智能化学化工实验室设计研究

【摘要】2技术基础 该智能化学化工实验室基于物联网技术［6］而建立起来，主要围绕数字化化工实验室组建了六个监测、控制模块—空气处理系统、公用工程管理系统、防火预警系统、监控系统、...

摘要:智能实验室的研究大多数还处于概念研究阶段，研究成果应用的领域还比较狭窄，尤其是在化学、化工实验室智能化方面还是空白。在化学、化工实验教学与研究过程中，满足传统展示、操作、实验和教学等基本功能的同时，以“人+设备+云”的架构，运用现代科技手段将集成数字实验室、空气处理系统、公用工程管理系统、监控系统、防火预警系统、三废监测系统、仓库管理系统等七个功能模块进行关联，实现实验过程的全自动化操作。

关键词:实验室;智能;自动化

目前，国内外高校及科研院所对智能实验室的研究，大多数还处于理论研究之中，付诸实践建设成的比较少。目前对于智能化学化工实验室的研究，主要体现在以下几个方面:一是对智能化学化工实验室实现功能的研究。智能化学、化工实验室作为一种新型概念，在国内外还没有统一的标准，如何建、怎样建、应该具备什么功能、怎么实现其功能、如何实现其智能化管理等，这些问题是在智能化学化工实验室建设中亟待解决的［1］。二是对实验室管理系统软件的研究。传统的实验室管理主要是以人工管理为主，依靠实验管理人员的监管，根据实验项目对实验仪器、实验耗材进行调配，保证实验教学的日常运行。随着高等教育的不断普及，学生的增多使得这一传统的管理方式显得捉襟见肘［2］。实验室管理系统软件的研究及开发能大大提高管理工作效率，提升管理和服务水平，充分发挥实验室各种资源的作用，整合实验室相关工作和业务，使实验室管理更加科学化、规范化［3］。例如:2014年7月，上海交通大学－泰克智能实验室正式揭幕，成为全球第一个通过无线网络来大规模管理实验室的智能实验室［4］。三是已建成的智能实验室大多是信息技术智能化实验室，清华大学于2009年建成多媒体信号与智能信息处理实验室，但侧重于对音频信号中所蕴含的信息进行处理和使用;2014年国内首个工业4．0－智能工厂实验室在同济大学建成，但侧重于工业制造［5］;厦门大学的智能数据分析与处理实验室，主要是从事智能信号/数据分析与处理的基本方法与应用研究。目前，对智能实验室的研究大多数还处于概念研究阶段，研究成果应用的领域还比较狭窄，尤其是在化学、化工实验室智能化方面还是空白，因此本文的研究将在智能化学化工实验室研究方面起到补充、引领和指导作用。

1系统概述

本智能化学化工实验室系统共有:数字实验室、公用工程管理系统、空气处理系统、防火预警系统、监控系统、三废监测系统以及仓管系统，各功能模块可以任意选择组合，并根据个体需要进行拓展建设。在该智能化工化学实验室系统中，实行分级管理、远程监控处理、移动互联互通。总逻辑图见图1。其中，数字实训室模块通过“人机交互”、网络远程作业等技术提高了实验室使用效率，降低了操作人员及管理人员的风险;实验室空气处理系统模块、实验室三废监测系统对实验室中的操作区、中控区、排放区等区域的水、气环境进行报警监测，并通过通风、稀释、调整实验工艺等方法进行处理，保证了实验室内部及周边的环境的优化;防火预警系统、公用工程管理系统、监控系统三模块对实验室的水、电、气进行实时监控和预警，保证实验室的水、电、气的安全高效使用，确保实验设备、设施安全;实验室仓管系统可以对设备设施的配件、实验用品及成品的存放进行实时监控及适时调配，保证设备设施配件的及时更换维修、实验物品高效使用及安全存放.

