基于FPC2000 DCS的發(fā)酵過程智能控制系統(tǒng)

1、 引言

發(fā)酵工業(yè)是技術(shù)密集型的產(chǎn)業(yè)，它涉及到微生物學(xué)、生物化學(xué)、化工、自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)等。在發(fā)酵工業(yè)中，發(fā)酵罐的何種從幾立方米發(fā)民到幾十立方米，而今是幾百個立方米，甚至上千立方米。對于這樣大型的發(fā)酵罐系統(tǒng)，若操作控制不當(dāng)，將會造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。對于具有高度非線性、時變性和復(fù)雜相關(guān)性的發(fā)酵過程，為了獲得高的產(chǎn)率和提高經(jīng)濟(jì)效益，加強發(fā)酵過程，為了獲得高的產(chǎn)率和提高經(jīng)濟(jì)效益，加強發(fā)酵過程的監(jiān)督和控制是非常重要的。

集散控制系統(tǒng)（DCS）是70年代中期發(fā)展起來的自動控制系統(tǒng)裝備，它集計算機軟件和硬件技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、圖形顯示技術(shù)、冗余技術(shù)、故障診斷技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)為一體?？刂品稚?、危險分散，而操作集中、管理集中是DCS的基本設(shè)計思想。分層階梯的分布式結(jié)構(gòu)，靈活、易變更、易擴展是DCS的特點。

針對我國發(fā)酵企業(yè)規(guī)模相對較小而控制要求較高的情況有必要開發(fā)適用于發(fā)酵過程優(yōu)化控制的低成本、開放型、高性價比的集散控制系統(tǒng)。并將智能控制技術(shù)融入傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)中，采用模糊控制、專家系統(tǒng)與常規(guī)控制相結(jié)合的技術(shù)，提高控制精度。

2、 FPC2000集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

從發(fā)酵過程管理和控制兩方面綜合考慮實現(xiàn)總體目標(biāo)最優(yōu)化出發(fā)，企業(yè)管理控制系統(tǒng)可分為3級，即管理級、監(jiān)控級和直控級，構(gòu)成管控一體化的綜合系統(tǒng)。

FPC2000DCS系統(tǒng)硬件主要由直控級控制站、監(jiān)控經(jīng)計算機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和管理計算機系統(tǒng)四部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控級計算機通過現(xiàn)場過程總線，最大可接128個直控級控制站。管理計算機通過局域網(wǎng)與監(jiān)控級計算機相聯(lián)，具有將生產(chǎn)現(xiàn)場控制和生產(chǎn)管理集成的功能。

直控級控制站采集現(xiàn)場測量信號經(jīng)運算后交結(jié)果送回現(xiàn)場執(zhí)行器對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，它是DCS的基礎(chǔ)，其它部分都是有賴于它才能發(fā)揮作用?？刂普就ǔ０惭b在工業(yè)現(xiàn)場，通過現(xiàn)場總線與監(jiān)控級計算機相連。常用的控制單元如下：單回路或雙回路智能表、可編程控制器（PLC）、多功能控制器、數(shù)據(jù)采集器、變頻器等。

監(jiān)控級計算機系統(tǒng)主要履行工程師站、操作員站、實時通訊、實時數(shù)據(jù)庫管理及系統(tǒng)監(jiān)視、優(yōu)化運算等功能。管理級計算機系統(tǒng)主要履行管理（調(diào)度）決策職責(zé)。

要構(gòu)成這樣的三經(jīng)集散控制系統(tǒng)，其核心的問題是聯(lián)網(wǎng)功能，它包括監(jiān)控經(jīng)與管理經(jīng)之間構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)（目前采用廣泛使用的3+網(wǎng)或Novell網(wǎng)）、各控制單元與監(jiān)控級之間構(gòu)成的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)（最簡單的辦法是用RS485串行通訊方式，對于上述各過程控制單元和監(jiān)控計算機都有標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口，實現(xiàn)起來較容易。這種通訊方式當(dāng)控制單元較多時效率較低，所以適用于中小型系統(tǒng)）。

3、 FPC2000DCS 系統(tǒng)軟件及功能

3.1 組態(tài)軟件的層次結(jié)構(gòu)

FPC2000DCS軟件是基于Windows98、WinNT平臺使用，為用戶提供一個友好、方便、宜學(xué)、實用的操作接口。采用Microsoft公司的Visual Basic6.0程序設(shè)計語言進(jìn)行編程設(shè)計。

