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摘要 发酵过程智能测控系统的研究 摘要 微生物发酵工程是生物工程和现代生物技术及其产业化的基 础。随着发酵技术的不断发展，对自动控制技术的要求也越来越高。 然而，生物发酵过程机理复杂，具有高度的非线性、时变性，一些 关键参数( 如底物浓度、菌体浓度、产物浓度) 难以在线检测，使得 先进的优化控制算法和策略难以实现；而目前所使用的基于不同测 控单元( 如m c u 、i p c 、p l c 、d c s 、f c s ) 的发酵测控系统，多数 采用常规的检测单元，缺少对关键参数进行检测的智能单元。因此， 为了实现生物发酵在线优化与调控，迫切需要研究出融入智能检测 单元的发酵过程智能测控系统。 本文在详细分析发酵测控系统研究现状的基础上，提出了一种 发酵过程智能测控系统的体系结构，在发酵过程测控系统网络化结 构研究基础上给出了发酵过程智能测控系统的软硬件集成方法；通 过智能检测单元实现难测关键参数的测量，通过智能控制单元进行 参数的有效调控；应用底层o p c 技术与上层w e bs e r v i c e 技术，开 发出基于a j a x 技术的网络化发酵过程智能测控系统；将该系统应 用在l 哥l 酸发酵过程优化控制系统中，验证了系统的有效性。 实验结果表明，所开发的发酵过程智能测控系统应用在l 乳酸 发酵过程优化控制系统中，能够利用智能测控系统的软测量模块估 算营养液消耗情况，按照所设定葡萄糖浓度大小进行补料的添加， 北京化工大学硕士学位论文 从而实现发酵过程优化控制，提高发酵产物得率，该系统运行正常， 性能良好。该发酵过程智能测控系统能够很好的应用于发酵测控过 程中。 关键词：o p c ，w e bs e r v i c e ，a j a x ，智能测控，软测量 a b s t r a c t r e s e a r c ho f i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m f o rf e r m e n t a t i o np r o c e s s a b s t r a c t t h em i c r o o r g a n i s mf e r m e n t a t i o ne n g i n e e r i n gi st h eb a s i so fb i o l o g i c a le n g i n e e r i n ga n dm o d e mb i o l o g i c a lt e c h n o l o g ya n dt h e r ei n d u s t r i a l i z a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ef e r m e n t a t i o nt e c h n i c s ， i ti sm o r ea n dm o r ed e p e n d e n to nt h ed e m a n do fa u t o m a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y h o w e v e r , t h em e c h a n i s mo fb i o l o g i c a lf e r m e n t a t i o n p r o c e s s i s c o m p l e x i th a sh i g hn o n l i n e a r i t ya n dt i m ev a r i a t i o n ，a n ds o m eo ft h eb i o l o g i c a lp a r a m e t e r sa r ed i f f i c u l tt ob em e a s u r e d o n l i n e ，t h e r e b ys o m es o p h i s t i c a t e do p t i m i z i n gc o n t r o la l g o r i t h m sa n dm e t h o d sc a n n o tb ea c h i e v e d m o s to ft h ec u r r e n tf e r m e n t a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd if f e r e n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i t s ，s u c ha sm c u ，i p c ，p l c ，d c s ，f c sa n dv i ，a d o p t sau n i ts t y l es t r u c t u r e ，a n dl a c k st h ei n t e l l i g e n tu n i t so fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t ot h eb i o l o g i c a