一种理化实验室系统、系统的通信实现方法及实验室与流程

本发明属于实验室控制管理，适用于同时自动化实施多个加工和/或检测项目的检测需求，具体为一种理化实验室系统、系统的通信实现方法及实验室。

背景技术：

1、理化实验室是对材料进行物理和化学性能检测分析的实验室，通常用于科学研究和工业生产等领域，检测项目诸如材料力学强度、硬度、持久蠕变、高/低倍组织和化学成分等。在典型的理化实验室中，检测流程如下：

2、1、样品预处理：目的是将待检样品按检测标准要求处理，通常处理内容包括尺寸、表面粗糙度、金相组织调整、样品固液状态调整等，如热处理调整样品组织和性能、化学样品溶解将样品从固体溶解成液体、力学检测按标准要求加工试样尺寸、金相样品镶抛和腐蚀、橡胶试片模压硫化、胶粘剂各组分配置固化粘接金属和非金属样品等；

3、2、样品流转：目的是将预处理完成的样品流转到对应的检测工位，需要对样品进行标识；此处需要对样品流转的各节点监控管理和提高流转效率；

4、3、样品检测：目的是将流转而来的样品，按检测项目方法标准要求进行理化检测，如短时力学中的拉伸强度、伸长率、布氏洛氏维氏硬度检测，长时力学中的持久、蠕变检测，金相高低倍组织检测，化学成分检测，液体颗粒含量检测，胶粘剂剥离强度等不同检测项目；

5、4、检测数据分析：目的是将检测和测量得到的数据，按检测标准要求处理和分析，具体涉及检测过程数据记录、数据计算处理和检测及分析报告的编制等内容。

6、在现有技术中，上述过程主要通过人工开展方式进行，因此提高理化检测流程效率是本领域技术发展的主要趋势。为了实现理化检测流程的效率提升，现有技术的发展主要为以下四个方面：

7、一、通过信息化系统提高样品管理、数据采集和分析的效率。

8、信息化系统通常包括实验室信息管理系统（lims）或称实验室信息系统（lis）或称实验室管理系统（lms），以及试验数据管理系统（tdm）；相关文件如下：

9、公布号cn 115442449 a《实验室系统》提供了一种计算机实现方法，通过通信模块经由计算机网络在仪器数据处理模块与实验室管理模块之间建立连接，实现实验室数据自动采集和分析的有益效果。

10、公布号cn 114545782 a《一种物联网实验室系统》提供了一种物联网实验室系统，通过利用计算机、通信网络、物联网、微电子等技术，建立一整套物联网实验室系统，提高智能物联网实验室设备监控和信息化管理能力。

11、上述方案通过减少样品流转管理、数据记录分析和检测分析报告发布环节人工操作导致的时间浪费，来达到提高全流程效率的有益效果，但在样品处理和样品检测方面无明显效率提升。

12、二、通过提高检测及加工设备的自动化率，进一步地通过集成自动化控制元器件提高样品处理过程和/或检测过程自动化率。相关文件如下：

13、公告号cn 110987629 b《一种全自动拉伸试验设备及其控制系统》将万能试验和试样上下料机构集成，旨在提高样品拉伸检测自动化率。

14、公告号cn 102326085 b《化学分析装置》通过自动喷出空气搅拌反应液，旨在提高化学分析结果可靠性。

15、公布号cn 115555976 a《一种全自动金相研磨抛光机》提供了一种全自动上料、研磨、抛光和拍照组件，旨在提高金相试样制备自动化率。

16、公告号cn 11090350 b《全自动金相试样腐蚀装置》提供了一种包括试样移动、腐蚀、水冲洗、酒精冲洗和风干系统，旨在提高金相试样腐蚀自动化率。

17、公布号cn 115327141 a《样本处理装置及其控制方法、实验室系统》提供了一种样本处理装置及其控制方法、实验室系统，旨在提高样本处理效率。

18、上述方案通过提高检测或加工设备的自动化率，减少样品加工或检测环节人工操作导致的时间浪费，达到提高全流程效率的有益效果，但是在样品流转跟踪管理和数据采集分析方面无明显效率提升。

