Системный подход в основе разработки эмулятора лабораторного химико-технологического комплекса

В. М. Емельянов, Д. С. Виноградов, С. А. Понкратова,

А. С. Понкратов

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ ЭМУЛЯТОРА

ЛАБОРАТОРНОГО ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Ключевые слова: лабораторный химико-технический комплекс, эмулятор, микропроцессорные модули, SCAD-система, макет промышленного инокулятора. laboratory chemistry-technological complex, emulator, microprocessor modules, SCAD-system,

inoculator.

Разработан эмулятор, состоящий из трех основных частей: ядро системы, эмулятор микропроцессорных модулей ADAM и эмулятор устройств лабораторного комплекса. Программно-аппаратный комплекс реализован для лабораторного макета промышленного инокулятора.

A simulator consists of three main parts: the core system, emulator microprocessor modules ADAM emulator and devices laboratory complex. Hardware-software solution is implemented for a laboratory model of industrial inoculator.

Биотехнологические объекты характеризуются сложной, многоуровневой организацией, которая обладает следующими признаками:

- многофакторностью взаимодействий и откликов биотехнологической системы;

- большой размерностью первичных данных, регистрируемых в ходе эксперимента, доступ к которым должен быть быстрым, простым, с возможностью использования полученной информации для последующих расчетов;

- сложностью алгоритмов планирования, проведения и обработки биотехнологического эксперимента;

- необходимостью проведения имитационных экспериментов.

Основу современного кибернетического подхода к решению задач анализа и синтеза биотехнологических объектов составляет системный анализ. Сущность системного анализа определяется его стратегией, в основе которой лежат общие принципы, применимые к решению любой системной задачи. К ним можно отнести: 1) четкую формулировку цели исследования, постановку задачи по достижению заданной цели и определение критерия эффективности решения задачи; 2) разработку

развернутой стратегии исследования с указанием основных этапов и направлений в решении задачи: последовательно-параллельное продвижение по всему комплексу

взаимосвязанных этапов и возможных направлений; организацию последовательных приближений и повторных циклов исследований на отдельных этапах; принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза при решении составных частных задач [1]. При этом формализация системы осуществляется с помощью математической модели, отображающей связь между выходными переменными системы, ее внутренними параметрами и входными переменными, в том числе управляющими и возмущающими воздействиями.

Сложность изучения этих объектов приводит к необходимости использования ЭВМ для расчетов в режиме имитации объекта и введения ее в контур управления биотехнологическим процессом.

Под системой автоматизации биотехнологических исследований понимается программно-аппаратный комплекс на базе средств измерительной и вычислительной техники, предназначенный для проведения комплексных научных исследований на основе получения и использования моделей исследуемых процессов, а также натурных экспериментов [2].

Для отладки алгоритмов управления и прогноза удобно использовать программные эмуляторы, которые имитируют модули ADAM, подключенные через определенный порт компьютера. В настоящий момент система работает только с последовательным (COM) портом. Поддержка других портов может быть внедрена по мере необходимости. В эмулятор модулей заложены протокол работы и виртуальные модели всех необходимых модулей. Каждая модель представляет собой независимый объект (класс), что делает систему легко-расширяемой и масштабируемой. Программная часть эмулятора выполнена в среде Delphi. Данный эмулятор состоит из трех основных частей: ядро системы, эмулятор микропроцессорных модулей ADAM и эмулятор устройств лабораторного комплекса (рис. 1). Ядро системы является основой функционирования всего комплекса, в котором заложены базовые низкоуровневые функции.

SCADA-система работает с эмулятором точно так же, как с реальными устройствами. Уровень эмулятора для нее абсолютно прозрачен. Это означает, что управляющую программу вплоть до этапа тестирования можно разрабатывать, оптимизировать и модифицировать на виртуальном стенде, не прибегая к реальным устройствам и не неся преждевременные финансовые затраты, часть которых впоследствии к тому же может оказаться напрасной. Например, на этапе проектирования или разработки выяснится, что какой-то модуль необходимо заменить другим или же от части функционала вообще нужно отказаться за ненадобностью, а соответственно и от части оборудования. Взаимодействие данного уровня с эмулятором осуществляется посредством аппаратного уровня, а именно двух последовательных (COM-) портов