lp a r a m e t e r sd i f f i c u l tt ob em e a s u r e d t h e r e f o r e ，s o a st oa c h i e v et h eo n l i n eo p t i m i z i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h eb i o l o g i c a lf e r m e n t a t i o n ，i ti s e a g e rt or e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n tf e r m e n t a t i o np r o c e s ss y s t e mc o m b i n i n ga it e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s eo fr e a l a p p l i c a t i o no ff e r m e n t a t i o n m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e md e t a i l e d l ya n a l y z e d ，a ni n t e l l i g e n t 北京化下大学硕士学位论文 m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mc o n s t r u c t i o no ff e r m e n t a t i o np r o c e s s w a si n t r o d u c e d o nt h eb a s eo fn e t w o r ks t r u c t u r er e s e a r c ho ft h e f e r m e n t a t i o np r o c e s sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，t h ee v a l u a t i o no f t h e b i o l o g i c a lp a r a m e t e r sd i f f i c u l t t om e a s u r ec a nb ea c h i e v e d b y i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n tu n i t ，a n d t h ee f f e c t i v e r e g u l a t i o n o ft h e p a r a m e t e r sb yi n t e l l i g e n tc o n t r o lu n i t a p p l y i n go p c a st h eb o t t o ml a y e r a n dw e bs e r v i c ea st h eu p p e rl a y e lt h ei n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o la j a xb a s e dn e t w o r ks y s t e mi nf e r m e n t a t i o nw a sd e v e l o p e d c o m b i n i n gt h eo p t i m i z e dc o n t r o ls y s t e mo fl - l a c t i ca c i df e r m e n t m i o n p r o c e s s ，t h ee x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o no ft h ed e l i v e r e d i n t e l l i g e n t m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw a sp r o c e s s e d t h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n t i n d i c a t e st h a t ，t h e i n t e l l i g e n t m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma p p l i e di nl l a c t i ca c i df e r m e n t a t i o n p r o c e s so p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，c o u l du s et h es o f t s e n s i n gm o d u l e e v a l u a t i n gt h e c o n s u m p t i o nc o n d i t i o no fn u t r