基于EtherCAT的實驗室信息管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

楊承熙,張洪成

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京　100191)

0　引言

實驗室信息管理系統(tǒng)(laboratory information management system，簡稱LIMS)是運用計算機網(wǎng)絡技術、快速數(shù)據(jù)處理技術、數(shù)據(jù)存儲技術等對實驗室進行全方位管理的計算機軟、硬件系統(tǒng)，為實驗室管理水平的整體提高和實驗室的全面管理提供先進的技術支持[1-2]。

近年來，LIMS系統(tǒng)作為實驗室自動化、信息化的關鍵部分，得到了飛速的發(fā)展，但仍存在諸多關鍵問題，其中實驗室設備的遠程監(jiān)控由于實驗設備種類眾多、通信協(xié)議各不相同，使得其成為LIMS系統(tǒng)建設的瓶頸[3]。傳統(tǒng)的1臺計算機控制1臺設備的解決方式成本較高，而使用集線器布線又較為復雜，且通信距離有限。因此本文提出一種基于EtherCAT實時工業(yè)總線技術來解決設備數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控問題，同時提出采用C/S、B/S混合軟件架構以保證核心功能的可靠性與實時性，并保證一般功能的統(tǒng)一和易用。

1　實驗室信息管理系統(tǒng)總體架構

1.1　遠程監(jiān)控功能拓撲結構

本系統(tǒng)的遠程監(jiān)控部分使用德國BECKHOFF公司提供的實時工業(yè)總線技術EtherCAT，與其他的工業(yè)以太網(wǎng)(如Modbus/IDA、EtherNET/IP、ProfiNET)相比，EtherCAT具有速度最快、成本較低、性能較好、網(wǎng)絡拓撲結構靈活、系統(tǒng)配置簡單、集成安全等優(yōu)點。EtherCAT可提供納秒級精確的同步，突破性地建立了新的技術標準——30 μs內(nèi)可以更新1 000個I/O數(shù)據(jù)[4]。

根據(jù)系統(tǒng)的實際需求，EtherCAT可在不同場所建立現(xiàn)場站進行數(shù)據(jù)通信，其拓撲結構如圖1所示?，F(xiàn)場站由BECKHOFF耦合器及通信模塊組成，可通過不同的通信模塊與不同的設備進行通信。信息管理系統(tǒng)軟件則通過基于PC系統(tǒng)的PLC控制軟件TwinCAT與現(xiàn)場站進行通信，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控實驗設備的功能。

1.2　信息管理系統(tǒng)軟件框架

由于對實驗數(shù)據(jù)的可靠性與實時性要求較高，且同時需要便捷地進行遠程查看、人員管理、實驗統(tǒng)計等，因此系統(tǒng)采用C/S與B/S混合架構，如圖2所示。實驗室內(nèi)部數(shù)據(jù)的采集、處理與分析以及實驗過程的控制、實驗方案管理、日志管理和實驗報告生成采用C/S架構；實驗室外部的任務查詢、實驗查看、人員及設備管理和數(shù)據(jù)查詢等采用B/S架構。

混合架構可以充分發(fā)揮兩種不同結構模式的優(yōu)點，同時避免兩種不同模式的缺點。對比單獨采用C/S或B/S架構具有如下優(yōu)點[5]：

(1) 布局合理，既保證了核心功能的可靠性與實時性，又保證了一般功能的統(tǒng)一和易用。

(2) 簡化了部分客戶端，經(jīng)濟有效地利用了系統(tǒng)資源。

(3) 保證了敏感數(shù)據(jù)的安全性。

(4) 減少系統(tǒng)維護工作量。

C/S構架使用.NET平臺的C#語言進行編程，B/S架構則基于ASP.NET進行網(wǎng)站的搭建，服務器使用數(shù)據(jù)庫管理軟件SQL SERVER與IIS進行建設和管理。

2　基于EtherCAT的數(shù)據(jù)采集功能

本實驗室信息管理系統(tǒng)要求高實時性、高可靠性，同時需要采集不同實驗設備以及實驗環(huán)境中的相關數(shù)據(jù)。由于需要進行連接的設備數(shù)量及種類多，導致接口種類繁多，存在如RS232、RS485、RJ45等不同種類的接口，如使用傳統(tǒng)的1臺工控機控制1臺設備的解決方式，成本較高、操作麻煩、可靠性及實時性均得不到保證，因此選用EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)搭建數(shù)據(jù)采集平臺，組成網(wǎng)絡化分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術用于工業(yè)現(xiàn)場的最大問題是通信效率低，而EtherCAT由于在數(shù)據(jù)幀的處理方式上進行了改進，使得其通信效率大大提高。EtherCAT使用了主從方式進行訪問，從站一般為EtherCAT從站控制器及其耦合器，主站一般為PC機或嵌入式控制器。在通信過程中，主站發(fā)送下行報文，在報文經(jīng)過從站時，從站控制器分析尋址到本機的報文，根據(jù)報文頭中的命令執(zhí)行讀入數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)命令，即從站讀取報文中的輸出數(shù)據(jù)并且將相應的輸入數(shù)據(jù)插入到同一報文的相應位置中。該過程均由從站硬件完成，僅會產(chǎn)生10 ns左右的延遲，有效地保證了系統(tǒng)的實時性。當該下行報文經(jīng)過所有從站并進行數(shù)據(jù)交換后，由EtherCAT系統(tǒng)中最后一個從站將報文返回，傳遞到主站，形成一個數(shù)據(jù)流環(huán)。正是由于這種訪問方式，使得報文中壓縮了大量的設備數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)率可達到90%以上。EtherCAT報文傳遞原理如圖3所示。

