автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация процесса биосинтеза лимонной кислоты

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА БИОСИНТЕЗА ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ

Специальность 05.13.07 - Автоматизацият технологических

процессов и производств (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

техничеких наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Л.А. РУСИНОВ

Научный консультант -доктор технических наук, профессор В.А.ХОЛОДНОВ

Санкт - Петербург - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................... 4

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ

И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БИОСИНТЕЗОМ........... 12

1.1. Технология промышленного получения лимонной

кислоты...................................................... 12

1.2. Анализ процесса биосинтеза лимонной кислоты как

объекта автоматизированного управления....................... 19

1.3. Методы ситуационного управления и условия

возможности их применения.................................... 27

1.4. Обзор состояния проблемы математического

моделирования процессов биосинтеза .......................... 30

1.5. Обзор состояния проблемы управления

процессами биосинтеза ...................................... 34

1.6. Выводы. Постановка задач исследований................... 37

2. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БИОСИНТЕЗА ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ............................................. 4 0

2.1. Диагностика состояния технологических объектов

и выбор способа ее реализации................................ 40

2.2. Выбор формы представления знаний о процессе получения лимонной кислоты ............................................ 43

2.3. Декомпозиция знаний о ферментационном цикле и

структура его диагностической модели .........................49

2.4. Структура системы ситуационного управления

ферментационным циклом.......................................59

2.5. Алгоритм управления ферментационным циклом...............65.

2.6. Выводы к главе 2.........................................70.

3. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ

ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ.............................................72.

3.1 Постановка задачи управления ферментационным циклом..... 72. 3.2. Сбор и обработка знаний о ферментационном цикле..........77.

3.2.1. Методы сбора и обработки знаний .......................77

3.2.2. Сбор знаний о ферментационном цикле....................7 8

3.2.3. Обработка знаний о ферментационном цикле...............79

Стр.

3.2.4. Сбор и обработка знаний о путях управления

ферментационным циклом при обнаружении на процессе

нарушений......................................................83

3.3. Синтез математической модели биосинтеза

лимонной кислоты...............................................85

3.4. Формирование диагностической модели.......................93

3.5. Алгоритмы управления процессом в регламентном режиме......106

3.5.1. Алгоритм регламентного управления подпиткой.............106

3.5.2. Алгоритм пеногашения....................................118

3.6. Алгоритмы управления процессом при нештатных ситуациях.... 122

3.6.1. Алгоритм поддержания необходимых для интенсивного синтеза лимонной кислоты концентраций биомассы и Сахаров в

среде..........................................................122

3.6.2. Алгоритм снижения интенсивности прироста биомассы...... 128

3.7. Выводы к главе 3..........................................135

4. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ...............................138

4.1. Техническое обеспечение АСУ ТП

ферментационного цикла.........................................138

4.2. Алгоритмическое и информационное обеспечение ССУ.........145

4.3. Параметрическая идентификация математической

модели биосинтеза лимонной кислоты.............................150

4.4. Корректировка коэффициентов математической модели

по результатам протекающего биосинтеза.........................160

4.5. Исследование системы ситуационного управления на объекте..164

4.6. Выводы к главе 4..........................................168

ВЫВОДЫ.........................................................170

ЛИТЕРАТУРА.....................................................172

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................... 183

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы биотехнология получила широкое развитие как в плане научных исследований, так и в промышленном производстве. Япония объявила начало будущего века "эрой биотехнологии" [36], усиление роли которой прогнозируется в пищевой и фармацевтической отраслях промышленности [27,64].

Наиболее бурными темпами растет мировое производство пищевых кислот, основной из которых по объему потребления, безусловно, является лимонная [19,37].

По некоторым оценкам [36] мировое производство лимонной кислоты из различных видов сырья составило в начале 90-х годов свыше 550 тыс. тонн в год. Заводы лимонной кослоты имеются более чем в 35 странах. Лидером в ее производстве являются США (более 170 тыс. тонн в год). В нашей стране производство лимонной кислоты в последние годы, к сожалению, заметно снизилось, и ее дефицит уже ощущается на предприятиях пищевой промышленности.

Лимонная кислота используется [64,83] для подкисления и придания ощущения свежести безалкогольным напиткам, овощным, фруктовым, мясным и рыбным консервам. В кондитерской промышленности ее применяют при производстве конфет, вафель, печенья, тортов и других изделий. Огромна роль лимонной кислоты как консерванта, заменяющего уксус, использование которого законодательно запрещено во многих странах мира. Способность образовывать комплексные соединения обусловила ее добавление в жиры и животные масла для предотвращения прогорклости. На образовании комплексов лимонной кислоты с соединениями железа основана очистка пароводяного тракта энергоблоков на электростанциях. В последнее время натриевая соль лимонной кислоты все активнее используется в моющих средствах вместо полифосфатов натрия.

