馬振寰
【摘要】本文以集寧師范學(xué)院物理系實(shí)驗(yàn)室為例,對(duì)現(xiàn)有高校實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀展開分析,結(jié)合物理系實(shí)驗(yàn)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(diǎn),對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控系統(tǒng)提出了行之有效的設(shè)計(jì)思路,并給出符合實(shí)際需求的解決方法。
【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀;MCGS;監(jiān)控系統(tǒng)
一、前言
實(shí)驗(yàn)室是高等院校進(jìn)行教學(xué)和科學(xué)研究活動(dòng)的重要場(chǎng)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(xiǎn)性物品,加之使用頻繁、人員集中且流動(dòng)性大,常有火災(zāi)、中毒、機(jī)電傷人、環(huán)境污染等事故發(fā)生,這往往會(huì)給學(xué)校帶來(lái)巨大的財(cái)產(chǎn)損失,有時(shí)甚至是人員的傷亡。實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有監(jiān)控系統(tǒng),存在很大的安全隱患。其中包括實(shí)驗(yàn)室門禁功能,虛擬控制桌面,火災(zāi)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(shí)驗(yàn)室安全系數(shù)、設(shè)備使用壽命以及節(jié)約能源,提出了實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
近年來(lái),高校在校生數(shù)量的增多,更加劇了安全隱患給實(shí)驗(yàn)室管理工作帶來(lái)的困擾。在此背景下,2016年2月,經(jīng)學(xué)校改革與及研究課題評(píng)審委員會(huì)評(píng)議,“基于MCGS的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究(課題編號(hào)為:JGKY2016061)”獲批校級(jí)自然科學(xué)一般項(xiàng)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(huì)議,正式啟動(dòng)了該課題。
二、中外高校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀
(一)美國(guó)多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)室采用 EHS 管理系統(tǒng)
美國(guó)多數(shù)知名高等學(xué)府,如麻省理工學(xué)院等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)稱 EHS 管理體系。EHS 總部對(duì)帶有技術(shù)性的安全問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)一管理,管理體系縱橫交錯(cuò),非常完善,為健康和安全提供了強(qiáng)有力的保障。
美國(guó)很多知名院校的實(shí)驗(yàn)室都采用EHS的管理理念,他們比較重視人員的健康和實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境。而高校實(shí)驗(yàn)室也是從最初的設(shè)計(jì)建造,到后期的投入使用,都每時(shí)每刻的體現(xiàn)著EHS 的管理理念,像在初始規(guī)劃設(shè)計(jì)的時(shí)期,需提前科學(xué)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(cè)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(bào)EHS 總部審查批準(zhǔn); 在后期投入使用后,各種安全設(shè)施和標(biāo)識(shí)一應(yīng)俱全,實(shí)驗(yàn)室房門都設(shè)有明確的安全與環(huán)保警示標(biāo)識(shí)、圖案或告示。
(二)日本高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)立安全管理機(jī)構(gòu)
日本很多高等院校根據(jù)各自學(xué)校的具體情況,結(jié)合自身的特點(diǎn),安排設(shè)立安全環(huán)保管理機(jī)構(gòu)。比如東京大學(xué),就根據(jù)自身的特點(diǎn),設(shè)立環(huán)境安全部、保健健康部和實(shí)驗(yàn)委員會(huì);比如京都大學(xué),則根據(jù)自身的特點(diǎn),設(shè)立環(huán)境安全保健機(jī)構(gòu)、環(huán)境安全衛(wèi)生部以及環(huán)境安全衛(wèi)生委員會(huì);而大阪大學(xué),就利用自身的優(yōu)勢(shì),設(shè)立安全衛(wèi)生管理部;早稻田大學(xué)則結(jié)合自身的特點(diǎn),設(shè)立校園環(huán)境宣傳委員會(huì)。
其實(shí)設(shè)立的這些安全管理機(jī)構(gòu),他們的職能與國(guó)內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備處的管理職能類似,都是負(fù)責(zé)管理學(xué)校實(shí)驗(yàn)室安全。但是日本高校的安全管理機(jī)構(gòu)與我國(guó)大學(xué)不同的是,這些機(jī)構(gòu)普遍都是由該校副校長(zhǎng)負(fù)責(zé),同時(shí)成立委員會(huì)來(lái)指導(dǎo)這些機(jī)構(gòu)開展安全管理工作和日常事務(wù)的,并且日本高校對(duì)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(diǎn)的嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室安全管理體系。
(三)德國(guó)高校實(shí)驗(yàn)室管理靈活重建設(shè)
德國(guó)的高等院校從實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃建設(shè)初期就投入巨大,經(jīng)費(fèi)的來(lái)源廣、資金充足、經(jīng)驗(yàn)豐富,效率高,但管理非常嚴(yán)格。德國(guó)的學(xué)校包括高等院校沒(méi)有特意設(shè)立的實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)構(gòu),他們更注重安全項(xiàng)目的考核目標(biāo);他們不具備龐大的管理隊(duì)伍,他們也沒(méi)有安全管理模式,他們德國(guó)人更注重實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)立運(yùn)行機(jī)制;他們對(duì)實(shí)驗(yàn)室開放、儀器設(shè)備利用率沒(méi)有量化指標(biāo),但德國(guó)人會(huì)在建設(shè)初期對(duì)實(shí)驗(yàn)室,注重規(guī)劃,來(lái)盡可能地滿足教學(xué)、科研需要;他們務(wù)實(shí)的保留舊設(shè)備,并根據(jù)實(shí)際的需要購(gòu)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(méi)有專門的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求,但實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有保證;沒(méi)有明確的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)的指標(biāo),卻在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常看得到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)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(wú)國(guó)家級(jí)優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)教材評(píng)選,但教授的實(shí)驗(yàn)講義具有特色,及時(shí)把最新技術(shù)和研究成果寫進(jìn)講義;實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地布局合理,儀器設(shè)備布置便于教學(xué)和科研活動(dòng),不奢華但很方便使用。
