摘要：針對我國發酵企業規模相對較小而控制要求較高的情況開發了適用于發酵過程優化控制的低本本、開放型、高性價比的集散控制系統。硬件采用分層階遞的分布式結構，軟件采用面向對象的模塊式編程方法。針對非線性、時變、大滯后的發酵過程，將智能控制技術融入傳統的集散控制系統中。采用模糊控制、專家系統與常規控制相結合的技術，設計了罐溫復合模糊控制系統、PH參數自調整模糊控制系統、溶氧變區域專家控制系統。控制精度與常規控制方法相比提高50%。自主研制、開發的FPC2000發酵過程集散控制系統具有方便、靈活、易用、簡單、可靠、高性能的特點，已在10多家單位成功地推廣應用。 關鍵詞：發酵過程；集散控制系統；組態軟件；智能控制。、 1、 引言 發酵工業是技術密集型的產業，它涉及到微生物學、生物化學、化工、自動控制技術和計算機技術等。在發酵工業中，發酵罐的何種從幾立方米發民到幾十立方米，而今是幾百個立方米，甚至上千立方米。對于這樣大型的發酵罐系統，若操作控制不當，將會造成極大的經濟損失。對于具有高度非線性、時變性和復雜相關性的發酵過程，為了獲得高的產率和提高經濟效益，加強發酵過程，為了獲得高的產率和提高經濟效益，加強發酵過程的監督和控制是非常重要的。 集散控制系統（DCS）是70年代中期發展起來的自動控制系統裝備，它集計算機軟件和硬件技術、控制技術、通訊技術、圖形顯示技術、冗余技術、故障診斷技術和先進控制技術為一體。控制分散、危險分散，而操作集中、管理集中是DCS的基本設計思想。分層階梯的分布式結構，靈活、易變更、易擴展是DCS的特點。 針對我國發酵企業規模相對較小而控制要求較高的情況有必要開發適用于發酵過程優化控制的低成本、開放型、高性價比的集散控制系統。并將智能控制技術融入傳統的集散控制系統中，采用模糊控制、專家系統與常規控制相結合的技術，提高控制精度。 2、 FPC2000集散控制系統的硬件結構 從發酵過程管理和控制兩方面綜合考慮實現總體目標最優化出發，企業管理控制系統可分為3級，即管理級、監控級和直控級，構成管控一體化的綜合系統。 FPC2000DCS系統硬件主要由直控級控制站、監控經計算機系統、數據通信系統和管理計算機系統四部分組成，系統硬件結構如圖1所示。監控級計算機通過現場過程總線，最大可接128個直控級控制站。管理計算機通過局域網與監控級計算機相聯，具有將生產現場控制和生產管理集成的功能。 直控級控制站采集現場測量信號經運算后交結果送回現場執行器對生產過程進行控制，它是DCS的基礎，其它部分都是有賴于它才能發揮作用。控制站通常安裝在工業現場，通過現場總線與監控級計算機相連。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、數據采集器、變頻器等。 監控級計算機系統主要履行工程師站、操作員站、實時通訊、實時數據庫管理及系統監視、優化運算等功能。管理級計算機系統主要履行管理（調度）決策職責。 要構成這樣的三經集散控制系統，其核心的問題是聯網功能，它包括監控經與管理經之間構成的局域網絡（目前采用廣泛使用的3+網或Novell網）、各控制單元與監控級之間構成的現場總線網絡（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控計算機都有標準的串行通訊接口，實現起來較容易。這種通訊方式當控制單元較多時效率較低，所以適用于中小型系統）。 3、 FPC2000DCS 系統軟件及功能 3.1 組態軟件的層次結構 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、實用的操作接口。采用Microsoft公司的Visual Basic6.0程序設計語言進行編程設計。 FPC2000DCS工控組態軟件的結構可分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據處理層，它主要完成上層軟件與直控級控制站之間的數據信號的轉換和緩存。中間層是實時數據庫控制層，實現實時數據、歷史數據、設備數據等數據之間的關聯和控制，并對圖形顯示模塊、實時趨勢模塊和報警模塊進行控制。上層是關系型數據庫控制層，主要完成用戶對數據庫提出的各種操作查詢請求，根據要求定期對數據庫（包括實時數據記錄庫、登錄庫和其它的事件、操作、故障記錄庫）進行維護管理及備份，并通過它實現報表生成、歷史曲線的顯示等功能。 3.2 組態軟件功能 FPC2000DCS的組態監控軟件以數據庫為核心，采用模塊化方法進行程序設計。