Громов Г. Р., Ширшиков Н. В., Литвиненко Л. А.

Микромашинный комплекс для управления биотехнологическими процессами. "Микропроцессорные средства и системы" 1984 #2 c. 54-59

Аппаратно-программный комплекс «Альфа-60» (см. фото на первой странице вкладки) на базе двух функционально связанных микроЭВМ «Электроника 60» разработан для автоматизации биотехнологических экспериментов и может быть использован в системах гибкого управления широким классом технологических про цессов.

Введение

Исследования по одному из основных раз делов биотехнологии — физиологии роста микроорганизмов, выполняемые на аппаратуре непрерывного культивирования типа «АНКУМ» и других аппаратах данного клас са, сопряжены с постановкой длительных (ме сяц и более) круглосуточных экспериментов и проводятся в асептических (стерильных) условиях. В ходе такого эксперимента требуется собрать, обработать и использовать для управления биотехнологическим про цессом большой объем информации о состоя нии аппаратуры и объекта культивирования. Вся используемая аппаратура должна устой чиво работать в непосредственной близости от источников перегретого пара, в атмосфере летучих компонент культуральных жидкостей, а также в условиях воздействия интенсивных электромагнитных помех от мощных реле, электродвигателей и других приборов, обеспе чивающих микробиологический эксперимент.

Часть информации о контролируемом про цессе поступает в микроЭВМ с заданной пе риодичностью непосредственно от измеритель ной аппаратуры (число оборотов перемеши вающего устройства ферментера, температу ра, кислотность рН, оптическая плотность культуры, парциальное давление кислорода, выходные сигналы каналов дозирования и др.). Другая часть информации вводится с пульта и представляет собой результа ты аналитических определений состава проб питательных сред и культуральных жидкос тей, активности ферментов и т. д., выполнен ных на лабораторных приборах, не входящих в состав управляющего комплекса.

Накоплению и первичной статистической обработке данных предшествует вычисление вторичных величин на основе аналитических определений и измерений. Вычисляемыми ве личинами могут быть удельные скорости роста, дыхания, подкисления среды культивиро вания или ее подщелачивания; удельные вы ходные нагрузки веществами, удельные по

требности клеток в тех или иных веществах, . коэффициенты и т. п.

Перед анализом экспериментальных дан ных необходимо дополнительно «привязывать» с помощью специальных вычислительных про цедур результаты аналитических определений к состоянию микробиологического процесса в момент отбора соответствующей пробы. Этой привязке часто предшествует предварительная обработка данных.

Общее число используемых в микробиологическом эксперименте датчиков измеряемых величин, например, для аппаратуры типа «АНКУМ» -- 10 - 15.

Дыхательная активность микробной культуры, измеряемая с помощью датчиков пар циального давления кислорода (р0 2 ) относится к наиболее «быстрым» параметрам микробиологического процесса; сигнал датчика температуры — к наиболее «медленным». Период, опроса этих крайних по инерционности дат чиков различается в 10—100 раз.

Суммарный объем накопленной за эксперимент информации в зависимости от темпа опроса датчиков, их числа и длительности, опыта — 0,5—50 Мбайт

.

Персональная ориентация комплекса

Несмотря на известную общность средств реализации микробиологических эксперимен тов (аппаратных, алгоритмических, програм мных), характеристика, объем и сложность, каждого отдельного эксперимента опреде ляются в основном, как конкретной задачей,, так и текущим этапом исследования. Кроме этих объективных факторов, индивидуаль ность научных интересов исследователя — также один из существенных, хотя и субъек тивных факторов, определяющих архитек тонику конкретного эксперимента, так как проявляется не только при формулировании целей и задач, но и существенно влияет на интерпретацию результатов.

Поэтому при создании управляющего исследовательского ком плекса автоматизации биотехнологических экспериментов на.базе микроЭВМ была по ставлена дополнительная цель: разработать гибкую технологию программирования комп лекса, в рамках которой традиционно наибо лее трудоемкая для программиста задача — формализация профессиональных знаний био лога, оказалась бы посильной для самого носителя этих знаний — профессионала в дан ной предметной области [1].

При этом за программистом оставались бы функции создания базового программного обеспечения, а также системное сопровождение разработки пакета прикладных программ пользователя [2].

