发酵过程低成本集散控制系统设计

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自美国HoneyWell公司于1975年成功的推出世界上第一集散控制系统（ＤＣＳ)以来，它经历了二十多年的发展，第三代产品已走向成熟，并以其高可靠性、高性能、分散控制、集中监视、扩展灵活、组态方便等特点成为当前大型工业测控系统的主要潮流。

    目前国内外已推出各种型号的ＤＣＳ约１００余种，但通常投资较大，许多中小型企业难以承受，因此研制低成本的ＤＣＳ是符合国情的。作者等人研制开发的低成本ＤＣＳ，已应用于无锡中亚化学有限公司年产２万吨柠檬酸发酵车间的自动控制系统中，运行实践证明，系统控制方法先进，可靠性高，提高了产品得率，节能降耗，取得了相当好的经济效益。
１ 系统结构设计
    根据发酵车间规模及其对ＤＣＳ的要求，整个系统由工程师站（含操作员站）和现场控制站二级微机组成，对全车间的６只２００吨发酵罐、３只２５吨种子罐以及公共单元进行全自动控制。其中工程师站采用ＩＰＣ－６１０４８６ＤＸ／６６计算机，并配有窗霸卡多屏显示、声霸卡语音报警等多媒体技术；现场控制站由４台ＩＰＣ４８６ＤＸ／６６工控机加上Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、Ｉ／Ｏ板构成，采取以一控三的方式，３台工业ＰＣ机分别控制两个２００吨发酵罐及一个２５吨种子罐，另用一台工业ＰＣ机负责公共单元数据的采集及控制，并留有扩充接口。每个罐可测控数据为温度、罐压、流量、ＰＨ、溶氧、搅拌电流、尾气Ｏ２及ＣＯ２等。
    ＤＣＳ采用双ＲＳ－４２２构成主从式上、下位机通信网络，实现操作员站对控制站控制参数的设定修改以及数据的采集、显示及打印；并通过ＮＥ２０００网卡与公司ＭＩＳ系统联网，通过通信接口与Ⅰ期柠檬酸发酵ＤＣＳ相连，实现数据共享。系统总体框图如图１所示。
２ 组态软件设计
    为提高ＤＣＳ的通用性、灵活性，缩短开发周期，便于维护和扩展，作者面向康拓、研华等公司生产的ＰＣ机、ＳＴＤ总线工控机及其系列接口板设计了ＤＣＳ组态软件。软件采用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋ ５．０编程，由系统组态、工况图形组态、数据处理分析组态、通信组态四大模块组成，具有系统生成、实时数据库生成、历史数据库生成、图形生成、控制回路生成、报表生成、事件追忆库生成、数据库下装等功能。组态软件支持各种信号或执行器类型、各种输出模式，提供了作者在生化过程控制实践中摸索得到的多种实用控制和滤波算法供用户选择，并设计了用户自定义接口，利用这些工具可生成各种适合于发酵过程的控制策略。
软件提供的控制算法如下：①基本ＰＩＤ控制；②带死区ＰＩＤ控制；③串级ＰＩＤ控制；④ＱＵＩＣＫ＿ＰＩＤ控制；⑤模糊ＰＩＤ控制；⑥ Ｂａｎｇ＿Ｂａｎｇ控制?⑦自调整控制；⑧跟踪控制；⑨时间比例输出控制；⑩前馈控制； 多变量解耦控制； 模糊控制； 专家控制；离线优化控制；
用户定义控制。
    软件提供的滤波方式如下：①最大平均滤波；②防脉冲干扰平均滤波；③低通数字滤波；④中位值滤波；⑤滑动算术平均滤波；⑥滑动加权平均滤波；⑦用户定义滤波方式。
    在组态过程中，软件具有自动校正和修改功能。用户在编辑过程中若对某个点进行修改，系统会自动对所有数据库中的相关点进行相应的校正，使用相当方便。
３ 系统功能设计
３．１ 现场控制站功能设计
每台现场控制站（下位机）由研华公司的ＩＰＣ－６１０４８６ＤＸ／６６配上康拓公司的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、Ｉ／Ｏ卡及三台三回路数显手操器组成，可控制两个发酵罐和一个种子罐。其功能如下：
（１）检测各罐的温度、罐压、流量、溶氧、ＰＨ、搅拌电流、尾气Ｏ２、ＣＯ２、泡沫等参数，其中前四个参数为控制参数；
（２）各种参数控制方式由用户根据控制情况设定，各回路均具有越限报警功能；
（３）参数可在线设定和修改；
（４）具有在线自检、自诊断功能；
（５）可实现手／自动无扰动切换，并可由上位机远距离设定。
３．２ 工程师（操作员）站功能设计
    工程师站中装有全套组态软件，是技术人员生成控制系统时的人机界面，作为系统的管理站和程序员终端用来开发和下装各种控制算法和数据，实现对发酵过程的自动控制。
