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合成核酸鏈被用于基因研究中。寡核苷酸或核酸是由許多核苷酸聚合成的生物大分子化合物。作為全球基因合成領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，美國Integrated DNA Technologies（IDT）公司在基因合成生產(chǎn)定制寡核苷酸領(lǐng)域提供了廣泛合作和服務(wù)。IDT 公司利用先進(jìn)的 M1 DNA 合成器提高其生產(chǎn)速度、精度，并提升了效率，該合成器采用了基于 PC 和 EtherCAT控制技術(shù)的TwinCAT 3自動(dòng)化平臺(tái)。

CP3916 多點(diǎn)觸控面板的連續(xù)玻璃面板具有出色的耐化學(xué)品性，甚至可以戴手套進(jìn)行操作

25 年來，IDT 一直為分子生物學(xué)研究制造和提供寡核苷酸。每天約有 44,000 個(gè)核酸序列離開公司的工廠，運(yùn)送到世界各地的 82,000 多名客戶那里。“基因研究應(yīng)用涉及到的核酸類型非常復(fù)雜。這 44,000 個(gè)序列中的每個(gè)序列都是根據(jù)客戶的具體要求定制而成的。”IDT 公司資深科學(xué)家 Dan Brock 說道：“就像雪花一樣，我們所生產(chǎn)的每一個(gè) DNA 序列都是獨(dú)一無二的。”由于公司已經(jīng)最大限度地精簡了其制造工藝，當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午 1 點(diǎn)前收到的大部分訂單會(huì)在第二天上午送到客戶手中。“IDT 不僅因?yàn)槠洚a(chǎn)能和速度而聞名 — 我們也注重產(chǎn)品質(zhì)量和客戶服務(wù)。”自動(dòng)化工程師主管 Owen Piette 說道。“我們生產(chǎn)的每個(gè)核酸都必須經(jīng)過一道完整的質(zhì)量控制工序。” 

緊湊且高效：裝有 TwinCAT 3 軟件的 CX2020控制平臺(tái)

“在選擇 M1 DNA 合成器的控制平臺(tái)時(shí)，除了速度和是否物有所值外，我們特別看重系統(tǒng)是否可擴(kuò)展，設(shè)計(jì)是否緊湊。”O(jiān)wen Piette 說。因此，IDT 為其 M1 合成器采用了一臺(tái)嵌入式控制器 CX2020 以及 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件平臺(tái)。“與先前使用的解決方案相比，它涉及四個(gè)獨(dú)立的合成器，每個(gè)都有其自己的控制器，我們現(xiàn)在使用的是一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，顯著降低了控制系統(tǒng)的硬件成本。”自動(dòng)化專家補(bǔ)充說。

“IDT 一直信賴微軟的操作系統(tǒng)和工具。由于我們的大部分編程都在 .NET 中完成，Beckhoff 基于 Windows 的自動(dòng)化平臺(tái)非常適合我們，可以很輕松地在這個(gè)硬件上設(shè)計(jì)我們的系統(tǒng)。”O(jiān)wen Piette 說到。“由于 TwinCAT 3 嵌入在Visual Studio? 中，因此它可以清晰的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，簡化了將系統(tǒng)集成到我們的 MES 系統(tǒng)中的過程。這里有一個(gè)很關(guān)鍵的要求，要考慮到我們的客戶在應(yīng)用中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于我們?yōu)槊恳粋€(gè)合成都生成一個(gè)特殊的配方，這會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，強(qiáng)大的信息管理是我們生產(chǎn)過程成功的關(guān)鍵。

