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  徐保國(guó),徐宏波,徐  邁

1  引言
我國(guó)是輕工發(fā)酵工業(yè)大國(guó)，但此行業(yè)的控制技術(shù)普遍比較落后，生產(chǎn)中仍以人工控制為主，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)起步較晚，普及率較低。
目前輕工發(fā)酵行業(yè)正面臨著日益激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)，因此對(duì)以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)控制技術(shù)有著強(qiáng)烈的需求：① 提高、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低原料消耗；② 采用高級(jí)智能控制算法，提高控制水平；③ 減少人工參與，實(shí)現(xiàn)無污染生產(chǎn)，減少質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；④ 替代人工，降低生產(chǎn)成本；⑤ 測(cè)、管、控一體化，滿足信息化需求，提高企業(yè)管理水平與競(jìng)爭(zhēng)力。
2  輕工發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
發(fā)酵工業(yè)中，食品工業(yè)的味精、酶的生產(chǎn)和釀酒工業(yè)中的發(fā)酵，雖各有特點(diǎn)，但對(duì)其常規(guī)參數(shù)的檢測(cè)與控制基本相同。
2.1  主要技術(shù)參數(shù)
檢測(cè)參數(shù)：發(fā)酵溫度、消毒溫度，通氣量、罐壓力、pH值、溶解含氧量、二氧化碳含量、攪拌速度、物料流量、基質(zhì)濃度等。
控制參數(shù)：發(fā)酵溫度、發(fā)酵液pH值、營(yíng)養(yǎng)劑流量、消沫防逃液流量、通氣量、罐壓、連消控制等。
2.2  傳感器與執(zhí)行器
由于發(fā)酵過程有高溫滅菌處理和嚴(yán)密性的要求，增加了參數(shù)測(cè)控的復(fù)雜性，對(duì)傳感器和執(zhí)行器有如下特殊要求：① 必須能耐熱、耐腐蝕，經(jīng)受各種惡劣的環(huán)境；② 其結(jié)構(gòu)必須防止雜菌進(jìn)入和避免死角；③ 要有一定的措施，防止固體物質(zhì)附在表面和氣泡等因素的影響。
隨著我國(guó)自動(dòng)化水平的不斷提高，在線測(cè)量氧氣和二氧化碳等代謝產(chǎn)物、基質(zhì)濃度、生物細(xì)胞的活度和濃度等傳感器的問世為輕工發(fā)酵行業(yè)的自動(dòng)控制提供了較好的條件。
2.3  控制設(shè)備
在發(fā)酵過程控制系統(tǒng)中，常用的控制設(shè)備有智能儀表、PLC和DCS。它們是整個(gè)系統(tǒng)的核心和紐帶。智能儀表是現(xiàn)場(chǎng)工段應(yīng)用較多的控制設(shè)備，它集測(cè)量控制功能于一體，能完成單變量、單回路的控制功能，減少系統(tǒng)的通訊量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PLC是包括發(fā)酵過程控制中應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，它采用了通用的高性能處理器及多任務(wù)操作系統(tǒng)，在保證快速完成順序邏輯運(yùn)算的前提下普遍增加了回路調(diào)節(jié)功能和代數(shù)計(jì)算功能，編程已標(biāo)準(zhǔn)化，模塊微型化，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。DCS是復(fù)雜控制系統(tǒng)采用的常見形式，通常由控制模塊和計(jì)算機(jī)組成，控制模塊接受來自現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)的控制信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工段設(shè)備的控制，計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和控制優(yōu)化，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通訊。
2.4  輕工發(fā)酵行業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型
(1)  集中式 是主機(jī)式處理系統(tǒng)，采用一臺(tái)主機(jī)帶多個(gè)終端構(gòu)成用戶系統(tǒng)。特點(diǎn)是便于管理，保密性強(qiáng)，一次性投資少，終端設(shè)備（檢測(cè)儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)）不具有數(shù)據(jù)處理能力，通訊信號(hào)以模擬量為主，負(fù)荷與功能高度集中于主機(jī)，主機(jī)的故障會(huì)引起系統(tǒng)癱瘓，可靠性差。它是早期發(fā)酵工業(yè)采取的模式，適用與小規(guī)模的生產(chǎn)系統(tǒng)。
