化工綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

張?jiān)隽?，金洪?/p>

(浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310053)

化工教育需要實(shí)驗(yàn)來支持，特別是化工原理課程。當(dāng)前化工原理實(shí)驗(yàn)所用裝置均為成套固定式，對(duì)學(xué)生來說只能被動(dòng)的接受，按部就班完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)，遞交實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。不利于學(xué)生深入探索，無法通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)理論知識(shí)的理解。為給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)自由而生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，本文介紹了一種化工綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 功能及特點(diǎn)

本系統(tǒng)從教師教學(xué)、學(xué)生培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)室管理三方面考慮，結(jié)合化工設(shè)計(jì)課程、化工實(shí)驗(yàn)課程及化工自動(dòng)化課程的要求來設(shè)計(jì)。

1.1 功能

(1)可輔助完成任務(wù)布置及設(shè)計(jì)方案評(píng)分。

(2)具備自動(dòng)安排實(shí)驗(yàn)功能。

(3)裝置管理系統(tǒng)可輔助教師進(jìn)行組件管理

(4)可通過組件組裝完成常規(guī)化工原理實(shí)驗(yàn)，包括流體力學(xué)、過濾、傳熱、吸收、精餾、萃取、干燥、流化床、膜分離、蒸發(fā)、管式反應(yīng)、釜式反應(yīng)等各種實(shí)驗(yàn)。

(5)可通過組件組裝完成復(fù)雜化工實(shí)驗(yàn)，如釜式反應(yīng)-精餾提純-尾氣處理實(shí)驗(yàn)、多塔多組分提純實(shí)驗(yàn)等。

(6)可通過組件組裝完成常規(guī)化工儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)，包括流量、液位、溫度、壓力多種變量的單回路實(shí)驗(yàn)、PID整定實(shí)驗(yàn)。

(7)可通過組件組裝完成復(fù)雜控制回路實(shí)驗(yàn)，包括串級(jí)控制、比值控制。

1.2 特點(diǎn)

(1)涉及知識(shí)面廣。

(2)任務(wù)難度可調(diào)。

(3)專業(yè)深度適宜。

(4)教學(xué)管理及實(shí)驗(yàn)室管理方便。

(5)實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展性強(qiáng)。

(6)組件獨(dú)立性強(qiáng)，檢維修方便，升級(jí)換代自由。

(7)實(shí)驗(yàn)過程安全可靠。

2 系統(tǒng)組成

2.1 綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組態(tài)平臺(tái)

系統(tǒng)組態(tài)平臺(tái)是一個(gè)圖形化組態(tài)平臺(tái)。平臺(tái)設(shè)有學(xué)生端和教師端，學(xué)生端接受任務(wù)、輔助學(xué)生完成裝置的設(shè)計(jì)，教師端除了學(xué)生端功能外，可實(shí)現(xiàn)任務(wù)布置及方案評(píng)審。通過學(xué)生端，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)設(shè)備選型、管道設(shè)計(jì)、儀表選型，并進(jìn)一步完成設(shè)備布置、管道布置、儀表安裝，從而完成任務(wù)需求的實(shí)驗(yàn)裝置的總裝設(shè)計(jì)。

2.2 綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)

系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)是一個(gè)仿真運(yùn)行平臺(tái)，可在實(shí)驗(yàn)前完成裝置的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)和仿真運(yùn)行。

2.3 系統(tǒng)組件管理平臺(tái)

組件管理平臺(tái)是一個(gè)全自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)各種組件的添加、跟蹤、自動(dòng)分配、統(tǒng)計(jì)、回收、檢維修匯報(bào)等功能。

2.4 系統(tǒng)通訊平臺(tái)

