CN110703707A - 一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***及方法，***包括厌氧发酵工艺参数采集模块、云端智能分析诊断平台和与执行终端配套的可接入物联网的通信模块。本发明所述***架构简单清晰，厌氧发酵工艺参数采集、云端智能分析诊断和过程控制三大模块独立分离，直接点对点连接，完全不需要控制中心对执行终端统一管理，具有易扩展，易实现的特点。用户可基于云端智能分析诊断平台与厌氧发酵工艺参数采集模块进行通讯，设置参数、读取并分析采集的数据。并根据采集的数据生成控制命令控制相应的执行终端，使用过程更加智能化。程序操作简便，节省人力物力。
Description
技术领域
本发明涉及厌氧发酵工艺控制领域，尤其涉及一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***及方法。
背景技术
厌氧发酵是一个多步骤的反应过程，也是一个复杂的微生物学过程，当前对这些微生物的作用及活动规律并不完全了解，无法通过监测微生物的活动来控制食品发酵朝着预设的方向进行。由于微生物对影响因素和外界干扰高度敏感，开发良好的过程控制***，对增加体系的抗干扰能力至关重要。
现有的实验室和小规模实验的数据采集***普遍为单一实验处理记录***，由于数据量小，缺乏足够的测试和验证，出现了实验周期延长，投入增加和数据失真等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***，包括厌氧发酵工艺参数采集模块、云端智能分析诊断平台和与执行终端配套的可接入物联网的通信模块；所述厌氧发酵工艺参数采集模块，分布于实验室或工程现场的预设位置，与云端智能分析诊断平台通过无线方式或有线方式点对点连接，用于实时采集厌氧发酵工艺参数，并将所述厌氧发酵工艺参数上传至云端智能分析诊断平台；所述云端智能分析诊断平台，与所述通信模块通过无线方式或有线方式点对点连接，用于动态模拟厌氧反应器，根据所述厌氧发酵工艺参数生成控制命令，并将所述控制命令发送给所述通信模块；所述通信模块，与执行终端通过无线方式或有线方式连接，用于将所述控制命令发送给所述执行终端，控制所述执行终端完成所述控制命令。
本发明的有益效果是：本发明所述***架构简单清晰，厌氧发酵工艺参数采集、云端智能分析诊断和过程控制三大模块独立分离，直接点对点连接，完全不需要控制中心对执行终端统一管理，其中厌氧发酵工艺参数采集模块与云端智能分析诊断平台直接连接，云端智能分析诊断平台与通信模块直接连接，具有易扩展，易实现的特点。分布式采集***可以每分钟采集并记录一组数据，并且可以多组平行数据进行对比和误差消除，提高数据准确度；用户可通过云端智能分析诊断平台与所连接设备进行通讯，设置参数、读取并分析采集的数据。并根据采集的数据生成控制命令控制相应的执行机构，可以降低厌氧发酵实验对操作人员的要求，避免人员因素对厌氧发酵实验的干扰，控制过程更加智能化。程序操作简便，节省人力物力。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述所述厌氧发酵工艺参数采集模块独立于所述执行终端，包括多种厌氧发酵工艺参数监测传感器，所述多种厌氧发酵工艺参数监测传感器集成在一个厌氧反应***中或独立成多个厌氧反应***。
采用上述进一步方案的有益效果是：包括多种厌氧发酵工艺参数监测传感器，可以实时采集厌氧实验平台或工程项目现场的工艺参数，为优化厌氧反应过程控制提供全面的分析和诊断数据。
进一步，所述厌氧发酵工艺参数监测传感器包括PH传感器、ORP传感器、温度传感器、微量气体流量计、甲烷浓度测量传感器、二氧化碳浓度测量传感器、氧气浓度测量传感器和硫化氢浓度测量传感器中的一种或多种。
进一步，每个所述通信模块独立工作，单独接收云端智能分析和诊断平台发送的控制指令，其独立成产品或者集成在所述执行终端内部。
采用上述进一步方案的有益效果是：云端智能智能分析诊断平台与通信模块点对点直接连接，使***具有易扩展性和易实现等特点。
进一步，所述云端智能智能分析和诊断平台运行于局域网内或者运行于广域网内。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制方法，采用一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***，包括厌氧发酵工艺参数采集模块、云端智能分析诊断平台和与执行终端配套的可接入物联网的通信模块；所述方法包括：
利用分布于实验室或工程现场的预设位置，与云端智能分析诊断平台通过无线方式或有线方式点对点连接的厌氧发酵工艺参数采集模块，实时采集厌氧发酵工艺参数，并将厌氧发酵工艺参数上传至云端智能分析诊断平台；
利用与所述通信模块通过无线方式或有线方式点对点连接的所述云端智能分析诊断平台，动态模拟厌氧反应器，根据所述厌氧发酵工艺参数生成控制命令，并将控制命令发送给通信模块；
