Eine standardisierte Datenkommunikation im Labor ist die Reaktion auf die aktuellen Forderungen nach mehr Durchgängigkeit zwischen Laborbereichen und nach Vernetzung von Labor und Produktion. Das Geräteprofil LabDevices ermöglicht den Einsatz von Profibus zur Lösung dieser Aufgabe.
Christian Diedrich, Ulrich Jecht
Der Betrieb von Laboratorien aller Art unterliegt einem starken Wandel, der seine Ursachen sowohl in der Verfügbarkeit immer intelligenterer Laborgeräte als auch in den zunehmenden Anforderungen hinsichtlich Qualitätssicherung, optimaler Arbeitsabläufe und Kosteneffizienz hat. Daraus entsteht immer dringender die Forderungen der Anwender nach verstärkter Automatisierung sowie nach Standardisierung und Durchgängigkeit der Kommunikation im Labor. Das ähnelt der Situation vor bald 20 Jahren im Bereich der Prozessautomatisierung, was dort dann zur Einführung der Feldbustechnik geführt hat.
Die bewährten Labor-Informations- und Managementsysteme (LIMS) leisten wichtige Beiträge zur Lösung der genannten Aufgaben mit einem Schwerpunkt bei Erfassung und Organisation der Informationen, die bei den Laboruntersuchungen anfallen. Erweiterungen in Richtung Dokumentations-Management-Systeme (DMS) und Workflow-Management-Systeme (WMS) ermöglichen weitere Optimierungsschritte und verstärkte Nutzung von Synergien. Aber noch immer handelt es sich hier um weitgehend proprietäre Lösungen, die keine durchgängige Kommunikation zwischen einzelnen Laborbereichen und erst recht nicht zwischen verschiedenen Laboren oder gar zwischen Betriebslabor und Produktion bieten. Hier fehlt, wie früher auch in der Prozessautomatisierung, ein Kommunikationsstandard, der einen durchgängigen Daten- und Informationsfluss ermöglicht.
Die Erwartungen an die zukünftige Datenkommunikation im Labor lauten daher:
- Schaffung eines offenen Standards, der eine einheitliche Ankopplung von Laborgeräten an Automatisierungssysteme festlegt und damit die Abläufe vereinfacht und standardisiert
- Möglichkeit zur durchgängigen Erfassung, Bearbeitung und Weitergabe von Daten
- Möglichkeit zur direkten Ansteuerung von Gerätefunktionen aus dem Automatisierungssystem und zur direkten Übernahme von Informationen aus den Geräten, z. B. für Diagnosezwecke
- Vergleichbarkeit von Datenkommunikation im Labor und in der Produktion und damit die Möglichkeit zur Vernetzung von beiden Bereichen
Lösung durch Feldbustechnik
Feldbussysteme in Verbindung mit der vorhandenen LIMS-Technik können diese Erwartungen erfüllen. Feldbusse sind digitale Kommunikationssysteme, die dezentral installierte Komponenten (Geräte) einer Anlage oder eines Labors über ein Buskabel miteinander und mit einem zentralen Automatisierungsgerät verbinden. Die kommunikationstechnische Verknüpfung erfolgt über Busprotokolle, die die Informationen nach bestimmten Regeln wie Datenformate, Prioritäten u.a. digital übertragen. Sollen Geräte und Steuerungen unterschiedlicher Hersteller an einem solchen Feldbussystem reibungslos korrespondieren oder gegeneinander ausgetauscht werden können, müssen wichtige Funktionen und Kommunikationsdienste in allen Geräten unabhängig vom Hersteller einheitlich realisiert sein. Dazu dienen Geräteprofile, die die entsprechenden standardisierten Festlegungen enthalten, die bei der Entwicklung derartiger profilkonformer Geräte umgesetzt werden müssen.
Die Feldbustechnik (Profibus) hat in den vergangenen 20 Jahren zuerst in der Fertigungsautomatisierung und nachfolgend in der Prozessautomatisierung zu einen Quantensprung hinsichtlich Technologie und Effizienz von Produktionsanlagen geführt.
Geräteprofil LabDevices
Die Feldbusorganisation Profibus & Profinet International (PI) hat die Forder- ung nach einem Kommunikationsstan- dard auch für das Labor umgesetzt. Gemeinsam mit Geräteherstellern und Laborbetreibern wurde das auf die Belange von Laborabläufen zugeschnittene Geräteprofil LabDevices entwickelt. Geräteprofile sind Festlegungen, in welcher Form (Syntax und Bedeutung) ausgewählte Parameter und Funktionen zwischen den Teilnehmern über ein Kommunikationssystem ausgetauscht werden sollen (Bild 1).
Die Arbeiten am Profil LabDevices stehen sowohl mit den Festlegungen in der DIN 12900, Teil 3 (Busneutrales Geräteprofil für Laborgeräte) in Übereinstimmung als auch mit dem thematisch verwandten und seit Jahren bewährten Profibus-Profil Process Devices (PA-Profil). Das Laborgeräteprofil LabDevices wurde in 2006 erarbeitet und steht jetzt nach Durchlauf mehrerer Reviewphasen in seiner Endfassung als weiterer Standard in die Reihe der zahlreichen Profibus-Applikationsprofile (Bild 2) zur Verfügung.
