发酵过程生物量软测量虚拟仪器系统的集成

1、发酵过程生物量软测量虚拟仪器系统的集成第33卷第5期2006正北京化工大学JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYVo1.33.No.52006发酵过程生物量软测量虚拟仪器系统的集成郇黎明王建林于涛(北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029)摘要:根据发酵过程生物量检测特点,基于虚拟仪器技术提出了一种全新的生物量在线检测系统集成方法,该系统采用PXI(PCIEtensi.nsforInstrumentation)总线硬件平台,结合软测量算法,有效地实现了生物量在线估计.给出了该系统的集成原理和实现方法,及系统的硬件和软件设计.实验研究

2、表明,集成的发酵过程生物量软测量虚拟仪器系统.能够充分利用软测量技术和虚拟仪器技术的各自优势,系统硬件配置灵活,实用性强,并能得到较高的生物量在线测量精度.关键词:生物量测量;软测量;虚拟仪器;发酵中图分类号:TQ92;TP274发酵过程中的生物量是关键的过程参数,但是由于受生物传感技术发展水平的限制,一直没有很好地解决生物量的在线测量,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-1J.在以硬件形式直接在线测量生物量的方法中,代表性的有光浊度法,荧光法,介电常数法,超声波法等3-4J.这些方法在使用上都有局限性,每种测量方法都有各自的特点和适用范围,且在线分析仪

3、器价格昂贵,维护费用高,测量滞后大,难以适用于所有发酵过程的生物量在线测量.随着计算机技术的发展,利用较易在线测量的辅助变量和离线分析信息,在线估计不可测或难以测量变量的软测量技术得到较大发展,软测量技术已用于石油化工产品组分,生物反应参数等过程参数的在线估计.近年来,软测量技术已成为发酵过程生物量在线估计的一种有效方法,并得到应用.虚拟仪器是采用计算机技术对传统仪器仪表的部分或全部功能进行软化,通过灵活的控制软件和仪器软面板(虚拟面板)更好地实现仪器的测量和控制功能的个人计算机仪器-5J.虚拟仪器将计算机资源(微处理器,存储器,显示器等)和通用的模块化功能硬件(信号调理,定时,A/D,D/A

4、,高速缓冲,数收稿日期:20060110基金项目:国家自然科学基金(20476007)第一作者:男,1980年生,硕士生*通讯联系人Email: 字I/O等)以及用于数据采集,过程通信,数据分析和图形化编程的应用软件有效地结合起来,是对传统测量仪器仪表及系统的重大突破,是目前测量仪器仪表技术的重要发展方向.虚拟仪器是一种全新的标准化,模块化,开放式的硬件和软件平台,尤其适合多参数的采集,分析与处理,并能为软测量模型和算法的实现提供一个灵活的开发环境.因此,过程参数软测量和虚拟仪器的有机结合,是构建过程参数在线检测系统的全新方法.本文提出了一种用于发酵过程生

5、物量软测量的PXI总线虚拟仪器在线检测系统,给出了该系统的集成原理和实现方法,及系统的硬件和软件设计,结合软测量算法,实现了生物量在线估计.1PXI总线虚拟仪器硬软件平台1.1PXI总线虚拟仪器系统的硬件PXI总线是在CompactPCI规范定义的PCI总线的基础上进一步扩展而成,是测量,数据采集与处理的优秀平台.PXI总线采用开放式,模块化结构,具有先进的数字接El与测量仪器接El功能和很好的性能价格比.PXI总线虚拟仪器系统的硬件包括PXI总线系统,通用和专用模块等硬件.PXI总线系统由主控计算机和零槽控制器,主机箱组成.主控计算机和零槽控制器按一定的方式连接在一起,构成整个PXI总线系统

6、的控制,处理核心,其性能直接影响整个系统.主机箱是PXI总线系统的必备部件,它向各种模块提供PXI总线北京化工大学2006正(背板),高质量标准电源和空气冷却系统.通用模块是广泛应用于PXI总线的,能实现特定功能的部件,如数据采集,数字I/O,计数器,信号发生器等模块.专用模块是结合实际检测对象,用于集成虚拟仪器检测系统的部件,一般同输入信号调理电路结合在一起,作为检测参数变换信号的前级输入,如发酵过程生物量测量中用于乙醇浓度测量的模块.1.2PXI总线虚拟仪器系统的软件虚拟仪器技术的基础是计算机技术,其核心是软件技术.良好的软件平台提供了建立虚拟仪器系统及扩展其功能的必要工具.虚拟仪器系统是

7、包含各种实际仪器及其操作信息的软件库,并通过调用,执行软件来完成测量任务.图1为PXI总线虚拟仪器系统软件结构图.PXI总线虚拟仪器系统的软件结构分为多个层次,PXI总线虚拟仪器应用仪器I专用IVisualBasicl仪器驱动器l软件包IVisualc+l驱动器操作系统PXI总线接口I/O库交互式控制程序l资源编辑器l资源管理器PXI总线控制器PXI总线背板图1PXI总线虚拟仪器系统软件结构简图Fig.1SoftwarestructureofvirtualinstrumentbasedonPXIbus是在一定的操作系统环境下,通过PXI总线接口软件提供对PXI总线背板的控制和支持,由PXI总线