通訊平臺(tái)可接收、發(fā)送組件與系統(tǒng)其它平臺(tái)之間的通訊信號(hào)，包括組件的定位信號(hào)、儀表信號(hào)等。

2.5 系統(tǒng)組件

系統(tǒng)組件是組成實(shí)驗(yàn)裝置的各種設(shè)備、管件、儀表及各種支架。

2.6 實(shí)驗(yàn)課管理平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)課管理平臺(tái)可根據(jù)學(xué)生端遞交的總裝設(shè)計(jì)方案與系統(tǒng)組態(tài)管理平臺(tái)對(duì)接，并根據(jù)組件管理平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分配，確保實(shí)驗(yàn)課安排更加合理、便捷。

2.7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及報(bào)告管理平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及報(bào)告管理平臺(tái)可指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及報(bào)告的編寫，并協(xié)助教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 組件模塊化技術(shù)

設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定最小單位長度，并考慮墊片等產(chǎn)生的誤差，以最小單位長度為倍數(shù)設(shè)計(jì)各種組件，如各種規(guī)格的直管、彎頭、三通、大小頭、儀表、設(shè)備。最重要的是生產(chǎn)組件的生產(chǎn)工藝須保證，所有的組件誤差需控制在一定范圍以內(nèi)。

3.2 無線通訊及智慧教育云平臺(tái)

本裝置的所有儀表均采用無線通訊方案，裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過無線LINK網(wǎng)關(guān)，裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)上傳到以太網(wǎng)上，通過以太網(wǎng)最終上傳至智慧教育云平臺(tái)(Secplatform)，客戶可以在任何地方通過移動(dòng)終端、PC訪問大數(shù)據(jù)庫，了解整個(gè)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，并且通過大數(shù)據(jù)庫的智能分析，得出更優(yōu)的工藝流程，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

3.2.1 無線通訊技術(shù)

無線通訊方案不僅僅減少了電纜和安裝費(fèi)用，更為重要的是，用戶能夠更快、更高效的調(diào)試、維修，還能提供更多地靈活性和可移植性[1]。無線技術(shù)的應(yīng)用還提高了教學(xué)設(shè)備整體的性能和安全。總之，所有這些優(yōu)點(diǎn)大大地增強(qiáng)了裝置的實(shí)用性。具體特點(diǎn)如下：

(1)靈活性：安裝，置換或升級(jí)簡單靈活，非常適于臨時(shí)測量或旋轉(zhuǎn)設(shè)備的測量。

(2)低成本：應(yīng)用于遠(yuǎn)程設(shè)施或因環(huán)境或技術(shù)條件受限而難以施工布線的場合，WirelessHART 擁有很高的成本效益，它可以節(jié)省巨大的成本，例如省去了用于電纜，現(xiàn)場調(diào)試，工程建設(shè)以及運(yùn)行等巨大投資，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)裝置更加高效化，具有更低的維修費(fèi)用。

(3)維修友好：通過智能診斷信息啟動(dòng)預(yù)測控制策略。用于電纜和連接的維修費(fèi)用不再需要，同時(shí)人工監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的方式也成為歷史。

(4)通過優(yōu)化安裝無線網(wǎng)絡(luò)，減少測量盲點(diǎn)，提高裝置的透明度，使裝置更加實(shí)用高效。

3.2.2 智慧教育云平臺(tái)

系統(tǒng)由云基礎(chǔ)系統(tǒng)、云儲(chǔ)存系統(tǒng)和云應(yīng)用系統(tǒng)組成。把云平臺(tái)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，提供給其他的應(yīng)用系統(tǒng)。智慧教育云平臺(tái)，不僅是一個(gè)數(shù)據(jù)處理中樞，而且是一個(gè)非常靈活的平臺(tái)。首先，本系統(tǒng)是可以自行定義通訊數(shù)據(jù)交換格式，也就是說，在云平臺(tái)上，可以兼容各種不同的適配類型，唯一需要的是，數(shù)據(jù)描述必須符合云平臺(tái)規(guī)范；其次，本系統(tǒng)可以保證能很好的支持百萬級(jí)的適配器連接，高效收發(fā)數(shù)據(jù)；還有，本系統(tǒng)可以支持不同的應(yīng)用接入，能夠很好的支持這些應(yīng)用系統(tǒng)去進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。具體特點(diǎn)如下：

