基于MCGS对高校实验室监控系统的思考与设计

【摘要】本文以集宁师范学院物理系实验室为例，对现有高校实验室的现状展开分析，结合物理系实验室的现有情况，利用组态软件MCGS的灵活性，操作界面安全易操作的等特点，对当前实验室的监控系统提出了行之有效的设计思路，并给出符合实际需求的解决方法。

【关键词】实验室现状；MCGS；监控系统

一、前言

实验室是高等院校进行教学和科学研究活动的重要场所，存放有众多种类的仪器设备，也有易燃、易爆、剧毒等危险性物品，加之使用频繁、人员集中且流动性大，常有火灾、中毒、机电伤人、环境污染等事故发生，这往往会给学校带来巨大的财产损失，有时甚至是人员的伤亡。实际调研中发现大部分学校的实验室没有监控系统，存在很大的安全隐患。其中包括实验室门禁功能，虚拟控制桌面，火灾监控、用电用水安全监控、设备药品监控以及温度、湿度、CO2浓度等环境监控。为了提高实验室安全系数、设备使用寿命以及节约能源，提出了实验室监控系统设计与实现。

近年来，高校在校生数量的增多，更加剧了安全隐患给实验室管理工作带来的困扰。在此背景下，2016年2月，经学校改革与及研究课题评审委员会评议，“基于MCGS的实验室监控系统的设计与研究（课题编号为：JGKY2016061）”获批校级自然科学一般项目，研究周期为一年，2016年2月，课题组全体成员召开了第一次工作会议，正式启动了该课题。

二、中外高校实验室现状

（一）美国多数高校实验室采用 EHS 管理系统

美国多数知名高等学府，如麻省理工学院等学校的实验管理体系是 EHS （Environment、Health and Safety） 管理系统，EHS 管理体系是环境、健康、安全的缩写，是环境管理体系（EMS）和职业健康安全管理体系（OHSMS） 两体系的整合，简称 EHS 管理体系。EHS 总部对带有技术性的安全问题进行统一管理，管理体系纵横交错，非常完善，为健康和安全提供了强有力的保障。

美国很多知名院校的实验室都采用EHS的管理理念，他们比较重视人员的健康和实验室的环境。而高校实验室也是从最初的设计建造，到后期的投入使用，都每时每刻的体现着EHS 的管理理念，像在初始规划设计的时期，需提前科学的规划出各种安全防范措施，包括消防的器材、气体的监测装置、空气的净化系统、废物的存放以及它们的回收位置等等，并且需上报EHS 总部审查批准； 在后期投入使用后，各种安全设施和标识一应俱全，实验室房门都设有明确的安全与环保警示标识、图案或告示。

（二）日本高校实验室设立安全管理机构

日本很多高等院校根据各自学校的具体情况，结合自身的特点，安排设立安全环保管理机构。比如东京大学，就根据自身的特点，设立环境安全部、保健健康部和实验委员会；比如京都大学，则根据自身的特点，设立环境安全保健机构、环境安全卫生部以及环境安全卫生委员会；而大阪大学，就利用自身的优势，设立安全卫生管理部；早稻田大学则结合自身的特点，设立校园环境宣传委员会。

其实设立的这些安全管理机构，他们的职能与国内高校的实验室设备处的管理职能类似，都是负责管理学校实验室安全。但是日本高校的安全管理机构与我国大学不同的是，这些机构普遍都是由该校副校长负责，同时成立委员会来指导这些机构开展安全管理工作和日常事务的，并且日本高校对校园的环保、安全也特别重视，并且还形成了一套具有自身特点的严格的实验室安全管理体系。