利用与所述执行终端通过无线方式或有线方式连接的所述通信模块，将控制命令发送给所述执行终端，控制所述执行终端完成所述控制命令。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述厌氧发酵工艺参数采集模块独立于所述执行终端，包括多种厌氧发酵工艺参数监测传感器，所述多种厌氧发酵工艺参数监测传感器集成在一个厌氧反应***中或独立成多个厌氧反应***。
进一步，所述厌氧发酵工艺参数监测传感器包括PH传感器、ORP传感器、温度传感器、微量气体流量计、甲烷浓度测量传感器、二氧化碳浓度测量传感器、氧气浓度测量传感器和硫化氢浓度测量传感器中的一种或多种。
进一步，每个所述通信模块独立工作，单独接收云端智能分析和诊断平台发送的控制指令，其独立成产品或者集成在所述执行终端内部。
进一步，所述云端智能智能分析诊断平台运行于局域网内或者运行于广域网内。
附图说明
图1为本发明实施例1所述分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***结构示意图；
图2为本发明实施例2所述分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***结构示意图；
图3为本发明实施例3所述分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1、2所示，一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***，包括厌氧发酵工艺参数采集模块、云端智能分析诊断平台和与执行终端配套的可接入物联网的通信模块；所述厌氧发酵工艺参数采集模块，分布于实验室或工程现场的预设位置，与云端智能分析诊断平台通过无线方式或有线方式点对点连接，用于实时采集厌氧发酵工艺参数，并将所述厌氧发酵工艺参数上传至云端智能分析诊断平台；所述云端智能分析诊断平台，与所述通信模块通过无线方式或有线方式点对点连接，用于动态模拟厌氧反应器，根据所述厌氧发酵工艺参数生成控制命令，并将所述控制命令发送给所述通信模块；所述通信模块，与执行终端通过无线方式或有线方式连接，用于将所述控制命令发送给所述执行终端，控制所述执行终端完成所述控制命令。
该实施例中，厌氧发酵工艺参数采集模块与云端智能分析与诊断平台可通过无线网络(包括但不限于Wi-Fi、4G、NB-IOT或5G等通信技术)连接；云端智能分析诊断平台与各通信模块可通过无线网络(包括但不限于Wi-Fi、4G、NB-IOT或5G等通信技术)连接。
上述实施例中，厌氧发酵工艺参数采集模块分布于实验室或工程现场的预设位置，实时采集实验平台或工程项目现场的厌氧发酵工艺参数，能更好的反映厌氧发酵反应的状态；分布式采集***可以每分钟采集并记录一组数据，并且可以多组平行数据进行对比和误差消除，提高数据准确度；云端智能分析诊断平台通过学习智能分析和诊断厌氧发酵的状态做出决策，无需用户干预也不用用户花精力学习如何操作；通信模块根据云端智能决策的指令自动控制相关执行终端(蠕动泵和搅拌电机等)完成控制指令。
本发明实施例所述***架构简单清晰，厌氧发酵工艺参数采集、云端智能分析诊断和过程控制三大模块独立分离，直接点对点连接，完全不需要控制中心对执行终端统一管理，其中厌氧发酵工艺参数采集模块与云端智能分析诊断平台直接连接，云端智能分析诊断平台与通信模块直接连接，具有易扩展，易实现的特点。用户可通过云端智能分析诊断平台与所连接设备进行通讯，设置参数、读取并分析采集回来的数据。然后根据采集的工艺参数数据生成控制命令控制相应的执行机构，可以降低厌氧发酵实验对操作人员的要求，避免人员因素对厌氧发酵实验的干扰，控制过程更加智能化。程序操作简便，节省人力物力。
本发明实施例中，云端智能分析诊断平台研究厌氧反应各种不同工艺参数对厌氧发酵工艺的影响，构建***数学模型(可采用如Andrews厌氧消化数学模型结构、ADM1模型或黑箱模糊控制模型等)，实现对厌氧反应器的动态模拟；通过对关键工艺参数在线监测，采用数学模型的动态模拟，实现对处理发酵原料的厌氧发酵装置的实时自动控制，实现厌氧发酵的自动高效运行。
在使用过程控制时，实时对过程的状态或参数进行测量，并根据具体技术方案对过程的有关参数进行调整，使厌氧发酵过程按照既定的设定值进行。本发明实施例提供的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***为经济型数据采集***，在小巧的组成结构中数据采集模块结合了处理器、存储器和I/O等，为厌氧发酵研究等提供高性价比产品，并有效推动嵌入式开发技术在环保工程领域的应用。利用本发明实施例提供的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***实时监测和调控影响微生物生命活动的因素，从而保证厌氧发酵过程稳定运行。
