基于RS-485及无线局域网的在役化工实验设备信息化改造

崔 琳， 彭 勇， 丁 立

(清华大学 化学工程系 化工实验教学中心，北京 100084)

基于RS-485及无线局域网的在役化工实验设备信息化改造

崔 琳， 彭 勇， 丁 立

(清华大学 化学工程系 化工实验教学中心，北京 100084)

介绍了一种对现有化工原理实验设备进行改造，实现整个实验中心级别的实验数据自动采集功能的方法。在实验室层次使用采集站经由RS-485总线及RS-232接口进行数据采集，而后将数据汇总至中心服务器供教师和学生实时查看、分析和下载。这一数据采集网络可以提高数据采集精度和频率，减少学生用于记录数据的时间，增强实验课程课内教学效果。

化工实验； 数据采集； 实验教学； 无线局域网

0 引言

化工原理实验基础实验及综合实验是专业基础课程“化工原理”的配套实验课程，属于化工专业的基础实验课程，是化工工艺、高分子等专业的必修实验。“化工原理”是一门专业基础课，因此，国内外各高校化工相关专业均开设该课程及配套实验，但是也正由于它是专业基础课，各校化工原理实验室建设较早，多存在设备老旧、功能单一等情况[1]。就我系实验中心试验设备情况来看，多数实验装置仅配备现场显示仪表或控制器，有的仅配备直接读数型的测量仪表，仪表数据读取及操作需要在仪表柜或装置上进行，不具备现代的自动数据采集、数据自动处理等能力。

这类在役实验装置就其工作原理和性能方面，仍基本能够满足化工原理验证性实验的教学要求。但学生使用这些装置在实验过程中有诸多不便，学生往往花费相当多精力用于人工计时、记录数据，数据的记录频率、精度、准确性等有相当大不稳定性，相当于向实验结果中引入了较大的人为因素误差，对实验的结果分析产生不利影响。同时，因为需要记录数据，学生的注意力不能全部集中于实验本身，往往没有时间进行充足的思考和讨论。

化工原理实验的教学目地主要是让学生实际操作实验装置，分析实验现象和数据，了解掌握化工原理的各个单元操作。而对实验数据的准确读取及记录能力已经在诸如普通物理等基础课实验环节完成了训练，故不应作为实验的主要内容。因此，如能在实现实验数据自动采集能力，可以节省学生的一部分时间和精力，让学生更注重实验原理本身，实验过程中学生就可以进行数据分析和讨论[2]。对某些实验，例如精馏等，通过实时分析可以综合多个实验数据绘制相应的数据曲线等并直接与实验现象做比对，方便随时调整装置。

使用以往的实验报告的学习方式从原理、实验、报告分析再回到原理，其学习反馈周期很长，而有了实时数据处理能力以后，学习反馈周期可以缩短，实验效果也能够有效提升。此外，节约的时间也可以用于增加更多实验内容，可以充分利用有限的实验课时。

化工原理实验内容丰富，需要装置数量较多，多为定制型装置，将装置本身全部更新一方面限于条件短期内无法实现，另一方面也实无必要。因此为实现上述的数据自动采集，在部分实验室进行了信息化改造的尝试，以现有技术装置为基础，添加少量硬件设备，辅以软件配套，实现装置整体的数据采集自动化。

1 硬件部分

1.1 数据采集网络结构

实验中心各个实验分布在同一建筑内相邻的若干较小的实验室房间，各个房间没有网络连接。为实现全实验中心各个实验装置的自动化数据采集，同时避免进行大量硬件布线工作，不使用常用的PLC方案[3-4]及直接计算机采集数据方案[5-7]，而是设计使用了如图1所示的数据采集网络。

图1 数据采集网络硬件结构图

每个实验室有一台计算机采集站负责采集本室的各仪表数据，实验楼内架设无线局域网，各数据采集站通过无线网络将数据同步至中心数据服务器。各采集站负责进行与仪表的通信采集工作，不长期保存实验数据。数据的保存、读取、下载等均使用中心服务器。中心服务器以Web Server形式提供数据服务，教师、学生均可访问实验数据。该中心服务器与现有的开放实验预约服务器连接，可以使用学生的实验预约信息进行访问许可管理，学生仅可以访问自己实验时间段内的实验数据。

