Как центральные элементы автоматизированных систем

В микробиологии существуют две основные задачи: во-первых, выделить из определенной экосистемы микробную популяцию и определить ее видовую принадлежность; во-вторых, осуществить культивирование микробной популяции данного вида в управляемых условиях с целью накопления биомассы или ценных продуктов метаболизма.

Для решения этих задач необходимо наличие диалоговых информационно-вычислительных систем на базе современных быстродействующих ЭВМ, оснащенных соответствующим математическим обеспечением (мини- и микро-ЭВМ, микропроцессоров).

В данной главе электронные вычислительные машины рассматриваются как центральные элементы автоматизированных систем для биотехнологических исследований. Одна из отличительных особенностей управляющих ЭВМ заключается в том, что они взаимодействуют не с человеком – оператором, а непосредственно и физическим объектом и отображает информацию о ходе процесса. Кроме того, она не может самостоятельно выбирать темп работы и должна в реальном масштабе времени реагировать на разнообразные изменения в управляемом процессе. При культивировании микроорганизмов необходимо оптимальное регулирование основных параметров процесса. Для этого следует в эксперименте определять реальную траекторию процесса (набор физико-химических, биохимических параметров) и сравнивать ее в каждый момент времени с выбранной (расчетной), чтобы вовремя ввести необходимую коррекцию. Проведение таких расчетов в ручную потребует столько времени, что результаты окажутся уже практически ненужными, а ЭВМ позволяет вычислить необходимые параметры в реальном масштабе времени.

Рассмотрим, например, систему, обеспечивающую управление процессом культивирования микроорганизмов в ферментёре. Она состоит из исполнительных механизмов, датчиков, управляющей ЭВМ и программы, которая работает согласно трехкомпонентной модели реальной обстановки. Стратегия, согласно которой работает машинная программа, заключается в оптимальном ведении процесса. В такой системе ЭВМ, управляемая программными средствами, воспринимает информацию от датчиков об уровнях и скоростях течения различных жидкостей, температуре, давлении, кислотности в ферментёре, а также о параметрах, характеризующих состояние исследуемой культуры. Она выдает команды, по которым осуществляется регулирование этих параметров с помощью исполнительных механизмов, и тем самым определяет объемы и качественные показатели конечных продуктов. Подобная система управления также может быть запрограммирована и на минимизацию энергетических затрат либо расходуемых субстратов.

В любых приложениях управляющих систем связующими звеньями между ЭВМ и процессом служат датчики и исполнительные механизмы. Как правило, датчик воспринимает аналоговую информацию, которую, прежде чем ввести в ЭВМ, следует преобразовать в цифровую форму. Это осуществляют аналого-цифровые преобразователи (АЦП). При работе с некоторыми датчиками системные программы обеспечивают периодический запрос информации от них; датчики других типов в произвольные моменты времени сами прерывают выполнение программ для выдачи информации. Система управления тем или иным процессом содержит также устройство задания временного режима – таймер (тактовый генератор), которое можно рассматривать как датчик. Исполнительный орган воздействует на процесс с помощью либо электрических, либо электромеханических средств. При регулировании температуры такой механизм может включать или выключать нагреватель и холодильник.

Взаимодействие между ЭВМ и оператором осуществляется через устройство ввода-вывода. Типичное устройство ввода – это пульт с клавиатурой. Современные вычислительные системы зачастую оснащаются дополнительными средствами ввода, например световым пером или графическим манипулятором типа «мышь», которые позволяют оператору выбрать решение путем выделения определенных элементов на экране дисплея. Экран дисплея – это устройство вывода, отображающее графическую и текстовую информацию о состоянии управляемого процесса. Еще один пример устройства вывода – звуковая или световая сигнализация, уведомляющая о том, что на определенную часть процесса следует обратить особое внимание.

Центральным звеном любой управляющей вычислительной системы является модель реально протекающего процесса. Такая модель включает три компонента: модельное состояние, функция модификации состояний и функция предсказания. Модельное состояние содержит данные, представляющие полное описание реального процесса в каждый момент времени. Функция модификации состояний на основе информации, получаемой от датчиков, заключается в переходе от одного модельного состояния к другому. Функция предсказания (при точно заданном модельном состоянии) формирует набор машинных команд, позволяющих установить некоторые условия, требуемые для данного управляемого процесса. Перечисленные формализованные компоненты описывают замкнутую систему управления: ЭВМ получает информацию от датчиков, реализует функции модификации состояний и предсказания и выдает команды на исполнительные органы. Результаты выполнения этих команд сказываются в дальнейшем на информации, поступающей от датчиков.

Самостоятельную, не связанную с моделью, но крайне важную роль для функционирования системы играет обобщенный план. Он определяет последовательность состояний, которые должен проходить управляемый процесс. Указанный план может либо подготавливаться специалистами, либо автоматически «генерироваться» программными средствами на основе комплекса более абстрактных целей, поставленных разработчиками системы.

Проиллюстрируем систему управления процессами на том же примере установки, обеспечивающей управление процессами ферментации. Модельное состояние в данном случае включает в себя значения параметров, считываемых с датчиков. Наиболее важная задача функции модификации состояний – наиболее точная оценка состояния процесса в конкретный момент времени. Функция предсказания на основе модельного состояния и стратегии ведения процесса указывает, когда следует запустить или отключить тот или иной исполнительный механизм. Обобщенный план предусматривает ведение процесса оптимальным образом, исходя из информации конечной задачи, стоимости субстратов и энергозатрат. Определение функции предсказания и выработка стратегии поведения (принятие решений) являются сложными процедурами, как в программном, так и в математическом плане.

Расчет и планирование – это те задачи, которые часто приходится решать во многих случаях применения вычислительных машин; в программах управления процессами используются те же универсальные алгоритмы, которые применяются в программном обеспечении для решения других задач. Требования к системам управления процессами отличаются необходимостью повышенного быстродействия, система обязана принимать решения быстро, функционировать в «реальном времени». Важное значение для управляющих ЭВМ приобретают синхронизация, распределение времени и надежность, поскольку отказ системы приводит к безвозвратной потере информации о процессе.

Представим себе какой-либо один из способов повышения надежности системы (100%-ное резервирование важнейших компонентов). Одна вычислительная машина считается основной, вторая – дублирующей. Каждая ЭВМ принимает все входные данные, но только основная имеет выход на исполнительные органы. Дополнительная ЭВМ выполняет все вычисления, как и при управлении процессом. Если основная машина отказывает, управление основными органами передается дополнительной ЭВМ. В системе также предусмотрено резервирование датчиков, исполнительных механизмов, индикаторов и устройств ввода, поскольку они должны работать также надежно, как и ЭВМ.

Создание процессов управляемого культивирования требует наличия анализаторов состояния микробных популяций, характеризующих физико-химические, биохимические, морфологические, генетические и физиологические показатели популяций. В связи с большим объемом перерабатываемой информации анализаторы также создаются с применением ЭВМ.

Ниже мы рассмотрим примеры применения ЭВМ в составе автоматизированных рабочих мест для автоматизированных рабочих мест для биотехнологических исследований. Автоматизированные рабочие места для классификации и идентификации микроорганизмов и для управляемого культивирования являются определяющим звеном, а автоматизированные рабочие места для машинного анализа, исследования люминесцентных свойств популяции должны рассматриваются как вспомогательные автоматизированные анализаторы.