(四)新加坡大學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全管理要求嚴(yán)格
新加坡的大學(xué)一般建有 2 個(gè)專門組織負(fù)責(zé)安全管理工作。一個(gè)是環(huán)境與健康安全辦公室,另一個(gè)是實(shí)驗(yàn)室安全和生物安全委員會(huì)。大學(xué)所有的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人必須通過(guò)學(xué)校的認(rèn)證,獲得大學(xué)頒發(fā)的PI( PrincipleInvestigator)證書,其所獲得的各種科研經(jīng)費(fèi)才能夠?qū)嶋H用來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究。沒(méi)有 PI 證書,科研經(jīng)費(fèi)無(wú)法投入使用。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的所有人員都需要經(jīng)過(guò)安全培訓(xùn)。所有的培訓(xùn)工作留有書面記錄,每個(gè)系設(shè)有專職安全員。
三、集寧師范學(xué)院物理系實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀
物理系實(shí)驗(yàn)室始建于1980年,現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室22個(gè)分室28個(gè),建筑面積達(dá)3000多平米,教學(xué)儀器設(shè)備總價(jià)值2628萬(wàn)元。主要承擔(dān)物理系的三個(gè)本科專業(yè):物理學(xué)專業(yè)、應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)、電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和一個(gè)??茖I(yè):供用電技術(shù)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)等教學(xué)任務(wù),同時(shí)也承擔(dān)其他理工科專業(yè)的大學(xué)物理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù);物理系注重理論聯(lián)系實(shí)踐的教學(xué)模式,全系大部分教師既承擔(dān)理論課的教學(xué)也參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作,實(shí)驗(yàn)室專兼職教師共28名,其中高級(jí)實(shí)驗(yàn)師8名,講師和實(shí)驗(yàn)師20名。
經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,現(xiàn)已形成了具有一定規(guī)模和實(shí)力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,除滿足日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)外,還承擔(dān)著學(xué)生的專業(yè)實(shí)訓(xùn),畢業(yè)設(shè)計(jì),教育實(shí)習(xí)等實(shí)踐類教學(xué)活動(dòng),共能開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目300多個(gè),能很好地滿足“3+1”人才培養(yǎng)教學(xué)模式的需求。大大地提高了學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力,提升了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)驗(yàn)室根據(jù)專業(yè)需求與實(shí)驗(yàn)方向,又將其分為五個(gè)分室:
(一)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室分室
基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室分為:力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、熱學(xué)實(shí)驗(yàn)室、電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室、光學(xué)實(shí)驗(yàn)室(一)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)室(二)、教學(xué)法實(shí)驗(yàn)室、分析天平室共7個(gè)分室,儀器設(shè)備總價(jià)值303多萬(wàn)元。主要面向物理系物理學(xué)專業(yè)、應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)和電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)。共能開設(shè)100多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)開出率100%。其中在2005年4月自治區(qū)“雙基”實(shí)驗(yàn)室評(píng)估中,基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室被評(píng)為自治區(qū)條件合格實(shí)驗(yàn)室?;A(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的基本實(shí)驗(yàn)技能,為后續(xù)專業(yè)技術(shù)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)課實(shí)踐打下基礎(chǔ)。
(二)電子電工實(shí)驗(yàn)室分室
電子電工實(shí)驗(yàn)室分為:模擬電路實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室、電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室(一)、電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室(二)、電力技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、電器—變壓器實(shí)驗(yàn)室、電子工藝實(shí)驗(yàn)室、電視機(jī)實(shí)驗(yàn)室、電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室9個(gè)分室,儀器設(shè)備總價(jià)值:1058萬(wàn)元。主要面向物理系各專業(yè)開設(shè)的專業(yè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程。共能開設(shè)100多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)開出率100%。其中在2005年4月自治區(qū)“雙基”實(shí)驗(yàn)室評(píng)估中,電子電工實(shí)驗(yàn)室被評(píng)為自治區(qū)條件合格實(shí)驗(yàn)室。電子電工實(shí)驗(yàn)室為相關(guān)專業(yè)的學(xué)生提高了實(shí)驗(yàn)技能,為將來(lái)開設(shè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ),同時(shí)也為將來(lái)從事專業(yè)工作提高了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
(三)近代物理實(shí)驗(yàn)室分室
近代物理實(shí)驗(yàn)室分為:近代物理實(shí)驗(yàn)室(一)和近代物理實(shí)驗(yàn)室(二),儀器設(shè)備總價(jià)值達(dá)307萬(wàn)元。主要面向物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)本科專業(yè)高年級(jí)學(xué)生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。能開設(shè)30多個(gè)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn),大部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目屬于綜合型、設(shè)計(jì)型和研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,能反映當(dāng)前新科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用型物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,同時(shí)也為學(xué)生的課外創(chuàng)新及教師科研提供有力的支撐。
