化工綜合實驗系統

張增良，金洪鑫

(浙江中控科教儀器設備有限公司，浙江 杭州 310053)

化工教育需要實驗來支持，特別是化工原理課程。當前化工原理實驗所用裝置均為成套固定式，對學生來說只能被動的接受，按部就班完成規定實驗，遞交實驗指導書。不利于學生深入探索，無法通過實驗加深對理論知識的理解。為給學生創造一個相對自由而生動的實驗環境，本文介紹了一種化工綜合實驗系統的設計。

1 功能及特點

本系統從教師教學、學生培養及實驗室管理三方面考慮，結合化工設計課程、化工實驗課程及化工自動化課程的要求來設計。

1.1 功能

(1)可輔助完成任務布置及設計方案評分。

(2)具備自動安排實驗功能。

(3)裝置管理系統可輔助教師進行組件管理

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

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

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

(7)可通過組件組裝完成復雜控制回路實驗，包括串級控制、比值控制。

1.2 特點

(1)涉及知識面廣。

(2)任務難度可調。

(3)專業深度適宜。

(4)教學管理及實驗室管理方便。

(5)實驗擴展性強。

(6)組件獨立性強，檢維修方便，升級換代自由。

(7)實驗過程安全可靠。

2 系統組成

2.1 綜合實驗系統組態平臺

系統組態平臺是一個圖形化組態平臺。平臺設有學生端和教師端，學生端接受任務、輔助學生完成裝置的設計，教師端除了學生端功能外，可實現任務布置及方案評審。通過學生端，學生可實現設備選型、管道設計、儀表選型，并進一步完成設備布置、管道布置、儀表安裝，從而完成任務需求的實驗裝置的總裝設計。

2.2 綜合實驗系統運行平臺

系統運行平臺是一個仿真運行平臺，可在實驗前完成裝置的設計檢驗和仿真運行。

2.3 系統組件管理平臺

組件管理平臺是一個全自動倉儲系統，可實現各種組件的添加、跟蹤、自動分配、統計、回收、檢維修匯報等功能。

2.4 系統通訊平臺

通訊平臺可接收、發送組件與系統其它平臺之間的通訊信號，包括組件的定位信號、儀表信號等。

2.5 系統組件

系統組件是組成實驗裝置的各種設備、管件、儀表及各種支架。

2.6 實驗課管理平臺

實驗課管理平臺可根據學生端遞交的總裝設計方案與系統組態管理平臺對接，并根據組件管理平臺的統計進行優化分配，確保實驗課安排更加合理、便捷。

2.7 實驗數據及報告管理平臺

實驗數據及報告管理平臺可指導學生完成實驗數據的處理及報告的編寫，并協助教師進行實驗結果及實驗報告的批改。

3 關鍵技術

3.1 組件模塊化技術

設計時設定最小單位長度，并考慮墊片等產生的誤差，以最小單位長度為倍數設計各種組件，如各種規格的直管、彎頭、三通、大小頭、儀表、設備。最重要的是生產組件的生產工藝須保證，所有的組件誤差需控制在一定范圍以內。

3.2 無線通訊及智慧教育云平臺

本裝置的所有儀表均采用無線通訊方案，裝置的運行數據通過無線LINK網關，裝置的實時運行數據和狀態上傳到以太網上，通過以太網最終上傳至智慧教育云平臺(Secplatform)，客戶可以在任何地方通過移動終端、PC訪問大數據庫，了解整個設備的狀態參數，并且通過大數據庫的智能分析，得出更優的工藝流程，系統構架如圖1所示。

3.2.1 無線通訊技術

無線通訊方案不僅僅減少了電纜和安裝費用，更為重要的是，用戶能夠更快、更高效的調試、維修，還能提供更多地靈活性和可移植性[1]。無線技術的應用還提高了教學設備整體的性能和安全。總之，所有這些優點大大地增強了裝置的實用性。具體特點如下：