Рис. 1 - Принципиальная схема системы

Уровень контроллеров является первым из трех уровней, которые реализует непосредственно эмулятор. Поэтому, говоря уровень контроллеров, авторы имеют ввиду не физические контроллеры, а их виртуальные модели, реализуемые эмулятором. Уровень контроллеров «слушает» определенный порт и обрабатывает поступающие команды от БСЛВЛ-системы. Получив команду, обработчик запроса, в первую очередь выделяет адресат данной команды - модуль, которому адресовано данное сообщение. Определение модуля происходит по его уникальному адресу (идентификатору) (рис. 2). После того, как главный обработчик запроса выполнил свою задачу, управление передается конкретному модулю, объекту.

Уровень контроллеров представляет собой библиотеку виртуальных моделей контроллеров, каждая из которых реализована отдельным классом и программно реализует полный набор команд той или иной модели контроллера. Это означает, что эмулятор контроллера может корректно ответить на любой запрос БСЛВЛ-системы «оставаясь не замеченным». Уровень контроллеров в первую очередь взаимодействует с аппаратным уровнем - считывает данные из порта и отправляет данные в порт. Также данный уровень взаимодействует с более высоким уровнем - уровнем устройств. Взаимодействие этих двух уровней осуществляется за счет виртуальных входов и выходов, как со стороны контроллеров, так и со стороны устройств, а также связей (подключений) между ними.

Рис. 2 - Подключение виртуальных моделей микропроцессорных модулей

В реальной установке модули соединены с определенными устройствами проводами и обмениваются с ними информацией в обоих направлениях. В эмуляторе есть точно такие же «виртуальные провода», которые называются «связями». Связи - набор правил взаимоотношений эмуляторов с устройствами (рис. 3). Связи задают протокол обмена информацией между двумя уровнями эмулятора, уровнем модулей и уровнем устройств.

У каждого модуля и устройства есть свой набор портов (каналов) по аналогии с реальными устройствами. Например, один исходящий канал контроллера может включать

или выключать перистальтический насос, а другой, входящий - получать состояние какого-либо датчика (замыкание контакта). Для описания одной связи необходимо задействовать два виртуальных порта: один со стороны устройства и один со стороны модуля. Более того, связи можно определять не только между различными уровнями системы, но и в пределах одного уровня. Например, виртуальный модуль может обмениваться информацией с другим модулем или же устройство может обмениваться информацией с другим устройством. Также, помимо описания связей «один к одному» можно определять связи «один ко многим» или «много к одному».

Очевидно, что этап проектирования связей является очень важным, в каком-то смысле ключевым, в общем процессе проектирования системы. Именно поэтому к этапу проектирования и описания связей необходимо подходить очень ответственно.

Уровень устройств представляет собой библиотеку виртуальных моделей устройств, каждая из которых реализована отдельным классом и программно реализует поведение того или иного физического устройства. В качестве примеров подобных устройств можно привести индикатор, pH -метр, датчик растворенного кислорода, термостат, перистальтический насос, клапан и т. д.

Рис. 3 - Настройка связей между контроллерами и устройствами для корректной передачи данных

Библиотека устройств может дополняться по мере производственной необходимости новыми устройствами. В таблице 1 представлен состав библиотеки виртуальных устройств в минимальной конфигурации.

Данный уровень подкрепляется визуальной (графической) составляющей, т.е. каждой модели устройства (если это необходимо) соответствует ее графический статичный или анимированный образ. Визуальная модель отображает поведение, состояние устройства в текущий момент времени и позволяет строить интуитивно

понятные, визуальные модели комплексов. Таким образом, мы можем смело говорить о конструкторе, который имитирует не только функциональную составляющую установки, но и ее зримую, визуальную составляющую. Данная особенность делает продукт очень удобным с пользовательской точки зрения.

Таблица 1 - Виртуальные модели устройств

Наименование устройства (виртуальной модели) Описание

Датчик давления рН-метр Перистальтические насосы №1-4

Помимо конструирования модели непосредственно самой биотехнологической установки эмулятор позволяет строить различные модели среды, с которой работает установка и моделировать характер ее поведения. Например, одну и ту же модель установки мы можем отладить для сред с различными биологическими культурами и законами роста.