19、三、将第一方面和第二方面的两类技术进行集成，以进一步提高检测效率；相关文件如下：

20、公布号cn 113242971 a《包括至少部分联网的实验室设备的实验室系统以及用于控制包括至少部分联网的实验室设备的实验室系统的方法》旨在将样品加工设备与信息化系统集成，提出一种包括至少部分联网的用于加工样品的实验室设备的实验室系统和控制方法；此类方法进一步提高了检测效率，但当实验室规模增大后，系统架构存在技术缺陷，即使资源横向扩展也无法最终解决。

21、此处体现了现有技术中的主要问题，即实验室系统旨在通过控制不同试样制备及检测等自动化设备进行样品处理及样品检测，但当实验室系统控制的自动化设备数量增多后，不可避免的会出现系统处理指令饱和，造成部分设备动作处理延迟；该动作指关键动作时，会出现设备硬件碰撞或检测过程异常中断导致检测结果无效。

22、公布号cn 104395844 a《实验室系统和用于控制实验室系统的方法》提供了一种用于以灵活且有效的控制实验室系统的方式，同时确保在每次重新构造或改变实验室系统内的子系统时避免子系统或装置的碰撞，而不需要预定义或重新定义每一子系统之间的关系，从而允许动态地定义子系统的协调；该方法通过改变子系统指令优先级，识别关键过程并优先处理，达到降低实验室系统控制下的自动化硬件碰撞的概率；但是基于行业公知常识，自动化设备或子系统数量进一步增加后，现有技术难以同时保证所有自动化过程流畅和设备硬件不干涉。

23、四、在子系统和子流程等主流程和主系统架构外，实现技术进步来提升检测效率；相关文件如下：

24、公告号cn 111670073 b《自动化实验室系统及相关系统、方法和装置》提供一种改善的自动化实验室系统，旨在不影响所执行的测定的情况下使实验室人员能够安全、方便且高效地接近系统的各种仪器。

25、公告号cn 113740551 a《用于自动化实验室系统的模块》提供了一种用于自动化实验室系统的模块，所公开的模块和自动化实验室系统的实施例旨在提供标准化接口，以将模块化系统部件或模块以高精度和高准确度对准运送系统或另一模块化系统部件或模块。

26、公布号cn 115707519 a《实验室系统中的实验室装置的掩蔽和测试样品容器的按路线输送》提供了一种在实验室系统中在实验室中断期间按路线输送测试样品容器承载件的方法，该方法通过掩蔽某些实验室分析仪和其他目标装置，使得不允许样品容器离开实验室分析仪和其他目标装置，以便为进行关键的实验室维护任务创建必要的时间窗口；此技术可以一定程度提升检测效率，但提升幅度不高，技术效果有限。

27、综上所述，如何设计一种理化实验室系统，针对多种加工及检测项目，同时实现多项目自动化加工及检测过程、过程管理和数据采集分析，便成为了本领域技术人员的研究核心，且对该领域的技术进步具有积极意义。

技术实现思路

1、针对背景技术中的现状，本发明提出一种包括仪器、检测单元及样品物流系统以及针对上述仪器、单元及系统进行控制、数据采集、数据分析和过程管理的理化实验室系统，以及系统中对应的通信实现方法及实验室；本发明特别适用于实验室对自动化实施多个加工项目与多个检测项目同时进行的检测需求。

2、本发明采用了以下技术方案来实现目的：

3、一种理化实验室系统，该系统包括以下全部或部分要素的集合：

4、要素一为仪器和检测单元；其中仪器包括实验前仪器、检测仪器和检测后仪器，其功能为处理样品和/或检测样品，并输出分析数据和/或检测结果，涉及试验检测前处理、试验检测和试验检测后处理的过程；检测单元包括1台或多台控制设备，控制设备具有与其配套使用的若干执行器与传感器，其功能为仪器对应样品的自动输入/输出、仪器和/或传感器数据的采集分析、单元内执行机构的控制和单元内样品的物流。

5、要素二为上位机；上位机配置为接收并执行由控制模块下发的第二检测指令，并向其所控制的1台或多台控制设备下发1条或多条检测动作指令，同时将检测动作执行情况反馈至控制模块。