（三）德国高校实验室管理灵活重建设

德国的高等院校从实验室的规划建设初期就投入巨大，经费的来源广、资金充足、经验丰富，效率高，但管理非常严格。德国的学校包括高等院校没有特意设立的实验室管理机构，他们更注重安全项目的考核目标；他们不具备庞大的管理队伍，他们也没有安全管理模式，他们德国人更注重实验室的独立运行机制；他们对实验室开放、仪器设备利用率没有量化指标，但德国人会在建设初期对实验室，注重规划，来尽可能地满足教学、科研需要；他们务实的保留旧设备，并根据实际的需要购置新设备； 课程体系的设置也是依据人才培养的要求，没有专门的综合性、设计性实验要求，但实验教学质量有保证；没有明确的实践能力、创新能力培养的指标，却在实验室经常看得到学生的实验作品以及与企业合作研制的产品，可以感受到良好的创新氛围；无国家级优秀实验教材评选，但教授的实验讲义具有特色，及时把最新技术和研究成果写进讲义；实验场地布局合理，仪器设备布置便于教学和科研活动，不奢华但很方便使用。

（四）新加坡大学实验室安全管理要求严格

新加坡的大学一般建有 2 个专门组织负责安全管理工作。一个是环境与健康安全办公室，另一个是实验室安全和生物安全委员会。大学所有的项目负责人必须通过学校的认证，获得大学颁发的PI（ PrincipleInvestigator）证书，其所获得的各种科研经费才能够实际用来进行科学研究。没有 PI 证书，科研经费无法投入使用。进入实验室的所有人员都需要经过安全培训。所有的培训工作留有书面记录，每个系设有专职安全员。

三、集宁师范学院物理系实验室现状

物理系实验室始建于1980年，现有实验室22个分室28个，建筑面积达3000多平米，教学仪器设备总价值2628万元。主要承担物理系的三个本科专业：物理学专业、应用物理学专业、电子信息科学与技术专业和一个专科专业：供用电技术专业的实验、实训等教学任务，同时也承担其他理工科专业的大学物理课程的实验教学任务；物理系注重理论联系实践的教学模式，全系大部分教师既承担理论课的教学也参与实验教学和实验室建设工作，实验室专兼职教师共28名，其中高级实验师8名，讲师和实验师20名。

经过30多年的发展，现已形成了具有一定规模和实力的实验教学中心，除满足日常的实验教学外，还承担着学生的专业实训，毕业设计，教育实习等实践类教学活动，共能开设实验项目300多个，能很好地满足“3+1”人才培养教学模式的需求。大大地提高了学生的专业实践能力，提升了学生的就业竞争力。实验室根据专业需求与实验方向，又将其分为五个分室：

（一）基础物理实验室分室

基础物理实验室分为：力学实验室、热学实验室、电磁学实验室、光学实验室（一）、光学实验室（二）、教学法实验室、分析天平室共7个分室，仪器设备总价值303多万元。主要面向物理系物理学专业、应用物理学专业和电子信息科学与技术专业的专业基础课实验教学。共能开设100多个实验项目，实验开出率100%。其中在2005年4月自治区“双基”实验室评估中，基础物理实验室被评为自治区条件合格实验室。基础物理实验室为学生打下坚实的基本实验技能，为后续专业技术和专业实验课实践打下基础。

（二）电子电工实验室分室

电子电工实验室分为：模拟电路实验室、数字电路实验室、电工学实验室（一）、电工学实验室（二）、电力技术实验室、电器—变压器实验室、电子工艺实验室、电视机实验室、电子虚拟仿真实验室9个分室，仪器设备总价值：1058万元。主要面向物理系各专业开设的专业技术实验课程。共能开设100多个实验项目，实验开出率100%。其中在2005年4月自治区“双基”实验室评估中，电子电工实验室被评为自治区条件合格实验室。电子电工实验室为相关专业的学生提高了实验技能，为将来开设专业实验打下了基础，同时也为将来从事专业工作提高了学生的就业竞争力。