i e n ts o l u t i o n ，a n da d d a c c o r d i n gt ot h es e t t i n gg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n ，s oa s t oa c h i e v et h e o p t i m i z a t i o no ff e r m e n t a t i o np r o c e s sa n di n c r e a s et h ep r o d u c tr a t eo f f e r m e n t a t i o n t h i ss y s t e mw o r k sw e l l ，a n dp e r f o r m sf i n e i tc a nb eu s e d i nv a r i a b l ef e r m e n t a t i o np r o c e s sb e c a u s eo fi t sw i d e a p p l i c a b i l i t y k e yw o r d s ：o p c ，w e bs e r v i c e ，a j a x ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ， s o f ts e n s o r 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：唐颜日期：鲫c 【占i 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：夕爹放 日期： 如1 石i 导师签名：碑肄 蹶伽7 矗， 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 微生物发酵工程是生物工程和现代生物技术及其产业化的基础，随着生物工程技 术的迅速发展，发酵工业的生产规模不断扩大，生产过程不断强化，迫切要求对发酵 过程进行先进的控制和优化。尽管现代生物技术在基因工程和代谢工程领域内有了长 足的进展，通过诱发变异、基因重组和培养能够得到高产菌株，然而，通过优化控制 使发酵过程产品生产最优( 即生产能力最大、成本消耗最低、产品质量最高) 仍是发 酵工程领域中存在的主要问题之一，因此对微生物发酵过程优化控制及智能测控系统 的研究日益受到重视。 生物发酵过程机理复杂，具有非线性、时变性，对过程实施在线检测和优化调控 难度很大。特别是其生物参数难以在线测量的特征，直接影响着发酵过程控制和优化 水平的提高。发酵过程中生物参数的在线测量，为发酵过程的先进优化控制算法和策 略得以工业实际应用提供了条件，进而可以提高发酵质量和产量。因此，为了实现生 物发酵参数在线优化与调控，迫切需要能够实现发酵过程难测生物参数在线测量的发 酵测控系统。 随着计算机技术、测控技术的迅速发展，发酵测控系统在发酵工业生产中得到 越来越广泛的应用。目前的发酵测控系统缺少关键参数智能检测单元，并且采用单元 式结构，不能满足发酵过程控制和优化的需要。因此，在传统发酵测控系统的基础上， 从先验知识和过程机理分析入手，以人工智能技术为手段，建立关键参数软测量模型， 并且应用网络化集成方法，克服单元式结构的弊端，研究与开发融合了人工智能技术 的网络化智能测控系统对于现代发酵工业的发展意义重大。 1 2 发酵测控系统的研究现状 2 0 世纪7 0 年代以后，由于微电子技术的飞速发展和普及，使计算机技术成为自 动化控制工程中的重要工具，广泛应用于各种生产过程和生产设备，构成计算机测控 系统1 1 。 由于生化反应过程的内在机理复杂，很难采用计算机实时控制技术对过程进行有 效的仿真和控制，并且缺乏在线测量发酵过程关键参数手段，微生物反应过程又存在 复杂性以及菌体细胞对环境因子的高度敏感性，很难用合适的数学模型对生化过程进 北京化工大学硕士学位论文 行描述【2 1 。因此，与其它应用领域相比，计算机技术在发酵工程中的应用与推广起步 较晚，还有很多技术问题需要解决。 近年来，由于计算机技术的迅速发展和性能价格比的提高，尽管存在上述各种应 用上的问题，但计算机在发酵过程的应用已大幅增加，各有关实验室和工厂普遍采用 发酵过程计算机测控系统。从发酵测控系统的测控方法来看，目前用于发酵过程的实 时控制和数据处理系统主要有单片计算机系统( m c u ，m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 、工控机 ( i p c ，i n d u s t r i a lp e r s o n mc o m p u t e r ) 、可编程逻辑控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 、集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 、现场总线系统( f c s ， f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 等，发酵生产的规模和应用场合不同要求不同的计算机测控系 统配置。 