1.2 数据采集接口

化工原理实验中需要采集的数据有温度、压力、质量、流量等，在实验中心的大部分实验装置上，这些常规实验参数的测量已经逐步使用显示仪表取代了直接测量式仪表，各参数已经被仪表转换成模拟电信号。数据采集站进行数据自动采集首先需要计算机与这些仪表的数据通信接口。

在各种通信接口中，RS-485通信接口是一种被智能仪表广泛使用的数据通信接口[8-10]。它诞生于20世纪80年代，是一种成熟可靠的低成本通信电气标准。RS-485接口标准仅定义了通信的电气规范，因此可以实现从最简单的点对点通信到复杂的现场总线通信等各种通信模式。RS-485通信标准是一种两线制总线型通信标准，允许在一条双线的总线上接多台设备构成数据通信网络，具有抗干扰能力强，带负载能力强，线路连接方式简单等优点，非常适合工业应用中数据通信，因此，在数字化仪表中被广泛采用，成为数显仪表的标准配置已经有了10年以上的历史。

经检查确认，中心现有的数字式显示、控制仪表大部分都带有RS-485串行通信接口或预留了RS-485通信模块的位置。因此，硬件通信方案主要使用RS-485通信接口，并给现有仪表配齐了RS-485模块，把所有带有RS-485接口的仪表接入实验室内的RS-485数据采集总线。部分仪表没有RS-485接口的，使用单独的模拟信号转RS-485的接口模块，也可以接入485通信总线。

数据采集站计算机使用RS-485转USB的方式连接RS-485采集总线，由于RS-485是总线型通信协议，故一台采集站就可以连接整个实验室的全部RS-485仪表。

部分实验室另有少量使用RS-232接口的设备，RS-232是PC机的标准接口，可以直接接入采集站计算机，但是它是点对点型通信接口，不能一对多，因此，若设备数量少于2个，可以直接使用计算机上自带的2个RS-232接口；如果数量较多，则使用RS-232转USB转接附件接入。

数据采集站计算机基本不需要与人员进行交互，无需显示器、键盘等人机设备。由于它也不进行计算任务，故对其性能要求很低。为降低成本，实际使用的是其他实验室淘汰的旧计算机，并加装了无线网卡实现无线通信。

中心服务器通过无线局域网与各个采集站联系，只要一台硬件配置达到当前主流水平的计算机即可，无需特殊硬件。

综上，系统硬件改造部分工作量并不多，包括部分仪表的更换，RS-485数据采集的布线和计算机采集站、服务器的准备。信息化改造的主要工作是软件配套。

2 软件配套

2.1 软件整体结构设计

中心实验室信息化改造的主要目的是代替人工数据采集，并提供一定程度的实时数据处理能力，为学生现场分析数据提供可能。为满足以上需求，需要设计软件系统与数据采集网络配合。根据上述硬件平台的系统结构，软件系统也被设计为2个层次：实验室数据采集站软件和中心服务器软件，其中中心服务器软件又可以分为数据同步存储部分和用户界面两部分。这些软件在不同层级上分别完成不同任务。

2.2 数据采集站软件设计

数据采集站的软件需求有2项：使用RS-485通信接口从各个仪表采集数据，向服务器传送采集到的数据。虽然实验室现有仪表均带有RS-485数据采集接口，但由于设备制造时间，采用的仪表批次等均不同，RS-485通信指令也存在大同小异的现象，而且各个实验内容中需要采集的数据点，数据的数值换算，采集频率等也都不同，需要逐个定义，因此，软件需要逐个进行适配。

数据采集站需要连接RS-485通信电缆，需要摆放在实验室内，但是为避免干扰学生实验，也避免数据采集任务被意外中断，所以不配备显示器、键盘等人机交互设备，学生不能操作数据采集站，所以需要采集站软件能够进行无人值守全自动运行。采集站的数据最终会汇总到服务器，数据的上传方式一般有2种：可以使用采集站定期或实时自动上传数据，或服务器轮询各个采集站进行数据收取。考虑到服务器负载、数据有效性和安全性，采用了服务器轮询的方式。这种方式由服务器控制数据上传活动，在每个时刻只与一个采集站通信，避免各个采集站竞争的情况。同时各个采集站也必须具备自己的数据缓存，这样在服务器故障时，数据仍能够保持完整，保障了系统安全。采集站软件的模块结构如图2所示。

