徐保國,徐宏波,徐  邁

1  引言
我國是輕工發(fā)酵工業(yè)大國，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，采用計算機技術(shù)起步較晚，普及率較低。
目前輕工發(fā)酵行業(yè)正面臨著(zhù)日益激烈的全球競爭，因此對以計算機為核心的自動(dòng)控制技術(shù)有著(zhù)強烈的需求：① 提高、穩定產(chǎn)品質(zhì)量，降低原料消耗；② 采用高級智能控制算法，提高控制水平；③ 減少人工參與，實(shí)現無(wú)污染生產(chǎn)，減少質(zhì)量風(fēng)險；④ 替代人工，降低生產(chǎn)成本；⑤ 測、管、控一體化，滿(mǎn)足信息化需求，提高企業(yè)管理水平與競爭力。
2  輕工發(fā)酵過(guò)程計算機控制系統
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)，但對其常規參數的檢測與控制基本相同。
2.1  主要技術(shù)參數
檢測參數：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：發(fā)酵溫度、發(fā)酵液pH值、營(yíng)養劑流量、消沫防逃液流量、通氣量、罐壓、連消控制等。
2.2  傳感器與執行器
由于發(fā)酵過(guò)程有高溫滅菌處理和嚴密性的要求，增加了參數測控的復雜性，對傳感器和執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 其結構必須防止雜菌進(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(zhù)我國自動(dòng)化水平的不斷提高，在線(xiàn)測量氧氣和二氧化碳等代謝產(chǎn)物、基質(zhì)濃度、生物細胞的活度和濃度等傳感器的問(wèn)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  控制設備
在發(fā)酵過(guò)程控制系統中，常用的控制設備有智能儀表、PLC和DCS。它們是整個(gè)系統的核心和紐帶。智能儀表是現場(chǎng)工段應用較多的控制設備，它集測量控制功能于一體，能完成單變量、單回路的控制功能，減少系統的通訊量，簡(jiǎn)化系統結構。PLC是包括發(fā)酵過(guò)程控制中應用非常廣泛的設備，它采用了通用的高性能處理器及多任務(wù)操作系統，在保證快速完成順序邏輯運算的前提下普遍增加了回路調節功能和代數計算功能，編程已標準化，模塊微型化，具有強大的網(wǎng)絡(luò )功能。DCS是復雜控制系統采用的常見(jiàn)形式，通常由控制模塊和計算機組成，控制模塊接受來(lái)自現場(chǎng)的測量數據和計算機的控制信息，并實(shí)現對現場(chǎng)工段設備的控制，計算機完成數據存儲、分析和控制優(yōu)化，并負責網(wǎng)絡(luò )通訊。
2.4  輕工發(fā)酵行業(yè)計算機控制系統的結構類(lèi)型
(1)  集中式 是主機式處理系統，采用一臺主機帶多個(gè)終端構成用戶(hù)系統。特點(diǎn)是便于管理，保密性強，一次性投資少，終端設備（檢測儀表與執行機構）不具有數據處理能力，通訊信號以模擬量為主，負荷與功能高度集中于主機，主機的故障會(huì )引起系統癱瘓，可靠性差。它是早期發(fā)酵工業(yè)采取的模式，適用與小規模的生產(chǎn)系統。
(2)  分布式 在這種形式下所有的處理包括應用程序、數據庫管理都在本地計算機上進(jìn)行，但終端具有數據自處理能力，具有一定的智能特性，可脫離上位機運行，分散系統風(fēng)險，通訊信號多為數字量。單個(gè)計算機通過(guò)局域網(wǎng)相連，文件服務(wù)器僅負責局域網(wǎng)中文件級數據和外設資源的共享。具有投資少，開(kāi)發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)酵行業(yè)采用的計算機自動(dòng)控制系統的主要形式。但從組織上和數據庫管理上都帶來(lái)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系統相融合，不適合大型的生產(chǎn)系統。
(3)  客戶(hù)/服務(wù)器方式 是介于以上兩種方式之間的一種形式，集中與分散相結合，合理分配計算機的處理功能。它把一個(gè)應用程序分解成多個(gè)獨立的進(jìn)程，定義出幾個(gè)級別或層次關(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(hù)機，執行本地處理，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計原則。它是大型發(fā)酵企業(yè)的計算機自動(dòng)控制系統的首選形式，較容易與企業(yè)的管理層組成ERP系統，實(shí)行電子商務(wù)。
3  控制軟件
一般的發(fā)酵工程的監控系統是以通用操作系統為平臺，在第三方提供的組態(tài)系統軟件的基礎上進(jìn)行開(kāi)發(fā)或自己開(kāi)發(fā)。如國外的iFix、Intouch、Wincc和國內的組態(tài)王、Synall等。這些組態(tài)軟件功能強大，二次開(kāi)發(fā)的工作量很小，可以完成從現場(chǎng)工段的測量?jì)x表和執行機構的參數設置與組態(tài)，到管理層的系統統計分析與決策。常用功能有：
(1)  系統組態(tài) 根據系統的配置情況進(jìn)行輸入、輸出、控制回路的組態(tài)設置，形成控制環(huán)境。