圖1　EtherCAT拓撲結構

圖2　C/S與B/S混合架構示意圖

由于設備位置的不同、設備接口種類的多樣化以及數(shù)據(jù)采集的具體需求，選擇1個主站、多個從站的通信方式。其中從站由EtherCAT耦合器及相應的I/O端子構成；而主站為一臺安裝TwinCAT軟件的工控機，可實現(xiàn)報文的發(fā)送和接收、數(shù)據(jù)的處理和傳輸。

從站中耦合器將來自以太網(wǎng)的傳遞報文轉換為EtherCAT總線信號，并傳遞到其后的I/O端子中。耦合器擁有多個以太網(wǎng)接口，除了可以直接與以太網(wǎng)相連外，還可連接其他EtherCAT設備。從站中的I/O端子與各需進行監(jiān)控的實驗設備進行通信。

圖3　EtherCAT報文傳遞原理

主站通過倍福PLC控制軟件TwinCAT來實現(xiàn)通信、控制功能。TwinCAT軟件系統(tǒng)由實時環(huán)境和在開發(fā)環(huán)境中執(zhí)行控制程序的實時系統(tǒng)組成，用于編程、診斷和系統(tǒng)配置。TwinCAT提供了一種精確的異步時基，使通信能夠以最高的確定性被執(zhí)行，準備、快速地完成設備的監(jiān)控。

3　基于C/S與B/S混合架構的信息管理系統(tǒng)

由于B/S架構和C/S架構的優(yōu)缺點互補，因此成熟的LIMS產(chǎn)品大多采用C/S與B/S混合的架構進行部署。

3.1　客戶端版的結構與功能

根據(jù)現(xiàn)今C/S與B/S混合架構的發(fā)展趨勢及實驗室的具體需要，客戶端版主要具有以下模塊：

(1) 實驗過程控制模塊。根據(jù)實驗的實時需要，通過遠程通信的方式，實時控制實驗的開始、停止以及實驗參數(shù)的設置。

(2) 實驗數(shù)據(jù)采集及查詢模塊。通過遠程通信的方式，實時讀取實驗設備當前的狀態(tài)參數(shù)，并記錄在數(shù)據(jù)庫中。實驗結束后，可根據(jù)實驗設備以及實驗條件的不同，生成相應的實驗報告。實驗報告中不僅包括實驗的基本信息，如起始時間、結束時間、實驗創(chuàng)建人員、實驗設備編號，同時還有產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)曲線圖。

(3) 人員管理模塊。在實驗過程中實驗人員的操作級別不同，可將用戶權限分為3級(管理員級、操作員級、訪客級)。按照不同的崗位分配不同的操作級別，不同操作級別有不同的權限，分配不同的查看及操作工能，以保證實驗及數(shù)據(jù)的安全。

(4) 實驗設備管理模塊。管理所有實驗設備的信息，包括實驗設備的名稱、型號、廠家、負責人等，可以增加、刪除、查看修改設備信息。

(5) 實驗方案管理模塊。根據(jù)實驗的具體需要設定相應的實驗時間、實驗限值以及實驗名稱?？赏ㄟ^直接設定和以現(xiàn)有實驗模板為基礎兩種方式來設定相應實驗值。

(6) 操作日志模塊。人員每一步操作均記錄在操作日志中，并加以保存，隨時可以調取查看。操作日志不可刪改。

3.2　Web版的結構與功能

Web版主要具有實驗室外部的任務查詢、實驗查看、人員及設備管理和數(shù)據(jù)查詢等功能模塊。

(1) 任務查詢模塊。可查詢不同實驗任務進行情況，包括開始時間、操作人員、實驗是否結束以及實驗結果等。

(2) 實驗統(tǒng)計模塊。根據(jù)時間的不同，可統(tǒng)計一定時間段內(nèi)進行實驗的數(shù)量、總時間以及成功率。同時可以根據(jù)操作人員、實驗設備的不同，分別統(tǒng)計以上數(shù)據(jù)，方便對實驗室進行管理。

(3) 實時查看模塊?？蓪崟r查看實驗室內(nèi)所有設備的工作情況，包括是否開機、是否正在實驗、實驗參數(shù)是否正常等。

(4) 數(shù)據(jù)查詢模塊?？刹樵円淹瓿蓪嶒灥木唧w實驗數(shù)據(jù)和實驗信息，同時可以生成相應的實驗報表。

Web版使頁面自動刷新，周期性向Web服務器發(fā)出讀取數(shù)據(jù)請求；同時Web服務器將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫服務器中讀出，響應Web端的請求。通過雙服務器的交互設計，可以有效地隔離Web端與數(shù)據(jù)庫服務器的直接通信，更有效地保證數(shù)據(jù)的安全。

4　結語

隨著實驗室對現(xiàn)代化運行和管理需求的快速提升，LIMS正在成為大多數(shù)實驗室提升實驗室效率和質量的重要方法。而由于實驗設備接口種類不同，導致設備、數(shù)據(jù)難以集成。這一問題已成為導致LIMS在部分實驗室難以建立的主要原因。本文基于這個問題，提出使用EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術這一便宜、高效的解決方式，建立了一個高可靠性、高實時性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時在此基礎上，闡述了如何設計、實驗了一個基于C/S與B/S混合架構的實驗室信息管理系統(tǒng)。

此LIMS系統(tǒng)運行以來，使實驗室得到了很多提升，主要體現(xiàn)在：

(1) 管理上得到了提高，管理更加先進、科學。

(2) 實驗人員從繁瑣的手動控制、記錄、查詢中解脫出來。

(3) 遠程查詢方便，通過網(wǎng)頁可以輕松地進行查詢，且可以直接掌握設備的狀況。

參考文獻：

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[5]周光宇,李賀松.基于B/S、C/S綜合模式的永平銅礦生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].礦冶,2003(12):70-72.