Растущая потребность в лимонной кислоте может удовлетворяться либо за счет введения в строй новых мощностей, что требует огромных инвестиций, либо за счет интенсификации технологических процессов на уже существующих предприятиях путем разработки и

внедрения новых, а также совершенствования уже существующих систем автоматизированного управления.

Основной технологической операцией в ферментационном цикле получения лимонной кислоты является биосинтез, где, собственно, и происходит образование целевого продукта. Управление именно этой операцией является предметом исследования в данной работе.

Необходимо отметить, что биосинтез имеет ряд особенностей, обусловленных наличием биологически действующего начала. Прежде всего это принципиальная неполнота знаний о нем, что затрудняет его математической описание и осложняет применение традиционных алгоритмов управления. Нестабильность количества и качества получаемых продуктов даже в процессах с идентичными условиями проведения вызвана неоднозначностью обмена веществ и механизмов регуляции клетки. Все эти особенности приводят к возникновению целого ряда нештатных ситуаций, ведущих к ухудшению результатов процесса, а подчас и гибели мицелия.

Автоматизация микробиологических процессов на сегодняшний день, как правило, ограничивается контролем за ходом процесса биосинтеза или, в лучшем случае, стабилизацией отдельных режимных параметров. Основной недостаток подобных систем состоит в том, что они ориентированы на идеальные условия ведения процесса и не учитывают возникновения возможных нарушений и отклонений, которые могут привести к нештатным ситуациям.

По этой причине актуальной становится задача создания такой системы, которая бы идентифицировала текущее состояние процесса и в зависимости от него вырабатывала необходимые управления. Это позволило бы выявлять нарушения на ранних стадиях и предотвращать их развитие в опасные для биосинтеза ситуации.

При этом процесс обработки поступающей с объекта информации и формирования решений по управлению должен базироваться как на теоретических знаниях об особенностях биосинтеза, так и экспертных (опытных) знаниях, формализованных в диагностической модели процесса и заранее заложенных в базу знаний системы. Таким образом, речь идет о создании экспертной системы реального времени, реализующей ситуационное управление.

Использование в такой системе математической модели позволит в реальном времени в соответствии с выбранным критерием управления рассчитывать рациональную стратегию управления биосинтезом. Однако несмотря на то, что предпринимались неоднократные попытки моделирования биосинтеза лимоьшой кислоты, математического описания, учитывающего основные взаимозависимости процесса и содержащего в своей структуре только измеряемые в производственных условиях величины, и, таким образом, пригодного для использования в системе автоматизированного управления, до сих пор не существует.

Цель настоящей работы состоит в улучшении технико-экономических показателей биосинтеза лимонной кислоты за счет повышения уровня его автоматизации путем разработки и внедрения основанной на знаниях системы ситуационного управления, ориентированной на реализацию в рамках АСУ ТП.

Основными этапами и узловыми проблемами, требующими разрешения для достижения поставленной цели, являются:

• разработка структуры системы ситуационного управления и создание алгоритма ситуационного управления на базе непрерывной диагностики текущего состояния процесса;

• разработка алгоритмов управления основными технологическими процессами, необходимых для эффективной реализации ситуационного управления;

• синтез диагностической модели ферментационного цикла получения лимонной кислоты;

• разработка в составе диагностической модели математического описания кинетики полупериодического биосинтеза лимонной кислоты и методики его использования для оперативного управления;

• разработка вопросов технической реализации системы автоматизированного управления биосинтезом лимонной кислоты.

В диссертации изложены основные результаты комплекса научно-исследовательских работ по разработке и исследованию алгоритмов автоматизированного управления промышленным биосинтезом лимонной кислоты в рамках созданной системы ситуационного управления, а также вопросы практической реализации последней.

Работа состоит из введения, четырех глав и приложений.

В первой главе приведено описание технологии получения лимонной кислоты и сделан анализ процесса ее биосинтеза как объекта автоматизированного управления. Дан аналитический обзор состояния вопросов математического моделирования и управления микробиологическими процессами, включая методы ситуационного управления, и перечислены условия возможности их применения. Рассмотрены существующие подходы к автоматизированному управлению процессами биосинтеза и примеры разработки и внедрения систем автоматизации на них.

Во второй главе на основании результатов анализа состояния проблемы выбрана стратегия диагностики состояния ферментационного цикла и форма представления знаний о нем. Декомпозиция этих знаний позволила синтезировать диагностическую модель, в качестве которой предложена двухуровневая фреймово - продукционная структура.

Верхний уровень представляет собой фреймовую сеть, состоящую из корневых фреймов макроситуаций, которые описывают технологические операции ферментационного цикла и управление процессом при его регламентном развитии. Каждому фрейму макроситуации соответствует совокупность дочерних фреймов микроситуаций, содержащих описание нештатных ситуаций данной технологической операции и мер по их устранению - нижний уровень диагностической модели.

