Systemtechnische Aspekte eines LIMS
EDP-technical aspects of a LIMS

Zusammenfassung/Summary - Einleitung - Systemtechnik - Hardware- und Software-Komponenten - Netzwerk und Kommunikation - Fazit - Literatur

Autor: Frank Knoff (Imcor GmbH) - GIT Fachz. Lab. 5/94

Zusammenfassung

Die Beschaffung eines LIMS oder Qualitätssicherungssystems erfordert nicht nur eine genaue Festlegung der funktionalen Anforderungen an die Applikation, sondern auch die Entwicklung eines tragfähigen Konzeptes für das EDV-System. Die hier vorgestellten Aspekte zur Systemtechnik zeigen den Trend der Hardwarelösungen von zentralen zu verteilten Systeme auf und benennen die notwendigen Systemkomponenten. Als wesentlich für die Akzeptanz des DV-Systems ist neben einer komfortablen Bedienerführung, ein gutes Antwortzeitverhalten und die Kommunikationsfähigkeit zu peripheren Geräten und Anwendungen zu sehen. Durch moderne, offene Systemtechnik kann sichergestellt werden, daß das gewählte EDV-System langfristig eine tragfähige Basis für die LIMS-Applikation bildet.

Summary
Establishing a LIMS or quality assurance system does not only require the detailed definition of the functional requirements of the application, but it also requires a well founded design for the EDP-system. The technical aspects presented here, show the trend of system architectures which move from centralized systems to distributed systems. In addition, the main system components are discussed. A comfortable user interface, good system performance and the ability to communicate to peripheral devices and applications are essential for the acceptance of the EDP-system by the user. By means of a modern and open system design, it can be assured that in the long term the chosen EDP-system will form a solid base for the LIMS-application.

Einleitung

Die Einführung eines Laborinformations- und Management-Systems (LIMS) stellt in der Regel ein komplexes Projekt dar, das verschiedenste Unternehmensbereiche berührt. Dabei ist es für die Akzeptanz der Lösung und damit auch für den Erfolg des Gesamtprojektes entscheidend, daß alle betroffenen Stellen und Mitarbeiter frühzeitig einbezogen werden. Nachdem in [1] die anwendungstechnischen Problemstellungen bei der Einführung eines DV-gestützten Datenmanagementsystems umrissen wurden, soll dieser Beitrag die systemtechnischen Fragestellungen beleuchten.

Ein typisches LIMS-Projekt gliedert sich in einen System- und einen Anwendungsteil. Während der Anwendungsteil sich ausschließlich mit den Anforderungen an die Funktionalität beschäftigt, stellt der Systemteil die Funktionsfähigkeit des Systems auf der Basis technischer Komponenten sicher. Beide Projektteile müssen während der Planungsphase gründlich analysiert und konzipiert werden. Daher ist es ratsam, interne oder externe Berater hinzuzuziehen.

Standard-LIMS-Systeme sind heute auf fast allen gängigen Rechnerplattformen verfügbar. Deshalb sollte der Anwender zunächst seine funktionalen Anforderungen in den Vordergrund stellen und dann auf der Basis eines möglichst detaillierten Kriterienkatalogs die geeignete Systemplattform auswählen. Dabei sind firmeninterne DV-Strategien (Hardware, Betriebssystem, Datenbank) und eigene Anforderungen zu berücksichtigen. In Fällen, in denen vorhandene Hardware genutzt werden soll, wird die Auswahl des LIMS durch die vorgegebene Systemtechnik geprägt. Dies kann zur Folge haben, daß der LIMS-Anbieterkreis deutlich eingeschränkt wird und damit unter Umständen auch Abstriche in der Systemfunktionalität hingenommen werden müssen.

Entscheidend für die Akzeptanz des LIMS und den effizienten Einsatz der verfügbaren Systemfunktionen ist die Auswahl geeigneter Systemkomponenten. Dies reicht von der Bedienoberfläche, über eine leistungsfähige Datenbank sowie Rechner, Netzwerk und Peripheriegeräte. Bei der Wahl der Komponenten sollte nicht nur der Einstandspreis im Vordergrund stehen. Folgekosten durch unzulängliche Auslegung der Komponenten, teuere Upgrades für Anwendungs- und Datenbank-Lizenzen sowie hohe Gebühren für Wartungsverträge können ein zunächst günstiges Angebot über die Lebensdauer des Systems drastisch verteuern.

Systemtechnik

Nachdem die Systemfunktionalität des LIMS ausreichend definiert ist, kann das DV-technische Konzept festgelegt werden. Dabei unterscheidet man zwischen Einzelplatzsystemen oder kleinen Netzwerklösungen, die im allgemeinen auf PC-Basis realisiert sind, klassischen Zentralrechner-Konfigurationen, in der alle Benutzer über nichtintelligente Terminals oder über PCs mit Terminalemulation auf die Anwendung zugreifen und modernen Client/Server Architekturen. Die Systemkosten steigen im allgemeinen mit wachsender Rechnergröße und Vernetzungsgrad. Dies gilt auch für den Pflege- und Betreuungsaufwand.