基于 EtherCAT 的全面監(jiān)控功能

M1 中的眾多傳感器，用于監(jiān)控合成的每一個(gè)方面，會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。這使得 IDT 科學(xué)家們能夠嚴(yán)格根據(jù)客戶要求定制生產(chǎn)核酸產(chǎn)品。IDT 時(shí)時(shí)刻刻在監(jiān)控化學(xué)品和試劑，以至于最小的反應(yīng)細(xì)節(jié)。這確保所有進(jìn)程都按照計(jì)劃執(zhí)行。“EtherCAT 微秒級的快速響應(yīng)時(shí)間滿足了我們這類監(jiān)控所需的速度快和數(shù)據(jù)量大的要求。”IDT 公司系統(tǒng)工程師 Ryan Witt 解釋說。隨后，他又進(jìn)行了補(bǔ)充：“倍福的 El 系列 EtherCAT I/O 端子模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸量和高精度為我們的應(yīng)用提供了一個(gè)無與倫比的監(jiān)控功能。”

Dan Brock 還列出了其它一些好處：“我們可以在整個(gè)過程中更密切地監(jiān)測反應(yīng)，還可以準(zhǔn)確地確定問題在何時(shí)以及何地發(fā)生。這幾乎就像一個(gè)心電圖。我們可以看到機(jī)器的心跳，以及確定任何不正常情況，并主動(dòng)解決這些問題。通過 EtherCAT 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，我們再也不用等到下游質(zhì)量出現(xiàn)問題時(shí)才發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。這可以節(jié)省整個(gè)工藝時(shí)間。”

IDT 公司資深科學(xué)家 Dan Brock 正在檢查 M1 DNA 合成器的狀態(tài)

緊湊型解決方案占用空間小

CX2020 與一系列的 EtherCAT I/O 端子模塊連接。例如，16 通道高密度數(shù)字量輸出端子模塊 EL2809，將控制器的二進(jìn)制控制信號連接到過程層的執(zhí)行器。在另一端，一組電氣隔離 EtherCAT 數(shù)字輸入端子模塊 EL1819 負(fù)責(zé)接收和發(fā)送信號。模擬量端子模塊 EL3068 和 EL4008 具有連接各自現(xiàn)場總線設(shè)備的接口。用于登錄和授權(quán)的條形碼掃描儀通過串行接口端子模塊 EL6002 連接。“EtherCAT I/O 系統(tǒng)是一款占用空間非常小的緊湊型解決方案。”Ryan Witt 說道。“我們現(xiàn)在可以在以前只能容納兩臺(tái)設(shè)備的空間內(nèi)安裝四臺(tái)合成器。”O(jiān)wen Piette 提到另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：“有了中央控制器，我們能夠減少令人印象深刻的 66 % 的合成容器組裝時(shí)間。”

一臺(tái)具有 15.6 英寸顯示屏的 CP3916 多點(diǎn)觸控面板用作緊湊型合成器的 HMI。由于顯示屏的玻璃面板具有出色的耐化學(xué)品性，非常適用于我們的合成過程。用戶甚至能夠戴著手套進(jìn)行操作。”Dan Brock 解釋道。

一臺(tái)直接連接 I/O 端子模塊且安裝有 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件的 CX2020 嵌入式控制器用作 M1 合成器的中央處理器

為未來擴(kuò)展做好準(zhǔn)備

“總的來說，基于 PC 的控制與 EtherCAT 將性價(jià)比和靈活性很好地結(jié)合在一起。”O(jiān)wen Piette 強(qiáng)調(diào)道。“與其它控制系統(tǒng)相比，倍福的中央控制系統(tǒng)為 IDT 每個(gè)系統(tǒng)節(jié)約了約 4500 美元，因?yàn)槲覀儾恍枰o我們 M1 中的 4 個(gè)合成器的每一個(gè)都單獨(dú)購買一臺(tái)PLC。”自動(dòng)化專家也指出了基于 PC 的解決方案的投資保護(hù)：“PC 平臺(tái)的靈活性和可擴(kuò)展性讓我們能夠輕松升級系統(tǒng)。在未來當(dāng)我們的一個(gè)科學(xué)家要求進(jìn)行加強(qiáng)或改進(jìn)時(shí)，與以前相比，實(shí)施工作將更輕松且更節(jié)約時(shí)間。”