度已经得到逐步完善。

1 实验室建设和管理改革的创新

如图1所示，传统的实验室安全建设和管理制度包括：提升科研人员的安全意识、完善实验室的安全制度、严格控制三废处理和化学品管理、危险实验安全评审以及实验室危险程度分级管理[4]。严格执行现有的传统实验室安全建设和管理制度，能够大大地降低实验室安全事故的发生，保证高校教育顺利进行，研究人员的生命安全得到了保障，使环境的污染降到了最低[5]。

图1 实验室安全建设和管理的种类

WIFI是一种允许电子设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术，凭借其建设便捷、无需布线、无线电波覆盖范围广、长距离工作、传输速度快等优点在无线领域中脱颖而出，被广泛应用于电力监控、油田监测、环境监测、气象监测、水利监测、热网监测、电表监测、机房监控等方面[6-7]。由于其自身传输速度快的特性，能够实现实时监测的特性。因此，本文应用WIFI无线技术将手机和实验室内安装在设备上的芯片通过无线连接，实现实时监控实验室安全的目的。通过传统实验室安全建设和管理与无线实时监控相结合的方法，进一步降低实验室安全事故发生的几率。

目前有很多实验室内有成套电能驱动，如手套真空操作箱、电流加热源控制柜、真空压缩泵等。这些设备通常由实验室内的空气开关或低压断路器组提供运行电源，由于各设备功率负载差异较大，学生在实验时不规范操作导致设备超载运行,造成电流偏大或短路跳闸、漏电等事故发生，严重影响学生实验进程,同时也会造成意外伤害，使学校对实验室内电气安全运行的管理陷入困境。如何对实验室内大型机械实验装置安全运行实现有效的管理，一直是各高校面临的重要难题。为了提高实验室设备的安全运行，有的高校提出了严格的规章制度来规范学生的实验时间和操作流程；有的高校设立实验室门禁或者视频录像监控系统；有的高校设计了复杂的联锁与报警系统来保障实验设备的安全运行。这些都是解决问题的有效方法，保证了实验室的安全运行[8-9]。

本文也设计了一套基于无线WIFI的RTU智能装置和基于Android手机软件平台来实现对实验室内大型设备的运行监测和使用管理，同时详细记录实验过程的操作数据，为分析实验结果提供操作流程上的可追溯因素。

2 基于无线WIFI的RTU技术应用的可行性分析

远程终端控制系统(RTU)是安装在远程操作环境的电子设备。它可以监视和测量远程环境的传感器和电子设备。RTU可以把测得的工作状态或采集的信号转换成可以通过常见的通信媒体传送的数据格式。它还能把从中央控制器发送来的数据转换成命令，实现对监控设备的功能化管理和人工控制。RTU的组成部分包括信号的输入/输出模块、有线/无线通讯设备、微处理器、电源及包装等几个硬件。通过微处理器进行远程控制，并可以和网络系统兼容。RTU能够利用本身的智能软件系统，完美地实现对远程环境中设备的操作监控，还能够很好地利用调度系统，对生产现场的仪表进行遥测、遥控、遥信和遥调等[10-13]，这对实验室的科学化管理极为重要。

此外，WIFI允许任何在WLAN范围内的设备与之连接，保证基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。几乎市场上使用的手机、平板电脑、笔记本电脑甚至台式机等电子设备，大都支持WIFI上网。WIFI上网有别于有线传输，是目前使用的最为广泛的一种的无线网络传输技术[14-16]。

将RTU技术和实验装置配电系统有效结合，通过无线WIFI连接，可以对实验设备装置通电与否或实验时的电能参数(如电压、电流、功率)等实时采集，设置安全报警阀值。同时由于RTU支持通信标准DNPs和IEC870，利用RTU设备可以将多种总线网络协议(如Modbus协议、Profibus-DP协议等)和实验设备装置自带的控制单元连接，读取控制单元中存储的实验数据，实时传输到OPC Server服务器，通过Web发布到手机APP软件上，实时记录和实验数据。同时RTU装置具备对实验室周边环境数据的采集功能，如温度、有毒、可燃气体等。因此将RTU技术应用到实验室内对实验设备装置的遥测、遥控和遥信是保障高校实验室安全运行的措施之一[17]。

3 实验室安全运行平台的设计与实践

3.1 平台的设计

考虑到上海大学新型显示技术与应用集成教育部重点实验室内有2套MBraun带手套箱真空蒸发镀膜机(MB-MO-SE1)，蒸发源含有4个温度控制的石英坩埚源和6个电流控制的钨舟源，还有各类真空压缩机及其他成套设备。为此我们设计了一套基于WIFI的RTU装置用以保证实验设备的安全运行。该平台由两部分组成，一是基于智能手机APP应用的监测平台；二是RTU设备的数据采集与控制装置。两者通过无线WIFI组网连接。系统连接图如图2所示。

