自動化整合重點說明

自動化領域並沒有一個能夠適用於大多數常見情況的單一行業標準。希望像是Lab Automation標準化協會（SiLA）這樣的倡議能夠使應用程式介面（API）的問題在未來更容易解決。在那之前，我們位於加拿大安大略省伯靈頓的實驗室自動化團隊已經制定了一套最佳實踐，您可以利用這些實踐。實驗室自動化團隊擁有將近20年的經驗，將各種規模和描述的實驗室儀器整合到自動化系統中。

介紹：

　　將自動化功能納入業務方案的理由是提高儀器的價值感，展示更好的投資回報率（ROI），以及擴大客戶基礎。要做到這一點，您需要超越僅僅添加遠程操作，並考慮所有自動化問題。

　　良好的設計要從產品的整個生命周期進行考慮，從採購到最終報廢。您在新設計中構建的解決方案將使儀器更容易整合、使用和支持。當客戶希望使用您的儀器而不是競爭對手時，口碑將開始帶來更多的分銷渠道。

　　要設計一款用於自動化的儀器需要什麼？這就是整合最佳實踐能夠提供幫助的地方。實驗室自動化團隊已確定了三個關鍵領域，可以決定您的成功或失敗；儀器設計、消耗品使用和應用程式介面。在本文末尾有一份可重複使用的檢查清單，總結了這些問題。看看您的儀器得分如何。更好的是，請您的客戶為設計評分。

儀器設計：

　　雖然人類和機器人有不同的需求，但每個儀器都需要設計以供兩種類型的使用者進行存取。人類對於狀態信息、易於存取和可維修性的需求是不變的。改變的是您如何在不同使用者之間協調信息，以及如何保護操作者的安全。

存取Access

　　很多時候，儀器的隔板會強制使用單一存取點。要么是人類控制，要么是機器人控制，這會迫使使用昂貴的安全屏障和聯鎖裝置來保護操作者。一個轉盤可以提供交替的存取方式，或者您可以將儀器側置以實現同時存取。更好的方法是使用可移動的面板而不是隔板，在前後為每個人和機器人創建單獨的工作空間。只需確保操作者對顯示面板的視野不受影響即可。

通訊Communications

　　隨著自動化擴展至桌面，儀器需要易於設置和配置，即使對非技術人員也是如此。

　　始終提供儀器的地址和端口號，以便您的使用者可以解決網絡衝突。TCP-IP協議對於硬體和軟體都是理想的。如果您的儀器不支持TCP-IP，那麼RS-232串行協議也得到了很好的支持。USB雖然越來越普遍，但穩定性較差，串行端口擴展器是一個不錯的替代方案。

容器方向container order

　　顧客通常會選擇多種化合物的組合，這些化合物必須按照特定的順序、特定的時間段或兩者的組合進行處理。這使得板的方向（橫向或縱向）和A1位置的準確性對系統運行至關重要。具有多個巢位的儀器需要序列信息來確定這個順序——特別是當容器的高度阻礙了對後方巢位位置的存取時。顧客也需要這些信息。僅僅是聲明您的設計假設，以及哪些問題是自動處理的，哪些需要明確計劃，將有助於幫助顧客規劃其實驗方案。

在線與單機使用Online – Offline Use

　　自動化系統在線時控制操作，但在離線時仍依賴人工介入來處理超出其程式設計範圍的異常情況。在線上，您的儀器必須支持無人監控運行。如果儀器無法在無需干預的情況下完成某個步驟，至少應該允許中止正在運行的協議，以便系統的其餘部分可以繼續運行。在離線時，您的儀器仍然需要支持手動操作，以恢復一個板，清理洩漏或修正碰撞等問題。

　　自動化系統依賴這些過程之間的同步性來提高性能。介面需要提供從儀器或自動化主機計算機下載協議的簡單方式，而不是在顯示控制台上輸入。在自動操作期間，操作者需要知道存在鎖定狀態。當儀器離線時，自動化軟體需要知道儀器的狀態。在在線和離線狀態之間的切換需要迅速進行，無需重新定位、重新教導或重新設置儀器。

多個巢位Multiple Nests

　　儀器的巢位可以排列成行、列、定位點Grid，甚至是圓形。有些儀器將這些巢位隱藏在固定的牆後，而其他的則露出平台但保留內部控制。少數儀器甚至允許訪問平台上的每個巢位。無論採用何種架構，移動裝置都需要知道巢位的排列方式以及哪些是可以訪問的合法巢位。讓客戶和整合者知道，如果只有一個巢位可以用作裝載點，如何通過程式設計移動內部抓取頭到安全位置，以及您的API是否允許自動化軟體控制內部移動裝置。

巢位設計Nest Design

在自動化方面，巢位設計不僅僅涉及位置。客戶將根據巢位的存取難度、教導的複雜性、移動裝置存取巢位的時間以及您的儀器呈現板的時間來評判儀器。請注意這些陷阱：

• 阻礙：儀器隔板或外殼可能會限制移動裝置的路徑。狹小的操縱往往需要更多的教導、奇怪的路徑和笨拙的抓取位置，這會降低吞吐量。使用開放式設計便於存取，使人類和機器人可以從不同方向進行工作。

