Г. Р. Громов, Н. В. Ширшиков, Л. А. Литвиненко
микромашинный комплекс для управления
биотехнологическими процессамиАппаратно-программный комплекс «Альфа-60» (см.
фото на первой странице вкладки) на базе двух функ-
ционально связанных микроЭВМ «Электроника 60» раз-
работан для автоматизации биотехнологических экспе-
риментов и может быть использован в системах гибко-
го управления широким классом технологических про-
цессов.Введение
Исследования по одному из основных раз-
делов биотехнологии — физиологии роста
микроорганизмов, выполняемые на аппарату-
ре 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 тре-
буется 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
рОг, 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 ро
ста, дыхания, подкисления среды культивиро
вания или ее подщелачивания; удельные вы
ходные нагрузки веществами, удельные потребности 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 микробиоло- |
гическом эксперименте датчиков измеряемых
величин, например, для аппаратуры типа 1
«АНКУМ», — 10—15.Дыхательная активность микробной куль-
туры, измеряемая с помощью датчиков пар-
циального давления кислорода (р02) относит-
ся к наиболее «быстрым» параметрам микро-
биологического процесса; сигнал датчика тем-
пературы — к наиболее «медленным». Период,
опроса этих крайних по инерционности дат-
чиков различается в 10—100 раз.Суммарный объем накопленной за экспе-
римент 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 соз-
дании 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 но-сителя этих знаний — профессионала в дан-
ной предметной области [1]. При этом за про-
граммистом 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 разраба-
тывает и модифицирует системные программы
на инструментальной мини-ЭВМ типа СМ-4.
Задачу на модификацию и расширение библи-
отеки системных программ ставит в основном
биолог-экспериментатор запросами, возни-
кающими у него при формализации его про-
фессиональных знаний, методик и навыков [1].
Когда необходимые биологу-экспериментато-
ру программные средства в очередной раз вы-
ходят за рамки функциональных возможнос-
тей освоенной им версии языка «Бейсик», он
■сообщает об этом программисту, задача кото-
рого, соответственно — расширить возможно-
сти языка «Бейсик» в указанном пользовате-
лем 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 последо-
вательностью 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) аппарат-
но-программного комплекса «Альфа-60»
(рис. 2) состоит из трех основных частей:1. Ядро ПО — диалоговая система Бей-
сик — готовый программный продукт, постав-
ляемый 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 опытнойэксплуатации 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 ре-
гистрация 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, напримерг
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 эксперименталь-
ной-информации и гибкого управления микро-
биологическим процессом в рамках созданно-
го комплекса «ферментер—ЭВМ». Струк-
тура ППП определена необходимостью мак-
симально полно использовать возможнос-
ти аппаратуры [5], позволяющей управ-
лять в ходе эксперимента составом пи-
тательной 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: «Гам-
ма-3»; прибор управления оборотами переме-
шивающего устройства, температурой и т. д.,
а также на электропневмопреобразователи
(ЭПП).Работа ППП «Микроб» начинается с вы-
полнения «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 КУЛЬТИВИРОВА-
НИЯ (ОБ./МИН).......? 600РАБОЧИЙ 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. Распе-
чатка текущего опроса аппаратуры «АНКУМ»
включает в себя (в данной версии ППП): да-
ту, время, текущий номер опроса от начала
сеанса, текущий час эксперимента, число обо-
ротов перемешивающих устройств головно-
го и вспомогательного ферментов, рабо-
чий объем культуры (суммарный); температу-ру; рН; оптическую плотность; уровни р02 от
трех датчиков р02, 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 ферментера1. 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/ЛПрограмма 8 рассчитывает уставки на ка-
налах 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, распреде-
лить по каналам дозирования и запомнить от-
ношение компонентов питательной среды в ви-
де химических формул:Пример ввода в память микроЭВМ состава
питательной среды в виде химических формулВВОДИТСЯ ФОРМУЛА ПО 1 КАНАЛУ
ВВОДИТЕ ТЕКСТ ФОРМУЛЫ
КН2Р04НАВЕСКА (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 питатель-
ной среды:Пример расчета параметров процесса
ВВЕДИТЕ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ЦИКЛА
(МИН)..........? 172,5 I
ВВЕДИТЕ YS.......? 5
24 (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) Я
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; р02 во вспо-
могательном ферменте; р02 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)? 3МИН 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 возмож-ности — 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 профессио-
нальных 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 автома-
тизации научных исследований. Пущино: ОНТИ
НЦБИ АН СССР, 1982, с. 65.3. «Электроника 60». Бейсик — Программное обеспе-
чение. — М.: ЦНИИ «Электроника», 1980, кн. 8.4. Система цифровая измерительная регистрирую-
щая 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 «Диа-
лог-82-микро». Тез. докл. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН
СССР, 1982, с. 52—53.7. Диалоговый информационно-измерительный комп-
лекс «Альфа-60» на базе микроЭВМ. — В кн.: Автома-
тизация научных исследований в научном центре био-
логических исследований АН СССР. Пущино: ОНТИ
НЦБИ АН СССР, 1980.8. Литвиненко Л. А., Кинтана М. Э., Пет-
рикевич С. Б. Влияние входных концентраций азота
на рост Candida utilis в непрерывной культуре с им-
пульсным углеродным питанием. —• Микробиология,
1980, т. 49, вып. 6, с. 945—951.Статья поступила 27 марта 1984 г.
Громов Г. Р., Ширшиков Н. В., Литвиненко Л. А. - микромашинный комплекс для управления биотехнологическими процессами.