(1)靈活性：安裝，置換或升級簡單靈活，非常適于臨時測量或旋轉設備的測量。

(2)低成本：應用于遠程設施或因環境或技術條件受限而難以施工布線的場合，WirelessHART 擁有很高的成本效益，它可以節省巨大的成本，例如省去了用于電纜，現場調試，工程建設以及運行等巨大投資，同時使實驗裝置更加高效化，具有更低的維修費用。

(3)維修友好：通過智能診斷信息啟動預測控制策略。用于電纜和連接的維修費用不再需要，同時人工監測設備狀態的方式也成為歷史。

(4)通過優化安裝無線網絡，減少測量盲點，提高裝置的透明度，使裝置更加實用高效。

3.2.2 智慧教育云平臺

系統由云基礎系統、云儲存系統和云應用系統組成。把云平臺系統的數據，提供給其他的應用系統。智慧教育云平臺，不僅是一個數據處理中樞，而且是一個非常靈活的平臺。首先，本系統是可以自行定義通訊數據交換格式，也就是說，在云平臺上，可以兼容各種不同的適配類型，唯一需要的是，數據描述必須符合云平臺規范；其次，本系統可以保證能很好的支持百萬級的適配器連接，高效收發數據；還有，本系統可以支持不同的應用接入，能夠很好的支持這些應用系統去進行數據交換。具體特點如下：

(1)一個裝置(設備)實驗室，無論他有多少種產品，都可以只使用一個基礎平臺；

(2)在智慧教育云平臺上，可以分別展現所有客戶的所有裝置(設備)的運行情況；

(3)在智慧教育云平臺上，可以建立一系列的關聯關系，無論他們是不是同一個裝置，甚至是不是同一個客戶；

(4)在智慧教育云平臺上，可以根據關聯關系和數據特征，任意設置預警條件。

圖1 無線及云平臺系統構架

3.3 智能倉儲技術

化工綜合實驗系統中的智能倉儲部分，主要有四個層面構成：功能組件層、服務器層、應用層、無線層。具體結構如圖2所示。

(1)功能組件層包含：功能組件對象、信息收集終端(RFID讀寫器)。功能組件包含，所有化工綜合實驗裝置中的所有組成部分，例如：管件、工藝閥門、自控閥門、化工單元設備(反應釜、精餾塔等)。每個組件都有唯一的電子芯片，用于身份識別及自身信息記錄。每個功能組件的信息被RFID讀寫器實時采集上傳到過程以太網[2]。

(2)服務器層包含：數據庫服務器、網絡服務器、WAP服務

器。所有組件的身份信息，通過數據服務器存儲到數據庫中。網絡服務器與WAP服務器，分別提供應用層的訪問和無線端的訪問服務

(3)應用層包含：教師端、學生端PC，以及打印機等附屬設備。學生可以通過應用層的PC(學生端)，訪問在線課程及組件管理平臺。在平臺中，學生可以根據自己的設計方案，調用3D功能組件模型，在線搭建3D實驗平臺，在線3D組件模型與實物是一一對應的關系，在線模型搭建好后，學生可以在平臺完成組件申領、實驗時間安排等一系列流程。教師可以通過平臺，修改學生的設計并提出相關意見。平臺根據統計分析，會自動分配所需組件到相應的實驗組。學生根據組件和設計方案，自行組裝實驗裝置并完成驗證實驗。完成實驗后根據要求將裝置恢復成組件，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發射終端、移動智能終端(智能手機、平板電腦)等。學生通過智能移動終端，實時訪問WAP服務器，可以在線了解實驗申請流程進度、接受教師反饋意見、查看實驗課程安排時間表、下載實驗數據報告等。

圖2 自能倉儲系統構架

4 結束語

本套系統站在教師、學生、學校三方面角度來設計，旨在培養學生解決復雜工程問題的能力，為提高我國化工行業工程教育質量，為提升中國化工專業工程教育國際競爭力服務。

[1]宋 文,王 兵,周應賓.無線傳感器網絡技術與應用[M]. 北京:電子工業出版社,2007.

[2]康 東,石喜勤,李勇鵬.射頻識別核心技術與典型應用開發案例[M].北京:人民郵政出版社,2008.