FPC2000DCS工控組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)可分3個層次，如圖2所示，底層是與直控級控制站相連的輸入輸出接口數(shù)據(jù)處理層，它主要完成上層軟件與直控級控制站之間的數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)換和緩存。中間層是實時數(shù)據(jù)庫控制層，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和控制，并對圖形顯示模塊、實時趨勢模塊和報警模塊進(jìn)行控制。上層是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫控制層，主要完成用戶對數(shù)據(jù)庫提出的各種操作查詢請求，根據(jù)要求定期對數(shù)據(jù)庫（包括實時數(shù)據(jù)記錄庫、登錄庫和其它的事件、操作、故障記錄庫）進(jìn)行維護(hù)管理及備份，并通過它實現(xiàn)報表生成、歷史曲線的顯示等功能。

3.2 組態(tài)軟件功能

FPC2000DCS的組態(tài)監(jiān)控軟件以數(shù)據(jù)庫為核心，采用模塊化方法進(jìn)行程序設(shè)計。按模塊功能劃分，整個組態(tài)軟件由工程師功能、操作員功能、通訊和數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)監(jiān)控功能5部分構(gòu)成。

工程師站提供系統(tǒng)所需的全部組態(tài)與組態(tài)與組態(tài)系統(tǒng)維護(hù)功能，可方便地擴充系統(tǒng)的功能，例如能方便地加入一個新的模塊，而不需要改整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。操作站提供操作員所需的各種操作功能，可以顯示各種畫面，生成各種報表，可綜合系統(tǒng)歷史資料，指導(dǎo)控制操作。

監(jiān)控級通信軟件分為兩部分，即與控制站的通信和與管理系統(tǒng)的通信。數(shù)據(jù)庫管理模塊主要功能是記錄和整理各類過程資料和信息，數(shù)據(jù)庫包括實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、報警數(shù)據(jù)庫、離線數(shù)據(jù)庫、智能控制系統(tǒng)的知識庫等，其中實時數(shù)據(jù)庫是FPC2000DCS組態(tài)軟件的核心。除實時數(shù)據(jù)庫外，其它數(shù)據(jù)庫都采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計。

監(jiān)控級計算機的系統(tǒng)監(jiān)視功能可使操作員坐在控制臺前便可觀測到所有設(shè)備的運行狀況。每個設(shè)備不斷地執(zhí)行自診斷，并向操作站報告診斷結(jié)果，操作站對所有設(shè)備進(jìn)行定期掃描，收集它們的診斷結(jié)果并顯示。操作站的監(jiān)視功能以后臺方式運行，自動完成。任務(wù)調(diào)度功能協(xié)調(diào)各任務(wù)的執(zhí)行，任務(wù)調(diào)度策略是按系統(tǒng)中各任務(wù)優(yōu)先權(quán)大小決定任務(wù)被分行的先后次序。

智能控制子系統(tǒng)是FPC2000DCS特有的功能，針對發(fā)酵過程的特殊要求而開發(fā)，智能控制技術(shù)與集菜控制系統(tǒng)（DCS）結(jié)合，使DCS躍升到一個更高的水平。

4、 發(fā)酵過程智能控制

4.1 FPC2000DCS在補料分批發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用

補料分批發(fā)酵是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的過渡類型，它兼有分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)點，而且克服了兩者的缺點，是目前發(fā)酵工業(yè)中較有代表性的一種發(fā)酵工藝。FPC2000集散控制系統(tǒng)應(yīng)用于補料分批發(fā)酵時用過程總線聯(lián)網(wǎng)方式，減少布線量，使系統(tǒng)維護(hù)方便。

發(fā)酵過程中溫度、PH、溶氧、泡沫、壓力等是設(shè)定值控制。但它們有兩個特點：（1）設(shè)定值并非整個過程保持常數(shù)，而是分段（曲線）控制，每段有一個優(yōu)化設(shè)定點；（2）發(fā)酵過程有活細(xì)胞活動，是個不可逆的過程，大的、突然的擾動應(yīng)盡量避免。

4.2 罐溫復(fù)合模糊控制系統(tǒng)

對于罐溫這樣具有大滯后和時變性的系統(tǒng)，當(dāng)τ較大時，PID控制會引起系統(tǒng)的響應(yīng)超調(diào)過大或發(fā)生振蕩。Smith預(yù)估補償法是解決純滯后問題的一種有效方法，但需要知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，這在罐溫控制中很難做到。大量應(yīng)用實例表明：模糊控制的魯棒性較好，對純滯后及被控對象參數(shù)的變化不敏感，但因控制規(guī)則粗糙容易產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，當(dāng)較大時，尤其如此。由于PI控制克服穩(wěn)態(tài)誤差的能力較強，為此采用復(fù)合模糊控制方法，其主要思想是：把模糊控制與PI控制相結(jié)合組成復(fù)合模糊控制器，通過一個切換開關(guān)對被控對象實施控制，切換時機由誤差和誤差變化率來確定。復(fù)合模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中PI為常規(guī)比例積分調(diào)節(jié)器，F(xiàn)LC為模糊控制器，K為控制開關(guān)。

