基于MCGS對高校實驗室監控系統的思考與設計

馬振寰

【摘要】本文以集寧師范學院物理系實驗室為例，對現有高校實驗室的現狀展開分析，結合物理系實驗室的現有情況，利用組態軟件MCGS的靈活性，操作界面安全易操作的等特點，對當前實驗室的監控系統提出了行之有效的設計思路，并給出符合實際需求的解決方法。

【關鍵詞】實驗室現狀；MCGS；監控系統

一、前言

實驗室是高等院校進行教學和科學研究活動的重要場所，存放有眾多種類的儀器設備，也有易燃、易爆、劇毒等危險性物品，加之使用頻繁、人員集中且流動性大，常有火災、中毒、機電傷人、環境污染等事故發生，這往往會給學校帶來巨大的財產損失，有時甚至是人員的傷亡。實際調研中發現大部分學校的實驗室沒有監控系統，存在很大的安全隱患。其中包括實驗室門禁功能，虛擬控制桌面，火災監控、用電用水安全監控、設備藥品監控以及溫度、濕度、CO2濃度等環境監控。為了提高實驗室安全系數、設備使用壽命以及節約能源，提出了實驗室監控系統設計與實現。

近年來，高校在校生數量的增多，更加劇了安全隱患給實驗室管理工作帶來的困擾。在此背景下，2016年2月，經學校改革與及研究課題評審委員會評議，“基于MCGS的實驗室監控系統的設計與研究（課題編號為：JGKY2016061）”獲批校級自然科學一般項目，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議，正式啟動了該課題。

二、中外高校實驗室現狀

（一）美國多數高校實驗室采用 EHS 管理系統

美國多數知名高等學府，如麻省理工學院等學校的實驗管理體系是 EHS （Environment、Health and Safety） 管理系統，EHS 管理體系是環境、健康、安全的縮寫，是環境管理體系（EMS）和職業健康安全管理體系（OHSMS） 兩體系的整合，簡稱 EHS 管理體系。EHS 總部對帶有技術性的安全問題進行統一管理，管理體系縱橫交錯，非常完善，為健康和安全提供了強有力的保障。

美國很多知名院校的實驗室都采用EHS的管理理念，他們比較重視人員的健康和實驗室的環境。而高校實驗室也是從最初的設計建造，到后期的投入使用，都每時每刻的體現著EHS 的管理理念，像在初始規劃設計的時期，需提前科學的規劃出各種安全防范措施，包括消防的器材、氣體的監測裝置、空氣的凈化系統、廢物的存放以及它們的回收位置等等，并且需上報EHS 總部審查批準； 在后期投入使用后，各種安全設施和標識一應俱全，實驗室房門都設有明確的安全與環保警示標識、圖案或告示。

（二）日本高校實驗室設立安全管理機構

日本很多高等院校根據各自學校的具體情況，結合自身的特點，安排設立安全環保管理機構。比如東京大學，就根據自身的特點，設立環境安全部、保健健康部和實驗委員會；比如京都大學，則根據自身的特點，設立環境安全保健機構、環境安全衛生部以及環境安全衛生委員會；而大阪大學，就利用自身的優勢，設立安全衛生管理部；早稻田大學則結合自身的特點，設立校園環境宣傳委員會。

其實設立的這些安全管理機構，他們的職能與國內高校的實驗室設備處的管理職能類似，都是負責管理學校實驗室安全。但是日本高校的安全管理機構與我國大學不同的是，這些機構普遍都是由該校副校長負責，同時成立委員會來指導這些機構開展安全管理工作和日常事務的，并且日本高校對校園的環保、安全也特別重視，并且還形成了一套具有自身特點的嚴格的實驗室安全管理體系。

（三）德國高校實驗室管理靈活重建設

德國的高等院校從實驗室的規劃建設初期就投入巨大，經費的來源廣、資金充足、經驗豐富，效率高，但管理非常嚴格。德國的學校包括高等院校沒有特意設立的實驗室管理機構，他們更注重安全項目的考核目標；他們不具備龐大的管理隊伍，他們也沒有安全管理模式，他們德國人更注重實驗室的獨立運行機制；他們對實驗室開放、儀器設備利用率沒有量化指標，但德國人會在建設初期對實驗室，注重規劃，來盡可能地滿足教學、科研需要；他們務實的保留舊設備，并根據實際的需要購置新設備； 課程體系的設置也是依據人才培養的要求，沒有專門的綜合性、設計性實驗要求，但實驗教學質量有保證；沒有明確的實踐能力、創新能力培養的指標，卻在實驗室經常看得到學生的實驗作品以及與企業合作研制的產品，可以感受到良好的創新氛圍；無國家級優秀實驗教材評選，但教授的實驗講義具有特色，及時把最新技術和研究成果寫進講義；實驗場地布局合理，儀器設備布置便于教學和科研活動，不奢華但很方便使用。