图2 数据采集站软件模块

仪表通信模块从配置文件读取一个实验室需要采集的仪表的配置信息，包括采集的各点的数据类型，通信地址，采集频率，数据单位换算方法，数据采集指令等，而后按照读取到的配置信息进行对各个仪表进行定时轮询式数据采集。数据缓存处理模块将采集到的数据保存到采集站上的缓存数据库，同时也提供数据访问接口供其他模块访问数据。保存的数据包括原始数据，变换后对应的实际物理量数据，仪表地址，采集时间等。数据服务模块与无线局域网连接，接受来自服务器的数据传输命令。每次收到数据传输命令后，通过数据缓存处理模块访问缓存数据库，将最新的数据返回给服务器。等待服务器确认后，将已传送的数据标注为已传送，而后归档储存，以备数据恢复时使用。

采集站软件以 HTTP服务的形式开机自动运行，无需人工干预。这一软件模式将来可以增加新的服务内容，例如来自服务器的对仪表的操作命令。或来自学生或教师的对历史缓存的原始数据的访问等。

2.3 中心服务器软件设计

服务器软件可以分为图3所示的若干模块。

图3 中心服务器软件模块

数据采集模块根据系统配置信息，按照一定的频率轮询各个数据采集站，发送数据采集命令，接受返回的数据并向采集站发送确认信息；数据库同步模块负责将各个采集站采集回的数据存入中央数据库，并负责进行数据有效性、重复性检查；数据库访问模块也提供接口供其他模块检索其中的数据；用户权限管理模块负责与现有的实验预约系统连接，获取各学生用户可以访问的来源采集站和数据时间段，并提供接口将获取到的权限数据供其他模块使用；用户接口模块在以上两个模块提供的接口基础上，以HTTP服务的形式提供给用户各种数据访问、数据处理等服务。目前提供的服务有：实验数据表格浏览、趋势图显示、数据下载3项主要服务。HTTP服务可以使用Web浏览器通过网络访问，用户不需要安装客户端软件，所以学生和教师可以很方便地使用个人计算机或智能手机等设备经无线局域网连接数据服务器，实时查看实验数据、趋势。考虑到系统需要兼容小屏幕的智能手机等移动终端，系统界面尽可能地使用了简洁的模式。

3 系统使用

目前整个实验中心的改造仍在逐步进行中，已经进行改造的实验装置包括干燥实验、管路流体实验等几个[11]。以干燥实验中的红外干燥实验环节为例，干燥实验是化工原理基础实验的一个必修环节，红外干燥实验的原有内容是对一份干重1 g左右，湿重3～5 g的湿润的试样在红外干燥器中进行干燥，记录从开始至干燥完成过程中各时刻的时间及试样的质量，进而获取试样的干燥曲线与干燥速率曲线，了解和掌握干燥这一传质过程的特性[12]。

实验所得干燥速率曲线上应有2个明显转折点，为取得理想实验数据，需清楚地显现干燥曲线的这一特征，整个曲线应由至少30个以上数据点拟合而成。由于试样整体质量较小，视红外干燥器的输出功率大小，每次干燥过程可以在6～20 min完成。

以往学生进行实验过程中，学生需要2人配合，1人看表读数，另1人持纸笔记录。如在干燥功率较大情况下，实验过程在不到10 min即完成，平均每个数据的时间间隔不足20 s或更短，对时间的记录很难保证精确。因此，一般学生都会选择较小红外加热功率来延长实验时间，避免数据的过大误差。这样整个实验课可以进行的干燥次数多为4～6次，可以进行对比测试、重复测试的试样种类和干燥条件都比较有限。而且整个实验过程学生都在忙于记录数据，无暇观察和思考。

改用计算机自动记录以后。数据记录频率可以提高至2 s/次，时间与物料质量同步获取，数据记录误差大大缩小。随数据记录时间间隔的缩短，每次实验所获取到的数据量也大大增加，实验结果拟合曲线的精确度有明显提高。而且由于数据采样速度提高，允许使用较短的时间完成每次干燥过程，以及进行更多样的实验条件比对和不同试样的比对，学生可以测试各种不同物料、不同干燥条件下的干燥过程进行比对分析。