Системное программное обеспечение комп лекса имеет модульную структуру, причем каждая очередная версия открыта для расши рения и модификации. Программист разрабатывает и модифицирует системные программы на инструментальной мини-ЭВМ типа СМ-4. Задачу на модификацию и расширение библиотеки системных программ ставит в основном биолог-экспериментатор запросами, возникающими у него при формализации его профессиональных знаний, методик и навыков [1]. Когда необходимые биологу-экспериментатору программные средства в очередной раз выходят за рамки функциональных возможностей освоенной им версии языка «Бейсик», он сообщает об этом программисту, задача кото рого, соответственно — расширить возможности языка «Бейсик» в указанном пользователем направлении, используя аппарат внешних функций [3].

Структура комплекса

Структурно-функциональная схема комп лекса «Альфа-60» приведена на рис. 1. Сигна лы с аналоговых датчиков, число которых мо жет достигать 30, через блок гальванической развязки (1) поступают на вход серийной {4] цифровой измерительной системы К484.2 (2). Ее основное назначение — аналого-цифровое преобразование сигналов датчиков и форми рование первичной единицы данных — кадра опроса датчиков. Период опроса датчиков вы бирается от 20 с до 2 ч. Блок сопряжения (3) связывает систему К484.2 с микроЭВМ «Элек троника 60»: согласовывает уровни и форматы цифровых сигналов, синхронизирует и пере дает данные от системы К483.2 к интерфейс ной плате И2 микроЭВМ.

Контур управления ферментативным про цессом (4) содержит восемь аналоговых уп равляющих каналов. По ним сигналы посту пают от ЦАП на прибор управления «Гамма-3» [5], воздействующий на дозато ры (5). От платы И2 идут также два дискрет ных канала. Один из каналов управляет реле времени «Гамма-3», другой воздействует на электропневмопреобразователь (6), с помо щью которого ЭВМ управляет подачей газов и (или) жидкостей в ферментер.

Манипулируя в диалоге с ЭВМ последовательностью исполнения и параметрами при кладных программ, экспериментатор может производить необходимые ему измерения, анализ характеристик исследуемого процесса, а также гибко управлять ферментативным процессом: изменять дозирование отдельных компонентов питательных сред, режимы аэра ции, скорости протока и т. д.
Структура программного обеспечения

Программное обеспечение (ПО) аппаратно-программного комплекса «Альфа-60» (рис. 2) состоит из трех основных частей:

1. Ядро ПО — диалоговая система Бейсик — готовый программный продукт, поставляемый изготовителем в комплекте микро ЭВМ «Электроника 60» (3]. В систему Бейсик входят интерпретатор с языка Бейсик (около ' 8 Кбайт), командный язык, редактор, аппарат внешних функций.

2. К системному ПО «Альфа-60» относятся программы реального времени (обеспечивают работу микроЭВМ с экспериментальной уста новкой в режиме прерываний), библиотека внешних подпрограмм EXF (расширяет функ циональные возможности языка Бейсик). Об щий объем системного ПО — 8—12 Кбайт.

3. Пакет прикладных программ обработки данных микробиологических экспериментов — ППП «Микроб» (около 24 Кбайт) — написан на языке Бейсик, расширенном внешними функциями (EXF) из состава системного ПО комплекса. Пакет разрабатывается микроби ологом в период развертывания и опытной эксплуатации комплекса «Альфа-60». Входной я$ык ППП «Микроб» ориентирован на микро биОлогов, не знакомых с вычислительной тех • никой, и предоставляет им возможность в ре жиме диалога гибко управлять экспериментом: на языке их предметной области.

Итак, ПО комплекса «Альфа-60» обеспечи вает разделение ресурсов микроЭВМ в режи ме прерываний между задачей реального вре мени (ввод, предварительная обработка и регистрация экспериментальных данных) и фо новой задачей (работой диалоговой системы Бейсик, в рамках которой функционирует ППП «Микроб»).