（四）新加坡大學實驗室安全管理要求嚴格

新加坡的大學一般建有 2 個專門組織負責安全管理工作。一個是環境與健康安全辦公室，另一個是實驗室安全和生物安全委員會。大學所有的項目負責人必須通過學校的認證，獲得大學頒發的PI（ PrincipleInvestigator）證書，其所獲得的各種科研經費才能夠實際用來進行科學研究。沒有 PI 證書，科研經費無法投入使用。進入實驗室的所有人員都需要經過安全培訓。所有的培訓工作留有書面記錄，每個系設有專職安全員。

三、集寧師范學院物理系實驗室現狀

物理系實驗室始建于1980年，現有實驗室22個分室28個，建筑面積達3000多平米，教學儀器設備總價值2628萬元。主要承擔物理系的三個本科專業：物理學專業、應用物理學專業、電子信息科學與技術專業和一個專科專業：供用電技術專業的實驗、實訓等教學任務，同時也承擔其他理工科專業的大學物理課程的實驗教學任務；物理系注重理論聯系實踐的教學模式，全系大部分教師既承擔理論課的教學也參與實驗教學和實驗室建設工作，實驗室專兼職教師共28名，其中高級實驗師8名，講師和實驗師20名。

經過30多年的發展，現已形成了具有一定規模和實力的實驗教學中心，除滿足日常的實驗教學外，還承擔著學生的專業實訓，畢業設計，教育實習等實踐類教學活動，共能開設實驗項目300多個，能很好地滿足“3+1”人才培養教學模式的需求。大大地提高了學生的專業實踐能力，提升了學生的就業競爭力。實驗室根據專業需求與實驗方向，又將其分為五個分室：

（一）基礎物理實驗室分室

基礎物理實驗室分為：力學實驗室、熱學實驗室、電磁學實驗室、光學實驗室（一）、光學實驗室（二）、教學法實驗室、分析天平室共7個分室，儀器設備總價值303多萬元。主要面向物理系物理學專業、應用物理學專業和電子信息科學與技術專業的專業基礎課實驗教學。共能開設100多個實驗項目，實驗開出率100%。其中在2005年4月自治區“雙基”實驗室評估中，基礎物理實驗室被評為自治區條件合格實驗室。基礎物理實驗室為學生打下堅實的基本實驗技能，為后續專業技術和專業實驗課實踐打下基礎。

（二）電子電工實驗室分室

電子電工實驗室分為：模擬電路實驗室、數字電路實驗室、電工學實驗室（一）、電工學實驗室（二）、電力技術實驗室、電器—變壓器實驗室、電子工藝實驗室、電視機實驗室、電子虛擬仿真實驗室9個分室，儀器設備總價值：1058萬元。主要面向物理系各專業開設的專業技術實驗課程。共能開設100多個實驗項目，實驗開出率100%。其中在2005年4月自治區“雙基”實驗室評估中，電子電工實驗室被評為自治區條件合格實驗室。電子電工實驗室為相關專業的學生提高了實驗技能，為將來開設專業實驗打下了基礎，同時也為將來從事專業工作提高了學生的就業競爭力。

（三）近代物理實驗室分室

近代物理實驗室分為：近代物理實驗室（一）和近代物理實驗室（二），儀器設備總價值達307萬元。主要面向物理學、應用物理學本科專業高年級學生的專業實驗室。能開設30多個單項實驗，大部分實驗項目屬于綜合型、設計型和研究型實驗項目，能反映當前新科學技術的應用型物理實驗。實驗涉及力、熱、光、電、原子物理基礎物理及理論物理，固體物理，低溫超導等各個學科領域，同時也為學生的課外創新及教師科研提供有力的支撐。

（四）應用物理學專業實驗室分室

應用物理學專業實驗室分為：光電子實驗室（一）、光電子實驗室（二）和DSP創新實驗室共三個分室。儀器設備總價值85萬元。這三個實驗室都是2015年新建的實驗室、儀器設備先進，性能完善。光電子實驗室以光電技術為導向，能開設多個設計性，綜合性的實驗項目。DSP創新實驗室增加學生對數字信號處理的實踐能力和創新能力。讓學生會應用世界領先的DSP技術和DSP芯片，構成信息處理系統，全方位提高學生DSP應用能力。為學生的就業和各種大賽提供實驗平臺。實驗室的建成對于教師的教學與科研能力的提升起到明顯作用。

（五）電子信息科學與技術專業實驗室分室

電子信息科學與技術專業實驗室分為：Xilinx SoPc創新實驗室、通信原理實驗室（一）、通信原理實驗室（二）、嵌入式—單片機實驗室、傳感器實驗室、PLC實驗室（一）、PLC實驗室（二）共7個分室。儀器設備總價值875萬元。這些實驗儀器設備大部分是利用奧地利政府貸款購置的外國進口儀器，儀器設備先進，性能完善，為電子信息科學與技術專業的專業實踐提供了優越的實驗平臺。嵌入式—單片機實驗室是和凌陽教育集團企業共建的實驗室。Xilinx SoPc創新實驗室是由美國Xilinx公司和集寧師范學院共建。目前，實驗室承擔電子信息類專業本科生的專業課實驗，課程設計，畢業設計等教學任務。實驗室還為師生科研等科技實踐活動提供有力的支撐。