    操作员站通过组态，提供了实时数据通讯、系统状态显示、工况图形显示、历史趋势显示、实时控制曲线显示、控制参数修改、参数列表、报警管理、汉字报表打印、屏幕图形拷贝、系统时钟校正等功能。
    同时，上位机通过ＮＯＶＥＬＬ网将发酵过程的参数、发酵车间的实时数据和历史数据发送到服务器，实现与管理系统的数据共享。负责生产技术的副总经理及生产部可通过ＭＩＳ系统取得数据，用于指挥调度生产以及辅助决策查询等功能。
该子系统具有如下功能：
（１）实时数据查询、数据显示、分析、打印功能；
（２）历史数据的曲线分析、查询及组态功能；
（３）发酵过程故障查找、报警信号存储、分析功能；
（４）辅助决策和辅助生产调度的功能；
（５）数据共享功能。
４ 系统控制算法及优化
    由于柠檬酸发酵是一个具有时变性、非线性、多输入输出和随机性的复杂生化反应过程，因此在进行控制回路组态时，建立了带模糊ＰＩＤ自整定的温度、罐压、流量控制回路，对溶氧采用了定罐压下的串级ＰＩＤ模糊控制。
４．１ 温度控制
    柠檬酸发酵是一个复杂的生化反应过程，发酵过程释放热量，因此温度控制显得尤为重要。考虑到以下两点：（１）间接降温的滞后时间较长，对象的时间常数大，易产生超调；（２）发酵过程的不同阶段产生热量的速率不同，对象模型参数变化较大，而参数的辨识又较为困难，冷却水流量与温度关系无法精确测定，采用了基于自适应控制思想的自适应ＰＩＤ控制算法。具体做法是先根据发酵的不同阶段，分段整定ＰＩＤ参数，再将各段参数固化于控制站内。这种方法虽然达不到最优，但实际效果是理想的。
４．２ 压力和流量控制
    在工艺上，要求罐压和流量稳定且超调小，罐压由进气调节阀的升度控制，尾气流量则由出气调节阀的升度控制。但因两个回路之间相互关联，采用常规ＰＩ控制时质量较差、难于稳定、易失控及振荡、有较大的超调，因此在这两个控制回路中引入模糊控制概念，即将二者的相互影响适当量化，存入计算机内，实时控制时，先根据经验整定两组ＰＩ参数，注意将二者的频域拉开，然后对系统的响应（即Ｐ、Ｑ）进行监测，根据预定的步骤和指标进行模糊推理，自动对ＰＩ参数超前修正。实施该控制方案后，基本上消除了压力和流量回路的耦合，调节效果是理想的。
４．３ 溶氧控制
    根据工艺要求，对溶氧回路进行八段定时控制。影响罐内物料溶氧值的因素主要有四个，即细菌需氧量、通风量、罐压及搅拌器转速。其中发酵不同阶段的细菌需氧量由实验确定，是不可控因素，而搅拌器转速是定值，因此可控因素为通风流量和罐压。根据工艺条件要求，罐压要尽可能稳定，此时流量仪表误差小，固溶氧控制采用图２所示的定罐压情况下的溶氧ＰＩＤ模糊控制，溶氧作为主控回路，将流量作为副控回路，达到了较好的控制效果[２]。
４．４ 系统优化
    系统优化分两步进行，首先采用综合ＳＮ信噪比正交试验，优化柠檬酸发酵工艺，实现优化控制，使柠檬酸发酵转化率从８６．８％ 提高到 ９２．４％，粮耗从１．８１９ｔ粮／ｔ发酵液降低到１．７１３ｔ粮／ｔ发酵液，发酵周期从７１．９２ｈ／罐降到６８ｈ／罐，电耗从６８４ｋＷｈ／ｔ降低为６２７ｋＷｈ／ｔ；在此基础上，又建立了发酵过程数学模型，并建立发酵过程的知识库系统，对发酵工艺进一步优化，从而使产酸率从 １１．８％提高到 １２．５％，粮耗从１．７１３ ｔ粮／ｔ发酵液降低到１．６６８ｔ粮／ｔ发酵液，电耗从６２７ｋＷｈ／ｔ 降到 ３４８ｋＷｈ／ｔ，并节约了汽耗、人力，从而取得了年新增产值５９０．１２万元的年经济效益。在此基础上还进行了基于专家知识的人工神经网络在柠檬酸发酵过程中应用的初步研究，利用多层感知机网络（ＭＬＰ）和直接最优控制线确定最优控制轨线（溶氧为主），用误差反传法（ＢＰ）学习过程神经网络参数和控制作用，以弥补现有优化方法的不足。
    该发酵过程ＤＣＳ系统已通过部级鉴定，并在江西省鹰潭九鼎氨基酸有限公司的６个５０吨发酵罐、２个试验罐上推广使用，产酸率从１．８％提高到２．５％，取得了显著的经济效益。
    由于该系统软、硬件立足于国内，硬件信号统一，通用性好；系统投资成本低，价格４５至５０万元人民币，仅为具有相同功能的进口ＤＣＳ系统的１／５至１／１０，性能价格比大大优于进口ＤＣＳ系统，适合中国国情，因此可以在发酵行业，如柠檬酸、啤酒、氨基酸、味精、医药等行业，以及轻工、化工等行业的中小型企业中推广使用，取代进口，降低生产成本，加快中小型企业技术改造步伐，提高发酵水平和企业管理水平，取得更大的经济效益和社会效益。