Ziel des Systemdesigns ist primär, dem Anwender ein leistungsfähiges Rechnersystem mit Wachstumspotential zur Verfügung zu stellen. Die Leistungsfähigkeit wird zum einen an der Bedienbarkeit der Anwendung gemessen und zum anderen am Antwortzeitverhalten des Systems. Durch moderne, vollgrafische Benutzeroberflächen wie z.B. Windows oder Motif kann der Einarbeitungs- und Bedienaufwand klein gehalten werden, da der Anwender im Dialog gut durch die Applikation geführt wird. Allerdings ist diese Technik in rauhen Betriebsumgebungen nicht immer sinnvoll einsetzbar, so daß dort die Tastatur der Maus-Bedienung vorzuziehen ist. Das zweite Kriterium, eine gute Systemperformance, kann durch vernünftige Auslegung des Rechnersystems und leistungsfähige Datenbanken sichergestellt werden. Trotz höherer Ansprüche an die Systemressourcen haben sich bei den neueren LIMS-Anwendungen relationale Standard-Datenbanken durchgesetzt. Dies liegt sicher an ihrem hohen technischen Leistungsstand, ihrer anwendungsübergreifenden Einsetzbarkeit und damit verbunden den Standardisierungsmöglichkeiten bei Datenhaltung sowie Datenaustausch innerhalb eines Unternehmens.

Die Systemarchitektur der am Markt erhältlichen LIMS-Applikationen verschiebt sich derzeit von zentralisierten Lösungen in Richtung verteilter Systeme. Dies liegt in den besseren technischen Möglichkeiten der relativ neuen Client/Server-Technik begründet, die Arbeitsplatzstationen und Datenbankserver im Netzwerk verbindet. Während das Antwortzeitverhalten bei Zentralrechnerlösungen für alle angeschlossenen Benutzer massiv vonn den jeweils durchgeführten Aktivitäten, wie Dialoge, Datenbankabfragen oder Auswertungen bestimmt wird, erfolgt bei der Client/Server-Architektur eine Lastverteilung, so daß der einzelne Anwender auch bei hoher Systembelastung geringere Performancenachteile erfährt.

Der wesentliche Unterschied zum Zentralrechnerkonzept ist, daß auf dem zentralen Server nur noch die Datenbank inklusive aller Management-Funktionen (DBMS) betrieben wird und über definierte Schnittstellen mit der LIMS-Anwendung kommuniziert. Diese wiederum läuft auf intelligenten Arbeitsstationen (PC, Workstation) und nutzt die dort verfügbare Rechenkapazität. Der Datenverkehr beschränkt sich auf die tatsächlich von der Applikation verarbeiteten Daten, wodurch das Gesamtsystem erheblich entlastet wird. Setzt man als Datenbank ein Standard-System ein, so erfolgt die Kommunikation zwischen Client und Server über SQL (Standard Query Language), einer weitgehend genormten Abfragespache relationaler Datenbanksysteme. Damit spielt die Datenbank selbst nur noch eine untergeordnete Rolle und kann auch später prinzipiell gegen eine beliebige andere SQL-Datenbank ausgetauscht werden.

Hardware- und Software-Komponenten

Der anforderungsgerechten Auswahl des Computersystems bzw. des Servers und der Arbeitsplatzstationen kommt eine elementare Bedeutung zu, da diese Komponenten im wesentlichen die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems bestimmen. Unterdimensionierte und damit langsame Rechnersysteme sind mit der häufigste Grund für mangelnde Akzeptanz beim Anwender und kosteninsive Nachrüstungen. Zur Festlegung der optimalen Rechenleistung des Computers ist neben einer entsprechend hohen Taktfrequenz primär der Hauptspeicherausbau zu beachten. Je größer die Ausstattung mit Hauptspeicher ist, desto seltener muß der Rechner Daten und Programme auf die vergleichsweise langsame Festplatte auslagern. Dies beeinflußt direkt die Systemperformance.

Massenspeicher wie Harddisks oder optische Platten unterliegen einem starken Preisdruck und haben kurze Innovationszyklen, so daß sie nicht auf Vorrat beschafft, sondern dem wachsenden Bedarf schrittweise angepaßt werden sollten.