可选地，厌氧发酵工艺参数采集模块独立于执行终端，包括多种厌氧发酵工艺参数监测传感器，所述多种厌氧发酵工艺参数监测传感器集成在一个厌氧反应***中或独立成多个厌氧反应***。
该实施例中，通过厌氧发酵工艺参数采集模块，可以实时采集实验平台或工程项目现场的厌氧发酵工艺参数，能更好的反映厌氧发酵反应的状态，云端智能分析诊断平台根据此数据分析和诊断厌氧发酵的状态做出决策，从而发指令控制执行终端，从而解决现有技术中不够智能化、程序操作复杂，过于依赖实验操作人员的问题。
可选地，所述厌氧发酵工艺参数监测传感器包括PH传感器、ORP传感器、温度传感器、微量气体流量计、甲烷浓度测量传感器、二氧化碳浓度测量传感器、氧气浓度测量传感器和硫化氢浓度测量传感器中的一种或多种。
该实施例中，通过分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***可同时采集pH、温度、ORP和气体流量等工艺参数，从而更好的反映厌氧发酵反应的状态。
可选地，每个所述通信模块独立工作，不依赖于其它执行终端。每个通信模块单独接收云端智能分析诊断平台发送的控制指令，其独立成产品或者集成在执行终端内部。图1中所述通信模块集成在执行终端内部，图2中所述通信模块独立成产品，与执行终端连接。云端智能分析诊断平台与通信模块点对点直接连接，使***具有易扩展性和易实现等特点。本发明实施例中通信模块可以直接集成在执行终端内部的，形成一个完整的智能执行终端，智能执行终端通过通信模块直接与云端智能分析与诊断平台连接，不需要中间控制中心对所有执行终端统一管理，独立完成工作，不依赖于其它执行终端而工作，非常利于执行终端扩展和维护。执行终端可以包括蠕动泵、搅拌电机、水浴锅、气泵等执行终端，通过集成或单独部署通信模块，均能实现智能化升级。
每个执行终端都是单独直接接收云端智能分析诊断平台发送的控制命令，并根据控制命令完成相关操作，如启动、停止、开关指示灯、流量调节、转速调节等以完成厌氧发酵过程优化等目标，无须人工干预。当厌氧反应产气量低于设定值时，云端智能分析诊断平台会通知相关通信模块，控制相关的气阀关闭，出料泵开始出料，进入出料模式；当达到设定出料量时，开始控制进料泵开始进料，调节进料流量，设定进料时间，进入进料模式；当PH值和产气量通过智能分析和诊断平台综合判断恢复正常时，会发出指令控制进料泵减小流量或停止进料，进入封闭反应状态。通过此***，用户可通过云端智能分析诊断平台与所连接设备进行通讯，设置参数、读取并分析采集回来的数据。然后根据采集的数据生成控制命令控制相应的执行机构，使用过程更加智能化。程序操作简便，节省人力物力。
所述云端智能分析诊断平台运行于局域网内或者运行于广域网内。
如图3所示，本发明实施例还提供一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制方法，采用分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***实现，该***包括厌氧发酵工艺参数采集***、云端智能分析诊断平台和与执行终端配套的可接入物联网的通信模块；所述方法包括：
利用分布于实验室或工程现场的预设位置，与云端智能分析诊断平台通过无线方式或有线方式点对点连接的厌氧发酵工艺参数采集模块，实时采集厌氧发酵工艺参数，并将厌氧发酵工艺参数上传至云端智能分析诊断平台；
利用与所述通信模块通过无线方式或有线方式点对点连接的所述云端智能分析诊断平台，动态模拟厌氧反应器，根据所述厌氧发酵工艺参数生成控制命令，并将控制命令发送给通信模块；
利用与所述执行终端通过无线方式或有线方式连接的所述通信模块，将控制命令发送给所述执行终端，控制所述执行终端完成所述控制命令。
上述实施例中，厌氧发酵工艺参数采集模块分布于实验室或工程现场的预设位置，实时采集实验平台或工程项目现场的厌氧发酵工艺参数，能更好的反映厌氧发酵反应的状态；分布式采集***可以每分钟采集并记录一组数据，并且可以多组平行数据进行对比和误差消除，提高数据准确度；云端智能分析诊断平台通过学习智能分析和诊断厌氧发酵的状态做出决策，无需用户干预也不用用户花精力学习如何操作；通信模块根据云端智能决策的指令自动控制相关执行终端(蠕动泵和搅拌电机等)完成控制指令。本发明实施例提供的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制方法实时监测和调控影响微生物生命活动的因素，从而保证厌氧发酵过程稳定运行。
可选地，厌氧发酵工艺参数采集模块独立于执行终端，包括多种厌氧发酵工艺参数监测传感器，所述多种厌氧发酵工艺参数监测传感器集成在一个厌氧反应***中或独立成多个厌氧反应***。
可选地，厌氧发酵工艺参数监测传感器包括PH传感器、ORP传感器、温度传感器、微量气体流量计、甲烷浓度测量传感器、二氧化碳浓度测量传感器、氧气浓度测量传感器和硫化氢浓度测量传感器中的一种或多种。
