基于FPC2000 DCS的发酵过程智能控制系统

1、 引言

发酵工业是技术密集型的产业，它涉及到微生物学、生物化学、化工、自动控制技术和计算机技术等。在发酵工业中，发酵罐的何种从几立方米发民到几十立方米，而今是几百个立方米，甚至上千立方米。对于这样大型的发酵罐系统，若操作控制不当，将会造成极大的经济损失。对于具有高度非线性、时变性和复杂相关性的发酵过程，为了获得高的产率和提高经济效益，加强发酵过程，为了获得高的产率和提高经济效益，加强发酵过程的监督和控制是非常重要的。

集散控制系统（DCS）是70年代中期发展起来的自动控制系统装备，它集计算机软件和硬件技术、控制技术、通讯技术、图形显示技术、冗余技术、故障诊断技术和先进控制技术为一体。控制分散、危险分散，而操作集中、管理集中是DCS的基本设计思想。分层阶梯的分布式结构，灵活、易变更、易扩展是DCS的特点。

针对我国发酵企业规模相对较小而控制要求较高的情况有必要开发适用于发酵过程优化控制的低成本、开放型、高性价比的集散控制系统。并将智能控制技术融入传统的集散控制系统中，采用模糊控制、专家系统与常规控制相结合的技术，提高控制精度。

2、 FPC2000集散控制系统的硬件结构

从发酵过程管理和控制两方面综合考虑实现总体目标最优化出发，企业管理控制系统可分为3级，即管理级、监控级和直控级，构成管控一体化的综合系统。

FPC2000DCS系统硬件主要由直控级控制站、监控经计算机系统、数据通信系统和管理计算机系统四部分组成，系统硬件结构如图1所示。监控级计算机通过现场过程总线，最大可接128个直控级控制站。管理计算机通过局域网与监控级计算机相联，具有将生产现场控制和生产管理集成的功能。

直控级控制站采集现场测量信号经运算后交结果送回现场执行器对生产过程进行控制，它是DCS的基础，其它部分都是有赖于它才能发挥作用。控制站通常安装在工业现场，通过现场总线与监控级计算机相连。常用的控制单元如下：单回路或双回路智能表、可编程控制器（PLC）、多功能控制器、数据采集器、变频器等。

监控级计算机系统主要履行工程师站、操作员站、实时通讯、实时数据库管理及系统监视、优化运算等功能。管理级计算机系统主要履行管理（调度）决策职责。

要构成这样的三经集散控制系统，其核心的问题是联网功能，它包括监控经与管理经之间构成的局域网络（目前采用广泛使用的3+网或Novell网）、各控制单元与监控级之间构成的现场总线网络（最简单的办法是用RS485串行通讯方式，对于上述各过程控制单元和监控计算机都有标准的串行通讯接口，实现起来较容易。这种通讯方式当控制单元较多时效率较低，所以适用于中小型系统）。

3、 FPC2000DCS 系统软件及功能

3.1 组态软件的层次结构

FPC2000DCS软件是基于Windows98、WinNT平台使用，为用户提供一个友好、方便、宜学、实用的操作接口。采用Microsoft公司的Visual Basic6.0程序设计语言进行编程设计。

FPC2000DCS工控组态软件的结构可分3个层次，如图2所示，底层是与直控级控制站相连的输入输出接口数据处理层，它主要完成上层软件与直控级控制站之间的数据信号的转换和缓存。中间层是实时数据库控制层，实现实时数据、历史数据、设备数据等数据之间的关联和控制，并对图形显示模块、实时趋势模块和报警模块进行控制。上层是关系型数据库控制层，主要完成用户对数据库提出的各种操作查询请求，根据要求定期对数据库（包括实时数据记录库、登录库和其它的事件、操作、故障记录库）进行维护管理及备份，并通过它实现报表生成、历史曲线的显示等功能。

3.2 组态软件功能

FPC2000DCS的组态监控软件以数据库为核心，采用模块化方法进行程序设计。按模块功能划分，整个组态软件由工程师功能、操作员功能、通讯和数据采集功能、数据库管理和系统监控功能5部分构成。

工程师站提供系统所需的全部组态与组态与组态系统维护功能，可方便地扩充系统的功能，例如能方便地加入一个新的模块，而不需要改整个系统的软件结构。操作站提供操作员所需的各种操作功能，可以显示各种画面，生成各种报表，可综合系统历史资料，指导控制操作。

