张辰贝西，贾爱梅

(1. 南京朗迈生物科技有限公司，江苏 南京 210007； 2. 中国电子科技集团公司第28研究所，江苏 南京 210007 )

0 引言

随着计算机技术、通信技术与控制技术的飞速发展，为工业自动化控制系统向网络化方向发展提供了技术支撑，大量的信息处理需求对网络的信息传输速度有很高的要求。EtherNet/IP就是将标准TCP/IP以太网延伸到工业实时控制并和通用工业协议(common industrial protocol, CIP)的结合,能很好地帮助用户获得更加开放集成的工业自动化和信息化的整体解决方案，形成新型基于以太网的网络控制技术，即“工业以太网”[1]。本文以微生物样本自动处理系统为例，就工业以太网EtherNet/IP的应用进行论述，为微生物样本自动处理系统的信息化、网络化提供应用范例。

1 EtherNet/IP通信协议模型

EtherNet/IP是一种由ODVA(open deviceNet vendors association)和ControlNet International组织发布的，融合了TCP/IP以太网的工业以太网。与DeviceNet、ControlNet类似,都是基于CIP协议的网络，图1给出了EtherNet/IP的通信协议模型[1]。

图1 EtherNet/IP通信协议模型

由图1可见，EtherNet/IP网与DeviceNet、ControlNet现场总线的区别在于：EtherNet/IP采用了OSI七层模型中的物理层、数据链路层和应用层，还包括了网络层和传输层以及TCP/IP协议。同时，EtherNet/IP还在应用层上增加了用户层，将工业控制中的功能块(FunctionBlock)标准化。EtherNet/IP的典型应用方式如图2所示。

图2 EtherNet/IP典型应用方式

2 EtherNet/IP网络特点

EtherNet/IP是一种具有较强互通性和确定性通信能力的网络。其特点如下：

1) 循环通信实现高速、大容量的数据交换。EtherNet/IP支持EtherNet/IP标准规范的隐式报文通信，通信速率可以达到100 Mbit/s，最多数据交换节点可以达到256个，PLC与PLC之间、PLC与设备之间的数据交换个数最大可以达到184 832个字。

2) 通过CIP信息实现不同设备的通信。EtherNet/IP通过与DeviceNet的共通协议(CIP)，提高基于以太网从上到下的无缝通信。

3) 每个节点可设定数据更新周期。根据用途，EtherNet/IP可以设定每个节点的数据更新周期。这样，数据链接表中重要的数据可以设为高速交换，一些状态数据可以设为低速交换[2]。

3 微生物样本自动处理系统功能及组成

3.1 样本处理系统功能

微生物样本自动处理系统主要用于实现微生物检验样本接种由传统的手工接种方式向自动化方向发展，从样本取样、取样后样本的收集，到接种划线、接种后培养皿的收集等操作，全程自动化，无需人工干预，为微生物检验的高效、高质量、全自动化发展创造了有利条件。

全自动微生物样本处理系统在临床中的应用既降低了差错率，保证了微生物安全性，又提供了样本接种流程标准化的操作平台，降低了微生物检验人员的工作强度，使其摆脱重复、烦琐的操作，确保检验结果的准确性，为临床微生物检验自动化奠定了坚实的基础。

3.2 样本处理系统组成

基于EtherNet/IP的样本自动处理系统主要由研华工控上位机、PLC控制器、样本处理机器人、条码扫描枪、条码打印模块、电机控制模块、样本摇匀模块、划线模块、培养皿装载模块、培养皿收集模块等组成,系统结构如图3所示。

图3 微生物样本处理系统组成图

上位机用于实现系统的人机交互、实时显示系统工作状态，通过InterNet IP口连接医院LIS系统，进行信息交换，与PLC之间通过RS232通信进行控制，并分别通过RS232通信、USB口控制条码扫描枪、条码打印模块等，对样本条码进行自动扫描、存储。松下FP7系列PLC通过EtherNet IP连接样本处理机器人及电机控制模块，分别控制样本摇匀、培养皿装载推送、培养皿划线接种、培养皿收集存放。

4 系统硬件设计

全自动样本处理系统硬件结构设计如图4所示，包括PLC、机器人控制器、上位机、电机驱动器、电磁阀及各传感器等。各执行元件主要由 PLC 和机器人控制器进行运动控制与信息处理。上位机程序为人机交互界面，对样本处理系统进行各类操作控制[3]。

图4 样本处理系统硬件结构设计图

5 系统软件设计

5.1 EtherNet/IP配置

通过松下编程工具FPWIN GR7进行设置，从菜单栏中选择“选项”—“FP7 配置”，从左窗口选择内置ET-LAN，设置项目如图5所示，主要包括主站IP地址、子网掩码、默认网关等内容。

图5 EtherNet/IP设置项目

5.2 EtherNet/IP 控制指令

用于EtherNet/IP 控制的应用指令主要有获取EtherNet/IP 的信息、获取EtherNet/IP 节点状态的指令等，如表1所示。

表1 EtherNet/IP 控制的应用指令表

5.3 软件流程

模块化思想在系统软件设计中得到应用。设备驱动程序位于系统底层，实际运行时应用层通过调用相应的Socket 接口函数即可，通过任务调度来管理EtherNet /IP 协议，从而达到各种任务的实现，如PLC 接口任务、设备状态指示与控制任务等等。软件流程图如图6所示[4]，梯形图如图7所示[5]。

图6 EtherNet/IP软件流程图

图7 EtherNet/IP梯形图

6 结语

EtherNet/IP具有数据交互和抗干扰能力强、数据传输效率高的显著特点，它的开放性、带宽高等特点使其在工业领域具有巨大的应用前景[6]。特别是随着工业以太网通信速率的提高以及全双工通信、交换技术的发展，使得EtherNet/IP的通信确定性得到了可靠保障，避免了其应用于工业现场时各设备之间通信易被干扰、不稳定等应用技术难题。基于EtherNet/IP设计的全自动样本处理系统在医院的成功应用表明，系统性能稳定可靠，数据传输准确，实现了微生物检查划线接种的标准化和规范化，为医院检验系统的自动化、智能化提供了可靠、有效的技术手段。