发酵是通过微生物的生长培养和化学变化,产生和积累特定的代谢产物的反应过程。为了生产或实验的目的,现代工业、农业、医药、食品等领域需要进行大量的发酵过程,而为了达到特定的目的,往往要对这些过程进行严格的监控。对发酵过程的监控往往具体化到对特定参数(如温度、pH值、氧含量、CO2含量等)的监视和控制,这些参数和反应累计时间之间以及不同参数之间一般呈现比较复杂的关系,这也正是对发酵过程进行监控的难点之处。传统的方法主要是采用手工/半手工的方式,根据个人经验进行控制,精度较低、效果较差。随着工程规模的扩大,特别是产业化发展的需要,对控制效果的要求越来越高,实现分布式环境下的智能化控制已经成为发酵控制的方向。目前我国这方面的研究还处在探索阶段。国内学者的研究主要局限于个别参数、原始模型的研究方面,缺乏从全局和实用的角度进行研究,也缺乏这方面的软件。本文源自作者参与的国家科技部、财政部重点支持的科技研发项目“全智能发酵设备技术研究与产业化”(编号:00C26213201195)。本研究以开发出一套具有智能控制功能的数据采集与监控系统为目标,将控制技术、软件技术、通讯技术和工业接口技术结合,建立分布式控制模型,实现发酵对过程的监控。本文的主要工作和成果如下:第一,通过对个别参数或者参数的局部进行近似线性化研究,为最终实现对全局的非线性自动控制创造条件。一元线性回归方法作为一种现代统计分析的手段,在工业控制领域有广泛的应用。利用一元回归直线法对发酵罐体中的温度变化进行分析和控制,解决了传统的分段控制方法精度低、上/下位机设置繁琐等方面的不足。第二,提出了一种基于物理地址标记的异步MODBUS协议---a-MODBUS协议。该协议对标准的MODBUS协议反馈报文的进行了改进,实现报文级控制任务逻辑功能的识别,克服了标准MODBUS协议用于分布式处理时的不足。基于此协议,进一步提出了一种基于agent的任务调度模型,实现过程智能控制。第三,提出了在开放性SCADA系统中的资源分层管理策略,讨论了带宽分配策略和处理器利用率等,并利用一个实例对策略进行了评估。传统的监控与数据采集(SCADA,即Supervisory Control And Data Acquisition)系统一般运行在封闭的环境中,外部条件、输入数据量、资源的配置与分配方法预先一般都是已知的,并且在运行过程中很少改变。但是,现实需求对SCADA系统的开放性要求越来越高,外部条件、输入数据以及资源利用经常是动态变化的。第四,对OPC技术和最新成果进行详细研究和介绍,并集成到应用系统中,大大降低了SCADA系统的开发和集成成本。OPC(OLE for Process Control,用于过程控制的OLE)作为一个工业标准,改变了集成与控制的手段,本文利用OPC创建一个开放的、可互操作的控制系统。第五,在相关基础研究的基础上,开发出一套完整SCADA系统,用于对发酵过程的监控。系统安装在上位机上,与下位机(支持PLC、单片机和A/D数据采集卡)配套使用,可以在PPI电缆、工业Ethernet等网络环境下使用。系统的主要功能包括实时数据采集与控制、数据通讯、数据分析和系统维护等。系统具有中/英文两个版本,目前在国内外众多厂家使用,发挥较重要的作用。