На главную Написать сообщение Поиск по сайту Новости публикаций Плакаты и знаки по охране труда и БЖД Видео по охране труда и технике безопасности Зарубежные средства индивидуальной защиты Юридическая консультация онлайн
В начало разделаМикробиология и биотехнологии → Автоматизация биотехнологических исследований

Расчет и планирование обеспечения автоматизированных рабочих мест


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.


На рис. 20 представлен 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 исполнительными органами передается дополнительной ЭВМ. В системе также предусмотрено резервирование датчиков, исполнительных механизмов, индикаторов и устройств ввода, поскольку они должны работать так же надежно, как и ЭВМ.


Система управления процессами ферментации с резервированием

Рис. 20. Система управления процессами ферментации с резервированием


Создание процессов управляемого культивирования требует наличия анализаторов состояния микробных популяций, характеризующих физико-химические, биохимические, морфологические, генетические и физиологические показатели популяции. В связи с большим объемом перерабатываемой информации анализаторы также создаются с применением ЭВМ. Ниже рассматриваются примеры применения ЭВМ в составе 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 конструирования питательных сред, оптико-структурного машинного анализа, исследования люминесцентных свойств популяции должны рассматриваться как вспомогательные автоматизированные анализаторы.


Построение автоматизированных рабочих мест подчиняется определенным правилам, разработанным на основе общих принципов построения автоматизированных систем, наиболее полно сформулированных академиком В. М. Глушковым:

  1. принцип системного подхода. Применительно к автоматизированным системам этот принцип позволяет ускорить процесс выбора ЭВМ, внешних периферийных устройств, обусловить гибкость математического обеспечения для решения исследовательских задач;
  2. принцип многоуровневости и иерархичности, определяющий структурно-функциональную организацию автоматизированных рабочих мест. Использование этого принципа позволяет создать рассредоточенную структуру исследовательского комплекса, наиболее рационально распределить аппаратные и программные функции комплекса между иерархичными уровнями. Такая организация комплекса позволяет достичь высокой надежности его работы и рациональности загрузки ЭВМ;
  3. принцип модульности и функциональной полноты, заключающийся в том, что отдельные модули технического и математического обеспечения автоматизированных рабочих мест имеют функциональную самостоятельность, а их комбинация дает возможность строить функционально полные системы различной степени сложности применительно к конкретным задачам исследования;
  4. принцип непрерывного развития автоматизированных рабочих мест, позволяющий при постоянном совершенствовании отдельных технических модулей осуществлять включение принципиально новых измерительных и анализирующих устройств, способных получать информацию о более сложных и глубоких связях и изменениях объекта исследования и управления; основная структура технического обеспечения систем при этом не изменяется, а органически включает в себя новые элементы. Расширение функциональных возможностей и совершенствование математического обеспечения происходят при сохранении его основного ядра;
  5. принцип новых задач, заключающийся в том, что разрабатываемые системы должны повышать эффективность научных исследований не за счет копирования старых технических и алгоритмических решений, а за счет решения новых задач, которые раньше не решались из-за неполного сбора и обработки информации о ходе процесса;
  6. принцип максимально разумной типизации, расширяющий круг возможных заказчиков и область внедрения автоматизированных рабочих мест в новых отраслях народного хозяйства. Позволяет снизить общую стоимость разработки новых систем, сократить сроки их внедрения. Принцип предполагает быструю адаптацию их к изменению задач исследований с сохранением основных пакетов прикладных программ математического обеспечения;
  7. принцип эксплуатационной надежности, удобства работы и безопасности обслуживающего персонала. Реализация данного принципа существенно влияет на себестоимость научных исследований, позволяет снизить непроизводительные затраты на обслуживание и ремонт автоматизированных рабочих мест, ведет к экономии и рациональному использованию сырьевых и трудовых ресурсов.


На основании изложенных принципов построения автоматизированных систем была разработана общая схема организации комплекса технических средств автоматизированных рабочих мест, приведенная на рис. 21. Данная схема состоит из четырех уровней. Первый уровень комплекса технических средств включает в себя непосредственно объект исследования, первичные датчики для снятия информации о состоянии объекта, а также средства, обеспечивающие оптимальные условия внешней среды объекта и средства воздействия на объект.


Второй уровень комплекса содержит преобразователи сигналов датчиков и анализаторов первого уровня, системы регулирования условий внешней среды объекта, средства управления измерительными системами первого уровня, преобразователи информации для обеспечения связи ЭВМ 3-го уровня с аппаратурой второго и первого уровней и средства отображения первичной информации, необходимой оператору.


Третий уровень комплекса построен на основе микро-ЭВМ типа «Электроника—60» с периферийным оборудованием, включающим устройства для осуществления диалога с оператором, накопления и регистрации информации в удобном для исследователя виде. Микро-ЭВМ 3-го уровня используется для управления аппаратурой нижних уровней: реализации драйверных программ; преобразования формата данных; первичной обработки информации, поступающей от объекта исследования; тестирования работоспособности и точности измерителей комплекса.


Верхний (четвертый) уровень комплекса предполагает использование мини-ЭВМ типа СМ—4 или «Электроника—100/25». Эти ЭВМ оснащены хорошо развитыми периферийными средствами, имеющими большой объем оперативной и долговременной памяти. К функциям верхнего уровня целесообразно отнести этапы деятельности исследователя в процессе подготовки эксперимента (планирование опытов, построение моделей исследуемых объектов), а непосредственно в ходе эксперимента — организацию по выбранным алгоритмам оптимального управления ходом изучаемых процессов. Возможности ЭВМ этого уровня в зависимости от решаемой задачи позволяют подключать к ЭВМ несколько трехуровневых комплексов.


Важной проблемой построения автоматизированных рабочих мест является рациональное разделение функций между аппаратурной и программной частями комплекса. При выборе того или иного варианта необходимо учитывать, что чрезмерная централизация управления приводит к снижению быстродействия всей системы, определяемому конечными возможностями ЭВМ верхнего уровня. Поэтому для повышения быстродействия аппаратурной части автоматизированных рабочих мест и освобождения управляющей ЭВМ от выполнения рутинных операций целесообразно использовать в системе распределенное управление.


Наиболее целесообразным подходом к разработке математического обеспечения автоматизированных рабочих мест является создание многофункциональной модульной структуры специализированного обеспечения, легко адаптируемой к различным комплексам технических средств. Она обеспечивает программную независимость отдельных блоков системы, решающих разные подзадачи.


В основу разработки математического обеспечения автоматизированных рабочих мест были положены следующие принципы:

  1. система математического обеспечения должна представлять собой совокупность функционально независимых модулей;
  2. структура системы может меняться в зависимости от решаемой исследователем задачи или типа используемого комплекса технических средств;
  3. связь модулей между собой осуществляется только на информационном уровне.


Модули должны быть написаны на языках разного уровня (Ассемблер, PASCAL, FORTRAN, BASIC) в зависимости от их функционального назначения: проблемно-ориентированные, машинно-ориентированные, драйверы связи с аппаратурой нижнего уровня. В математическом обеспечении ЭВМ 3-го уровня используют в основном машинно-ориентированные языки типа Ассемблер.