自美國(guó)Honey Well公司于1975年成功地推出世界上第一套集散控制系統(tǒng)(DCS)以來(lái)，它經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展，第三代產(chǎn)品已走向成熟，并以其高可靠性、高性能、分散控制、集中監(jiān)視、擴(kuò)展靈活、組態(tài)方便等特點(diǎn)成為當(dāng)前大型工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的主要潮流^[1]。
　　目前國(guó)內(nèi)外已推出各種型號(hào)的DCS約100余種，但通常投資較大，許多中小型企業(yè)難以承受，因此研制低成本的DCS是符合國(guó)情的。作者等人研制開(kāi)發(fā)的低成本DCS，已應(yīng)用于無(wú)錫中亞化學(xué)有限公司年產(chǎn)2萬(wàn)噸檸檬酸發(fā)酵車(chē)間的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，運(yùn)行實(shí)踐證明，系統(tǒng)控制方法先進(jìn)，可靠性高，提高了產(chǎn)品得率，節(jié)能降耗，取得了相當(dāng)好的經(jīng)濟(jì)效益。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　根據(jù)發(fā)酵車(chē)間規(guī)模及其對(duì)DCS的要求，整個(gè)系統(tǒng)由工程師站(含操作員站)和現(xiàn)場(chǎng)控制站二級(jí)微機(jī)組成，對(duì)全車(chē)間的6只200噸發(fā)酵罐、3只25噸種子罐以及公共單元進(jìn)行全自動(dòng)控制。其中工程師站采用IPC－610 486DX/66計(jì)算機(jī)，并配有窗霸卡多屏顯示、聲霸卡語(yǔ)音報(bào)警等多媒體技術(shù)；現(xiàn)場(chǎng)控制站由4臺(tái)IPC 486DX/66工控機(jī)加上A/D、D/A、I/O板構(gòu)成， 采取以一控三的方式，3臺(tái)工業(yè)PC機(jī)分別控制兩個(gè)200噸發(fā)酵罐及一個(gè)25噸種子罐，另用一臺(tái)工業(yè)PC機(jī)負(fù)責(zé)公共單元數(shù)據(jù)的采集及控制，并留有擴(kuò)充接口。每個(gè)罐可測(cè)控?cái)?shù)據(jù)為溫度、罐壓、流量、PH、溶氧、攪拌電流、尾氣O2及CO₂等。
　　DCS采用雙RS－422構(gòu)成主從式上、下位機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)操作員站對(duì)控制站控制參數(shù)的設(shè)定修改以及數(shù)據(jù)的采集、顯示及打印；并通過(guò)NE2000網(wǎng)卡與公司MIS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)通信接口與Ⅰ期檸檬酸發(fā)酵DCS相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)
　　為提高DCS的通用性、靈活性，縮短開(kāi)發(fā)周期，便于維護(hù)和擴(kuò)展，作者面向康拓、研華等公司生產(chǎn)的PC機(jī)、STD總線工控機(jī)及其系列接口板設(shè)計(jì)了DCS組態(tài)軟件。軟件采用Visual C++ 5.0編程，由系統(tǒng)組態(tài)、工況圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)處理分析組態(tài)、通信組態(tài)四大模塊組成，具有系統(tǒng)生成、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)生成、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)生成、圖形生成、控制回路生成、報(bào)表生成、事件追憶庫(kù)生成、數(shù)據(jù)庫(kù)下裝等功能。組態(tài)軟件支持各種信號(hào)或執(zhí)行器類型、各種輸出模式，提供了作者在生化過(guò)程控制實(shí)踐中摸索得到的多種實(shí)用控制和濾波算法供用戶選擇，并設(shè)計(jì)了用戶自定義接口，利用這些工具可生成各種適合于發(fā)酵過(guò)程的控制策略。
　　軟件提供的控制算法如下：①基本PID控制；②帶死區(qū)PID控制；③串級(jí)PID控制；④QUICK_PID控制；⑤模糊PID控制；⑥ Bang_Bang控制;⑦自調(diào)整控制；⑧跟蹤控制；⑨時(shí)間比例輸出控制；⑩前饋控制； 多變量解耦控制； 模糊控制； 專家控制； 離線優(yōu)化控制；用戶定義控制。
　　軟件提供的濾波方式如下：①最大平均濾波；②防脈沖干擾平均濾波；③低通數(shù)字濾波；④中位值濾波；⑤滑動(dòng)算術(shù)平均濾波；⑥滑動(dòng)加權(quán)平均濾波；⑦用戶定義濾波方式。
　　在組態(tài)過(guò)程中，軟件具有自動(dòng)校正和修改功能。用戶在編輯過(guò)程中若對(duì)某個(gè)點(diǎn)進(jìn)行修改，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)所有數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的校正，使用相當(dāng)方便。　　組態(tài)軟件支持鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作，人機(jī)界面美觀友善，實(shí)時(shí)幫助功能豐富，是設(shè)計(jì)低成本DCS的理想平臺(tái)。
3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
3.1 現(xiàn)場(chǎng)控制站功能設(shè)計(jì)
　　每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制站(下位機(jī))由研華公司的IPC－610 486DX/66配上康拓公司的A/D、D/A、I/O卡及三臺(tái)三回路數(shù)顯手操器組成，可控制兩個(gè)發(fā)酵罐和一個(gè)種子罐。其功能如下：
