梁飞超

(天津市赛维尔科技有限公司 天津300100)

我国正在向科技强国迈进，现代化实验室则是科技创新的基础保障设施，完成各类高精尖的科学实验都离不开安全有效的实验室环境。建设一个安全性高、可视化强的智慧实验室，将给科研工作者提供更加有力的科学探索武器，促进“中国制造”到“中国智造”的升级。我国实验室行业经过30多年的发展与前行，结合国内外实验室领域的建设理念和经验，与时俱进，不断创新。本文将电气自动化技术与实验室建设相结合，形成促进实验室智能化水平进一步提升的重要途径，从而为优化升级相关实验工作研发环节，实现实验室行业的持续发展提供新的经验。

1 实验室智慧电气自动化的发展现状

当代实验室电气自动化还处于发展阶段，大致可 以分为：

第一阶段，实验室电气自动化系统采用市电配合室内配电箱空开供电，无自动化概念；

第二阶段，实验室电气自动化系统在第一阶段的基础上，配置了等电位系统、UPS不间断电源系统，室内电气漏电保护装置系统等，初步实现电气半自动化基础；

第三阶段，实验室电气自动化系统采用现代物联网技术、PLC逻辑监控管理、红外人体感应技术及智慧实验室互生平台，对实验室电气自动化系统进行生态系统建设，通过现代科技监控、管理、预警实验室运行过程中的安全性问题，保障实验室科研人员的安全健康，提高实验科研工作的成果转换率。

目前实验室电气自动化在运行管理过程中存在以下几点问题：①运行安全问题，近年来实验室安全 故障频发，电气自动化安全检测及应对措施不到位；②运行稳定问题，现在实验仪器自身价值越来越高，设备运行环境温湿度、电气电压稳定性等无法得到监控管理，不能有效实时获取仪器状态；③运行能耗问题，实验室内空调设备、通排风设备、环境温湿度控制等无法做到自动化管理，针对有人无人状态和有无实验工作状态无法实时控制管理，能耗问题无法做到可视化，实验室运行一直处于“闭眼”运行的状态。

2 实验室智慧电气自动化的运行分析

随着科技强国战略部署的推进，大众对于实验室的认知度越来越高，从中国重点实验室建设到科研高校教学实验室的建设，正在一步一步推动着人类社会的发展进步。每个人的衣食住行都离不开实验室和科研工作人员的创新，实验室是保障我们安全生活、生产的基石。因此实验室的电气自动化尤为重要，实现电气自动化既可保证实验结果的有效性、安全性、真实性，又能保证科研工作者的健康安全。

2.1 运行安全问题分析

实验室电气自动化安全运行问题主要包含以下几个方面：①实验室仪器设备电气线路在设计、安装上存在安全隐患；②实验室电气自动化没有设置必要的自动化安全保证技术措施(浓度传感器、联动控制系统、紧急切断应急系统)，或者安全措施失效；③实验室电气自动化配置方案过时或不当，导致实验室运行环境安全无法保证；④实验室电气自动化可视化数据显示及存储记录不能满足日渐提升的实验室运行维护需求，部分数据溯源比对依据性差；⑤实验室电气自动化无自检自启；⑥实验室电气自动化无法实现可视化运行，仪器设备等运行状态、实验环境状态无法读取显示及记录分析。

2.2 运行稳定问题分析

实验室电气自动化运行稳定性问题主要为电压和频率的不稳定，一个是电压偏差，一个是电压波动。电气系统不稳定，对实验仪器检测结果及仪器自身运行易造成不良后果，严重时更易导致仪器设备损坏故障。在实验室室内工艺电气配置时考虑设备系统配置，保障电气运行稳定性。

2.3 运行能耗问题分析

实验室电气自动化能耗问题主要包含以下几个方面：①实验室环境辅助设备系统电气自动化管理水平较低，设备运行配置逻辑性差，造成能源消耗较大；②实验室通排风设备系统电气自动化水平低，无法有效判定有人无人情况和有无实验室运行情况，并做出应对运行方式，造成能源浪费较大；③实验室电气自动化可视性低，设备系统能源监控管理系统未建立，不能在大数据下分析记录设备运行能耗，还处于“机械化”管理模式。