可选地，每个所述通信模块独立工作，每个通信模块独立成产品或者集成在执行终端内部。
可选地，云端智能分析诊断平台运行于局域网内或者运行于广域网内。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***，其特征在于，包括厌氧发酵工艺参数采集模块、云端智能分析诊断平台和与执行终端配套的可接入物联网的通信模块；
所述厌氧发酵工艺参数采集模块，分布于实验室或工程现场的预设位置，与云端智能分析诊断平台通过无线方式或有线方式点对点连接，用于实时采集厌氧发酵工艺参数，并将所述厌氧发酵工艺参数上传至云端智能分析诊断平台；
所述云端智能分析诊断平台，与所述通信模块通过无线方式或有线方式点对点连接，用于动态模拟厌氧反应器，根据所述厌氧发酵工艺参数生成控制命令，并将所述控制命令发送给所述通信模块；
所述通信模块，与执行终端通过无线方式或有线方式连接，用于将所述控制命令发送给所述执行终端，控制所述执行终端完成所述控制命令。
2.根据权利要求1所述的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***，其特征在于，所述厌氧发酵工艺参数采集模块独立于所述执行终端，包括多种厌氧发酵工艺参数监测传感器，所述多种厌氧发酵工艺参数监测传感器集成在一个厌氧反应***中或独立成多个厌氧反应***。
3.根据权利要求2所述的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***，其特征在于，所述厌氧发酵工艺参数监测传感器包括PH传感器、ORP传感器、温度传感器、微量气体流量计、甲烷浓度测量传感器、二氧化碳浓度测量传感器、氧气浓度测量传感器和硫化氢浓度测量传感器中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***，其特征在于，每个所述通信模块独立工作，每个通信模块独立成产品或者集成在所述执行终端内部。
5.根据权利要求1-3任一项所述的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***，其特征在于，所述云端智能分析诊断平台运行于局域网内或者运行于广域网内。
6.一种分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制方法，其特征在于，采用分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***实现，所述分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制***包括厌氧发酵工艺参数采集模块、云端智能分析诊断平台和与执行终端配套的可接入物联网的通信模块；所述方法包括：
利用分布于实验室或工程现场的预设位置，与云端智能分析诊断平台通过无线方式或有线方式点对点连接的厌氧发酵工艺参数采集模块，实时采集厌氧发酵工艺参数，并将厌氧发酵工艺参数上传至云端智能分析诊断平台；
利用与所述通信模块通过无线方式或有线方式点对点连接的所述云端智能分析诊断平台，动态模拟厌氧反应器，根据所述厌氧发酵工艺参数生成控制命令，并将控制命令发送给通信模块；
利用与所述执行终端通过无线方式或有线方式连接的所述通信模块，将控制命令发送给所述执行终端，控制所述执行终端完成所述控制命令。
7.根据权利要求6所述的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制方法，其特征在于，所述所述厌氧发酵工艺参数采模块统独立于所述执行终端，包括多种厌氧发酵工艺参数监测传感器，所述多种厌氧发酵工艺参数监测传感器集成在一个厌氧反应***中或独立成多个厌氧反应***。
8.根据权利要求7所述的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制方法，其特征在于，所述厌氧发酵工艺参数监测传感器包括PH传感器、ORP传感器、温度传感器、微量气体流量计、甲烷浓度测量传感器、二氧化碳浓度测量传感器、氧气浓度测量传感器和硫化氢浓度测量传感器中的一种或多种。
9.根据权利要求6-8任一项所述的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制方法，其特征在于，每个所述通信模块独立工作，每个通信模块独立成产品或者集成在所述执行终端内部。
10.根据权利要求6-8任一项所述的分布式厌氧发酵工艺参数采集及过程控制方法，其特征在于，所述云端智能分析诊断平台运行于局域网内或者运行于广域网内。
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Patent Citations (7)
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