1 2 1 基于嵌入式微控制器的发酵测控系统 嵌入式微控制器( m c u ) 是嵌入式系统应用于工业控制的主流产品，嵌入式微控制 器系统的主要硬件，核心处理层( c p uc o r e ) ，外围电路层：i o 端口，内存，电源管 理，定时器，计数器，看门狗，闪存( f l a s hr a m ) ，模数转换( a d ) ，数模转换( d a ) 等都集成在一块芯片上，有的甚至还集成了外设支持功能，如u s b 接口等。在应用 中，嵌入式微控制器系统可根据具体测控对象进行软硬件集成，以其开发成本低、系 统灵活性强等特点，在发酵过程参数检测和控制中得到了广泛应用，并出现了许多基 于嵌入式微控制器的发酵测控系统1 3 j 。 张舒【4 】用a t m e l 单片机设计了一种带模拟回路的发酵过程控制补料装置，并实 现了温度、p h 值、溶氧、压力等信号的控制。张广辉等1 5 j 采用b l 2 1 0 0 嵌入式系统构 建了发酵控制系统，分别对温度、p h 值、溶氧和转速进行检测和控制。 基于嵌入式微控制器的发酵测控系统充分利用了嵌入式微控制器开发使用灵活， 技术比较成熟，成本低等优点，能够满足简单发酵过程参数检测和控制的需求。但其 不足之处也很明显：嵌入式微控制器运算速度、精度不高，系统开发周期长，抗干扰 能力差，对于复杂的发酵过程，难以集成用以实现发酵过程难测生物参数在线检测的 智能软测量算法和数学模型，智能化程度低。 1 2 2 基于工业控制计算机的发酵测控系统 工业控制计算机( i p c ) ，是一种加固增强型的个人计算机，它可以作为一个工业控 制器在工业环境中可靠运行。由于i p c 的性能可靠、软件丰富、价格低廉，使其在现 代工业控制中的应用日趋广泛【6 】。基于工控机的生产过程控制方式主要有两种，一种 是工控机通过各种输入输出卡直接对生产过程进行控制；另一种则是将常规控制仪表 和工控机组成稳定性和可靠性相对较高的二级控制系统。 2 第一章绪论 尹尔为【7 j 等基于s t d 总线工控机，采用二级控制系统实现发酵过程的监控管理， 构建的系统能够实时检测4 4 个发酵罐及补料罐的温度、压力和空气流量，实时检测 和显示提炼工序的l o 个温度、总空气温度和1 8 台搅拌电机的电流和温度。y e n c h u n l i u 8 1 用工控机和h p l c ( 色谱仪) 丌发了发酵过程在线监控系统，实现了葡萄糖浓度和 乙醇浓度的在线检测以及对p h 值、搅拌速度、进气流量、补料速率的检测和控制。 工业控制计算机以其存储容量大、执行效率高等优点在发酵过程控制中得到了广 泛的应用。它的小型化、模块化、组合化、标准化的特点和其开放式的结构，软件兼 容性好，使发酵过程微机控制系统开发周期短；但与p l c 和d c s 相比，作为工业现 场控制器，它的可靠性不高；组建上规模的系统，成本也会随之升高。 基于工控机的研究基础，将虚拟仪器技术融入发酵过程测控系统中【9 】。所谓虚拟 仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能， 其实质是将传统仪器硬件与最新计算机软件技术充分结合起来，以实现并扩展传统仪 器的功锹1 0 】。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、自动化、智能化、远距离传 送处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的优势【1 1 1 。 程辉等【1 2 】基于虚拟仪器技术设计开发了生物发酵装置上位机软件，实现了带搅拌 的夹套式加热生物发酵装置的测控操作，取得了良好的效果。曾冬明等【l3 】利用 l a b v i e w 编写在线监测与自动化控制领域的软件，从而提高发酵效率。目前，虚拟仪 器技术在发酵测控系统中主要应用在测控软件的设计开发方面，应用在发酵过程生物 参数智能检测方面还处于发展中。 将虚拟仪器技术应用在发酵过程测控系统中，可以利用计算机丰富的软件资源， 一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了硬件资源，增加了系统灵活性；一方 面，通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行分析与处理；另一 方面，通过图形用户界面技术，真正做到人机界面友好、操作简单，易于交互；并且 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化，可重复使用及互换性等特点。因此，用 户可根据组建的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高， 缩短了系统的组建时间。 1 2 3 基于可编程逻辑控制器的发酵测控系统 可编程逻辑控制器( p l c ) 源于继电器控制装置，具有功能丰富、实时性强、工作 可靠、抗干扰能力强、可扩展性好等特点，是一种具有广泛使用价值的工业控制装置， 非常适用于发酵过程数据采集和控制，特别是发酵过程对测控提出的顺序性操作要求 1 4 1 o m o s c o s a - s a n t i u a nm 掣”1 设计了基于p l c 的发酵测控系统，实现了发酵过程温 度、p h 值和压力的控制；宋奎文1 q 使用s y s m a co m r o n c 2 0 pp l c 及变频器和智 3 北京化工大学硕士学位论文 能仪表等设备，对啤酒发酵控制系统进行改造，实现系统压力控制及温度和液位报警。 