• 嵌入：嵌入在甲板表面以下的巢位需要更高的抓取位置和更大的間隙才能取出。嵌入的位置可能會增加存取時間、額外的位置（或偏移）、重新教導時間和巢位的錯誤處理。如果必須嵌入，請提供足夠的間隙。

• 支撐：直立的牆壁或環繞巢位的外殼或位置不恰當的支撐物（定位器）可能會阻礙手指抓取板。大多數夾爪需要至少0.25英寸（6.35毫米）的間隙來打開和關閉手指。在巢位之間，間隙需要15毫米。盡量避免使用支撐物。將巢位壁面倒角或逐漸變細，以便更自由地存取，盡量減少外殼。

• 鎖定：有些儀器用卡扣或彈簧夾緊測試板固定在巢位中。這需要比某些移動裝置或手指實際能施加的力更多的力量。除非您可以通過程式控制機制，否則請避免物理鎖定。

• 呈現：如果使用外部固定位置，移動裝置能否到達巢位？一些移動裝置有一個厚實的手腕，在到達巢位之前會撞到儀器牆壁。如果巢位可移動，它是否總是返回同一位置？取回板需要多長時間？確保外部巢位延伸得足夠遠且足夠快。最後，巢位能否保持延伸以進行位置教導？偏置（鎖定）襯針會增加額外步驟並為教導位置增添問題。

登記Registration

　　對於移動裝置來說，在三維空間中確定巢位的位置可能會非常複雜。快速解決這個問題的方法是使用模板將儀器定位在移動裝置周圍。然後，您可以使用角定位器或註冊鈕迅速定位儀器。您的設計需要允許將儀器的位置相對於移動裝置進行註冊，並將巢位的位置相對於儀器進行註冊。只要了解了這個差異，在教導移動裝置之前就可以在1/32英寸（0.75毫米）的容差範圍內確定巢位的位置。

耗材使用Consumable Use

　　當涉及到訂購板件套件時，許多客戶將SBS標準視為一種信譽標誌，就像“Good Housekeeping”的認證一樣。他們關注科學部分，假設任何符合SBS標準的板件都能在所有條件下工作。此外，您可能需要應對市場上仍然存在的幾種不對稱（非SBS印記）的消耗品，這些消耗品可能不太適合自動化使用。

測試板件Test Plates

　　雖然SBS標準為我們提供了一些非常需要的一致性，但它並非萬能良方。盡可能用各種類型和尺寸的板件來測試您的儀器，並準備應對意想不到的情況。您可能會遇到四種常見問題：

• 倒角Bevels：有角度的板壁很難抓取，板子可能會從手指間滑落。如果板子有凹點，這可以通過特殊的手指來克服。手指可以在這些特定位置抓取板子，但您將失去在板子其他位置進行定位的能力。

• 法蘭盤Flanges：法蘭會在不同高度的點改變板子的厚度，需要多個抓取位置（或偏移）。此外，ANSI/SBS 3-2004特別允許法蘭高度上的間斷，這可能使為移動裝置設定抓取位置更具挑戰性。

• 彎曲：許多塑料都是半硬的，允許板壁彎曲而無需加固。這是符合SBS標準的，該標準“不意味著任何首選或必需的結構”（ANSI/SBS 1-2004）。然而，即使是一個很小的變化也可能導致板子滑動或彈出。

• 邊緣Skirts：一些板子的邊緣有凹痕或凸起，無法被抓取。雖然大多數板子是靠在邊緣而不是在井底上的，但許多PCR板是半邊緣的。如果邊緣不夠對齊，那麼邊緣就會嵌入巢位的凸起邊緣，無法正確定位。當堆疊時，最底部的板子可能會與另一個板子表面周圍的凸起邊緣卡在一起，夾在上面的板子底部。

　　在自動化實驗室中，多個儀器和供應商必須共同合作，而不僅僅是共存。性能不佳的儀器可以被其他供應商的儀器替換，以消除瓶頸，即使應用是專業化的。在網絡環境中，沒有比與自動化軟體良好互動的堅固、良好文件化的應用程式介面（API）更好的保險了。它應該是前後兼容的，以實現在不同版本間無故障遷移。然而最重要的是，有三個主要設計領域需要特別注意：通信、錯誤處理和恢復、以及事件記錄。

通信Communications

最簡單的自動化程序很容易因為通信問題而失效。至少，運行儀器的程式碼應支持以下功能：

支持遠程操作

自動化客戶端需要能夠將儀器或其控制軟體置於“遠程控制”模式中。始終支持驗證儀器是否開啟、運作中並處於遠程狀態的能力。

允許GUI抑制

在遠程狀態下操作時，將錯誤和事件通過自動化軟體傳遞，並抑制圖形用戶界面（GUI）中的任何錯誤或消息框。否則，自動化會因待用戶介入而停止。在多儀器設置中，用戶並不總是知道該去哪裡查看。