6、要素三为控制模块；控制模块配置为接收由管理模块下发的第一检测指令，经解析后向其控制的1台或多台上位机下发包括1条或多条检测项目内容的第二检测指令。

7、要素四为数据处理模块；数据处理模块配置为从仪器和/或上位机处获取和处理分析数据，生成1条或多条检测信息并传输回数据处理模块内；所述检测信息依据仪器和/或上位机通信协议来完成生成过程。

8、要素五为管理模块；管理模块配置有人机交互界面，将操作者下发的检测任务转换为第一检测指令后下发至控制模块，并对数据处理模块处理完成的数据进行分析和呈现；同时，管理模块还连接有erp（企业资源计划）系统和/或mes（制造执行）系统，erp系统和/或mes系统用于读取被管理模块分析后的数据。

9、进一步的，所述系统还包括协议识别模块，协议识别模块配置为识别仪器通信协议和管理模块通信协议；所述仪器通信协议由仪器对应的数据处理模块支持，所述管理模块通信协议由管理模块自身支持。

10、进一步的，所述系统还包括消息转换模块，消息转换模块配置于依据仪器通信协议与管理模块通信协议之间的兼容性，将数据处理模块与管理模块中一者传输的消息数据转换为另一者支持的通信协议，实现消息数据交互。

11、进一步的，所述系统还包括实验室通信引擎，实验室通信引擎安装于仪器、检测单元和管理模块中，或是单独安装于中间装置内，所述中间装置分别连接仪器、检测单元和管理模块；实验室通信引擎用于实现系统中消息数据的交互。

12、具体的，所述实验室通信引擎以计算机软件的形式实现，所述计算机软件存储于包括机器可执行指令的非暂时性计算机可读存储介质中，当机器可执行指令在处理器上执行时，实现所述协议识别模块、所述消息转换模块和通信模块的功能；所述通信模块用于提供计算机网络通信的基础功能支持。

13、本发明同时提供一种理化实验室系统的通信实现方法，所述方法的硬件基础为前述的理化实验室系统；首先构建通信模块，经由计算机网络通信在数据处理模块与管理模块之间建立通信连接，然后通过协议识别模块识别仪器通信协议和管理模块通信协议；其中，仪器通信协议由仪器对应的数据处理模块支持，管理模块通信协议由管理模块自身支持；

14、在通信过程中，通过消息转换模块进行如下消息转换操作：

15、当确定仪器通信协议与管理模块通信协议相同或兼容时，在通信模块的辅助下，将来自仪器对应的数据处理模块的消息，以仪器通信协议传输至管理模块中；

16、当确定管理模块通信协议与仪器通信协议相同或兼容时，在通信模块的辅助下，将来自管理模块的消息，以管理模块通信协议传输至仪器对应的数据处理模块中。

17、这一通信实现方法可以包含参考要素的任何1个或任何组合，只要兼容性满足要求即可。

18、本发明还提供一种理化实验室，该实验室应用了上述理化实验室系统，并包括其中的实验室通信引擎；实验室的管理模块与1种或多种仪器及检测单元相连接。

19、综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

20、本发明的系统兼容性好，尤其是检测项目的扩展难度低。

21、在本发明的理化实验室系统中，通过上位机控制仪器或检测单元的多个执行器和传感器，通过控制模块控制多台上位机，再通过管理模块进行系统管理和整体控制。对于不同的上位机，只需要接收控制模块下发的检测信息，并按预设程序执行及反馈；对于控制模块，接收管理模块下发的检测指令，按照预设程序处理并下发至对应检测项目的上位机即可。

22、基于上述系统架构和配置设定，本发明与现有技术方案相比，同时兼容的检测项目可以扩展至上百项，且不会因管控项增多而带来控制执行器与传感器的数量增多，因此不会导致系统响应滞后和资源消耗增大的问题，从而极大提高了系统的应用范围和运行效能。

23、本发明的系统数据平台同时也具有明显优势。多要素构成的理化实验室系统具有超过同类技术的集成能力和应用效果，更容易大规模集成更多的检测项目，因系统架构的优势可获得更多市场资源，从而积累更多检测数据，更容易凸显出数据的集成优势。