(2)  分布式 在這種形式下所有的處理包括應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理都在本地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，但終端具有數(shù)據(jù)自處理能力，具有一定的智能特性，可脫離上位機(jī)運(yùn)行，分散系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，通訊信號(hào)多為數(shù)字量。單個(gè)計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)相連，文件服務(wù)器僅負(fù)責(zé)局域網(wǎng)中文件級(jí)數(shù)據(jù)和外設(shè)資源的共享。具有投資少，開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)酵行業(yè)采用的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要形式。但從組織上和數(shù)據(jù)庫(kù)管理上都帶來許多困難，如與企業(yè)的管理層組合困難，較難與企業(yè)的ERP系統(tǒng)相融合，不適合大型的生產(chǎn)系統(tǒng)。
(3)  客戶/服務(wù)器方式 是介于以上兩種方式之間的一種形式，集中與分散相結(jié)合，合理分配計(jì)算機(jī)的處理功能。它把一個(gè)應(yīng)用程序分解成多個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，定義出幾個(gè)級(jí)別或?qū)哟侮P(guān)系，一部分進(jìn)程劃入服務(wù)器，為其它進(jìn)程提供公共服務(wù)：另一部分進(jìn)程歸入客戶機(jī)，執(zhí)行本地處理，并與服務(wù)器進(jìn)行交互，獲取服務(wù)，可以較好的貫徹總體設(shè)計(jì)原則。它是大型發(fā)酵企業(yè)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的首選形式，較容易與企業(yè)的管理層組成ERP系統(tǒng)，實(shí)行電子商務(wù)。
3  控制軟件
一般的發(fā)酵工程的監(jiān)控系統(tǒng)是以通用操作系統(tǒng)為平臺(tái)，在第三方提供的組態(tài)系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)或自己開發(fā)。如國(guó)外的iFix、Intouch、Wincc和國(guó)內(nèi)的組態(tài)王、Synall等。這些組態(tài)軟件功能強(qiáng)大，二次開發(fā)的工作量很小，可以完成從現(xiàn)場(chǎng)工段的測(cè)量?jī)x表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置與組態(tài)，到管理層的系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析與決策。常用功能有：
(1)  系統(tǒng)組態(tài) 根據(jù)系統(tǒng)的配置情況進(jìn)行輸入、輸出、控制回路的組態(tài)設(shè)置，形成控制環(huán)境。
(2)  運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視 上位機(jī)通過過程總線與智能儀表和I/O模塊通訊，取得各控制對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過分析定時(shí)存儲(chǔ)，并在顯示器上實(shí)時(shí)顯示。如有異常立即報(bào)警。操作人員可在控制室監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程。
(3)  控制參數(shù)的設(shè)定 輸入系統(tǒng)的口令設(shè)定后，設(shè)定每個(gè)被控對(duì)象的工作狀態(tài)，每個(gè)控制變量的設(shè)定值、手操輸出值等，通過總線送達(dá)底層。另外提供如配方管理等功能，使系統(tǒng)運(yùn)行管理更容易，最后對(duì)一些危險(xiǎn)操作提供互鎖功能。
(4)  優(yōu)化分析 可以顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線，并可以對(duì)歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從可測(cè)量參數(shù)分析出不可直接測(cè)量參數(shù)，如某些代謝產(chǎn)物生產(chǎn)速率、增殖速率、氧呼吸速率、細(xì)胞量和生物熱等，供工作人員進(jìn)行優(yōu)化分析。
(5)  具有和第三方軟件通訊的接口 供系統(tǒng)擴(kuò)展使用。
(6)  故障診斷功能