3 实验室智慧电气自动化的应用

实验室智慧电气自动化应用除高校教学实验室外，还有一些属于企业、行业自主机密性研究实验室。智慧电气自动化是在网络技术开发研究的基础上进行，所以在网络配置上应考虑内网及外网的不同需求进行配置。在网络安全管理的基础上，实验设备系统可以采用无线技术、5G通信技术进行硬件、软件、数据的保存传输等。实验室仪器数据宜采用内网传输，保障实验室信息的安全性。

3.1 运行安全问题应用研究

搭建智慧实验室电气自动化系统，以安全运行为第一出发点，提出以下应用措施，实现电气自动化的应用研究。

①实验室仪器设备电气线路在设计时应考虑每个回路用电负荷、同时使用系数等，在设计断路器、电线线管时充分考虑用电冗余(考虑到实验室在运行过程中，可能增设实验设备仪器，冗余宜在10%以上)，实验室室内仪器供电每一路供电宜采用不低于4mm2的BV线，考虑每路线路的冗余(若仪器负荷较大则需采用电流计算所得数据选用电线)。实验室仪器用电应与实验室照明及实验室设备系统(空调、风机、空压机等)3项相互独立。在大型贵重精密仪器设备供电前段宜设置稳压不间断的电源装置，保障精密仪器运行安全。实验室内及附属设备用房内应设置等电位接地系统，接地电阻值不宜大于1Ω。

②实验室电气自动化安装上应严格按照规范 要求进行安装对接，并做好线路系统通电调试验收记录。

③实验室电气自动化应根据实验室内实验运行过程中涉及到的相关气体种类配置对应的浓度传感器(例如：氢气、乙炔、甲烷、丙烷等)，将其设置在房间内或各用气点位置，安装高度根据气体密度调整。浓度传感器应联动报警系统及通排风控制系统，在接受浓度传感器反馈信号后，及时有效地加大房间内换气，将室内浓度降低至安全指标内，并发送报警信息，通知科研人员有序及时撤离，并由专业安全管理人员进行事故应对处理。可燃性气体应放置在防爆气瓶柜内，根据实验室运行安全要求，宜在气瓶柜内钢瓶接口处设置气动关断装置，接受浓度传感器的反馈信号后，及时关断气瓶供气。以上所有传感器、制动装置及联动装置均通过信息采集、网络化链接进行集中统一可视化显示管理，给实验室安全运行提供有力保障。

④实验室电气自动化应根据不同的实验室环境需求进行配置电气自动化方案，电气自动化方案中应对门体开关状态、房间温湿度状态、房间压力梯度、房间照明灯具开启状态、实验室空调机组运行状态、暖通模拟量(开关量)阀门状态、灭菌杀毒装置(臭氧发生器、紫外线灭菌灯)运行状态、过滤器使用状态、风机运行状态、电加热器运行状态等进行实时监控管理，可实现运行状态可视化，设备输入输出量可视化，设备运行能耗可视化。

⑤实验室智慧电气自动化可视化应具有自检自启，由使用部门设定自检自启时间周期，在假期及实验空置期对实验室进行预运行及记录上报隐患问题，并通知维护维保人员及时进行维护保养，降低安全事故率。

⑥实验室智慧电气自动化应结合组态软件等进行智慧自动化平台组建，通过各项传感器等反馈信息在PC机或手机客户终端机上实现电子自动化信息可视化呈现，对实验室环境指标监控(温湿度、压力、洁净度、PM2.5浓度、CO2浓度)、设备运行状态等进行可视化管理。

3.2 运行稳定问题应用研究

实验室电气自动化运行稳定性问题主要为电压和频率的稳定，针对科研实验室中贵重精密仪器(气相色谱仪、气质联动色谱仪等)的电气自动化系统需要稳定性极高，电气系统不稳定对实验仪器检测结果及仪器自身运行易造成不良后果，严重时更易导致仪器设备损坏故障。在实验室供电系统始端增加一个满足实验室负荷容量的UPS不间断电源装置，保障电气系统稳定性。UPS电源宜单独一个房间，设置独立开启的空调系统，降低部分地区因过渡季节，中央空调无法满足制冷降温的环境要求，保障实验室电气系统及UPS电源设备的运行稳定性。