Eng an die Auswahl der Systemplattform geknüpft ist in der Regel die Entscheidung hinsichtlich des einzusetzenden Betriebssystemes. Der Trend geht hierbei eindeutig weg von proprietären und hin zu Standardsystemen. Im Bereich der mittleren Datentechnik spielt UNIX die herausragende Rolle, wobei zu beachten ist, daß die einzelnen UNIX-Derivate verschiedener Hersteller untereinander nicht voll kompatibel sind. Der PC gewinnt in professionellen Einsatzbereichen mehr und mehr an Bedeutung, so daß auch DOS-, Windows- und OS/2-Applikationen immer häufiger in Labors zu finden sind. Trotz technisch besserer Leistungsmerkmale ist OS/2 jedoch als Betriebssystem unterrepräsentiert. Dagegen ist Novell als Server-Betriebssystem weit verbreitet. Es stellt faktisch den Standard in PC-basierenden Netzwerken dar, wobei als Server auch andere Systeme wie VMS- oder Unix-Rechner eingesetzt werden können. Als Front-End Arbeitsstationen fungieren allerdings immer PCs.

Peripheriegeräte repräsentieren die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Je nach Systemauswahl kommen für die Eingabe Terminals oder PCs gegebenenfalls ergänzt durch Barcode-Geräte in Frage. Terminals und PCs werden bei einem Zentralsystem entweder direkt am Rechner oder im Netzwerk über Konzentratoren (Terminalserver) angeschlossen. Wesentlich komfortabler ist jedoch eine direkte Netzwerkintegration der PCs wie sie bei PC-Netzen die Regel ist. Dabei kann der DOS/Windows-Anwender nicht nur über eine Terminalemulation auf die LIMS-Anwendung zugreifen, sondern auch auf PC-Applikationen die netzwerkweit auf einer Serverplatte bereitstehen. Wartung und Update beschränken sich lediglich auf eine gemeinsam genutzte Softwareversion, was die Softwarepflege deutlich vereinfacht. Weiterhin können auch DOS- und Windows-Anwender teure Peripheriegeräte, die im Netzwerk verfügbar sind, mitbenutzen. Insbesondere bei hohen Probenaufkommen ist die schnelle, fehlerfreie Kennzeichnung und Identifizierung der Proben von Bedeutung. Dies kann durch den Einsatz von Barcode-Geräten erheblich vereinfacht werden.

Für die Ausgabe von Daten und Berichten werden am häufigsten Nadel-, Tintenstrahl- und Laserdrucker eingesetzt. Die Auswahl richtet sich nach den Anforderungen hinsichtlich Qualität und Druckvolumen. Für die Ausgabe von Zertifikaten ist ein Laserdrucker zu empfehlen, während am Arbeitsplatz leise Tintenstrahldrucker sinnvoll sind. Bei Berichten mit großen grafischen Anteilen und hohen Qualitätsansprüchen kommen PostScript-Drucker zum Einsatz. Da farbige Darstellungen eine besonders hohe Aussagekraft haben empfiehlt es sich, für graphische Ausgaben Farb-Tintenstrahldrucker oder auch Plotter vorzusehen.

Die gesammelten Daten des LIMS-Systems stellen einen wertvollen, oft nur mit hohem Aufwand reproduzierbaren, Informationsbestand dar. Zu ihrem Schutz ist es wesentlich, geeigneten Datensicherungsstrategien zu implementieren. Im einfachsten Fall werden dazu täglich alle Daten oder der geänderte Bestand auf externe Datenträger gesichert. Dazu eignen sich Magnetband- und Kassetten-Stationen oder magneto-optische Platten. Optische Disks besitzen eine sehr lange Lebensdauer, was sie insbesondere für die Archivierung von Daten z.B. im Pharmabereich prädestiniert, wo lange Aufbewahrungszeiten gefordert sind. Um den Zeitaufwand für Datensicherung zu minimieren und die Systemverfügbarkeit zu erhöhen, bieten sich außerdem Lösungen wie z.B. einen Plattenspiegelung an, bei der im laufenden Betrieb automatisch alle Daten doppelt gespeichert werden. Eine extreme Variante der Ausfallsicherung stellen Multirechnersysteme dar. Bei Ausfall des primären Systems übernimmt ein zweiter Rechner dessen Aufgaben und stellt so die Betriebsbereitschaft sicher. Diese Variante ist allerdings kostenintensiv.

Netzwerk und Kommunikation

Ein LIMS wird in der Regel nicht als Insellösung installiert, sondern soll häufig in ein unternehmensweites Netz integriert werden. Dadurch wird eine gemeinsame Datenhaltung aller LIMS-Benutzer wie auch der Zugriff auf Daten anderer Fachbereiche gewährleistet. Für die Vernetzung der Systeme und ihrer Komponenten haben sich im wesentlichen zwei Verkabelungsstrategien durchgesetzt: Ethernet und Token Ring. Während Ethernet eine Busstruktur darstellt, wird die Verbindung im Token Ring über einen logischen Ring hergestellt. Die Zugriffsverfahren in beiden Systemen sind grundsätzlich unterschiedlich und damit nicht zusammen einsetzbar. Sollen trotzdem Token Ring und Ethernet-Zweige miteinander verbunden werden, so sind spezielle Protokollumsetzer erforderlich. Der Grund hierfür liegt in den unterschiedlichen Zugriffsmechanismen. Ethernet verwendet ein statistisches, Token Ring ein deterministisches Zugriffsverfahren. Beides sind sichere Technologien mit hoher Verbreitung.