其控制過程是：在過渡過程中，因系統(tǒng)的誤差和誤差變化率較大，復(fù)合模糊控制器主要是模糊控制的作用；當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的誤差變化率較小，如果誤差較大，則復(fù)合模糊控制器切換到PI控制；如果穩(wěn)態(tài)誤差在允許的精度內(nèi)，則人用模糊控制；當(dāng)系統(tǒng)受到擾動，模糊控制在克服擾動后仍有誤差，則切抑郁到PI控制，待穩(wěn)態(tài)誤差消除后又回到模糊控制。由此可見，PI控制作用僅僅是克服穩(wěn)態(tài)誤差。

圖4是某制藥廠多粘菌素發(fā)酵生產(chǎn)時罐溫設(shè)定值從36℃改為35.5℃，分別采用常規(guī)PI控制（PI控制參數(shù)用自整定法確定）與采用復(fù)合模糊控制的結(jié)果比較。復(fù)合模糊（Fuzzy-PI）控制的超調(diào)量比常規(guī)PI控制降低50%，調(diào)節(jié)時間縮短30%。復(fù)合模糊控制的動態(tài)和表態(tài)特性全面改善，表現(xiàn)出良好的魯棒性。因罐溫控制為冷卻水降溫調(diào)節(jié)，所以控制規(guī)律為反作用或調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)（或電關(guān)）型。

4.3 PH參數(shù)自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)

PH是微生物生長的另一個重要環(huán)境參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)上，若發(fā)酵液PH值偏低，則通過加氨水的辦法，使其PH值回升；若PH值偏高，在發(fā)酵前期可適當(dāng)補加基質(zhì)來調(diào)整，一般不采用加酸的控制手段。因此，在PH值控制中，必須嚴(yán)格控制好氨水的加入量，絕對不能過量。PH對象特性具有嚴(yán)重的非線性、不確定性和較大的時滯現(xiàn)象，采用常規(guī)PID控制精度較低。

因此PH控制采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制，結(jié)構(gòu)分別如圖和圖6所示。在PH參數(shù)自調(diào)整模糊控制中，選擇PH值和給定值之差e及ē作為過程輸入，加酸的量為過程輸出。將PH值經(jīng)模糊化后，轉(zhuǎn)換成模糊變量值，根據(jù)相應(yīng)的模糊規(guī)則和模糊關(guān)系，做出模糊判斷，求出加入的酸量。為提高控制精度應(yīng)用Fuzzy修改表對量化因子參數(shù)k1 、k2 、k3進(jìn)行自調(diào)整。自調(diào)整的原則是，當(dāng)誤差e或誤差率ē較大時，進(jìn)行“粗調(diào)”控制，這時可以降低對e或ē的分辨率，而采用較大的控制改變量，這可以縮小k1和k2 、放大k3。當(dāng)e或ē較小時，也就是系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，就實行“細(xì)調(diào)”控制，這是要提高對e或ē的分辨率，而采取較小的控制改變量，要求放大k1和k2 、縮小k3。為簡化起見，k1和k2放大（或縮?。┑谋稊?shù)與k3縮小（或放大）的倍數(shù)n相同。

參數(shù)自調(diào)整的做法按照模糊控制的方式進(jìn)行。在進(jìn)行參數(shù)自調(diào)整時，先以原來的k1和k2對e和ē進(jìn)行量化得到E和？，然后查模糊表得參數(shù)應(yīng)放大（或縮小）的倍數(shù)n，再計算出k1= k1n, k2= k2n，k3= k3n,作為模糊控制器的新參數(shù)進(jìn)行控制運算。

在PH控制中，所使用的閥門常采用開關(guān)電磁閥，所以相應(yīng)的控制方式采用時鐘脈沖的控制方式即開關(guān)的模擬調(diào)節(jié)來進(jìn)行，時鐘脈沖的周期T是根據(jù)系統(tǒng)的滯后時間長短面設(shè)定的。輸出脈沖寬度是根據(jù)模糊控制算法得出的輸出控制信號按比例確定。通過改變開并閥的開關(guān)頻率和開關(guān)脈沖寬度來調(diào)節(jié)氨水的加入量，使PH值逐步逼近設(shè)定值，從而克服了PH的非線性和滯后特性對控制的影響。

發(fā)酵過程中采用常規(guī)PID控制PH的控制誤差，通常為±0.1PH,在L-谷氨酰胺、L-蛋氨酸、多粘菌素等發(fā)酵過程控制中采用PH參數(shù)自高速模糊控制方法，PH的調(diào)節(jié)迅速，控制誤差在±0.05PH以內(nèi)，控制精度提高100%。