經過長時間的摸索，物理系實驗室有完善的規章制度，包括實驗室管理制度、實驗室人員崗位職責、實驗室安全衛生制度，學生實驗守則等。實驗室有完善的實驗課教學大綱，實驗記錄單及實驗課成績評定細則，有實驗室年度工作計劃和工作總結。但是實驗室人員安全管理意識薄弱，防盜、消防安全措施陳舊老套，缺乏系統的安全管理模式，常出現校院兩級信息不對稱、溝通不及時的情況，而原有的定期和不定期安全檢查為主的監督方式已經不能滿足現有實驗室安全管理的要求，目前這些問題都亟待解決。

四、基于MCGS的實驗室監控系統開發的設計思路

（一）MCGS介紹

它是以監測控制計算機為主體，加上檢測裝置、執行機構與被監測控制的對象（生產過程）共同構成的整體。而組態軟件具有動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、工程報表、數據與曲線等強大功能，如果可以用計算機全真模擬被控對象，不但可以克服真實被控對象的缺點，而且也能解決無實際控制對象或由于經費不足購置困難等一些問題。

同時Mod bus是目前工業領域全球最流行的協議，此協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業設備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Mod bus協議作為他們之間的通訊標準。

（二）研究內容

（1）分析目前高校實驗室的管理狀況，對其進行研究分析，包括實驗室資源和任務分析，找出實驗室管理存在的問題及解決的方法；

（2）實驗室監控系統的流程分析；

（3）基于MCGS平臺的實驗室監控系統的功能和模塊設計；

（4）基于MCGS平臺的開放式實驗室監控系統的系統實現。

（三）擬解決的問題

基于MCGS的實驗室監控以數字化、遠程化監控為基礎。監控系統能夠識別不同的物體和監控環境，發現監控環境中的異常情況，并能夠以最快和最佳的方式發出警報和提供有用信息，從而能夠更加有效地協助安全人員處理危機，并最大限度地降低誤報和漏報現象。在該系統中，計算機實現了生產過程的檢測、監督和控制功能。

在實驗室的安全管理中，采用的是組態軟件與PLC硬件的有機結合，使實驗室大量的物理量、環境參數、工藝數據、特性參數需要進行實時檢測、監督管理和自動控制，并對安全隱患進行預警，解放大量的實驗室管理人員。

參考文獻

[1] 阮慧，項曉慧，李五一.美國高校實驗室安全管理給我們的啟示[J].實驗技術與管理，2009，26（10）：4～7.

[2] 李志強.日本高校實驗室安全與環境保護考察及啟示[J].實驗技術與管理，2010，27（7）：165～167.

[3] 朱玉華.德國大學實驗室考察的啟示[J].實驗室研究與探索，2007（12）：129～132.

[4] 關繼祖，俞宗岱.香港科技大學實驗室安全管理系統[J].實驗技術與管理，2009，26（10）：1～3.

[5] 李五一，谷大豐，胡放.香港高校實驗室安全和環保工作考察及啟示[J].實驗技術與管理，2008，25（9）：10～12.

[6] 孫婷荃，徐金光.關于完善實驗室安全管理體制的幾點思考[J].湖北師范學院學報（自然科學版），2007，2（3）：112～114.

[7] 許嘉民，李建民，梁惠，等.安全投入在實驗室建設和管理中的重要作用[J].實驗技術與管理，2006，23（3）：118～120.

[8] 劉春柱.高校實驗室安全現狀與管理對策[J].實驗室科學，2006，8（4）：89～92

[9] 高淑芹，平梅.新時期高校實驗室安全管理分析及對策[J].實驗室研究與探索，2007，26（10）：149～152.

[10] 谷長棟，房迪，王育萍，等.淺談高校實驗室安全管理[J].實驗室研究與探索，2010，29（10）：178～180.

[11] 廖慶敏.高校實驗室安全管理之思考[J].實驗室研究與探索，2010，29（1）：168～173.

[12] 張燕.高校機房管理與維護的技術措施[J].東南大學學報（哲學社會科學版），2008，6（10）：275～276.

[13] 韓方珍，楊春，方永美，等.組策略在計算機實驗室的智能化管理應用[J].實驗室研究與探索，2012（2）：62～63.

[14] 何晉浙.高校實驗室安全管理與技術[M].北京：中國計量出版社，2009：10～25.

[15] 宋宏濤，郭曉燕.美國實驗室生物安全管理與安保措施及其啟示[J].實驗室研究與探索，2012，31（2）：162～163.