Welche Protokolle auf dem Netzwerk eingesetzt werden, hängt primär von der eingesetzten Hardware ab. Es sind sowohl proprietäre als auch offene Protokolle weitverbreitet. Als Beispiele seien DECnet der Firma Digital Equipment oder SNA von IBM genannt. Insbesondere in der Unix-Welt hat sich TCP/IP durchgesetzt, dem das Protokoll von Novell ähnelt. Alle diese Protokolle können gleichzeitig auf einem physikalischen Netzwerk ohne sich zu stören betrieben werden, solange die verwendeten Zugriffsmechanismen identisch sind.

Häufig besteht die Anforderung, bereits vorhandene, rechnergestützte Meß- und Analysesysteme in ein neu einzuführendes LIMS-System zu integrieren. Dabei sollte ein online-Anschluß der Geräte kritisch unter Kosten/Nutzen-Aspekten betrachtet werden, da sich die Anbindung unter reinen Datenmengenaspekten häufig nicht lohnt. Die technische Realisierung von Geräteanschlüssen an LIMS-Systeme besitzt eine große Bandbreite. Im Verhältnis zu dedizierten Datenerfassungssystemen auf Basis von PCs oder intelligenten Meßboxen nimmt der Direktanschluß an den LIMS-Rechner einen immer geringeren Raum ein. Dies liegt darin begründet, daß vorgeschaltete Erfassungsstationen zur Ausfallsicherheit beitragen und im allgemeinen eine Vorprüfung der Meßdaten erlauben, bevor sie in das LIMS übernommen werden. Eine spezielle Form der online Datenerfassung repräsentieren mobile Systeme auf Basis von Notebook-Rechnern oder speziellen MDE-Geräten. Sie können genutzt werden, um z.B. Daten von entfernten Stellen wie Produktion, Lager oder der Meßstelle eines Vorfluters zu sammeln und später in das LIMS zu übertragen. Der Datentransfer kann dabei über Direktanschluß oder auch via Funk- und IR-Verbindungen erfolgen.

Nicht nur Meßgeräte, sondern vor allem andere Applikationen müssen häufig mit dem LIMS-System verknüpft werden. Durch die Verbreitung der PCs gibt es eine Vielfalt an PC-Anwendungen, wie Textverarbeitungssysteme, Graphik- und Kalkulationsprogramme, die der Analytiker im Labor seit langem einsetzt und sinnvollerweise auch zusammen mit dem LIMS nutzen möchte. Der Datenaustausch zwischen dem LIMS-System und den PC-Anwendungen ist in den meisten Fällen über Filetransfer möglich. Bei Einsatz Windows-basierender Lösungen bietet sich oftmals ein besonders eleganter Weg über Kommunikationstechniken wie DDE oder OLE an, bei denen Daten aus verschieden Quellen weitgehend transparent in eine Anwendung eingemischt oder eingebettet werden können. Bei sorgfältiger Planung und Implementierung können auch mit einer solchen Lösung Anforderungen hinsichtlich GLP/GMP erfüllt werden.

Aufwendiger ist die die Verbindung des LIMS mit peripheren Applikationen wie z.B. Warenwirtschaftssystemen, PPS- oder Prozeßleitsystemen. Hier ist es in den meisten Fällen nötig, Kommunikationsprogramme für den spezifischen Anwendungsfall zu entwickeln, um die Daten unter den verschiedenen Applikationen auszutauschen.

Fazit

In Ergänzung zur Analyse und Festlegung der funktionalen Anforderungen an ein Datenmanagement-System ist für die systemtechnische Seite ein tragfähiges Konzept zu entwicklen. Nur ein optimal abgestimmtes System aus Anwendungs- und Systemsoftware sowie Hardware- und Netzwerk-Komponenten ist in der Lage, die hohen Anforderungen, die an ein derartiges DV-gestütztes System gestellt werden, zu erfüllen. Die dargestellten systemtechnischen Aspekte bilden dabei nur einen Rahmen. LIMS und Qualitätssicherungssysteme müssen sich permanent an ihre Umgebung anpassen, so daß ein offenes, auf Wachstum und Kommunikationsfähigkeit abgestimmtes Systemkonzept den besten Investitionsschutz darstellt.

Literatur

[1] Jonak, R.: Auswahl und Einführung eines LIMS; GIT Fachz. Lab. 37, 734-738 (1993)

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