 

 Монитор реального времени и система Бей сик вместе с наращиваемой в процессе иссле дований библиотекой внешних функций {6, 7], хранятся в «неподвижной» внешней памяти микроЭВМ. Для реализации такой внешней памяти используется адресное пространства дополнительной микроЭВМ, оснащенной мо дулями РПЗУ типа ПП 2. Такое аппаратное решение для базового ПО комплекса имеет ряд преимуществ: упрощается и резко сокра щается процесс перезагрузки ПО, например г после, сбоев, внезапного отключения сетевого питания и т. д.; существенно экономится ад ресное пространство управляющей микро ЭВМ и в то же время сохраняется возмож ность оперативного развития и модификации хранимого в постоянной памяти ПО. Прикладное математическое обеспечение комплекса «Альфа-60»

Создавая пакет прикладных программ •(ППП «Микроб»), авторы попытались решить некоторые задачи обработки экспериментальной-информации и гибкого управления микро биологическим процессом в рамках созданного комплекса «ферментер—ЭВМ». Структура ППП определена необходимостью мак симально полно использовать возможности аппаратуры [5], позволяющей управ лять в ходе эксперимента составом питательной среды. Поэтому, наряду с програм мами опроса измерительных каналов, вычис лением текущих значений параметров по дан ным измерений и аналитических определений,, а также их документированием (распечаткой или регистрацией на промежуточный носи тель), часть прикладных программ пользова теля предназначена для автоматизации уп равления составом питательной среды и дозирующими устройствами «Гамма-3». Пре дусмотрены два основных режима управле ния: диалоговый полуавтоматический (ЭВМ в режиме «советчика») и автоматический. В автоматическом режиме выполняется про граммная оценка физиологического состояния микробной культуры и выдача сигналов на исполнительные устройства комплекса: «Гамма-3»; прибор управления оборотами переме шивающего устройства, температурой и т. д., а также на электропневмопреобразователи (ЭПП).

Работа ППП «Микроб» начинается с выполнения «стартовых» программ, готовящих буферные области памяти в ОЗУ «Электрони ка 60» для накопления данных, получаемых в реальном времени от аппарата культивирова ния.

При выполнении этих программ в диало ге с микробиологом определяется тип исполь зования того или иного измерительного кана ла (по темпу опроса датчиков: быстрые, мед ленные), тип промежуточного носителя (пер фолента цли магнитная лента), на который выводятся данные после предварительной об работки, — лабораторный архив и т. д.

После выполнения «стартовых» про грамм биологу выдается сообщение «Связь с ферментером включена»,

и начинает работать диалоговая программа ввода с клавиатуры исходных данных о планируемом характере эксперимента и его основных параметрах.


Исходные данные содержат сведения: о дате ввода исходных данных, об объемах доз, компонентов и смесей компонентов, выбирае мой исследователем периодичности опроса датчиковой аппаратуры и т. д. Благодаря от крытой структуре ППП «Микроб» пользова тель, владеющий языком программирования Бейсик, может дополнять или изменять этот список, исходя из целей и задач конкретного эксперимента.

 

Пример ввода начальных параметров и служебной информации:
СВЯЗЬ С ФЕРМЕНТЕРОМ ВКЛЮЧЕНА

ВВОДИТЕ ДАННЫЕ

ДОЗА 1 =  ,32

ДОЗА 2= ,32

ОБЪЕМ 1 =  8000

ОБЪЕМ 2 =  4000

ДАТА........... 2.04.84

ИНТЕРВАЛ СЧИТЫВАНИЯ (МИН) . .  1

ОБОРОТЫ АППАРАТА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ (ОБ./МИН)....... 600

РАБОЧИЙ ОБЪЕМ ФЕРМЕНТЕРА . . .  5200

ИМПУЛЬСНАЯ НАГРУЗКА (Г/Л) . . . 1,2

КОНЦЕНТРАЦИЯ В-ВА В ИМП. КАН (Г/Л)............ 320

УКАЖИТЕ РЕЖИМ ПРОДОЛЖЕНИЯ

 

После ответа о готовности пользователя микроЭВМ выводит на экран «меню» из 9 на именований программ. Введя нужный номер (см. ниже: программа 2), пользователь после короткого начального диалога получает сведе ния о текущем состоянии различных парамет ров процесса культивирования микроорганиз мов.

Состав программ предварительной обра ботки и их организация для одного из разде лов ППП «Микроб» приведены (в виде схе мы) на рис. 3.