4.4 溶氧變區(qū)域?qū)＜铱刂葡到y(tǒng)

發(fā)酵過程的溶解氧是一個綜合參數(shù)，影響因素多，除了攪拌轉(zhuǎn)速、空氣流量、罐壓和罐溫等可檢測參數(shù)的影響外，基質(zhì)濃度、菌體濃度、產(chǎn)物濃度等不可檢測參數(shù)對其也有影響。而且生產(chǎn)原料、菌種的不同，都對溶解氧有不同的要求。

在高發(fā)酵單位的生產(chǎn)中，供氧的制約因素主要有兩個：攪拌速率和空氣流量。目前，中小型發(fā)酵罐的攪拌轉(zhuǎn)速可采用變頻調(diào)速，因些可采用以進(jìn)氣量調(diào)節(jié)為主、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為輔的方法控制溶解氧濃度，控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

發(fā)酵過程的溶解氧的對易特性很難通過系統(tǒng)辨識方法獲得，引入人工智能的方法，采用變區(qū)域?qū)＜蚁到y(tǒng)進(jìn)行流量和攪拌轉(zhuǎn)速相應(yīng)的允許變化范圍。變化區(qū)域由知識庫給出，推理機運用知識庫中的知識進(jìn)行推理。在發(fā)酵過程中，專家系統(tǒng)不斷地對目前發(fā)酵階段（時間）和情況（如PH、基質(zhì)濃度、菌體濃度、產(chǎn)物濃度等）進(jìn)行判斷，從知識庫中找到相應(yīng)的溶解氧變化區(qū)域和控制規(guī)則，然后根據(jù)此規(guī)則計算出進(jìn)氣量和攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)定值。如某條控制規(guī)則為：if（ti1 Then DO=DOi,FAil< FA< FAi2, RAil< RA< RAi2

If （DO If （DO>DOi+△DOi）∧（FA> FAi1） then FA= FA-△FA

If （DO If （DO>DOi+△DOi）∧（FA≤ FAi1）∧（RA>RAi1） then RA= RA-△RA

上式中：t為發(fā)酵時間（h），ti1、ti2為發(fā)酵時間變值，DO為發(fā)酵液溶解氧濃度（%），DOi為溶解氧控制值，△DOi為溶解氧控制允許變化區(qū)域（即控制的死區(qū)或不靈敏區(qū)），S為基質(zhì)濃度（g/100mL），Si1,Si2為基質(zhì)濃度變化區(qū)域，P為產(chǎn)物濃度（液項效價，萬單位/L），Pi1，Pi2為產(chǎn)物濃度變化區(qū)域，F(xiàn)A為進(jìn)發(fā)酵罐空氣流量（m3/min），F(xiàn)Ail，F(xiàn)Ai2為空氣流量允許變化區(qū)域，△FA為采用PID控制算法計算得到的空氣流量變化量，RA為攪拌轉(zhuǎn)速（rpm），△RA為采用PID控制算法計算得到的攪拌轉(zhuǎn)速變化量，RAi1，RAi2攪拌轉(zhuǎn)速允許變化區(qū)域。

在某制藥廠50m3發(fā)酵罐生產(chǎn)多粘菌素的發(fā)酵中，在不同的發(fā)酵階段對溶氧有不同的要求。在每個區(qū)域規(guī)定了進(jìn)氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速的調(diào)整范圍，采用溶氧變區(qū)域?qū)＜铱刂剖谷苎蹩刂圃谠O(shè)定值的±5%范圍內(nèi)。采用常規(guī)控制溶氧一般會在±10%范圍內(nèi)變化。

5、 工業(yè)應(yīng)用

FPC2000發(fā)酵過程集散控制系統(tǒng)已在國內(nèi)10多家研究院、學(xué)校、企業(yè)使用。在L-谷氨酰胺、L-蛋氨酸、多粘菌素、檸檬酸等發(fā)酵生產(chǎn)過程控制中取得成功應(yīng)用，發(fā)酵罐何種從幾十升到幾百立方米。實踐表明，該系統(tǒng)運行可靠性高，可對發(fā)酵過程進(jìn)行全面的測控，具有很強的數(shù)據(jù)采集和存貯、曲線優(yōu)化分析等功能，采用智能控制提高了系統(tǒng)控制精度（罐溫、PH、溶氧的控制精度提高50%，響應(yīng)加快），使發(fā)酵生產(chǎn)平穩(wěn)，不同發(fā)酵批次間重復(fù)性提高，發(fā)酵單位都有了不同程度的提高。