抑制彈出式視窗

始終通過API傳播所有錯誤和恢復消息。如果儀器必須顯示自己的錯誤消息（對於需要復雜錯誤恢復的復雜儀器有時是必要的），自動化軟體也需要收到通知。否則，用戶可能永遠不知道問題所在，自動化軟體也無法發出通知。

允許查詢

如果一個巢位移動、一個門打開或一個分配器進行分配，提供一個命令來調用該功能。顧客通常希望對他們可以在物理上進行的任何事情進行自動化，並且這通常減少了手動存取的需求。同樣重要的是，如果沒有查詢可以打開在超時後關閉的門，可能會導致碰撞並損壞您的儀器！

返回適當的狀態

儀器控制軟體可能只有一個應用程式，但自動化軟體必須運行多個同時操作。無論是觸發通知事件還是使用輪詢，當操作完成時，儀器的狀態必須可見。自動化流程缺乏這一點將無法運行。

寫非阻塞命令

同步命令不立即返回會阻塞其他操作並拉長多儀器協議的週期時間。隨著多儀器、多供應商環境的增加，開發出“瓶頸”口碑可能會影響您未來的銷售。

提供模擬模式

模擬模式有助於客戶測試他們的自動化協議，也有助於軟體開發人員創建自動化服務。理想情況下，這應包括一種觸發錯誤的方式，以便開發人員可以在沒有硬件的情況下驗證其驅動程序設計。越多的第三方應用程式支持您的儀器，需求也會更大。

返回固件版本Return the firmware version

提供一個返回固件版本的功能可以幫助客戶避免不必要的挫折。開發人員可以觸發事件並進行健全性檢查，而最終用戶可以檢查是否安裝了正確的版本。

錯誤處理和恢復Error Handling and Recovery

　　當流程無人監控運行時，運行的成功完成取決於您的儀器處理錯誤的能力。雖然如果每個儀器都能自我校正會很好，但更重要的是系統能夠跳過一個板件並在不需要人工干預的情況下繼續協議。錯誤處理應支持以下能力：

報告狀態

當錯誤消息不傳遞給自動化軟體時，無法確定儀器的狀態，自動操作會被阻塞。在運行開始之前，需要獲取狀態。

允許查詢

自動化客戶端需要能夠查詢儀器的狀態。至少，儀器控制軟體應該能夠返回就緒、忙碌或錯誤的狀態。

使用共同策略

大多數錯誤對話框使用一個共同的協議，嚴重程度逐步升級。三種常見的恢復策略是：忽略、重試、中止；重試和中止（忽略被屏蔽）；是、否或中止。

寫出有用的描述

錯誤消息應包含人類可讀的描述，而不僅僅是一個代碼或數字。數字並不能為用戶提供有用的信息。更好的做法是提供錯誤消息，解釋如何從錯誤中恢復。

封裝複雜策略

複雜的錯誤恢復策略最好在儀器控制軟體內部處理。製造儀器及其控制軟體的供應商是真正的專家，應盡可能保持介面的簡潔。

啟用固件重置

不要強迫客戶通過關閉電源然後重新啟動設備來重置儀器。這不僅不方便，而且在某些類型的錯誤後，可能會導致軟體無法恢復。在錯誤情況下，一個錯誤可能會導致整個自動化流程失效。

測試時間應該是天而不是小時

自動化改變了儀器操作環境的語境。自動化系統預期無人監控運行至少24到48小時而不出現故障。擴大測試目標，以便您可以發現可能會被忽略的問題，避免日後昂貴的維修呼叫。

事件記錄

當儀器發生故障時，許多儀器都會談及方法中的程序錯誤以及基本的通信問題。然而，當這些信息與儀器外的其他代理共享時，卻缺乏上下文。自動化軟體需要更多功能：

提供追蹤功能

即使默認為關閉以避免21 CFR Part 11問題，也應允許客戶記錄信息，以便跟蹤和分析系統故障。按照慣例，客戶應能夠根據自己的需求選擇通用、詳細和調試級別的記錄。

避免專有代碼

專有代碼可能會使您的支持部門忙碌，但也會阻礙客戶解決問題。這會增加客戶的運營成本和對儀器的擁有成本。

生成元數據

當自動化程序必須在無人監控的情況下運行數小時時，任何輸出數據都有可能幫助排除錯誤。為所有輸出數據生成元數據，以幫助跟蹤處理問題，並使用像XML這樣的開放格式來簡化其收集和記錄。

賦予條目上下文

明確地標記基本通信、操作和錯誤事件的條目，使其更容易分類和排序。雖然對於每個消息都有一個獨立的URI會更好，但有些設備在代碼中的多個位置觸發相同的事務，這使得條目在沒有URI的情況下變得無用。從儀器導出的任何信息也應在每個條目中包含類型和設備實例名稱。

追蹤耗材

大多數客戶都非常感興趣追蹤他們的耗材媒體出現的錯誤。當儀器具有內置讀取器時，應在合適的情況下記錄測試板和其他耗材的條碼號碼。