熊伟丽【1 7 】针对发酵过程中罐温大滞后和时变性的特点，提出了一种基于p l c 的复合 模糊控制算法，其中模糊控制器和p i 调节器都通过p l c 来实现，这样既保留了p l c 控制系统灵活、可靠、抗干扰能力强等特点，又大大提高了控制系统的智能化程度。 基于p l c 的发酵测控系统在发酵工业中得到了广泛应用，然而基于p l c 的发酵 测控系统多用于发酵工艺比较成熟的发酵过程，其智能化程度不高，编程方法不够灵 活，难以根据需要集成复杂的数学模型和算法，缺少发酵过程难测生物参数在线检测 功能，无法满足复杂发酵过程的需求。 1 2 4 基于集散控制系统的发酵测控系统 d c s 是一种以微处理器为基础，结合了网络通讯、自动控制、冗余和自诊断以及 企业级管理等功能于一体的控制系统，由于采用了多级分层的结构形式，不仅可以实 现稳定的生产，而且满足了企业管理的要求，在生化工程大规模生产领域得到了广泛 的运用。 f r a n kj r o m e u f 【1 9 】对发酵过程、发酵测控系统及参数检测设备进行了分析，基于 d c s ，从方法论的角度研究发酵测控系统的构建方法。汪志锋【2 0 】结合青霉素发酵生产 工艺，制定了以补料控制为基础，以温度控制、p h 控制和消沫控制为调节方式的生产 自动控制实现方案。系统给出了以j x 3 0 0 x 为主体设备，发酵车间多罐批集控模式的 系统配置及软件组态过程。 目前，我困新建或改造的大中型生物发酵车间很多都采用了d c s 系统，d c s 以其 集中管理、分散控制的测控网络结构在发酵过程实时控制和优化中得到了广泛的应 用，但d c s 系统开放性差，并且价格昂贵，使其很难在中小规模发酵过程控制和优化 中普及应用，并且大多缺少发酵过程难测生物参数在线检测功能，无法满足发酵过程 控制和优化的需要。 1 2 5 基于现场总线技术的发酵测控系统 现场总线控制系统( f c s ) 于2 0 世纪8 0 年代中后期在国外兴起，它是原来的仪器仪表 技术与现代计算机技术结合产生的一种开创性技术，是一种全开放、全分散、全数字、 多点通信的先进的控制网络【2 。f c s 将构成自动化系统的各种传感器、执行器及控制 器通过现场网络联系起来，通过网络上的信息传输完成传统系统中需要硬件连接才能 传递的信号，实现自动控制。f c s 也以其全数字化传输、抗干扰能力强等优点在发酵 工业中得到了越来越多的使用。 王献伟掣2 2 】提出了基于基金会现场总线( f f ) 技术的发酵罐控制系统项目改造设 计，并实现了3 个容量为1 0 0 m 3 的发酵罐控制，包括温度、压力、溶氧、消泡控制等。 4 第一章绪论 孔慧掣2 3 】利用c a n 总线技术构建了发酵测控系统，完成发酵过程的常规参数检测和控 制。 现场总线控制系统作为一种新兴的自动化控制技术，在发酵过程控制和优化中得 到了应用，但其技术规范还不成熟，各个厂家的系统互操作性差、价格高，难以实现 发酵过程难测生物参数的在线检测，致使现场总线技术很难在发酵测控系统中得到普 及。 随着发酵生产过程规模的不断扩大，需要对发酵过程进行先进的控制和优化。发 酵过程中的过程参数( 如菌体浓度、产物浓度等生物参数) 对发酵过程起着非常重要的 作用，目前所使用的基于不同测控单元( 如m c u 、 i p c 、p l c 、d c s 、f c s ) 的发酵测 控系统，缺少对难测关键参数进行检测的智能检测单元。因此，为了实现生物发酵在 线优化与调控，迫切需要研究出具有结合人工智能技术的智能检测单元的发酵过程智 能测控系统。但由于现有的发酵过程测控系统多为采用单元式结构，即采用单一的主 控单元实现测控过程，而各主控单元都存在着各自的弊端，这就需要提出发酵过程测 控系统的集成方法，实现网络化的测控系统，构建新型的发酵过程智能测控系统。 1 3 课题的研究意义和主要研究内容 1 3 1 课题的研究意义 微生物发酵工程是生物工程和现代生物技术及其产业化的基础。发酵测控系统是 发酵系统中的重要组成部分，直接影响着发酵过程生产。然而，发酵过程是十分复杂 的生化反应过程，涉及到生命体的生长繁殖过程，生物量是发酵过程中的重要过程参 数之一，关键参数在线测量对发酵工程的优化和控制具有重要意义。目前，发酵过程 计算机控制水平处于较低水平，检测与控制参数方法都比较简单，难以实现难测关键 参数的在线检测，单元式的测控系统又存在弊端，因此迫切需要研究出具有较高集成 度的网络化发酵过程智能测控系统。 研究发酵过程智能测控系统的目的不但能够从先验知识和过程机理分析入手，以 软测量技术为手段，实现难测关键参数的智能检测单元，并且应用网络化集成方法， 克服单元式结构的弊端，实现发酵过程难测参数的在线估计和优化调控。因此，开发 融合人工智能技术的网络化智能测控系统对于现代发酵工业的发展具有重要意义和 应用价值。 1 3 2 主要研究内容 本课题依托国家自然基金项目( 2 0 4 7 6 0 0 7 ) ，研究发酵过程智能测控系统的集成方 5 北京化t 大学硕十学位论文 法，建立网络化发酵过程智能测控系统。