4 结 语

我中心进行的对现有设备的改造过程以现有设备为基础，进行少量硬件变更，辅以配套软件，实现了部分设备的数据自动采集和处理。这一改造避免了对现有实验内容的影响，在不影响实验课程的情况下，增强了试验设备的可用性，使得在现有设备基础上可以更好地开展实验教学工作。自动化数据采集把学生从机械地进行实验数据记录活动中解放出来，在有限的实验课时内，学生可以把更多精力和时间放到对实验原理的思考、实验现象的观察、实验数据的讨论中，有效地提升了实验教学环节的教学效果。这一改造需要的软硬件成本并不高，适合一些设备不易更换的基础实验设备、老旧实验设备采用。

目前的改造仅限于自动读取实验数据，但是现有数据采集网络完全支持对仪表的控制。只要在现有软件系统中增加相应功能模块，即可对可以控制输出的环节，例如干燥实验中的温度控制等，实现在线监控、调整等操作。

这一改造大幅度减少了学生记录数据的时间，对某些实验而言相当于大量增加了有效实验时间，故需要向实验课程增加更多实验内容来填充实验时间，因此对实验课程的设计提出了新的挑战，这也是实验中心下一步要进行的主要工作内容。

[1] 杨祖荣, 陈旭东, 曹仲义, 等. 谈谈化工原理实验室的改造与创新[J]. 化工高等教育, 2003(2):55-56,40.

[2] 田文德, 秦 华, 王晓红. 化工原理实验装置的数据采集与监控[J]. 化工高等教育, 2007(6)：79-82.

[3] 王鑫国, 郝丽丽, 陆金桂. 基于PLC的精馏实验装置研究与开发[J]. 化工自动化及仪表, 2010, 37(12):122-125.

[4] 孙 艳. 基于PLC的数据采集监控实验系统研究[J]. 微型机与应用, 2013,32(11):92-94

[5] 赵延龄, 蒲艳玲. 精馏实验数据处理软件的开发与应用[J], 实验技术与管理, 2005,22(6):56-58.

[6] 林起提, 冯 毅. 教学用精馏实验装置数据采集系统的研究[J]. 广东化工, 2006,33(9):23-24,31.

[7] 梁学进, 左光远. 实验设备数据采集应用软件的设计[J]. 石油仪器, 2004(4):49-51,67.

[8] 杨亦荣, 朱善安. 基于RS-485总线的集散式电机控制实验系统[J]. 实验室研究与探索, 2002, 21(5):53-55.

[9] 张 辉, 马建华. 基于485总线的教学实验系统设计与开发[J]. 微处理机, 2008(5):165-168.

[10] 段文秀. 基于RS-485和RS-232的室内实验土壤温湿度测试仪设计[J]. 实验室研究与探索, 2012,31(8):10-12.

[11] 李浩璇, 龙云飞, 康 洪, 等. 化工原理干燥实验的设备改造[J]. 实验室研究与探索, 2007, 26(4):45-48.

[12] 刘嘉智, 焦士龙, 楮治德, 等. 红外干燥实验研究和三阶段干燥理论分析[J]. 天津大学学报, 1997, 30(2):223-230.

·名人名言·

我们应该不虚度一生，应该能够说，“我已经做了我能做的事。”

——居里夫人

The Approach of Informatization on the Existing Chemical Engineering Experiment Equipment Based on RS-485 and Wireless Network

CUILin，PENGYong,DINGLi

(Chemical Engineering Experiment and Teaching Center, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In this paper, the authors presented an approach of modifying the existing chemical engineering experiments equipment. After the modification, students and teachers can acquire the experiment data via a unified data transfer network which covers the whole experiment center. The data were acquired via RS-485 and RS-232 communication interface by the data acquiring station in each laboratory. Then data acquiring stations transfer the data bundle to the data center server. The users, including students and teachers, can access the data center server, analyze, inspect and download the data online. Comparing with the manually data recording manner, the data acquiring network can increase the data accuracy and record frequency, decrease the time cost of data recording. It is helpful for improving the chemical engineering experiment education.

chemical engineering experiments; data acquisition; experiment education; wireless local network

2016-07-20

崔 琳(1975-)，男，河南济源人，博士，工程师，研究方向：实验技术，实验教学与管理，实验设备与自控。

Tel.：13661243043；E-mail: mr.cuilin@mail.tsinghua.edu.cn

彭 勇(1974-)，男，上海人，硕士，高级工程师，主要从事实验技术、实验教学与管理、实验设备与自控方面的研究。

TP 29

A

1006-7167(2017)03-0133-04