工業(yè)以太網EtherNet/IP在微生物樣本自動處理系統(tǒng)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(fā)展，為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)向網絡化方向發(fā)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(yè)實時控制并和通用工業(yè)協(xié)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(yè)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(yè)以太網”[1]。本文以微生物樣本自動處理系統(tǒng)為例，就工業(yè)以太網EtherNet/IP的應用進行論述，為微生物樣本自動處理系統(tǒng)的信息化、網絡化提供應用范例。

1 EtherNet/IP通信協(xié)議模型

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

圖1 EtherNet/IP通信協(xié)議模型

由圖1可見，EtherNet/IP網與DeviceNet、ControlNet現(xiàn)場總線的區(qū)別在于：EtherNet/IP采用了OSI七層模型中的物理層、數(shù)據鏈路層和應用層，還包括了網絡層和傳輸層以及TCP/IP協(xié)議。同時，EtherNet/IP還在應用層上增加了用戶層，將工業(yè)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(huán)通信實現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據交換。EtherNet/IP支持EtherNet/IP標準規(guī)范的隱式報文通信，通信速率可以達到100 Mbit/s，最多數(shù)據交換節(jié)點可以達到256個，PLC與PLC之間、PLC與設備之間的數(shù)據交換個數(shù)最大可以達到184 832個字。

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

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

3 微生物樣本自動處理系統(tǒng)功能及組成

3.1 樣本處理系統(tǒng)功能

微生物樣本自動處理系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)微生物檢驗樣本接種由傳統(tǒng)的手工接種方式向自動化方向發(fā)展，從樣本取樣、取樣后樣本的收集，到接種劃線、接種后培養(yǎng)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(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

全自動微生物樣本處理系統(tǒng)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(tǒng)組成

基于EtherNet/IP的樣本自動處理系統(tǒng)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(yǎng)皿裝載模塊、培養(yǎng)皿收集模塊等組成,系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 微生物樣本處理系統(tǒng)組成圖

上位機用于實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互、實時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，通過InterNet IP口連接醫(yī)院LIS系統(tǒng)，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(yǎng)皿裝載推送、培養(yǎng)皿劃線接種、培養(yǎng)皿收集存放。

4 系統(tǒng)硬件設計

全自動樣本處理系統(tǒng)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(zhí)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(tǒng)進行各類操作控制[3]。

圖4 樣本處理系統(tǒng)硬件結構設計圖

5 系統(tǒng)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(jié)點狀態(tài)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(tǒng)軟件設計中得到應用。設備驅動程序位于系統(tǒng)底層，實際運行時應用層通過調用相應的Socket 接口函數(shù)即可，通過任務調度來管理EtherNet /IP 協(xié)議，從而達到各種任務的實現(xiàn)，如PLC 接口任務、設備狀態(tài)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(shù)據交互和抗干擾能力強、數(shù)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(yè)領域具有巨大的應用前景[6]。特別是隨著工業(yè)以太網通信速率的提高以及全雙工通信、交換技術的發(fā)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(yè)現(xiàn)場時各設備之間通信易被干擾、不穩(wěn)定等應用技術難題?；贓therNet/IP設計的全自動樣本處理系統(tǒng)在醫(yī)院的成功應用表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，數(shù)據傳輸準確，實現(xiàn)了微生物檢查劃線接種的標準化和規(guī)范化，為醫(yī)院檢驗系統(tǒng)的自動化、智能化提供了可靠、有效的技術手段。