Программа 5 позволяет в любой момент вывести на экран дисплея (и/или АЦПУ) со держание текущего опроса датчиковой аппа ратуры в общепринятых в экспериментальной микробиологии единицах измерения. Распечатка текущего опроса аппаратуры «АНКУМ» включает в себя (в данной версии ППП):

дату, время, текущий номер опроса от начала сеанса, текущий час эксперимента, число оборотов перемешивающих устройств головно го и вспомогательного ферментов, рабо чий объем культуры (суммарный); температуру; рН; оптическую плотность; уровни р0 2 от трех датчиков р0 2 , находящихся в головном и вспомогательном ферментах; текущие уставки устройства управления дозаторами «Гамма-3», объемы расходов компонентов питательной среды по каждому из каналов дозирования и остаток их в буферных емкостях; уставку суммарного расхода'и значение текущей ско рости разбавления, рассчитанной по объему ферментера при данном числе оборотов пере мешивающего устройства; величину уставки реле времени - (в случае импульсной подачи вещества по одному из каналов дозирования) и значение импульсной нагрузки |[8]:

Пример распечатки текущего опроса датчиковой аппаратуры ферментера

 
1. КОРРЕКЦИЯ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

2. РАСПЕЧАТКА ТЕКУЩЕГО ОПРОСА

4. КОММЕНТАРИИ

5. КОРРЕКЦИЯ УСТАВОК

6. ВВОД СОСТАВА ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ

7. ВХОДНЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ

8. ПРОДУКТИВНОСТЬ И АС В ПО ЗАДАННОМУ У ( )

9. РАСПЕЧАТКА БУФЕРА ДАННЫХ 10. ПАРАМЕТРЫ ЦИКЛА 2

3. 04. 84, ВРЕМЯ 12 Ч 44 МИН, ОПРОС 20, ЧАС

ОПЫТА......... .33

ОБОРОТЫ АК-3 (ОБ./МИН).....600

РАБОЧИЙ ОБЪЕМ КУЛЬТУРЫ (ЕД. ДОП.) . 5200

ТЕМПЕРАТУРА (ГРАД. С)......28,5

РН.............6,25

ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ (ЕД. ДОП.) . . 0,48

Р02 (Ж) АК-05 (ММ РТ.СТ.).....170

Р02 (Г) AIC-5 (ММ РТ. СТ.) ...... 0.2

Р02 (Ж) АК-Ю (ММ РТ. СТ.) ..... 0.3

КАНАЛ XI% У1% 01 (МЛ/Ч)

ПОДАНО ОСТАТОК (МЛ) (МЛ)

1 12 25 96 31. 63 7968,32

2 12 25 96 31. 68 7968,32

3 13 27,1 97 , 56 32. 1948 7967,805

4 13 27,1 100,812 33.26796 7966,732

УСТАВКА СУММАРНОГО РАС ХОДА ........48%

СКОРОСТЬ РАЗБАВЛЕНИЯ . . 390.372 МЛ/Ч

СКОРОСТЬ РАЗБАВЛЕНИЯ . . 75.0БР.Ч

УСТАВКА РЕЛЕ ВРЕМЕНИ . . 234 СЕК

ИМПУЛЬСНАЯ НАГРУЗКА В-ВОМ 1,2 Г/Л

 
 

Программа 8 рассчитывает уставки на каналах дозирования «Гамма-3», учитывающие .реальные объемы доз:

 

  

Пример распечатки скорректированных уставок каналов дозирования «Гамма-3»:
ВВЕДИТЕ УСТАВКИ...... 25, 23

КАНАЛ 1(Х)КОРР.

1 24.8

2 I'ZZ

 
Программа 9 позволяет ввести, распределить по каналам дозирования и запомнить отношение компонентов

питательной среды в виде химических формул.  Пример ввода в память микроЭВМ состава питательной среды в виде химических формул:
ВВОДИТСЯ ФОРМУЛА ПО 1 КАНАЛУ

ВВОДИТЕ ТЕКСТ ФОРМУЛЫ КН2Р04

НАВЕСКА (Г/Л) 3.65

 
и т. д. по всем каналам.

Программа 10 хранит химические формулы в течение всего эксперимента для дальнейше го использования и в нужный момент рассчи тывает входную концентрацию любого элемен та в питательной среде, поступающей в фер ментер, а также входную удельную нагрузку этого элемента.

Для расчета последней надо ввести с пульта микроЭВМ значение плотно сти популяции (в граммах АСВ или в клет ках/л) . Программа 11 позволяет рассчитывать продуктивность культуры микроорганизмов, исходя из данного экономического коэффици ента эффективности, а также вычислять удельные нагрузки для компонентов питательной среды.
Пример расчета параметров процесса:
ВВЕДИТЕ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ЦИКЛА (МИН).......... 172,5 I

ВВЕДИТЕ YS....... 54 (Г) П24(Г) АСВ (Г/Л) (КЛ./Л) I 16,45 8,23 4,23 .3710526Е 12

ВВЕДИТЕ ОТСЧЕТ....... 21602,5

ВВЕДИТЕ ФОН........ 2100

АСВ (Г/Л) П24(Г) (КЛ./Л) 4,925 9,57 ,58 ,43205Е 12 1

 
Программа 12 распечатывает по запросу биолога текущие значения по пяти парамет рам (в данном разделе ППП: время опроса, мин; рН; оптическая плотность; р0 2 во вспо могательном ферменте; р0 2 в головном фер менте).

