PKS系统

PKS系统（精选4篇）

PKS系统 篇1

霍尼韦尔公司的Experion P K S (P r o c e s s k n o w l e d g e System) 集散型数字过程控制系统是基于批处理、过程控制、SCADA应用的开放的混合控制系统。本文针对PKS系统的特点, 给出了其应用过程, 并对安全策略设置进行了研究, 以指导在生产过程中应用PKS系统实现安全控制。

Experion PKS Process系统 (本文简称PKS系统) 是Honeywell公司最新推出得基于批处理、过程控制、SCADA应用的开放的混合控制系统。该系统集DCS和PLC的优点于一身, 能够集成逻辑控制、回路调节控制、顺序控制和批量控制为一体, 可以完成工厂里常见的连续过程控制、产品批量处理、离散量操作、设备控制等生产控制。

1 PKS系统特性分析

1.1 开放性

PKS系统采用标准工业以太网络即, PKS系统中的STATION全方位操作站提供标准的以太网接口, 可使全厂管、控一体化轻而易举地完成。STATION工作站以windows XP/windows7作为操作平台, PKS被设计为下层控制器CPM通过SQL数据库读取服务器数据再和STATION工作站进行双向通讯的工作方式。人机接口

PKS系统全方位用户操作站 (STATION) , 它是面向过程的单一窗口。采用了高分辨彩色图像显示器 (CRT) 技术、窗口技术 (Windows) 及智能显示技术等, 每个STATION工作站都能存取PKS系统范围广泛的数据。每个STATION操作站都带三种属性, 1、操作员属性:供操作人员监视生产过程和PKS系统本身工作状况;STATION操作站是一个集高科技于一身的控制产品, 为用户提供了优秀的人机接口。

1.2 过程控制功能

PKS系统过程接口的数据采集和控制的范围非常广泛。。这些数据适用于系统所有模件。可从简单的常规PID控制到先进复杂的高级控制, 生产的范围从连续生产到间歇生产。

1.3 工厂综合管理控制一体化

PKS系统是一个规模庞大的系统, 它可以根据用户工厂综合管理的需要与工厂信息网相连, 构成范围广泛的计算机综合网络系统, 实现先进复杂的优化控制, 实现对生产计划、产品开发、销售、生产过程及有关物质流和信息流进行综合管理, 构成网络化自动化工厂企业, 即构成用计算机管、控一体化的系统。

2 系统构成及配置

PKS系统主要由STATION (全方位用户操作站) 、CPM控制器、CNI (控制网络接口) 、RM (控制器冗余模件) 、打印机和通讯网络CONTROL NET等组成。

从中央控制室到每一个远程站获取数据, 可以连接或不连接本地的控制器, 分布式服务器通过逻辑上建立一个全局的数据库相互交换数据信息:服务器可以冗余。控制器可以冗余。一般采用总线式网络拓补。使用Windows NT局域网或广域网。

3 安全策略

3.1 根据需求确定系统配置

PKS提供的开放性有很多好处, 但是在考虑开放性的同时, 首先要充分考虑系统的安全性和可靠性。因为生产过程的故障停车或事故造成的损失, 可能比开放性选择产品所节省的成本要高得多。

我们选择丰富的外设如光驱或软驱, USB接口就给操作人员提供了装载无关软件 (如游戏等) 的机会等。这些都会导致系统瘫痪或其它致命故障。

3.2 冗余配置

(1) 服务器冗余。对PKS过程系统的服务器进行冗余配置, 以提供更高等级的可靠性。采用一对配置相同的服务器, 以主/从结构方式相互支持。主服务器通过冗余网络传送数据库中的所有数据处理信息到从服务器, 使得主从服务器之间同步。

(2) 现场处理器 (CPM) 冗余配置。通过光纤连接冗余模块RM (redundant module) 来实现冗余通讯, 可在500ms内自动切换。

(3) 网络通讯冗余配置。以太网可冗余配置, 即, LINKA、LINKB;SCN、I/O Controlnet可以冗余配置。

(4) IOP冗余 (即输入输出卡件可以冗余) 。

(5) 容错以太网FTE (Fault Tolerant Ethernet) 。

容错以太网 (FTE) 是Experion PKS的控制网络, FTE不但提供了容错的特点, 也提供了快速网络的相应, 及工业以太网的控制应用的安全性。容错以太网 (FTE) 是冗余网络结构 (物理) 的单网 (逻辑) , 这种冗余的结构是通过Honeywell的FTE驱动, 及商用的网络设备实现的。