按模塊功能劃分，整個組態軟件由工程師功能、操作員功能、通訊和數據采集功能、數據庫管理和系統監控功能5部分構成。 工程師站提供系統所需的全部組態與組態與組態系統維護功能，可方便地擴充系統的功能，例如能方便地加入一個新的模塊，而不需要改整個系統的軟件結構。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，可綜合系統歷史資料，指導控制操作。 監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的通信。數據庫管理模塊主要功能是記錄和整理各類過程資料和信息，數據庫包括實時數據庫、歷史數據庫、報警數據庫、離線數據庫、智能控制系統的知識庫等，其中實時數據庫是FPC2000DCS組態軟件的核心。除實時數據庫外，其它數據庫都采用關系數據庫結構設計。 監控級計算機的系統監視功能可使操作員坐在控制臺前便可觀測到所有設備的運行狀況。每個設備不斷地執行自診斷，并向操作站報告診斷結果，操作站對所有設備進行定期掃描，收集它們的診斷結果并顯示。操作站的監視功能以后臺方式運行，自動完成。任務調度功能協調各任務的執行，任務調度策略是按系統中各任務優先權大小決定任務被分行的先后次序。 智能控制子系統是FPC2000DCS特有的功能，針對發酵過程的特殊要求而開發，智能控制技術與集菜控制系統（DCS）結合，使DCS躍升到一個更高的水平。 4、 發酵過程智能控制 4.1 FPC2000DCS在補料分批發酵過程控制中的應用 補料分批發酵是介于分批發酵和連續發酵之間的過渡類型，它兼有分批發酵和連續發酵的優點，而且克服了兩者的缺點，是目前發酵工業中較有代表性的一種發酵工藝。FPC2000集散控制系統應用于補料分批發酵時用過程總線聯網方式，減少布線量，使系統維護方便。 發酵過程中溫度、PH、溶氧、泡沫、壓力等是設定值控制。但它們有兩個特點：（1）設定值并非整個過程保持常數，而是分段（曲線）控制，每段有一個優化設定點；（2）發酵過程有活細胞活動，是個不可逆的過程，大的、突然的擾動應盡量避免。 4.2 罐溫復合模糊控制系統 對于罐溫這樣具有大滯后和時變性的系統，當τ較大時，PID控制會引起系統的響應超調過大或發生振蕩。Smith預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學模型，這在罐溫控制中很難做到。大量應用實例表明：模糊控制的魯棒性較好，對純滯后及被控對象參數的變化不敏感，但因控制規則粗糙容易產生穩態誤差，當較大時，尤其如此。由于PI控制克服穩態誤差的能力較強，為此采用復合模糊控制方法，其主要思想是：把模糊控制與PI控制相結合組成復合模糊控制器，通過一個切換開關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。復合模糊控制系統的結構如圖3所示。圖中PI為常規比例積分調節器，FLC為模糊控制器，K為控制開關。 其控制過程是：在過渡過程中，因系統的誤差和誤差變化率較大，復合模糊控制器主要是模糊控制的作用；當系統接近穩態時，系統的誤差變化率較小，如果誤差較大，則復合模糊控制器切換到PI控制；如果穩態誤差在允許的精度內，則人用模糊控制；當系統受到擾動，模糊控制在克服擾動后仍有誤差，則切抑郁到PI控制，待穩態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態誤差。 圖4是某制藥廠多粘菌素發酵生產時罐溫設定值從36℃改為35.5℃,分別采用常規PI控制（PI控制參數用自整定法確定）與采用復合模糊控制的結果比較。復合模糊（Fuzzy-PI）控制的超調量比常規PI控制降低50%，調節時間縮短30%。復合模糊控制的動態和表態特性全面改善，表現出良好的魯棒性。因罐溫控制為冷卻水降溫調節，所以控制規律為反作用或調節閥為氣關（或電關）型。 4.3 PH參數自調整模糊控制系統 PH是微生物生長的另一個重要環境參數，在工業生產上，若發酵液PH值偏低，則通過加氨水的辦法，使其PH值回升；若PH值偏高，在發酵前期可適當補加基質來調整，一般不采用加酸的控制手段。因此，在PH值控制中，必須嚴格控制好氨水的加入量，絕對不能過量。PH對象特性具有嚴重的非線性、不確定性和較大的時滯現象，采用常規PID控制精度較低。 因此PH控制采用參數自調整模糊控制，結構分別如圖和圖6所示。