工業以太網EtherNet/IP在微生物樣本自動處理系統中的應用

張辰貝西，賈愛梅

(1. 南京朗邁生物科技有限公司，江蘇 南京 210007； 2. 中國電子科技集團公司第28研究所，江蘇 南京 210007 )

0 引言

隨著計算機技術、通信技術與控制技術的飛速發展，為工業自動化控制系統向網絡化方向發展提供了技術支撐，大量的信息處理需求對網絡的信息傳輸速度有很高的要求。EtherNet/IP就是將標準TCP/IP以太網延伸到工業實時控制并和通用工業協議(common industrial protocol, CIP)的結合,能很好地幫助用戶獲得更加開放集成的工業自動化和信息化的整體解決方案，形成新型基于以太網的網絡控制技術，即“工業以太網”[1]。本文以微生物樣本自動處理系統為例，就工業以太網EtherNet/IP的應用進行論述，為微生物樣本自動處理系統的信息化、網絡化提供應用范例。

1 EtherNet/IP通信協議模型

EtherNet/IP是一種由ODVA(open deviceNet vendors association)和ControlNet International組織發布的，融合了TCP/IP以太網的工業以太網。與DeviceNet、ControlNet類似,都是基于CIP協議的網絡，圖1給出了EtherNet/IP的通信協議模型[1]。

圖1 EtherNet/IP通信協議模型

由圖1可見，EtherNet/IP網與DeviceNet、ControlNet現場總線的區別在于：EtherNet/IP采用了OSI七層模型中的物理層、數據鏈路層和應用層，還包括了網絡層和傳輸層以及TCP/IP協議。同時，EtherNet/IP還在應用層上增加了用戶層，將工業控制中的功能塊(FunctionBlock)標準化。EtherNet/IP的典型應用方式如圖2所示。

圖2 EtherNet/IP典型應用方式

2 EtherNet/IP網絡特點

EtherNet/IP是一種具有較強互通性和確定性通信能力的網絡。其特點如下：

1) 循環通信實現高速、大容量的數據交換。EtherNet/IP支持EtherNet/IP標準規范的隱式報文通信，通信速率可以達到100 Mbit/s，最多數據交換節點可以達到256個，PLC與PLC之間、PLC與設備之間的數據交換個數最大可以達到184 832個字。

2) 通過CIP信息實現不同設備的通信。EtherNet/IP通過與DeviceNet的共通協議(CIP)，提高基于以太網從上到下的無縫通信。

3) 每個節點可設定數據更新周期。根據用途，EtherNet/IP可以設定每個節點的數據更新周期。這樣，數據鏈接表中重要的數據可以設為高速交換，一些狀態數據可以設為低速交換[2]。

3 微生物樣本自動處理系統功能及組成

3.1 樣本處理系統功能

微生物樣本自動處理系統主要用于實現微生物檢驗樣本接種由傳統的手工接種方式向自動化方向發展，從樣本取樣、取樣后樣本的收集，到接種劃線、接種后培養皿的收集等操作，全程自動化，無需人工干預，為微生物檢驗的高效、高質量、全自動化發展創造了有利條件。

全自動微生物樣本處理系統在臨床中的應用既降低了差錯率，保證了微生物安全性，又提供了樣本接種流程標準化的操作平臺，降低了微生物檢驗人員的工作強度，使其擺脫重復、煩瑣的操作，確保檢驗結果的準確性，為臨床微生物檢驗自動化奠定了堅實的基礎。

3.2 樣本處理系統組成

基于EtherNet/IP的樣本自動處理系統主要由研華工控上位機、PLC控制器、樣本處理機器人、條碼掃描槍、條碼打印模塊、電機控制模塊、樣本搖勻模塊、劃線模塊、培養皿裝載模塊、培養皿收集模塊等組成,系統結構如圖3所示。

圖3 微生物樣本處理系統組成圖

上位機用于實現系統的人機交互、實時顯示系統工作狀態，通過InterNet IP口連接醫院LIS系統，進行信息交換，與PLC之間通過RS232通信進行控制，并分別通過RS232通信、USB口控制條碼掃描槍、條碼打印模塊等，對樣本條碼進行自動掃描、存儲。松下FP7系列PLC通過EtherNet IP連接樣本處理機器人及電機控制模塊，分別控制樣本搖勻、培養皿裝載推送、培養皿劃線接種、培養皿收集存放。

4 系統硬件設計

全自動樣本處理系統硬件結構設計如圖4所示，包括PLC、機器人控制器、上位機、電機驅動器、電磁閥及各傳感器等。各執行元件主要由 PLC 和機器人控制器進行運動控制與信息處理。上位機程序為人機交互界面，對樣本處理系統進行各類操作控制[3]。

圖4 樣本處理系統硬件結構設計圖

5 系統軟件設計

5.1 EtherNet/IP配置

通過松下編程工具FPWIN GR7進行設置，從菜單欄中選擇“選項”—“FP7 配置”，從左窗口選擇內置ET-LAN，設置項目如圖5所示，主要包括主站IP地址、子網掩碼、默認網關等內容。

圖5 EtherNet/IP設置項目

5.2 EtherNet/IP 控制指令

用于EtherNet/IP 控制的應用指令主要有獲取EtherNet/IP 的信息、獲取EtherNet/IP 節點狀態的指令等，如表1所示。

表1 EtherNet/IP 控制的應用指令表

5.3 軟件流程

模塊化思想在系統軟件設計中得到應用。設備驅動程序位于系統底層，實際運行時應用層通過調用相應的Socket 接口函數即可，通過任務調度來管理EtherNet /IP 協議，從而達到各種任務的實現，如PLC 接口任務、設備狀態指示與控制任務等等。軟件流程圖如圖6所示[4]，梯形圖如圖7所示[5]。

圖6 EtherNet/IP軟件流程圖

圖7 EtherNet/IP梯形圖

6 結語

EtherNet/IP具有數據交互和抗干擾能力強、數據傳輸效率高的顯著特點，它的開放性、帶寬高等特點使其在工業領域具有巨大的應用前景[6]。特別是隨著工業以太網通信速率的提高以及全雙工通信、交換技術的發展，使得EtherNet/IP的通信確定性得到了可靠保障，避免了其應用于工業現場時各設備之間通信易被干擾、不穩定等應用技術難題。基于EtherNet/IP設計的全自動樣本處理系統在醫院的成功應用表明，系統性能穩定可靠，數據傳輸準確，實現了微生物檢查劃線接種的標準化和規范化，為醫院檢驗系統的自動化、智能化提供了可靠、有效的技術手段。