3.3 运行能耗问题应用研究

实验室智慧电气自动化能耗问题一直困扰着实验室的运行，实验室运行能耗远远高出同面积办公室的数十倍，若1间实验室升级为1栋实验楼，产生的功耗问题就比较明显。

针对实验室智慧电气自动化能耗管理系统应用 应组建以下几项模块系统，实现能耗管理记录监控的可视化运行。

3.3.1 数据库管理模块

数据库管理模块提供数据查询手段，可方便查询各个设备、各个时间段的历史数据，数据的显示可以表格、柱状图、饼状图等方式提供。按照分类要求或设备类型对记录数据分类统计。应具有历史数据备份的记录棒或云盘储存(根据企业涉密性要求)，便于数据查询追溯。

3.3.2 用户管理模块

为便于实时监控电气系统的安全稳定运行，根据操作人员的技术水平及管理权限，对用户名、口令、操作权限、监控范围等进行分级分类设置，对重要的控制使用口令密码确认方式，对操作员的重要操作给予记录。

3.3.3 人机接口模块

管理人员通过HUI交互屏幕查看画面，可以形象直观地观察各种实时采集的数据，以及系统和各运行设备的实际运行情况，并可以了解历史以及当前观察对象的变化趋势，还可直接在画面上实现远程开关、调节、设定及手动紧急锁定等操作。

3.3.4 自动化子画面编制

自动化系统应根据采集信息分类分量进行编辑显示，可针对实验室分层、分系统或分设备进行结构树状显示，使得管理人员可以随时查看相关数据，方便地进行设备的能耗监控。

3.3.5 数据线性显示模块

自动化系统根据用户需求，应可提供实时曲线和历史曲线，方便用户直观地查看回路的电压、电流、有功功率、无功功率、频率、有功电度和无功电度等电力参数的趋势。

3.3.6 报表管理模块

自动化系统实时采集电力系统中重要的遥测数据，进行统计、分析后实时保存在数据库中。电力参数数据可以以报表形式进行分类查询和打印输出。

3.3.7 电量计量模块

电量计量模块完成对不同线路电能数据的采集，并通过灵活设置不同时间段的复费率，计算出各类电量小时、日、月、年度以及峰谷平电量，并提供所有设备的能耗分析，据此进行节能潜力分析且提出节能建议指导。

电子自动化系统具有查询功能，通过输入检索条件，可以查询到历史日统计电量、历史月统计电量、历史年统计电量。

3.3.8 事故查询模块

事故查询功能在电力系统发生故障后启动，通过对数据库全部或部分实时信息进行分析和显示，为用户分析事故原因提供必要的信息。软件通过对事故发生时保存在数据库中的历史数据进行分析，以曲线、表格等形式展现出来，供用户使用，以便采取相应措施。软件可显示某一事故时间的前后帧数据。

3.3.9 自动化系统组件

1个数据服务器，为网络管理；

1个带专门发送报警短信的报警终端；

1个生成图形及报告的打印机；

1个UPS不间断电源；

PLC、HMI和I/O模块之间通信用的网络，至独立控制系统的接口界面；

1组综合控制柜，含各类元器件+终端显示器。

4 结语

我国科技发展进程中，实验室为科技发展提供了基础环境，实验室智慧电气自动化让传统实验室升级为可视化实验室，提升了科研人员的人身健康安全指数，实现了实验室设备环境运行的指标化、可视化，使得实验室管理人员清晰直观地观测到每一个阶段实验室的运行环境状态。电气自动化系统增加了危险性因素监测预警系统，提高了实验室安全运行的水平。为促进我国实验室行业的进一步发展，应加强相关电气自动化领域的科学研究，促进实验室电气自动化技术向智能化、安全化、通用化、可视化方向发展，为实现科技强国助力。