监控级通信软件分为两部分，即与控制站的通信和与管理系统的通信。数据库管理模块主要功能是记录和整理各类过程资料和信息，数据库包括实时数据库、历史数据库、报警数据库、离线数据库、智能控制系统的知识库等，其中实时数据库是FPC2000DCS组态软件的核心。除实时数据库外，其它数据库都采用关系数据库结构设计。

监控级计算机的系统监视功能可使操作员坐在控制台前便可观测到所有设备的运行状况。每个设备不断地执行自诊断，并向操作站报告诊断结果，操作站对所有设备进行定期扫描，收集它们的诊断结果并显示。操作站的监视功能以后台方式运行，自动完成。任务调度功能协调各任务的执行，任务调度策略是按系统中各任务优先权大小决定任务被分行的先后次序。

智能控制子系统是FPC2000DCS特有的功能，针对发酵过程的特殊要求而开发，智能控制技术与集菜控制系统（DCS）结合，使DCS跃升到一个更高的水平。

4、 发酵过程智能控制

4.1 FPC2000DCS在补料分批发酵过程控制中的应用

补料分批发酵是介于分批发酵和连续发酵之间的过渡类型，它兼有分批发酵和连续发酵的优点，而且克服了两者的缺点，是目前发酵工业中较有代表性的一种发酵工艺。FPC2000集散控制系统应用于补料分批发酵时用过程总线联网方式，减少布线量，使系统维护方便。

发酵过程中温度、PH、溶氧、泡沫、压力等是设定值控制。但它们有两个特点：（1）设定值并非整个过程保持常数，而是分段（曲线）控制，每段有一个优化设定点；（2）发酵过程有活细胞活动，是个不可逆的过程，大的、突然的扰动应尽量避免。

4.2 罐温复合模糊控制系统

对于罐温这样具有大滞后和时变性的系统，当τ较大时，PID控制会引起系统的响应超调过大或发生振荡。Smith预估补偿法是解决纯滞后问题的一种有效方法，但需要知道被控对象的精确数学模型，这在罐温控制中很难做到。大量应用实例表明：模糊控制的鲁棒性较好，对纯滞后及被控对象参数的变化不敏感，但因控制规则粗糙容易产生稳态误差，当较大时，尤其如此。由于PI控制克服稳态误差的能力较强，为此采用复合模糊控制方法，其主要思想是：把模糊控制与PI控制相结合组成复合模糊控制器，通过一个切换开关对被控对象实施控制，切换时机由误差和误差变化率来确定。复合模糊控制系统的结构如图3所示。图中PI为常规比例积分调节器，FLC为模糊控制器，K为控制开关。

其控制过程是：在过渡过程中，因系统的误差和误差变化率较大，复合模糊控制器主要是模糊控制的作用；当系统接近稳态时，系统的误差变化率较小，如果误差较大，则复合模糊控制器切换到PI控制；如果稳态误差在允许的精度内，则人用模糊控制；当系统受到扰动，模糊控制在克服扰动后仍有误差，则切抑郁到PI控制，待稳态误差消除后又回到模糊控制。由此可见，PI控制作用仅仅是克服稳态误差。

图4是某制药厂多粘菌素发酵生产时罐温设定值从36℃改为35.5℃，分别采用常规PI控制（PI控制参数用自整定法确定）与采用复合模糊控制的结果比较。复合模糊（Fuzzy-PI）控制的超调量比常规PI控制降低50%，调节时间缩短30%。复合模糊控制的动态和表态特性全面改善，表现出良好的鲁棒性。因罐温控制为冷却水降温调节，所以控制规律为反作用或调节阀为气关（或电关）型。

4.3 PH参数自调整模糊控制系统

PH是微生物生长的另一个重要环境参数，在工业生产上，若发酵液PH值偏低，则通过加氨水的办法，使其PH值回升；若PH值偏高，在发酵前期可适当补加基质来调整，一般不采用加酸的控制手段。因此，在PH值控制中，必须严格控制好氨水的加入量，绝对不能过量。PH对象特性具有严重的非线性、不确定性和较大的时滞现象，采用常规PID控制精度较低。