课题的主要研究内容包括： 1 在详细分析发酵测控系统研究现状的基础上，研究发酵过程智能测控系统的 体系结构；在发酵过程测控系统网络化结构研究基础上，给出网络化发酵过 程智能测控系统的软硬件集成方法。 2 选择合适的软硬件平台，对基于网络化的发酵过程智r j j , i 控系统的软硬件模 块进行了设计。 3 底层硬件采用p l c 与p x i 总线虚拟仪器，配置o p c 服务器为上层系统提供统 一接口；基于n e t 平台，利用w e bs e r v i c e 技术与a j a x 技术实现发酵过程 测控系统软件。 4 将智能测控系统结构应用在l 乳酸发酵过程测控系统中，对提出的发酵过程 智能测控系统进行实验研究，并分析测试结果。 6 第二章发酵过程智能测控系统集成方法研究 2 1 引言 第二章发酵过程智能测控系统集成方法研究 生物发酵过程机理复杂，复现性差，波动大，对过程实施在线检测和优化调控难 度很大。目前，发酵过程计算机控制水平处于较低水平，检测与控制参数方法都比较 简单，无法实现发酵过程关键参数的在线实时测量与控制，因此迫切需要研究出具有 较高集成度和通用性的发酵过程智能测控系统。 本章在详细分析发酵过程测控系统不足的基础上，研究了生物过程智能测控系统 的集成方法，给出了通过提取有用的先验知识，利用软测量技术进行关键参数在线测 量的智能测控系统框架，并且对测控系统的网络化应用进行了研究，给出了发酵过程 测控系统软、硬件系统的集成方法。 2 2 发酵过程测控系统体系框架 发酵过程中的底物浓度、菌体浓度、产物浓度是关键的过程参数，由于受其测量 水平的限制，导致发酵过程的先进优化控制算法和策略只能停留在理论探讨上，难以 工业实际应用。关键参数在线测量对发酵工程的优化和控制具有重要意义，随着软测 量技术的研究进展，应用软测量技术研究关键参数的在线估计已成为一个重要研究领 域。软测量技术的理论研究取得了广泛成果，所建立的软测量模型物理意义明确，对 特定生化过程来说，模型的检测系统稳定性较好。但所建模型简化、种类较多，因此 其应用范围较窄，没有统一的工程方法，也没有相应的发酵过程测控系统能够很好地 将软测量技术应用到具体的发酵过程中。研究发酵过程智能测控系统的目的是不但能 够实现常规可测变量的测量与控制，而且从先验知识和过程机理分析入手，以人工智 能技术为手段，建立关键参数软测量模型用于实现发酵过程难测参数的在线估计和优 化调控。 通过硬件传感器使用数据采集设备采集发酵过程对象状态信息并进行控制是传 统的发酵过程测控系统所实现的基本功能，本文所提出的智能测控系统在对发酵过程 对象进行分析的基础上，提取有用的先验知识，并对先验知识进行分析和建模，通过 智能检测处理单元，利用最新的人工智能技术，实现生物发酵过程难测关键参数的在 线估计，从而可以有效地实现难测关键参数的优化控制。并且在总体框架图中添加网 络化接口，实现系统的网络化应用。图2 1 所示为发酵过程智能测控体系结构，包括 7 北京化t 大学硕士学位论文 信息采集部分、信息处理处理和执行机构三部分。 在发酵过程智能测控系统体系结构中，智能检测处理部分是整个系统的核心部 分，该部分利用人工智能技术，根据先验知识模型，模拟人类专家解决领域问题的计 算机程序系统，能够运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。从先验知识和过 程机理分析、统计学习等尺度上出发，充分考虑发酵过程微生物生长反应特性，利用 发酵工程技术研究的最新成果，应用人工智能理论和技术来建立软测量模型，全面反 映关键参数和各变量之间的关系，是解决关键参数在线估计的有效方法。 图2 - 1 发酵过程智能测控系统体系结构 f i g 2 - 1a r c h i t e c t u r eo ft h ei n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 2 3 发酵过程测控系统网络化研究 随着互联网应用的普及，在工业控制领域，网络测控技术取得了快速发展。测控 系统采用网络化结构能够有效地节约硬件资源、降低系统的开发成本，同时也缩短了 系统的开发周期。但是现有的发酵过程测控系统多为单元式结构，系统通用性较差， 需要对发酵过程测控系统进行网络化研究。 2 3 1c s 体系结构与b s 体系结构 1 c s 体系结构 早期的发酵过程监控系统都是采用客户机服务器模式。系统是两层的，如图2 2 所示。在c s ( c l i e n ts e r v e r ) 体系结构下，一个监控软件分成服务器和客户端两个独立 单元，分别运行在多台计算机上，通过它们的有机结合，协同完成整个系统的应用， 其基本运行关系体现为服务器时，客户端就发出请求“请求响应”的应答模式2 4 1 。 8 第二章发酵过程智能测控系统集成方法研究 每当用户需要访问服务器接受请求并响应，然后实现相应的服务，把执行结果送回给 客户端，由它作进一步处理后刷新用户界面。 