Das Profil LabDevices basiert auf der Modularisierung verallgemeinerbarer und wiederkehrender Funktionen, die in sogenannten Bausteinen (frühere Bezeichnung Blöcke) gekapselt werden. Das daraus resultierende Bausteinmodell bündelt inhaltlich zusammengehörige Parameter und Funktionen in den Bausteinen. Die Gesamtfunktionalität eines Gerätes ergibt sich dann aus der Verbindung entsprechender Bausteine.
Das Bausteinmodell unterscheidet drei Bausteintypen:
- Der Gerätebaustein (Physical Block, PB) dient zur Gerätebeschreibung mit Gerätenamen, Hersteller, Seriennummer u.a. sowie zur Verwaltung des Globalstatus des Gerätes. Je Gerät gibt es immer nur einen Gerätebaustein.
- Funktionsbausteine (Function Blocks, FB) dienen zur Beschreibung bestimmter Funktionen wie Messwertausgabe oder Messwertverarbeitung, aber auch zur Ausführung von Schalt- und Steuervorgängen
- Übertragungsbausteine (Transducer Blocks, TB, im Profil LabDevice nicht verwendet) gestalten den Übergang von Funktionsbausteinen zu den gerätespezifischen Funktionen der Sensoren und Aktoren mittels technologiespezifischer Parameter
Das Profil LabDevices verwendet neben dem obligatorischen Physical Block nur Function Blocks. Einzelheiten hierüber vermitteln die Bilder 3 und 4. Die Input- und Output-Bausteine (grün) sind Untermengen der entsprechenden Bausteine im bereits erwähnten Profil für Prozessgeräte, während die in braun dargestellten Bausteine spezielle Funktionen für Laborgeräte enthalten und daher neu entwickelt wurden. Damit deckt das Profil die typischen Funktionen von Laborgeräten wie Thermostaten, Waagen, Rührer, Zentrifugen u.a. ab.
Profil- implementierung
Zur Implementierung von LabDevices in Laborgeräte bestehen zwei Varianten, deren bevorzugte Anwendung stark von der erwarteten Gerätestückzahl abhängt.
In der Variante 1 (Bild 5, links) ist das Laborgerät mit einem vollständigen Profibus-Anschluss bestückt, bestehend aus Hardware sowie Implementierung von Profibus-Protokoll und Geräteprofil LabDevices. Damit ist das Laborgerät ein voll busfähiges Profibus-Gerät (Slave). Das Leitsystem oder die Steuerung verfügt über einen Profibus-Controller und dient als Profibus-Master. Diese Lösung erfordert Änderungen an Hard- und Software im Laborgerät und ist daher sinnvoll, wenn hohe Stückzahlen erwartet werden.
In Variante 2 (Bild 5, rechts) enthält das Laborgerät selbst keinen Profibus-Anschluss. Es kommuniziert mittels einer seriellen Schnittstelle mit einem separat ausgeführten Feldbusinterface (Profilkoppler), der mit dem Profibus-Anschluss ausgerüstet ist und als Profibus-Slave dient. In diesem Fall kann das Laborgerät unverändert bleiben, da die Anpassung im Profilkoppler enthalten ist. Derartige (konfigurierbare) Profilkoppler sind am Markt erhältlich. Diese Lösung bietet sich bei Erwartung kleinerer Stückzahlen an.
Generell kann ein derartiges Geräteprofil auch als universelle Schnittstelle zwischen der Anwendung und verschiedenen Bussystemen betrachtet werden. Erforderlich ist dann lediglich die Abbildung (Mapping) des Profils (derzeit auf Profibus realisiert) auf das jeweilige Kommunikationssystem. Damit werden bei unverändert bleibendem Profil auch unterschiedliche Anschaltung möglich, was eine wichtige Eigenschaft für den Investitionsschutz hinsichtlich Nutzung zukünftiger Bussysteme, z. B. Profinet IO darstellt.
Anwendernutzen und Ausblick
Das Geräteprofil LabDevices bietet im Zusammenwirken mit Profibus den von den Anwendern geforderten Kommunikationsstandard und ermöglicht eine durchgängige und in sich konsistente Datenerfassung und Datenverwaltung über mehrere Laborbereiche. Das ist naturgemäß mit einer erheblichen Effizienzsteigerung verbunden. Zusätzlich öffnet es den Weg für eine enge Vernetzung von produktionsnahen Laboren mit der Produktion. Besonders attraktive Lösungen sind hier dann realisierbar, wenn die Produktionsanlage bereits mit Profibus automatisiert ist.
Ein weiterer Nutzen entsteht aus der Ansteuerbarkeit von Gerätefunktionen über das Profil und nicht zuletzt aus der Eigenschaft, Diagnoseinformationen aus dem Laborgerät abfragen und geeignet verarbeiten zu können. Vorbeugende Wartung und die damit verbundene Senkung der Wartungskosten bei erhöhter Verfügbarkeit sind nur ein Beispiel dafür.
Das Laborgeräteprofil ist fertiggestellt und bei PI (Profibus & Profinet International) verfügbar. Wichtige Gerätehersteller und Laborbetreiber haben daran mitgewirkt und sind über den aktuellen Stand informiert, erste Profibus-Geräte für den Laborbereich werden am Markt angeboten. Damit sind die Voraussetzungen für eine Durchdringung des Marktes gegeben. Der zunehmende Qualitäts- und Kostendruck, verbunden mit weiteren Entwicklungen in der durchgängigen Datenkommunikation werden hier als Antriebskräfte wirken. Der Einsatz des Profibus-Profils LabDevices in Laborausstattungen birgt ein deutliches Einsparungspotenzial.
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PI (Profibus & Profinet International)
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