  Продолжительность распечатки за дается пользователем в начальном диалоге с программой:


Пример распечатки буфера данных

 
НАЧАЛО РАСПЕЧАТКИ НА 37 МИНУТЕ

УКАЖИТЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ РАСПЕЧАТКИ (МИН) 3 МИН

Т (ГРАД.) РН DOP Р02 ' 1

38 29 6,2 ,048 174 j

39 29 6,25 ,048 174

40 29 6.2 ,048 174

 

Как отмечалось выше, набор параметров, контролируемых программой 12, может быть легко изменен или дополнен пользователем, освоившим начальные элементы программи рования на языке Бейсик.

Программа 13 дозирует подачу питатель ного субстрата по каналам управления прибо ра «Гамма-3».

Программа 14 может управлять реле вре мени «Гамма-3» и электропневмопреобразова телями (для подачи воздуха и питательных сред в ферментер).

С помощью программы 7 можно в ходе эк сперимента с клавиатуры дисплея вводить в ЭВМ тексты произвольного содержания (на пример, неформальные, заметки о ходе опыта, комментарии) и при необходимости распеча тывать их на АЦПУ, т. е. вести лабораторный журнал.

Такой текстовой режим обычно необходим в длительном биологическом эксперименте, когда автоматически регистрируемые данные, как правило, нужно пояснять комментариями о трудно формализуемых качественных сторо нах процесса. Этот же режим позволяет до полнять данные от аппаратуры «АНКУМ» ре зультатами эпизодически выполняемых за пределами данной лаборатории анализов.

Два уровня интерактивности.

1. При массовой эксплуатации комплекса его программное обеспечение дает возмож ность управления на языке микробиологиче ской задачи всеми основными режимами экс перимента биологу, не знакомому с вычисли тельной техникой.

2. Экспериментатор, который осваивает в ходе работы на установке основы простейшего алгоритмического языка типа Бейсик, полу чает существенные дополнительные возможности — разрабатывать' на встроенной микро ЭВМ комплекса собственные алгоритмы уп равления и модифицировать, таким образом, в требуемом ему направлении прикладное ПО комплекса.

Существенно, что работу по программиро ванию комплекса можно выполнять непосред ственно в ходе длительного эксперимента, не прерывая процесс сбора данных и управления (в мультипрограммном режиме).

ЛИТЕРАТУРА

1. Громов Г. Р. Персональный компьютер — массовый инструмент для формализации профессиональных знаний. — В кн.: Всесоюзная конференция «Диалог человек—ЭВМ». — Л.: ЛИАП, 1982, с. 145.

2. Громов Г. Р. Технология персональной ориен тации базового программного обеспечения микроЭВМ.— В кн.: Тез. докл. 1 Международной школы по автоматизации научных исследований. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1982, с. 65.

3. «Электроника 60». Бейсик — Программное обеспечение. — М.: ЦНИИ «Электроника», 1980, кн. 8.

4. Система цифровая измерительная регистрирующая К484.2. Львов: ПО «Микроприбор», 1980, кн. 1.

5. Прибор регулирования и управления «Гамма-3». Пущино: СКВ БП АН СССР, 1979.

6. Громов Г. Р., Ширшиков Н. В., Литви ненко Л. А., Ройтберг М. А., Макеева Е. В. Диалоговый информационно-измерительный комплекс «Альфа-60». — В кн.: Всесоюзная конференция «Диалог-82-микро». Тез. докл. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1982, с. 52—53.

7. Диалоговый информационно-измерительный комплекс «Альфа-60» на базе микроЭВМ. — В кн.: Автоматизация научных исследований в научном центре биологических исследований АН СССР. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1980.

8. Литвиненко Л. А., Кинтана М. Э., Петрикевич С. Б. Влияние входных концентраций азота на рост Candida utilis в непрерывной культуре с импульсным углеродным питанием. —• Микробиология, 1980, т. 49, вып. 6, с. 945—951.

 

Статья поступила 27 марта 1984 г.