(1)一個(gè)裝置(設(shè)備)實(shí)驗(yàn)室，無論他有多少種產(chǎn)品，都可以只使用一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)；

(2)在智慧教育云平臺(tái)上，可以分別展現(xiàn)所有客戶的所有裝置(設(shè)備)的運(yùn)行情況；

(3)在智慧教育云平臺(tái)上，可以建立一系列的關(guān)聯(lián)關(guān)系，無論他們是不是同一個(gè)裝置，甚至是不是同一個(gè)客戶；

(4)在智慧教育云平臺(tái)上，可以根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系和數(shù)據(jù)特征，任意設(shè)置預(yù)警條件。

圖1 無線及云平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)架

3.3 智能倉儲(chǔ)技術(shù)

化工綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的智能倉儲(chǔ)部分，主要有四個(gè)層面構(gòu)成：功能組件層、服務(wù)器層、應(yīng)用層、無線層。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)功能組件層包含：功能組件對(duì)象、信息收集終端(RFID讀寫器)。功能組件包含，所有化工綜合實(shí)驗(yàn)裝置中的所有組成部分，例如：管件、工藝閥門、自控閥門、化工單元設(shè)備(反應(yīng)釜、精餾塔等)。每個(gè)組件都有唯一的電子芯片，用于身份識(shí)別及自身信息記錄。每個(gè)功能組件的信息被RFID讀寫器實(shí)時(shí)采集上傳到過程以太網(wǎng)[2]。

(2)服務(wù)器層包含：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、WAP服務(wù)

器。所有組件的身份信息，通過數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與WAP服務(wù)器，分別提供應(yīng)用層的訪問和無線端的訪問服務(wù)

(3)應(yīng)用層包含：教師端、學(xué)生端PC，以及打印機(jī)等附屬設(shè)備。學(xué)生可以通過應(yīng)用層的PC(學(xué)生端)，訪問在線課程及組件管理平臺(tái)。在平臺(tái)中，學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方案，調(diào)用3D功能組件模型，在線搭建3D實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在線3D組件模型與實(shí)物是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在線模型搭建好后，學(xué)生可以在平臺(tái)完成組件申領(lǐng)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排等一系列流程。教師可以通過平臺(tái)，修改學(xué)生的設(shè)計(jì)并提出相關(guān)意見。平臺(tái)根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，會(huì)自動(dòng)分配所需組件到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組。學(xué)生根據(jù)組件和設(shè)計(jì)方案，自行組裝實(shí)驗(yàn)裝置并完成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。完成實(shí)驗(yàn)后根據(jù)要求將裝置恢復(fù)成組件，并由專有通道歸還，并在線完成退還流程。

(4)無線層包含3G/4G發(fā)射終端、移動(dòng)智能終端(智能手機(jī)、平板電腦)等。學(xué)生通過智能移動(dòng)終端，實(shí)時(shí)訪問WAP服務(wù)器，可以在線了解實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)流程進(jìn)度、接受教師反饋意見、查看實(shí)驗(yàn)課程安排時(shí)間表、下載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告等。

圖2 自能倉儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)架

4 結(jié)束語

本套系統(tǒng)站在教師、學(xué)生、學(xué)校三方面角度來設(shè)計(jì)，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，為提高我國化工行業(yè)工程教育質(zhì)量，為提升中國化工專業(yè)工程教育國際競爭力服務(wù)。

[1]宋 文,王 兵,周應(yīng)賓.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2]康 東,石喜勤,李勇鵬.射頻識(shí)別核心技術(shù)與典型應(yīng)用開發(fā)案例[M].北京:人民郵政出版社,2008.