發(fā)酵過程智能監(jiān)控技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、發(fā)酵是通過微生物的生長(zhǎng)培養(yǎng)和化學(xué)變化，產(chǎn)生和積累特定的代謝產(chǎn)物的反應(yīng)過程。為了生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)的目的，現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域需要進(jìn)行大量的發(fā)酵過程，而為了達(dá)到特定的目的，往往要對(duì)這些過程進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控。對(duì)發(fā)酵過程的監(jiān)控往往具體化到對(duì)特定參數(shù)(如溫度、pH值、氧含量、CO2含量等)的監(jiān)視和控制，這些參數(shù)和反應(yīng)累計(jì)時(shí)間之間以及不同參數(shù)之間一般呈現(xiàn)比較復(fù)雜的關(guān)系，這也正是對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行監(jiān)控的難點(diǎn)之處。傳統(tǒng)的方法主要是采用手工/半手工的方式

2、，根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，精度較低、效果較差。隨著工程規(guī)模的擴(kuò)大，特別是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，對(duì)控制效果的要求越米越高，實(shí)現(xiàn)分布式環(huán)境下的智能化控制已經(jīng)成為發(fā)酵控制的方向。 目前我國(guó)這方面的研究還處在探索階段。國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究主要局限于個(gè)別參數(shù)、原始模型的研究方面，缺乏從全局和實(shí)用的角度進(jìn)行研究，也缺乏這方面的軟件。本文源自作者參與的國(guó)家科技部、財(cái)政部重點(diǎn)支持的科技研發(fā)項(xiàng)目“全智能發(fā)酵設(shè)備技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化”(編號(hào)：00C26213201

3、195)。本研究以開發(fā)出一套具有智能控制功能的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)為目標(biāo)，將控制技術(shù)、軟件技術(shù)、通訊技術(shù)和工業(yè)接口技術(shù)結(jié)合，建立分布式控制模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵對(duì)過程的監(jiān)控。本文的主要工作和成果如下： 第一，通過對(duì)個(gè)別參數(shù)或者參數(shù)的局部進(jìn)行近似線性化研究，為最終實(shí)現(xiàn)對(duì)全局的非線性自動(dòng)控制創(chuàng)造條件。一元線性回歸方法作為一種現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)分析的手段，在工業(yè)控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。利用一元回歸直線法對(duì)發(fā)酵罐體中的溫度變化進(jìn)行分析和控制，解決了傳統(tǒng)的分段

4、控制方法精度低、上/下位機(jī)設(shè)置繁瑣等方面的不足。 第二，提出了一種基于物理地址標(biāo)記的異步MODBUS協(xié)議———a—MODBUS協(xié)議。該協(xié)議對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議反饋報(bào)文的進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)報(bào)文級(jí)控制任務(wù)邏輯功能的識(shí)別，克服了標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議用于分布式處理時(shí)的不足?；诖藚f(xié)議，進(jìn)一步提出了一種基于agent的任務(wù)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)過程智能控制。 第三，提出了在開放性SCADA系統(tǒng)中的資源分層管理策略，討論了帶寬分配策略和處

5、理器利用率等，并利用一個(gè)實(shí)例對(duì)策略進(jìn)行了評(píng)估。傳統(tǒng)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA，即Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)一般運(yùn)行在封閉的環(huán)境中，外部條件、輸入數(shù)據(jù)量、資源的配置與分配方法預(yù)先一般都是已知的，并且在運(yùn)行過程中很少改變。但是，現(xiàn)實(shí)需求對(duì)SCADA系統(tǒng)的開放性要求越來(lái)越高，外部條件、輸入數(shù)據(jù)以及資源利用經(jīng)常是動(dòng)態(tài)變化的。 第四，對(duì)OPC技術(shù)和最新成果進(jìn)行詳細(xì)研究和介紹，并

6、集成到應(yīng)用系統(tǒng)中，大大降低了SCADA系統(tǒng)的開發(fā)和集成成本。OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的OLE)作為一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，改變了集成與控制的手段，本文利用OPC創(chuàng)建一個(gè)開放的、可互操作的控制系統(tǒng)。 第五，在相關(guān)基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套完整SCADA系統(tǒng)，用于對(duì)發(fā)酵過程的監(jiān)控。系統(tǒng)安裝在上位機(jī)上，與下位機(jī)(支持PLC、單片機(jī)和A/D數(shù)據(jù)采集卡)配套使用，可以在PPI電纜、工業(yè)Ethernet等