(2)  運行參數的監視 上位機通過(guò)過(guò)程總線(xiàn)與智能儀表和I/O模塊通訊，取得各控制對象的實(shí)時(shí)數據，通過(guò)分析定時(shí)存儲，并在顯示器上實(shí)時(shí)顯示。如有異常立即報警。操作人員可在控制室監視整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。
(3)  控制參數的設定 輸入系統的口令設定后，設定每個(gè)被控對象的工作狀態(tài)，每個(gè)控制變量的設定值、手操輸出值等，通過(guò)總線(xiàn)送達底層。另外提供如配方管理等功能，使系統運行管理更容易，最后對一些危險操作提供互鎖功能。
(4)  優(yōu)化分析 可以顯示實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)、歷史趨勢曲線(xiàn)，并可以對歷史和實(shí)時(shí)數據進(jìn)行統計分析，從可測量參數分析出不可直接測量參數，如某些代謝產(chǎn)物生產(chǎn)速率、增殖速率、氧呼吸速率、細胞量和生物熱等，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 供系統擴展使用。
(6)  故障診斷功能
(7)  網(wǎng)絡(luò )功能 提供不同的生產(chǎn)系統之間和不同系統層次之間的通訊，實(shí)現信息化，提高現場(chǎng)生產(chǎn)信息的利用率。
4  智能控制方法
發(fā)酵是一個(gè)較復雜的生化反應過(guò)程，大滯后和時(shí)變性是其主要特征。由于發(fā)酵過(guò)程的內部機理非常復雜，影響發(fā)酵的因素也很多，對于整個(gè)過(guò)程目前還缺乏精確的數學(xué)描述手段。近些年來(lái)，國內外專(zhuān)家對這類(lèi)對象的控制也進(jìn)行了很多的研究，雖然對于一般對象還沒(méi)有得到理想的結論，但針對特定對象取得了一些成果。
在發(fā)酵過(guò)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(cháng)。因此應確保微生物生長(cháng)環(huán)境條件最優(yōu)及微生物生長(cháng)代謝過(guò)程最優(yōu)。一般的生產(chǎn)過(guò)程是以次級代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵過(guò)程，關(guān)于代謝優(yōu)化控制，采用基于人的經(jīng)驗和一些模糊的關(guān)系、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等一些智能控制方法來(lái)確定。
(1)  專(zhuān)家系統 對發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制的工程人員和專(zhuān)家的知識總結成知識庫，用一些規則來(lái)描述，根據過(guò)程中可測量參數來(lái)推斷采取什么樣的控制方案。
(2)  模糊控制 由于發(fā)酵過(guò)程中的微生物代謝和生長(cháng)不能用確切的數學(xué)關(guān)系來(lái)描述，但不同的生化反應時(shí)期，他們之間有著(zhù)確定的模糊關(guān)系，可用這種關(guān)系來(lái)指導反應過(guò)程優(yōu)化操作與控制。另外模糊控制思想還可以與傳統的控制方法相結合，如Fuzzy-PID，以降低控制算法對對象模型的依賴(lài)，在大滯后時(shí)變對象應用中獲得較優(yōu)的控制品質(zhì)和較強的魯棒性；
(3)  人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制 建立發(fā)酵生化反應過(guò)程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，用這一模型來(lái)預測生化反應過(guò)程狀態(tài)是否正常，預測反應階段、代謝狀態(tài)和隨機干擾等，與模糊控制相結合，以取得最佳控制效果。
以上的三種智能控制技術(shù)是針對發(fā)酵過(guò)程這一比較特殊的控制對象，可與微生物發(fā)酵技術(shù)相結合，根據生物酵母生長(cháng)代謝的多參數檢測技術(shù)，間接檢測分析不可測量參數，通過(guò)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(guò)程處于自動(dòng)控制狀態(tài)中。
5  結語(yǔ)
目前計算機控制在發(fā)酵工業(yè)中的應用與其它機電等行業(yè)相比還有差距，計算機在線(xiàn)優(yōu)化分析和控制、模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和專(zhuān)家系統的應用將是發(fā)酵工業(yè)工程的系統控制發(fā)展的必然趨勢。同時(shí)，由于發(fā)酵行業(yè)的特點(diǎn)，現有的傳感器不能完全滿(mǎn)足檢測發(fā)酵過(guò)程的各種生化參數的要求，這些限制了計算機控制技術(shù)在發(fā)酵工業(yè)中的應用，因此發(fā)展計算機檢測技術(shù)和傳感器技術(shù)相結合，對成分濃度、細胞濃度、細胞活力、微量元素含量、DNA、RNA和口感等目前無(wú)法測量或測量技術(shù)不成熟的參數進(jìn)行在線(xiàn)測量分析是非常必要的。