这种模式不足之处在于：当客户 客户 端数目激增时，服务器端的性能会因 为负载过重而大大衰减；它在客户机 上将业务逻辑和表示逻辑混合在一 服务器 起，这为维护带来难以想象的难度； 对业务逻辑和表示逻辑的更新必须被 部署到整个用户群，这包括数以千计 图2 - 2c s 模式二层结构 f i g 2 - 2c ss o f t - w a r ea r c h i t e c t u r e 的雇员计算机。在这种情况下，最好的做法是在逻辑上将业务层与表示层和数据层区 分开。这就促使应用程序向三层分布式转变。 2 b s 体系结构 随着w e b 技术的发展，基于w e b 的三层b s 体系结构应运而生，并获得飞速发 展。在这一体系结构中，客户端不需要任何安装部署，用户可以通过浏览器向分布在 w e b 上的服务器发出请求，对数据库的访问和应用程序的执行都在服务器上完成这样 就把负荷均衡地分配给了w e b 服务器，大幅度减轻了客户机的压力。 利用b s 结构构建发酵过程系统，极大的简化了客户端的工作，其体系结构如图 i 显示逻辑 一 一一一一 i 事务处理逻辑 一 一一一一 i 数据处理逻辑 a j a x 全称为“a s y n c h r o n o u sj a v a s c r i p ta n dx m l ( 异步j a v a s e r i p t 和x m l ) ，是 指一种创建交互式网页应用的网页开发技术。a j a x 的出现使得w e b 应用的用户体验 9 北京化工大学硕士学位论文 得到了极大的改善，让w e b 应用也可以具有类似于w i n d o w s 应用的用户体验【2 6 1 。 与传统的w e b 应用不同，a j a x 应用在用户与服务器之间引入了a j a x 引擎这一 中间媒介，通过异步交互过程消除了网络交互过程中的“处理一等待一处理一等待” 缺点。a j a x 引擎用j a v a s c r i p t 语言编写，通常藏在一个隐藏的框架中。a j a x 引擎允 许用户与应用软件之间的交互过程异步进行，用户界面在发出请求后，无须卡死在响 应等待上，而是继续执行其它功能，从而使页面获得更高的实时交互性2 7 1 。图2 4 展 示了w e b 应用和a j a x 应用运行机制之间的对比。 ( 、习 服务器处理服务器处理 、 。缓 l r 蒸鋈 薹 羹 划 罄 7 南荔熹蕊诩ra j a , 玛i 擘 r 心、 隧黔留l 客户螭处理t 输j _ 入|t 输入t 输入 瞥鍪鲨；i 粥，缸蚺j _ i ：1 ：1 由曩i 蔚 显司 显贰r 显刁tc ) l 客户端l 用户操作 ， - 冒邗r 卜1 鄂玎_ 卜 图2 4 传统w e b 应用程序模型与基于a j a x 技术的w e b 应用程序模型 f i g 2 - 4c o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lw e ba p p l i c a t i o nm o d e la n dt h ea j a xw e ba p p l i c a t i o nm o d e l 采用基于a j a x 技术的b s 体系结构构建发酵过程监控系统，基于a j a x 技术 的w e b 应用具有如下优点。 ( 1 ) 无需刷新页面 a j a x 使用x m lh t t p r e q u e s t 对象发送异步请求并且得到服务器响应，在不重载 整个页面的情况下，通过j a v a s c r i p t 操作d o m 更新页面。在读取数据时，不会出现 用户等待“白屏 的现象。 ( 2 ) 减轻服务器负担 减轻服务器的负担分为两个层面：一是a j a x “按需获取数据 ，页面根据用户的 操作向服务器请求所需要的数据，可以最大程度地减少冗余请求，减少数据下载总量， 从而减轻服务器的负担。二是a j a x 是一种富客户端技术，它把以前一些服务器负担 的工作转移到客户端，利用客户端的闲置能力来处理，减轻了服务器的数据处理负担。 ( 3 ) 更好的用户体验 在a j a x 应用中，数据的获取是以异步的方式进行，用户的操作并没有被打断， 使得用户的交互变得流畅而连续。 智能测控系统采用网络化结构能够有效地节约硬件资源、降低系统的开发成本， 同时也缩短了系统的开发周期。采用基于a j a x 技术的b s 架构构建网络化测控系 统，可以有效地提高b s 系统的实时性，保证实验室操作人员在最短的时间内发现 数据变化，并且只需装有通用的浏览器即可实现测控功能，从而实现了广泛的平台 适应性。 第二章发酵过程智能测控系统集成方法研究 2 4 发酵过程测控系统硬件集成 2 4 1 发酵过程测控系统硬件集成框架 根据所提出的发酵过程智能测控系统体系结构，结合测控系统的网络化应用，研 究发酵过程智能测控系统硬件结构，发酵过程智能测控系统硬件平台是将物理上或逻 辑上分布的设备进行集成，将p l c 设备与p x i 总线设备集成在一起，来共同完成发 酵过程常规参数的检测控制以及难测生物参数的在线检测。因此，发酵智能测控系统 硬件结构不仅要满足互操作性和开放性的要求，还要满足通用性、可靠性要求。发酵 过程智能测控系统硬件集成框图如图2 5 所示。 发酵过程智能测控系统硬件结构是由底层发酵控制装置、业务控制器及网络服务 器平台组成。底层设备实现对生物发酵装置的连接，并且为控制装置提供统一的接口， 实现与上层软件平台的连接。