在PH參數自調整模糊控制中，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值經模糊化后，轉換成模糊變量值，根據相應的模糊規則和模糊關系，做出模糊判斷，求出加入的酸量。為提高控制精度應用Fuzzy修改表對量化因子參數k1 、k2 、k3進行自調整。自調整的原則是，當誤差e或誤差率ē較大時，進行“粗調”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e或ē較小時，也就是系統已接近穩態，就實行“細調”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（或縮小）的倍數與k3縮小（或放大）的倍數n相同。 參數自調整的做法按照模糊控制的方式進行。在進行參數自調整時，先以原來的k1和k2對e和ē進行量化得到Ｅ和Ê，然后查模糊表得參數應放大（或縮小）的倍數n，再計算出k1= k1n, k2= k2n，k3= k3n,作為模糊控制器的新參數進行控制運算。 在PH控制中，所使用的閥門常采用開關電磁閥，所以相應的控制方式采用時鐘脈沖的控制方式即開關的模擬調節來進行，時鐘脈沖的周期T是根據系統的滯后時間長短面設定的。輸出脈沖寬度是根據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頻率和開關脈沖寬度來調節氨水的加入量，使PH值逐步逼近設定值，從而克服了PH的非線性和滯后特性對控制的影響。 發酵過程中采用常規PID控制PH的控制誤差，通常為±0.1PH,在L-谷氨酰胺、L-蛋氨酸、多粘菌素等發酵過程控制中采用PH參數自高速模糊控制方法，PH的調節迅速，控制誤差在±0.05PH以內，控制精度提高100%。 4.4 溶氧變區域專家控制系統 發酵過程的溶解氧是一個綜合參數，影響因素多，除了攪拌轉速、空氣流量、罐壓和罐溫等可檢測參數的影響外，基質濃度、菌體濃度、產物濃度等不可檢測參數對其也有影響。而且生產原料、菌種的不同，都對溶解氧有不同的要求。 在高發酵單位的生產中，供氧的制約因素主要有兩個：攪拌速率和空氣流量。目前，中小型發酵罐的攪拌轉速可采用變頻調速，因些可采用以進氣量調節為主、轉速調節為輔的方法控制溶解氧濃度，控制結構如圖7所示。 發酵過程的溶解氧的對易特性很難通過系統辨識方法獲得，引入人工智能的方法，采用變區域專家系統進行流量和攪拌轉速相應的允許變化范圍。變化區域由知識庫給出，推理機運用知識庫中的知識進行推理。在發酵過程中，專家系統不斷地對目前發酵階段（時間）和情況（如PH、基質濃度、菌體濃度、產物濃度等）進行判斷，從知識庫中找到相應的溶解氧變化區域和控制規則，然后根據此規則計算出進氣量和攪拌轉速設定值。如某條控制規則為：if（ti1DOi+△DOi）∧（FA> FAi1） then FA= FA-△FA If （DODOi+△DOi）∧（FA≤ FAi1）∧（RA>RAi1） then RA= RA-△RA 上式中：t為發酵時間（h），ti1、ti2為發酵時間變值，DO為發酵液溶解氧濃度（%），DOi為溶解氧控制值，△DOi為溶解氧控制允許變化區域（即控制的死區或不靈敏區），S為基質濃度（g/100mL）,Si1,Si2為基質濃度變化區域，P為產物濃度（液項效價，萬單位/L），Pi1，Pi2為產物濃度變化區域，FA為進發酵罐空氣流量（m3/min），FAil，FAi2為空氣流量允許變化區域，△FA為采用PID控制算法計算得到的空氣流量變化量，RA為攪拌轉速（rpm），△RA為采用PID控制算法計算得到的攪拌轉速變化量，RAi1，RAi2攪拌轉速允許變化區域。 在某制藥廠50m3發酵罐生產多粘菌素的發酵中，在不同的發酵階段對溶氧有不同的要求。在每個區域規定了進氣流量、攪拌轉速的調整范圍，采用溶氧變區域專家控制使溶氧控制在設定值的±5%范圍內。采用常規控制溶氧一般會在±10%范圍內變化。 5、 工業應用 FPC2000發酵過程集散控制系統已在國內10多家研究院、學校、企業使用。在L-谷氨酰胺、L-蛋氨酸、多粘菌素、檸檬酸等發酵生產過程控制中取得成功應用，發酵罐何種從幾十升到幾百立方米。實踐表明，該系統運行可靠性高，可對發酵過程進行全面的測控，具有很強的數據采集和存貯、曲線優化分析等功能，采用智能控制提高了系統控制精度（罐溫、PH、溶氧的控制精度提高50%，響應加快），使發酵生產平穩，不同發酵批次間重復性提高，發酵單位都有了不同程度的提高。