В рамках фреймовой структуры в использованы следующие типы и формы представления знаний: математическая модель для описания динамики процесса при его регламентном развитии, граф причинно-следственных связей в виде матрицы, используемой для автоматического обнаружения нештатных ситуаций, и продукционные правила для эффективного принятия решений по управлению в узких областях уже найденных нештатных ситуаций.

Предложена информационно-техническая структура системы ситуационного управления, которая представляет собой программно-технический комплекс, имеющий двухуровневую структуру с микропроцессорным контроллером на нижнем и ПЭВМ на верхнем уровне.

Ядром системы являются база знаний, содержащая диагностическую модель и интерпретатор, реализующий алгоритм ситуационного управления.

Основанный на разработанной диагностической модели, алгоритм ситуационного управления позволяет айтоматически управлять процессом в регламентном режиме и корректировать стратегию управления в случае возникновения нештатных ситуаций.

Третья глава посвящена синтезу системы управления процессом получения лимонной кислоты. На основе декомпозиции задачи управления цехом ферментации сделана постановка задачи управления каждой технологической операцией.

Сформированы экспертные группы и проведен экспертный анализ предметной области. В результатае разработан фрейм-экземпляр "Биосинтез", выявлены причинно-следственные связи и нештатные ситуации на процессе, сгруппированные в 2 6 микроситуаций. Сделана разбивка фреймов на типы по видам нарушений и подробно описаны наиболее интересные из них. Дальнейший анализ нештатных ситуаций и их атрибутов, а также экспертных рекомендаций по управлению процессом позволили составить совокупность продукционных правил для устранения возникающих в ходе процесса нарушений и определить перечень управляющих алгоритмов, которые необходимо разработать.

На основе дифференциальных уравнений материального баланса разработана математическая модель полупериодического биосинтеза лимонной кислоты, ориентированная на использование в системе ситуационного управления. На базе математической модели аналитическими и числеиными методами рассчитан рациональный временной профиль изменения концентраций ключевых компонентов при использовании режима квазистационарного состояния. Разработаны алгоритмы рационального управления подачей подпиточных растворов и автоматического гашения пены, функционирующие в регламентном режиме, а также алгоритмы поддержания необходимых для интенсивного биосинтеза концентраций компонентов среды и снижения интенсивности прироста биомассы, инициализирующиеся при возникновении нештатных ситуаций.

В четвертой главе освещены вопросы практической реализации разработанной системы ситуационного управления, входящей в состав верхнего уровня АСУ ТП ферментационного цикла. Описано техническое и информационное обеспечение системы, приведены функциональная и техническая структуры АСУ ТП, даны характеристики информационных и управляющих каналов.

Описана процедура параметрической идентификации математической модели биосинтеза лимонной кислоты. На основе анализа чувствительности функционала невязки к вариациям коэффициентов модели разработана методика ее адаптации к условиям конкретной реализации процесса. Расчет концентраций ключевых компонентов по математической модели с периодической корректировкой наиболее чувствительных коэффициентов по получаемым с запаздыванием лабораторным анализам позволяет получать информацию о них в реальном времени и использовать ее для оперативного управления.

Приведены -результаты исследования системы ситуационного управления на объекте, проведенные с целью оценки качества ее функционирования.

Приложения содержат полный набор разработанных фреймов микроситуаций, распечатки видеокадров, иллюстрирующие работу системы и копии документов о полезности выполненной работы.

Вклад автора в решение исследуемой проблемы заключается:

• в проведении [122] декомпозиции знаний о процессе получения лимонной кислоты на отдельные технологические операции (макроситуации), в каждой из которых выделены знания о регламентном развитии процесса и нештатных ситуациях (микроситуациях) , а также мерах по управлению объектом;

• в синтезе иерархической диагностической модели [121], сочетающей экспертные и теоретические знания об объекте, причем ее верхний уровень реализован в виде сетевой структуры с расположенными в вершинах фреймами макро и микроситуаций, в слотах которых находятся матрица причинно-следственных связей для поиска нештатных ситуаций, база управляющих продукционных правил и адаптированная математическая модель;

• в разработке информационно-технической структуры системы ситуационного управления ферментационным циклом получения лимонной кислоты [81] и создании алгоритма ситуационного управления [61];

• в синтезе ориентированной на использование в системе ситуационного управления математической модели биосинтеза лимонной кислоты [63], описывающей эффекты накопления биомассы и целевого продукта, а также потребления питательных веществ в среде принудительно изменяющегося объема, исследованиии [122] чувствительности функционала невязки к вариациям каждого из коэффициентов и разработке методики адаптации математической модели [62] к условиям конкретной реализации процесса;

•