根据用户对系统参数检测和控制功能的要求，设计本发 酵智能测控系统的硬件集成框图，个人p c 作为发酵系统的测控机，通过测控服务器 与现场控制装置相连接，实现对发酵过程的在线测控，实现发酵参数的实时显示、数 据管理、数据分析、系统参数设置等；控制装置、传感器和执行机构与发酵罐之间构 成多回路控制，实现对温度、p h 、溶氧、转速、c 0 2 浓度等参数的在线检测，并对这 些参数进行实时控制，即保证了系统的通用性和实用性，又提高了系统的开放性和灵 活性。 图2 - 5 发酵过程硬件拓扑图 f i g 2 - 5h a r d w a r et o p o l o g ys t r u c t u r eo ff e r m e n t a t i o np r o o f 8 l l 北京化t 大学顶学位论文 2 4 2 硬件系统开放性 发酵过程测控系统底层的硬件设备与服务器之间需要统一的接口，提高数据聚集 程序的通用性，并且在硬件更换时不需重写通讯程序，提高系统硬件的可复用性。 为满足系统硬件开放性的要求，采用o p c 技术实现底层设备与服务器之间的通 讯。o p c 全称是o l e f o r p r o c e s s c o n t r o l ，它的出现解决了工业控制“自动化孤岛” 的瓶颈问题口”。o p c 把硬件和软件厂商分离开束，提供了从设备和数据库等数据源获 得数据的通信机制，通过提供带有o p c 接1 3 的服务器，使任何带有o p c 接口的客户程 序均以统一的方式存取不同厂商的设备数据，解决了不同厂家设各之间不能通信的问 胚，从而可将多种硬件设备集成在一个可阻互操作的网络平台下。 由于o p c 技术能够实现对不同协议数据的统一访问，使得o p c 技术成为接口级集 成的主要方法之一，其结构图如| 墨| 2 - 6 所示。 ( 1 1 所有p l c 和其他智能没备的生产制造商提供针对相应产品的o p c n 务器软件， 将不同协议的系统统- n o p c 的软件标准之上。 ( 2 ) 任何第三方软件只要 支持o p c 接口，都能读取 o p c n 务器中的数据，达到 数据共享的目的。测控级计 算机作为o p cc l i e n t 读取 o p cs e r v e r 中的数据，使得 数据获取方式变成软件与软 件自j 通讯。 本系统利用o p c 技术， 对现场设备及其驱动程序进 行封装形成o p c 服务器， o p c 服务器向下对设备数据进行采集 2 4 3 硬件系统可靠性 圈2 - 6 0 p c 接口级集成 f 堙2 - 6 i n t e g r a t i o n o f o l k l i n t e r f a c e 向上与o p c 应用程序通信实现数据交换。 组成测控系统的各个子系统其有一定的独立性，又相互联接成有机整体。对实时 数据管理系统的可靠性评价，首先要考察各个子系统的可靠性。对单一功能子系统， 其可靠性评价模型可表示为： 日uj = ( r ，v s ，a y ) ，i = 1 ，五，n ，( 2 1 ) 其中v = v l ，y 2 州 是表征具体测控对象运行状态的一组变量；v s 是变量 状态空问：而a 则是由v 向阳上的映射关系，可以是阈值判定也可以是模糊识别判 蠢 一d 茹鑫 第一二章发酵过程智能测控系统集成方法研究 定。整个实时数据管理系统的可靠性是建立在子系统的可靠性基础之上的，其可靠性 评价模型可表示为系统可靠度： r ( f ) = s ( r 。( f ) ，r 2 ( t ) ，兄( f ) ) = 兀r i ( t ) ( 2 2 ) 即系统可靠度为系统组成单元的可靠度之积。可靠度服从( 2 2 ) 式的系统结构在可 靠性工程中称为串联系统，在一个串联系统中，由于结构本身所固有的弱点，若其中 任何一个单元发生故障，都将影响系统的整体可靠性，甚至导致系统失效。 改善硬件系统可靠性通常有两种方法：一是采用高可靠性的单元设备；二是改变 系统结构，增加设备的并联。对于前者，相当于提高组成串联系统的设备可靠性，但 系统中任何一个单元可靠度的提高往往受到组成该单元设备的固有可靠性的限制。因 此，目前往往采用后一种办法，即在串联系统的基础上增加并联结构和设备来提高系 统可靠度。 根据可靠性理论，n 个并联设备组成的系统，其整体可靠度与单个设备可靠度之 间的关系为： j l 足( f ) = l i lr ( f ) ( 2 3 ) 显然，由上式可见，随着系统组成单元设备的增加，采取并联结构的系统可靠度 将明显提高。 因此将发酵过程测控平台的底层硬件系统并联起来，通过o p c 接口连接到测控 平台上，这样极大地增加了系统硬件的可靠性。 2 5 发酵过程测控系统软件集成 2 5 1 发酵过程测控系统软件集成框架 根据所提出的发酵过程智能测控系统体系结构设计发酵过程智能测控系统平台， 开发网络化发酵测控平台，软件系统采用结合a j a x 技术的b s 架构的网络化结构实 现，系统主要分为数据接口层、系统服务层和用户层。图2 7 所示为发酵过程智能测 控系统软件集成框架。 软件平台主要分为数据接口层、数据管理层、用户层。 数据接口层：数据接口层由基于w e b 的o p cc l i e n t 组成，这部分为底层数据提 供统一的