8、系统模块的驱动软件和应用软件包构成.PXI总线接口软件是实现PXI总线虚拟仪器系统最基础的软件,由PXI总线系统零槽控制器提供,驻留在计算机系统中,执行PXI总线的特殊功能.资源管理器软件执行识别系统中所有的PXI总线器件,管理系统自检和诊断,配置系统,启动正常系统操作及处理运行时间内PXI总线资源管理服务等.资源编辑器软件允许PXI系统开发者和PXI模块开发者配置PXI系统.交互式控制程序提供了一个动态调试环境,使用户能够交互式监控PXI总线背板和模块,在开发中通过它调试PXI总线系统.驱动软件是完成对某一特定模块的控制与通信的软件程序,它作为用户应用程序的一部分在计算机上运行,由操作接口(

9、软面板),I/o接口,功能库和子程序接口等部分组成.系统软件框架目前最为流行的有WINXP,WIN/NT等,系统开发软件主要有图形化编程的美国国家仪器公司的LabVIEW和文本编程的LabWindows/CVI,此外还有通用编程语言VisualC",VisualBasic等.2PXI总线虚拟仪器系统的集成方法PXI总线生物量虚拟仪器检测系统的集成是硬件,软件集成与开发的过程,合理选择硬件和软件,有利于集成高可靠性,性能价格比好的系统,发挥PXI总线系统的优势及其工程应用能力.2.1发酵过程参数特征认真分析,研究被测发酵过程参数的特征,范围等,是集成系统的关键.认真研究并掌握被测量的性

10、质,量程,精度要求,速度要求和被测量的数量后,编制合理可行的系统框图.发酵过程参数通常有发酵液pH值,温度,溶氧,搅拌转速,通风量,乙醇浓度以及发酵罐排出尾气中的02,co2浓度等,在集成检测系统过程中,要充分考虑这些被测参数的基本特征.2.2主控计算机和零槽控制器,主机箱的集成主控计算机和零槽控制器是PXI总线系统的核心,一般应根据测量速度,程序运行速度,软件开发工具要求,测量数据处理要求等来选择主控计算机的速度,处理字长,内存和硬盘容量.主控计算机和PXI总线系统的连接有嵌入式和外接式两种,应根据实际应用需要来选择.嵌入式主控计算机是插入主机箱内,外接键盘,显示器,与各模块构成一个完整的P

11、XI总线虚拟仪器系统,它和零槽控制器结合在一起,完成主控计算机工作和零槽控制器管理工作,能够最大限度发挥PXI总线的高数据吞吐能力,但其价格高,升级较为困难.当选择外接主控计算机时,外接主控计算机与零槽控制器连接在一起配合工作,实现对系统的控制与管理.外接主控计算机一般采用工业控制计算机,用适当的接口方式与零槽控制器相连接.现有的接口方式有IEEE1394,IEEE488,MXIIII等.MXIIII是常用的外控计算机接口方式,IEEE1394是高性能,高速串行总线传输接口,具有现场连接拆除(热插拔),动态重配置,传输速度快的特点,IEEE488是并行总线传输接口,广泛应用于程控仪器,价格便宜

12、,较为成熟,但其传输数率低,不能第5期郇黎明等:发酵过程生物量软测量虚拟仪器系统的集成?69?发挥PXI总线背板高数据传输能力的需要,已成为虚拟仪器系统的"瓶颈".接I21方式的选取主要依据实际数据传输速度,距离等因素.主机箱的选取应结合所集成虚拟仪器系统的实际要求,考虑其尺寸,槽数,电源功率和单槽冷却能力等因素.2.3系统开发环境的集成在集成后的PXI总线系统中,系统模块均没有实际的操作面板,都需采用程控的方式操作,因此,系统必须有开发和应用软件才能进行正常工作.在集成系统开发环境时,根据实际应用需要,综合考虑操作系统,编程语言和开发工具等.目前最为流行的有WINXP,W

13、IN2000软件系统框架,系统开发软件主要选用美国国家仪器公司图形化编程的LabVIEW和Labwindows/CVI软件.在开发模块驱动程序时,要符合VISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)软件结构规范和PXI总线,即插即用驱动程序设计规范,所开发模块驱动程序应为WIN32设备驱动程序.2.4PXI总线通用模块的集成通用模块的选取应根据测量参数要求,被测量信号特征,范围等因素,同时还应结合主机箱,考虑其尺寸,冷却要求,功率和占用槽数,以便适应所选主机箱.在发酵过程参数检测中,结合pH值,温度,溶氧,搅拌转速等参数的信号特征,常选用多功能数据采集(