图2 实验室系统连接图

设计改造后安全运行管理平台具备以下功能：

(1)在插排和设备之间加入RTU装置，实现对实验设备的电压、电流和功率负荷的监控；在设置报警阀值的同时具备远程开关通断的功能，使实验指导老师可以通过手机APP软件实现对该设备通断电的控制；同时结合学生实验时间的顺序表，也可以设定和监管学生实验。

(2)RTU装置通过Modbus现场总线协议，可以与MBraun带手套箱真空蒸发镀膜机的控制单元-SIEMENS PLC系统相连接，学生通过手机APP软件上的操作界面可以数字化设定蒸发源的温度或加热电流值等参数，但不改变该机械设备或工艺操作中原有的控制和运行模式(如温度、电流的PID控制模式等)。

(3)RTU装置通过定时主动发送查询命令的方式，读取SIEMENS PLC中DB库内存储的设备运行信息，如手套箱内的真空度、水氧含量、温度等参数以及蒸发镀膜机的操作流程和对应的参数，并形成电子操作历史记录。实验过程与参数采集同步，利于分析实验的成败。

(4)RTU装置提供实验室环境参数的采集与远传传输，如温度、压力、有毒和可燃气体浓度等；设置报警阀值，通过无线WIFI联网，便于后台校园信息系统统一集中管理。

(5)各个RTU装置设备，通过改造安装在各个实验设备装置的供电电源单元或控制单元，由RTU自带的WIFI数据连接器，经路由器连接到英特网，利用APP实现对设备的运行参数(如电压、电流、功率、转速、压力等)、故障信息、报警类别等数据监控，同时在获得授权的前提下实现对实验设备装置的控制单元的参数修改。手机端操作界面如图3所示。

图3 手机端操作界面

3.2 系统的搭建

系统的搭建可以分成三层结构：(1)由底层的服务器、数据库构成，实现RTU和手机APP对数据的存储与读取；(2)现场控制层，实现RTU对实验设备的控制与通信，实验室环境参数的采集；(3)应用交互层，学生和教师通过手机APP操作界面对实验装置进行参数设置和动作过程的数字化操作，实现人机交互。

系统采用程序使用C#语言编写，基于.net平台。WinForm是.Net开发平台中对Windows Form的一种称谓,可以实时显示仪表采集到的模拟量值并保存，随时读取查看历史数据，更改设备运行值,如电机转速给定值。程序可以后台运行，并实时采集数据[18]。

这里的PC服务程序相当于一个Server，接收RTU装置(Client)发送过来的数据，手机端也相当于Client,但可以读取PC中保存的数据。

通过C/S方式可以方便地添加手机端程序，实现手机对电脑保存数据的访问，甚至控制现场实验设备。通过手机APP软件经RTU装置中对实验设备运行参数采集、设置以及实验过程的数字化操作管理。RTU装置通过WIFI通信，将数据传输到手机APP或者PC机上，通过此程序来接收数据，并将其显示在程序界面上。

为每一个已经连接的设备创建接收线程，当设备第一次传送数据到上位机时，经过数据处理上位机自动开辟一个新的PageTable,方便用户切换查看不同的设备数据。选择自动采集数据时，上位机每两秒采集实验设备中控制单元数据库DB中的一次数据。选择自动保存功能可以每分钟保存一次数据,方便查看。

由于要在接收线程中创建控件，并添加数据到控件中，为了避免可能发生的错误。本程序使用delegate和invoke来从其他线程中调用控件。Invoke指定用主线程中的控件去调用这个委托,相当于主线程来执行这个函数,从而避免了其他线程调用窗体控件的错误。

Web管理平台中数据采集管理界面如图4所示。

图4 数据采集控制界面

4 实施效果分析及反思

在利用现代技术改善实验水平的同时，我们还需要加强实验室建设的专业化和规范化，加强业务能力，不断提高工作水平和效率。随着改进的设备安全运行管理平台的运行，将会取得以下方面的成效：

(1)提高了实验室内重大实验装置设备的安全运行管理水平，实验室电源无跳闸事件、特种气体无泄漏情况，设备全年保持无故障运行，设备维护运行成本降低，与往年相比，维护费用降低35%左右。

(2)加强了对实验过程的监控与管理，做到了实验学生和指导教师实时匹配管理与指导，教师对学生实验步骤、操作进程和过程参数了然于胸，保障了实验效果可靠有效。

(3)学生操作实验设备装置方便快捷，参数设置、修改时效性好，实验节奏明显加快，实验历史数据可以追溯、分析学生实验操作行为对实验结果产生的影响，利于开展后续实验。

(4)方便实验室内部绩效考核管理。利用平台数据，导出以实验设备、学术论文或者实验操作者为考核分析对象的数据管理，进行专项数据分析。

(5)加强制度建设，不断完善系统。实验室设备安全运行管理系统运行以来也面临一些新的问题，如在实验过程中出现部分学生玩手机游戏、聊天等现象。因此，在不断完善系统的同时要进行内涵建设，完善规章制度，加强学生日常管理，以取得更好的教学效果。

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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，实验师，从事有机电致发光器件研究。

TN014

A

2095-7602(2017)04-0038-06