（三）近代物理实验室分室

近代物理实验室分为：近代物理实验室（一）和近代物理实验室（二），仪器设备总价值达307万元。主要面向物理学、应用物理学本科专业高年级学生的专业实验室。能开设30多个单项实验，大部分实验项目属于综合型、设计型和研究型实验项目，能反映当前新科学技术的应用型物理实验。实验涉及力、热、光、电、原子物理基础物理及理论物理，固体物理，低温超导等各个学科领域，同时也为学生的课外创新及教师科研提供有力的支撑。

（四）应用物理学专业实验室分室

应用物理学专业实验室分为：光电子实验室（一）、光电子实验室（二）和DSP创新实验室共三个分室。仪器设备总价值85万元。这三个实验室都是2015年新建的实验室、仪器设备先进，性能完善。光电子实验室以光电技术为导向，能开设多个设计性，综合性的实验项目。DSP创新实验室增加学生对数字信号处理的实践能力和创新能力。让学生会应用世界领先的DSP技术和DSP芯片，构成信息处理系统，全方位提高学生DSP应用能力。为学生的就业和各种大赛提供实验平台。实验室的建成对于教师的教学与科研能力的提升起到明显作用。

（五）电子信息科学与技术专业实验室分室

电子信息科学与技术专业实验室分为：Xilinx SoPc创新实验室、通信原理实验室（一）、通信原理实验室（二）、嵌入式—单片机实验室、传感器实验室、PLC实验室（一）、PLC实验室（二）共7个分室。仪器设备总价值875万元。这些实验仪器设备大部分是利用奥地利政府贷款购置的外国进口仪器，仪器设备先进，性能完善，为电子信息科学与技术专业的专业实践提供了优越的实验平台。嵌入式—单片机实验室是和凌阳教育集团企业共建的实验室。Xilinx SoPc创新实验室是由美国Xilinx公司和集宁师范学院共建。目前，实验室承担电子信息类专业本科生的专业课实验，课程设计，毕业设计等教学任务。实验室还为师生科研等科技实践活动提供有力的支撑。

经过长时间的摸索，物理系实验室有完善的规章制度，包括实验室管理制度、实验室人员岗位职责、实验室安全卫生制度，学生实验守则等。实验室有完善的实验课教学大纲，实验记录单及实验课成绩评定细则，有实验室年度工作计划和工作总结。但是实验室人员安全管理意识薄弱，防盗、消防安全措施陈旧老套，缺乏系统的安全管理模式，常出现校院两级信息不对称、沟通不及时的情况，而原有的定期和不定期安全检查为主的监督方式已经不能满足现有实验室安全管理的要求，目前这些问题都亟待解决。

四、基于MCGS的实验室监控系统开发的设计思路

（一）MCGS介绍

它是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象（生产过程）共同构成的整体。而组态软件具有动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、工程报表、数据与曲线等强大功能，如果可以用计算机全真模拟被控对象，不但可以克服真实被控对象的缺点，而且也能解决无实际控制对象或由于经费不足购置困难等一些问题。

同时Mod bus是目前工业领域全球最流行的协议，此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Mod bus协议作为他们之间的通讯标准。

（二）研究内容

（1）分析目前高校实验室的管理状况，对其进行研究分析，包括实验室资源和任务分析，找出实验室管理存在的问题及解决的方法；

（2）实验室监控系统的流程分析；

（3）基于MCGS平台的实验室监控系统的功能和模块设计；

（4）基于MCGS平台的开放式实验室监控系统的系统实现。

（三）拟解决的问题

基于MCGS的实验室监控以数字化、远程化监控为基础。监控系统能够识别不同的物体和监控环境，发现监控环境中的异常情况，并能够以最快和最佳的方式发出警报和提供有用信息，从而能够更加有效地协助安全人员处理危机，并最大限度地降低误报和漏报现象。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。

在实验室的安全管理中，采用的是组态软件与PLC硬件的有机结合，使实验室大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制，并对安全隐患进行预警，解放大量的实验室管理人员。

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