　　(1)檢測(cè)各罐的溫度、罐壓、流量、溶氧、PH、攪拌電流、尾氣O2、CO₂、泡沫等參數(shù)，其中前四個(gè)參數(shù)為控制參數(shù)；
　　(2)各種參數(shù)控制方式由用戶根據(jù)控制情況設(shè)定，各回路均具有越限報(bào)警功能；
　　(3)參數(shù)可在線設(shè)定和修改；
　　(4)具有在線自檢、自診斷功能；
　　(5)可實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換，并可由上位機(jī)遠(yuǎn)距離設(shè)定。
3.2 工程師(操作員)站功能設(shè)計(jì)
　　工程師站中裝有全套組態(tài)軟件，是技術(shù)人員生成控制系統(tǒng)時(shí)的人機(jī)界面，作為系統(tǒng)的管理站和程序員終端用來(lái)開(kāi)發(fā)和下裝各種控制算法和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)控制。
　　操作員站通過(guò)組態(tài)，提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、工況圖形顯示、歷史趨勢(shì)顯示、實(shí)時(shí)控制曲線顯示、控制參數(shù)修改、參數(shù)列表、報(bào)警管理、漢字報(bào)表打印、屏幕圖形拷貝、系統(tǒng)時(shí)鐘校正等功能。
　　同時(shí)，上位機(jī)通過(guò)NOVELL網(wǎng)將發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)、發(fā)酵車(chē)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)與管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。負(fù)責(zé)生產(chǎn)技術(shù)的副總經(jīng)理及生產(chǎn)部可通過(guò)MIS系統(tǒng)取得數(shù)據(jù)，用于指揮調(diào)度生產(chǎn)以及輔助決策查詢等功能。
　　該子系統(tǒng)具有如下功能：
　　(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示、分析、打印功能；
　　(2)歷史數(shù)據(jù)的曲線分析、查詢及組態(tài)功能；
　　(3)發(fā)酵過(guò)程故障查找、報(bào)警信號(hào)存儲(chǔ)、分析功能；
　　(4)輔助決策和輔助生產(chǎn)調(diào)度的功能；
　　(5)數(shù)據(jù)共享功能。
4 系統(tǒng)控制算法及優(yōu)化
　　由于檸檬酸發(fā)酵是一個(gè)具有時(shí)變性、非線性、多輸入輸出和隨機(jī)性的復(fù)雜生化反應(yīng)過(guò)程，因此在進(jìn)行控制回路組態(tài)時(shí)，建立了帶模糊PID自整定的溫度、罐壓、流量控制回路，對(duì)溶氧采用了定罐壓下的串級(jí)PID模糊控制。
4.1 溫度控制
　　檸檬酸發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，發(fā)酵過(guò)程釋放熱量，因此溫度控制顯得尤為重要。考慮到以下兩點(diǎn)：(1)間接降溫的滯后時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大，易產(chǎn)生超調(diào)；(2)發(fā)酵過(guò)程的不同階段產(chǎn)生熱量的速率不同，對(duì)象模型參數(shù)變化較大，而參數(shù)的辨識(shí)又較為困難，冷卻水流量與溫度關(guān)系無(wú)法精確測(cè)定，采用了基于自適應(yīng)控制思想的自適應(yīng)PID控制算法。具體做法是先根據(jù)發(fā)酵的不同階段，分段整定PID參數(shù)，再將各段參數(shù)固化于控制站內(nèi)。這種方法雖然達(dá)不到最優(yōu)，但實(shí)際效果是理想的。
4.2 壓力和流量控制
　　在工藝上，要求罐壓和流量穩(wěn)定且超調(diào)小，罐壓由進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的升度控制，尾氣流量則由出氣調(diào)節(jié)閥的升度控制。但因兩個(gè)回路之間相互關(guān)聯(lián)，采用常規(guī)PI控制時(shí)質(zhì)量較差、難于穩(wěn)定、易失控及振蕩、有較大的超調(diào)，因此在這兩個(gè)控制回路中引入模糊控制概念，即將二者的相互影響適當(dāng)量化，存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，實(shí)時(shí)控制時(shí)，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)整定兩組PI參數(shù)，注意將二者的頻域拉開(kāi)，然后對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)(即P、Q)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)預(yù)定的步驟和指標(biāo)進(jìn)行模糊推理，自動(dòng)對(duì)PI參數(shù)超前修正。實(shí)施該控制方案后，基本上消除了壓力和流量回路的耦合，調(diào)節(jié)效果是理想的。
4.3 溶氧控制
　　根據(jù)工藝要求，對(duì)溶氧回路進(jìn)行八段定時(shí)控制。影響罐內(nèi)物料溶氧值的因素主要有四個(gè)，即細(xì)菌需氧量、通風(fēng)量、罐壓及攪拌器轉(zhuǎn)速。其中發(fā)酵不同階段的細(xì)菌需氧量由實(shí)驗(yàn)確定，是不可控因素，而攪拌器轉(zhuǎn)速是定值，因此可控因素為通風(fēng)流量和罐壓。根據(jù)工藝條件要求，罐壓要盡可能穩(wěn)定，此時(shí)流量?jī)x表誤差小，固溶氧控制采用圖2所示的定罐壓情況下的溶氧PID模糊控制，溶氧作為主控回路，將流量作為副控回路，達(dá)到了較好的控制效果^[2]。