2技术基础

该智能化学化工实验室基于物联网技术［6］而建立起来，主要围绕数字化化工实验室组建了六个监测、控制模块—空气处理系统、公用工程管理系统、防火预警系统、监控系统、三废监测系统、仓库管理系统。通过互联网技术，将实验、实训物品、仪器结合在一起，进而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

3建设标准

为了建设国内一流化学、化工实验室，培养达到国际标准的高水平化工专业人才，使毕业生具有国际竞争力，该智能实验室按照当前最先进的物联网技术及国际实验室人才培养要求(《华盛顿协议》)来建设。该协议是国际工程师互认体系的六个协议中最具权威性、国际化程度较高、体系较为完整的“协议”，是加入其他相关协议的门槛和基础［7］。ABET是《华盛顿协议》的6个发起工程组织之一，是AccreditationBoardforEngineeringandTechnology(美国工程与技术鉴定委员会)的简称，创建于1932年，是专门从事工程(Engineering)、技术(Technology)、电脑(Computing)、应用科学(AppliedScience)四大领域的学术机构工程及技术教育认证的民间机构，具有公正性与权威性，并且它的专业鉴定已获得国际认可［8］。2014年华东理工大学(化学工程与工艺专业)通过了ABET化学工程人才培养质量认证［9］。该智能实验室系统依照华东理工大学化工实验室的标准来创建，计划未来能成为ABET认证的国内一流实验室。

4智能实验室系统组成

4．1数字实验室

该模块包括化工实验室功能介绍，化工实验室设备信息，实验数据收集、分析、共享平台，作业上传及成绩平台等功能，管理、操作人员可以通过相关功能对实验室进行基本的了解、自我培训考核及实验数据分析，如图2所示.

4．2实验室空气处理系统

该模块包括操作区空气检测系统、中控区空气检测系统、通风换气系统三个子模块，主要检测处理化工实验室内空气。可通过检测仪表对有毒有害气体、可燃气体、PM2．5等污染物进行检测，并通过通风及净化装置根据循环量、正压值、颗粒数等标准进行换气、净化处理。如图3所示。

4．3实验室公用工程管理系统

该模块包括水源智能管理、电源智能管理和气源智能管理三个功能。可以通过流量计、压力表、自动阀门等仪表阀门对水量、电量、气量，水压、电压、气压进行监测记录，保证泄漏发生时及时切断相关阀门，避免浪费及发生严重事故。如图4所示。

4．4防火预警系统

该模块中包含烟气感应系统、温度感应系统、水幕系统三个子系统，可以对烟雾、温度、火焰等感应，及时采取报警、喷淋措施，切断相关电、气等管路，打开或关闭相关安全门。如图5所示。

4．5实验室监控系统

该模块包含防盗系统、设备监控等功能，可对实验室的关键点进行安全监控，防止实验室的财产损失;可以监测设备内部，方便实验时的观察，便于实验的安全顺利进行及设备的及时维护。如图6所示。

4．6实验室三废监测系统

该模块包含废水、废气、噪音的监测等三个子系统。可以对实验室的“三废”的排放进行监测，以便及时通过通风、净化及调整实验工艺等方法保证排放的达标，不对周边环境造成污染。如图7所示。

4．7实验室仓管系统

该模块由设备零配件、设备消耗品、成品管理三个子系统组成。可以实现设备设施的配件、实验用品及成品的存放进行实时监控及适时调配，保证设备设施配件的及时更换维修，实验物品高效使用及安全存放。如图8所示。

5结论

本文对智能化学化工实验室进行了初步设计，对智能化学化工实验室研究起到补充、引领和指导作用，其研究过程、意义将在以下几个方面产生重要影响:

5．1有助于为智能化学化工实验室标准化的建立提供参考和支撑

目前，各高校及科研院所对智能化学化工实验室的概念及其实现功能还没有统一的认识，各单位研究的重点也不一致，本文提出的智能化学化工实验室，将集成数字实验室、空气处理系统、公用工程管理系统、防火预警系统、监控系统、三废监测系统和仓管系统，实现有机融合，针对实验人员准入管理、实验仪器设施管理、实验课程管理、实验过程控制、实验环境监测和仓库管理等多个方面，提出了智能化方案，将为智能化学化工实验室标准化的建立提供依据和参考。

5．2有助于填补国内化学化工智能实验室研究方面的空白

目前化学、化工实验过程智能化研究方面还是空白，鉴于化学、化工实验过程及实验药品的危险性、实验过程产生三废、实验过程意外情况紧急控制等原因，化学、化工实验过程的智能化将显得尤为重要。该研究将有助于填补国内外化学、化工实验室智能化研究的空白。

5．3有助于降低管理成本，提升实验管理效率

当前我国高等教育的资源并不是很丰富，高校实验室的实验设备相对于学生数量来说并不是很足，依托信息化技术的智能化学化工实验室将有助于减轻对人工的依赖，通过实验室的开放增加学生动手实践的锻炼机会，提升实验室利用率和使用效率，降低管理成本。

作者：刘海龙 何璐红 赵扬 赵丹丹 单位：河南应用技术职业学院