Среда также есть не что иное, как объект определенного класса. Используя прием объектно-ориентированного программирования «наследование», можно легко конструировать модификации существующих сред, для проведения различных экспериментов. Данную способность системы обеспечивает уровень среды, который также представляет собой библиотеку, но уже не физический устройств, а характеристик среды с заложенным законом изменения. Например, уровень растворенного кислорода, уровень pH, температура, давление и т.д.

Программно-аппаратный комплекс реализован для лабораторного макета промышленного инокулятора, как первого аппарата линии чистой культуры спиртового производства [3]. При его создании был выбран тип колонного аппарата без механического перемешивания с обеспечением культуры кислородом за счет диффузии через непористую мембрану, установленную по всей длине аппарата (рис. 4). При рабочем объеме реактора 1 л, поток в контуре рециркуляции составлял 1,35 л/час, а концентрация аммиачной воды (титранта) - 5% по аммиаку. Процесс аэробного культивирования дрожжей в инокуляторе проводился со средней скоростью подачи питательной среды Ридера - 130 мл/час (с концентрацией глюкозы 4% масс.). Среднее время пребывания жидкости в биореакторе составило 0,78 часа с учетом скорости рециркулируемого потока.

В соответствии с требованиями система выполняет следующие основные технологические функции: сбор технологической информации с аналоговых и дискретных датчиков, ее контроль и архивирование; обеспечение дистанционного управления технологическим оборудованием и его контроль; автоматическое регулирование технологических параметров по различным законам регулирования.

Реализован контроль температуры, расхода кислорода, рН культуральной жидкости, автоматизирован процесс отбора газо-жидкостной среды и его разделение с измерением количества продуцируемого углекислого газа.

Программно-аппаратный комплекс обеспечивает интерфейс с пользователем, подготовку задач и форм отображения с использованием пакета GENIE, управление различными режимами установки: режим Ручное управление - подготовка системы к процессу, режим Автоматическое управление - автоматическое регулирование технологических параметров по законам On-Off и ПИД-регулирование [4].

Проведенные испытания инокулятора подтвердили обоснованность выбранных конструктивных решений. Достигнута заданная интенсивность массообмена кислорода. Показана возможность работы инокулятора в непрерывном режиме с рециркуляцией части биомассы дрожжей. Подтверждена работоспособность системы корректного разделения отбираемого газо-жидкостного потока. Подтверждена работоспособность устройства регулирования рН при распределенном и точечном введении разбавленного раствора титрующего агента.

Рис. 4 - Панель оператора-технолога управления по рН

Подобная иерархичная и модульная структура комплекса предоставляет широкие возможности и обеспечивает гибкость как для разработчиков самого продукта, занимающихся наращиванием системы, так и для пользователей системы, занимающихся проектированием виртуального стенда. Такое решение позволит протестировать и отладить алгоритмы в первую очередь на виртуальных моделях лабораторных комплексов. Это, в свою очередь, приведет к сокращению времени разработки управляющей системы, значительному уменьшению количества ошибок, минимизации или полному исключению побочных финансовых затрат на оборудование.

Не менее важно применение разработанной системы в качестве тренажера. Данный тренажер может быть использован на занятиях для отработки навыков БСАОА-

программирования у студентов или для обучения нового сотрудника работе с лабораторным комплексом без риска повредить оборудование или нарушить процесс.

Литература

1. Дворецкий, С.И. Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования: Учеб. пособие. / С.И. Дворецкий, А.Ф. Егоров, Д.С. Дворецкий. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. - 224 с.

2. Биотехнология: Учеб. пособие для вузов: В 8 кн./Под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова. Кн. 4. Автоматизация биотехнологических исследований /Д.В. Зудин, В.М. Кантере, Г.А. Угодчиков.

- М.: Высш. шк., 1987. - 112 с.

3. Мухачев, С.Г. Лабораторный биореактор с мембранным устройством подвода кислорода / С.Г Мухачев, М.Ф. Шавалиев // Сб.: Материалы конференции. Вторая Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Интенсификация тепло-массообменных процессов». - Казань, «Бутлеровское наследие», 2008.

4. Денисенко, В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием / В.В. Денисенко. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - 608 с.

© В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ; Д. С. Виноградов - асп. той же кафедры; С. А. Понкратова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, kiberponk@front.ru; А. С. Понкратов - студ. КГТУ.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 12.10.09 по 31.12.10.