14、数字化仪),数字信号处理,多功能I/O,信号发生器,信号调理等通用模块.2.5专用模块的开发专用模块是针对特定发酵过程参数的检测开发的PXI总线模块.如在发酵过程生物量在线检测中,乙醇浓度,通风量以及发酵罐排出尾气中的O2,C02等均通过开发相应专用模块,通过专用模块实现对这些信号的转换和调理,再由数据采集通用模块采集相应信号,并输入虚拟仪器检测系统,实现对这些参数的测量.为实现检测系统的高集成度,高可靠性,提高性能价格比,将信号前置电路,调理电路与PXI总线接/2系统结合在一起,开发成专用模块硬件,如乙醇浓度测量模块,尾气综合测量模块等专用模块,这些专用模块与通用模块集成在PXI总线虚拟仪器

15、系统中,和传感器相结合,实现对相应发酵过程参数的测量.3PXI总线生物量虚拟仪器检测系统3.1生物量虚拟仪器检测系统在发酵过程生物量软测量中,选取发酵液pH值,温度,溶氧,搅拌转速,通风量,乙醇浓度以及发酵罐排出尾气中的02,cch浓度等作为辅助变量,生物量作为主导变量,通过所建立的生物量与所选辅助变量之间的数学模型,由实时测量得到的辅助变量值,在线估计生物量.结合软测量的实际需要,集成了PXI总线生物量虚拟仪器检测系统.图2为该系统组成框图.一口PXI-8186系统控制器总-_乙醇线乙醇浓度测量模块外围设备卜'系尾气综合测量模块尾气卜_发统PXI.6251多-I温度PH溶氧J酵委功能

16、数据采集模块搅拌速率r罐=宝PXI.6551信号发生分析处理模块-至一图2PXI总线生物量虚拟仪器检测系统框图Fig.2CompositionblockdiagramofbiomassvirtualinstrumentsystembasedO11PXIbus该虚拟仪器检测系统采用嵌入式主控计算机形式,和零槽控制器结合在一起,实现对整个系统的控制和管理,最大限度地发挥PXI总线的高数据吞吐能力.PXI总线系统选用美国国家仪器公司的PXI.1042主机箱,PXI一8186零槽控制器模块,PXI.6251M1.25MHz采样率的多功能多通道数据采集处理模块,PXI一6551信号发生/分析处理模块等通

17、用模块,以及所研制开发的乙醇浓度测量模块,尾气综合测量模块等专用模块.系统外接键盘,显示器,及数据存贮,打印设备.3.2生物量虚拟仪器检测系统软件生物量虚拟仪器检测系统的软件采用WINXP操作系统,美国国家仪器公司的LabVIEW7.1Express开发软件工具等.LabVIEW软件包是一种基于图形开发,调试和运行程序的集成图形化编程开发平台,采用"所见即所得"的可视化技术建立人机界面,针对测量和过程控制领域的需要,提供了丰富的控件对象,它的程序由前面板,编程平台和图标/连接器组成,使用图标表示功能模块,使用图标间的连线表示各功能模块间的数据传递,使用数据流程图式语言书写程

18、序源代码,并可实现结构化和模块化编程.图3为该系统软件结构框图,采用LabVIEW?70?北京化工大学2006笠7.1Express开发软件工具,开发了该系统的测控程序.图3生物量虚拟仪器检测系统软件框图Fig.3SoftwarecompositionblockdiagramofbiomassvirtualinstrumentsystembasedonPXIbus以酵母发酵生产谷胱甘肽发酵过程为对象,采用所集成的PXI总线生物量虚拟仪器检测系统,结合生物量软测量算法,对生物量在线估计进行了实验研究.图4为该系统运行界面,图中给出了生物图4PXI总线生物量虚拟仪器检测系统运行界面Fig.4Ope

19、ratingpanelofbiomassvirtualinstrumentsystembasedonPXIbus量在线估计曲线.4结束语本文提出的PXI总线生物量虚拟仪器检测系统的集成原理和实现方法,正确可行,能够充分利用PXI总线硬件和软件资源.所集成的虚拟仪器检测系统能有效地实现发酵过程生物量的在线估计,并能以此为检测平台实现葡萄糖浓度,谷胱甘肽产量等其他量的软测量.参考文献JosedeAssisA.SoftsensorsdevelopmentforonlinebioreactorstateestimationJ.Computer&ChemicalEngineering,2

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21、ion.LabVIEW7.1UserManualM.Austin:NationalInstrumentCorporation.2004.IntegratedvirtualinstrumentsystemforbiomassestimationinfermentationprocessesHUANLi-mingWANGJian.1inYUTao(CollegeofInformationScienceandTechnology,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beiiing100029,China)Abstract:Theamountofbiomassisoneofthemostimportantvariablesinthefermentationprocess,anddirectlvinfluencestheperformanceofautomaticcontrolsystemsinfermentationprocessesaswellasinsyrstemmonitoringandonlineoptimization.Byusingsomecova