(7)  網(wǎng)絡(luò)功能 提供不同的生產(chǎn)系統(tǒng)之間和不同系統(tǒng)層次之間的通訊，實(shí)現(xiàn)信息化，提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)信息的利用率。
4  智能控制方法
發(fā)酵是一個(gè)較復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，大滯后和時(shí)變性是其主要特征。由于發(fā)酵過程的內(nèi)部機(jī)理非常復(fù)雜，影響發(fā)酵的因素也很多，對(duì)于整個(gè)過程目前還缺乏精確的數(shù)學(xué)描述手段。近些年來，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)這類對(duì)象的控制也進(jìn)行了很多的研究，雖然對(duì)于一般對(duì)象還沒有得到理想的結(jié)論，但針對(duì)特定對(duì)象取得了一些成果。
在發(fā)酵過程中，為保證獲得優(yōu)化生產(chǎn)的目的，必須保持微生物按照一定的軌跡生長(zhǎng)。因此應(yīng)確保微生物生長(zhǎng)環(huán)境條件最優(yōu)及微生物生長(zhǎng)代謝過程最優(yōu)。一般的生產(chǎn)過程是以次級(jí)代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵過程，關(guān)于代謝優(yōu)化控制，采用基于人的經(jīng)驗(yàn)和一些模糊的關(guān)系、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等一些智能控制方法來確定。
(1)  專家系統(tǒng) 對(duì)發(fā)酵過程優(yōu)化控制的工程人員和專家的知識(shí)總結(jié)成知識(shí)庫(kù)，用一些規(guī)則來描述，根據(jù)過程中可測(cè)量參數(shù)來推斷采取什么樣的控制方案。
(2)  模糊控制 由于發(fā)酵過程中的微生物代謝和生長(zhǎng)不能用確切的數(shù)學(xué)關(guān)系來描述，但不同的生化反應(yīng)時(shí)期，他們之間有著確定的模糊關(guān)系，可用這種關(guān)系來指導(dǎo)反應(yīng)過程優(yōu)化操作與控制。另外模糊控制思想還可以與傳統(tǒng)的控制方法相結(jié)合，如Fuzzy-PID，以降低控制算法對(duì)對(duì)象模型的依賴，在大滯后時(shí)變對(duì)象應(yīng)用中獲得較優(yōu)的控制品質(zhì)和較強(qiáng)的魯棒性；
(3)  人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 建立發(fā)酵生化反應(yīng)過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用這一模型來預(yù)測(cè)生化反應(yīng)過程狀態(tài)是否正常，預(yù)測(cè)反應(yīng)階段、代謝狀態(tài)和隨機(jī)干擾等，與模糊控制相結(jié)合，以取得最佳控制效果。
以上的三種智能控制技術(shù)是針對(duì)發(fā)酵過程這一比較特殊的控制對(duì)象，可與微生物發(fā)酵技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)生物酵母生長(zhǎng)代謝的多參數(shù)檢測(cè)技術(shù)，間接檢測(cè)分析不可測(cè)量參數(shù)，通過優(yōu)化控制算法，控制代謝產(chǎn)物的生成、增殖、基質(zhì)消耗、氧呼吸、CO2的生成，使發(fā)酵過程處于自動(dòng)控制狀態(tài)中。
5  結(jié)語(yǔ)
目前計(jì)算機(jī)控制在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用與其它機(jī)電等行業(yè)相比還有差距，計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化分析和控制、模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)的應(yīng)用將是發(fā)酵工業(yè)工程的系統(tǒng)控制發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)，由于發(fā)酵行業(yè)的特點(diǎn)，現(xiàn)有的傳感器不能完全滿足檢測(cè)發(fā)酵過程的各種生化參數(shù)的要求，這些限制了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用，因此發(fā)展計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合，對(duì)成分濃度、細(xì)胞濃度、細(xì)胞活力、微量元素含量、DNA、RNA和口感等目前無法測(cè)量或測(cè)量技術(shù)不成熟的參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量分析是非常必要的。