因此PH控制采用参数自调整模糊控制，结构分别如图和图6所示。在PH参数自调整模糊控制中，选择PH值和给定值之差e及ē作为过程输入，加酸的量为过程输出。将PH值经模糊化后，转换成模糊变量值，根据相应的模糊规则和模糊关系，做出模糊判断，求出加入的酸量。为提高控制精度应用Fuzzy修改表对量化因子参数k1 、k2 、k3进行自调整。自调整的原则是，当误差e或误差率ē较大时，进行“粗调”控制，这时可以降低对e或ē的分辨率，而采用较大的控制改变量，这可以缩小k1和k2 、放大k3。当e或ē较小时，也就是系统已接近稳态，就实行“细调”控制，这是要提高对e或ē的分辨率，而采取较小的控制改变量，要求放大k1和k2 、缩小k3。为简化起见，k1和k2放大（或缩小）的倍数与k3缩小（或放大）的倍数n相同。

参数自调整的做法按照模糊控制的方式进行。在进行参数自调整时，先以原来的k1和k2对e和ē进行量化得到E和？，然后查模糊表得参数应放大（或缩小）的倍数n，再计算出k1= k1n, k2= k2n，k3= k3n,作为模糊控制器的新参数进行控制运算。

在PH控制中，所使用的阀门常采用开关电磁阀，所以相应的控制方式采用时钟脉冲的控制方式即开关的模拟调节来进行，时钟脉冲的周期T是根据系统的滞后时间长短面设定的。输出脉冲宽度是根据模糊控制算法得出的输出控制信号按比例确定。通过改变开并阀的开关频率和开关脉冲宽度来调节氨水的加入量，使PH值逐步逼近设定值，从而克服了PH的非线性和滞后特性对控制的影响。

发酵过程中采用常规PID控制PH的控制误差，通常为±0.1PH,在L-谷氨酰胺、L-蛋氨酸、多粘菌素等发酵过程控制中采用PH参数自高速模糊控制方法，PH的调节迅速，控制误差在±0.05PH以内，控制精度提高100%。

4.4 溶氧变区域专家控制系统

发酵过程的溶解氧是一个综合参数，影响因素多，除了搅拌转速、空气流量、罐压和罐温等可检测参数的影响外，基质浓度、菌体浓度、产物浓度等不可检测参数对其也有影响。而且生产原料、菌种的不同，都对溶解氧有不同的要求。

在高发酵单位的生产中，供氧的制约因素主要有两个：搅拌速率和空气流量。目前，中小型发酵罐的搅拌转速可采用变频调速，因些可采用以进气量调节为主、转速调节为辅的方法控制溶解氧浓度，控制结构如图7所示。

发酵过程的溶解氧的对易特性很难通过系统辨识方法获得，引入人工智能的方法，采用变区域专家系统进行流量和搅拌转速相应的允许变化范围。变化区域由知识库给出，推理机运用知识库中的知识进行推理。在发酵过程中，专家系统不断地对目前发酵阶段（时间）和情况（如PH、基质浓度、菌体浓度、产物浓度等）进行判断，从知识库中找到相应的溶解氧变化区域和控制规则，然后根据此规则计算出进气量和搅拌转速设定值。如某条控制规则为：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为发酵时间（h），ti1、ti2为发酵时间变值，DO为发酵液溶解氧浓度（%），DOi为溶解氧控制值，△DOi为溶解氧控制允许变化区域（即控制的死区或不灵敏区），S为基质浓度（g/100mL），Si1,Si2为基质浓度变化区域，P为产物浓度（液项效价，万单位/L），Pi1，Pi2为产物浓度变化区域，FA为进发酵罐空气流量（m3/min），FAil，FAi2为空气流量允许变化区域，△FA为采用PID控制算法计算得到的空气流量变化量，RA为搅拌转速（rpm），△RA为采用PID控制算法计算得到的搅拌转速变化量，RAi1，RAi2搅拌转速允许变化区域。

在某制药厂50m3发酵罐生产多粘菌素的发酵中，在不同的发酵阶段对溶氧有不同的要求。在每个区域规定了进气流量、搅拌转速的调整范围，采用溶氧变区域专家控制使溶氧控制在设定值的±5%范围内。采用常规控制溶氧一般会在±10%范围内变化。

5、 工业应用

FPC2000发酵过程集散控制系统已在国内10多家研究院、学校、企业使用。在L-谷氨酰胺、L-蛋氨酸、多粘菌素、柠檬酸等发酵生产过程控制中取得成功应用，发酵罐何种从几十升到几百立方米。实践表明，该系统运行可靠性高，可对发酵过程进行全面的测控，具有很强的数据采集和存贮、曲线优化分析等功能，采用智能控制提高了系统控制精度（罐温、PH、溶氧的控制精度提高50%，响应加快），使发酵生产平稳，不同发酵批次间重复性提高，发酵单位都有了不同程度的提高。