(四)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室分室
應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室分為:光電子實(shí)驗(yàn)室(一)、光電子實(shí)驗(yàn)室(二)和DSP創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室共三個(gè)分室。儀器設(shè)備總價(jià)值85萬(wàn)元。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)室都是2015年新建的實(shí)驗(yàn)室、儀器設(shè)備先進(jìn),性能完善。光電子實(shí)驗(yàn)室以光電技術(shù)為導(dǎo)向,能開設(shè)多個(gè)設(shè)計(jì)性,綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。DSP創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室增加學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。讓學(xué)生會(huì)應(yīng)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(xué)生DSP應(yīng)用能力。為學(xué)生的就業(yè)和各種大賽提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室的建成對(duì)于教師的教學(xué)與科研能力的提升起到明顯作用。
(五)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室分室
電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室分為:Xilinx SoPc創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、通信原理實(shí)驗(yàn)室(一)、通信原理實(shí)驗(yàn)室(二)、嵌入式—單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室、傳感器實(shí)驗(yàn)室、PLC實(shí)驗(yàn)室(一)、PLC實(shí)驗(yàn)室(二)共7個(gè)分室。儀器設(shè)備總價(jià)值875萬(wàn)元。這些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備大部分是利用奧地利政府貸款購(gòu)置的外國(guó)進(jìn)口儀器,儀器設(shè)備先進(jìn),性能完善,為電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)實(shí)踐提供了優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。嵌入式—單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室是和凌陽(yáng)教育集團(tuán)企業(yè)共建的實(shí)驗(yàn)室。Xilinx SoPc創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室是由美國(guó)Xilinx公司和集寧師范學(xué)院共建。目前,實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)電子信息類專業(yè)本科生的專業(yè)課實(shí)驗(yàn),課程設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)室還為師生科研等科技實(shí)踐活動(dòng)提供有力的支撐。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的摸索,物理系實(shí)驗(yàn)室有完善的規(guī)章制度,包括實(shí)驗(yàn)室管理制度、實(shí)驗(yàn)室人員崗位職責(zé)、實(shí)驗(yàn)室安全衛(wèi)生制度,學(xué)生實(shí)驗(yàn)守則等。實(shí)驗(yàn)室有完善的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)大綱,實(shí)驗(yàn)記錄單及實(shí)驗(yàn)課成績(jī)?cè)u(píng)定細(xì)則,有實(shí)驗(yàn)室年度工作計(jì)劃和工作總結(jié)。但是實(shí)驗(yàn)室人員安全管理意識(shí)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(jí)信息不對(duì)稱、溝通不及時(shí)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(shí)驗(yàn)室安全管理的要求,目前這些問(wèn)題都亟待解決。
四、基于MCGS的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)思路
(一)MCGS介紹
它是以監(jiān)測(cè)控制計(jì)算機(jī)為主體,加上檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被監(jiān)測(cè)控制的對(duì)象(生產(chǎn)過(guò)程)共同構(gòu)成的整體。而組態(tài)軟件具有動(dòng)畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等強(qiáng)大功能,如果可以用計(jì)算機(jī)全真模擬被控對(duì)象,不但可以克服真實(shí)被控對(duì)象的缺點(diǎn),而且也能解決無(wú)實(shí)際控制對(duì)象或由于經(jīng)費(fèi)不足購(gòu)置困難等一些問(wèn)題。
同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)。
(二)研究?jī)?nèi)容
(1)分析目前高校實(shí)驗(yàn)室的管理狀況,對(duì)其進(jìn)行研究分析,包括實(shí)驗(yàn)室資源和任務(wù)分析,找出實(shí)驗(yàn)室管理存在的問(wèn)題及解決的方法;
(2)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的流程分析;
(3)基于MCGS平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的功能和模塊設(shè)計(jì);
(4)基于MCGS平臺(tái)的開放式實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
(三)擬解決的問(wèn)題
基于MCGS的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控以數(shù)字化、遠(yuǎn)程化監(jiān)控為基礎(chǔ)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠識(shí)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(bào)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(jī),并最大限度地降低誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象。在該系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)、監(jiān)督和控制功能。
在實(shí)驗(yàn)室的安全管理中,采用的是組態(tài)軟件與PLC硬件的有機(jī)結(jié)合,使實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)督管理和自動(dòng)控制,并對(duì)安全隱患進(jìn)行預(yù)警,解放大量的實(shí)驗(yàn)室管理人員。
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