FTE网络包括冗余的交换机和电缆, 电缆可以采用CAT5的双绞线或光纤。这样大大提高了FTE的安全性。

FTE网络允许所有的单点故障, 以及一些多点故障, 以先进的多路由选择替代双网结构的传统冗余模式网络。FTE网络能够实现快速切换, 切换时间约为1秒。通过状态表可以及时发现故障并判断处故障点的位置。

3.3 预防性维护

预防维护是在系统正常运行时, 对系统进行有计划的定期维护, 及时掌握系统的运行状态、对可能出现的故障采取措施以消除系统故障隐患, 保证系统长期稳定可靠的运行。

预防性主要包括: (1) 对控制站、操作站、工程师站停电检修, 包括电脑主机和控制站卡件等灰尘清理; (2) 系统冗余测试, 包括对电源、服务器、控制器、通讯网络等; (3) 系统接地检查, 包括工作接地和保护接地的对地电阻测试等; (4) 大修完成后, 具备上电条件后一定要按照严格的上电步骤逐级上电。

3.4 PKS系统的日常安全维护

通过日常安全维护, 能够保持和提高系统稳定性、高效性运行。

4 结束语

PKS系统能够集成逻辑控制、回路调节控制、顺序控制和批量控制为一体, 可以完成工厂里常见的连续过程控制、产品批量处理、离散量操作、设备控制等生产控制。本文针对PKS系统的特点, 给出了其安全控制策略, 主要包括设备选型、冗余配置、预防性维护三个方面, 以指导在生产过程中更安全、可靠地应用PKS系统。

摘要：霍尼韦尔公司的Experion PKS (Process knowledge System) 集散型数字过程控制系统是基于批处理、过程控制、SCADA应用的开放的混合控制系统。本文针对PKS系统的特点, 给出了其应用过程, 并对安全策略设置进行了研究, 以指导在生产过程中应用PKS系统实现安全控制。

关键词：PKS,混合控制系统,安全控制

参考文献

[1]胡斌, 侯国峰.PKS系统中实现电气设备的现场总线控制[J].自动化博览, 2007 (06) .

[2]江天生.霍尼韦尔公司工业无线解决方案的网络特点:支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表[J].自动化博览, 2010 (02) .

[3]姜兆海.HONEYWELL DCS系统升级改造概述[J].中国仪器仪表, 2010 (11) .

PKS系统 篇2

天津大沽化工股份有限公司在临港工业区新厂址建设年产50万t的苯乙烯项目。该项目采用Fina Badger工艺, 苯和乙烯在催化剂存在的情况下发生烷基化反应生成乙苯, 乙苯催化脱氢生产苯乙烯。苯乙烯生产过程包括乙苯单元、苯乙烯单元和废气吸收系统。除以上主反应外, 还发生一系列副反应, 产生副产物甲苯、甲烷、乙烷、烯烃和焦油等。苯乙烯生产工艺复杂, 考虑到相关装置之间的信号传输多、通信数据量大, 以及全厂控制系统一体化等因素, 选用霍尼韦尔PKS控制系统。

2 控制系统

Experion PKS系统能满足工业生产领域要求的灵活性、易用性、高性能和高可靠性。

Experion PKS系统的控制主干网络是容错以太网 (FTE) , 分为控制层 (Level 1) 和监视层 (Level 2) 。控制层 (Level 1) 的设备主要有C200控制器和C300控制器;监视层 (Level 2) 的设备主要有服务器和操作站。

苯乙烯项目使用的Experion PKS系统为R310版本, 控制器为C300。C300控制器采用了高性能的CPU芯片, 处理速度更快, 处理量比C200控制器增加了很多, 采用了全新器件, 性能指标提高, 可以完成苯乙烯装置的多种复杂逻辑控制。

3 硬件配置

该PKS系统用于苯乙烯装置的过程控制、第三方设备的数据采集以及管理调度信息集成等。苯乙烯项目主体工程包括乙苯单元、苯乙烯单元和废气吸收系统, 设计一个中心控制室。

苯乙烯装置PKS系统的硬件配置如图1所示。控制器选用Experion PKS系统的C300控制器;操作站选用Dell工作站T5400计算机, 配置霍尼韦尔专用的IKB键盘;系统服务器选用Dell PE2900服务器;FTE网络交换机选用Cisco catalyst 2960 series交换机;串口服务器 (Terminal Server) 选用2个8通道的EasyServerⅡ-8串口网络连接服务器。

3.1 操作站的配置

根据工艺的操作要求, 共配置6台FLEX操作站, 2台能与控制器直接通信的CONSOLE操作站。

3.2 控制器的配置

按照每个生产单元的控制器尽可能独立配置的原则, 根据各单元I/O点的多少不同配置控制器。乙苯单元配置1对控制器, 苯乙烯单元配置2对控制器, 废气吸收系统及公用工程配置1对控制器, 共配置4对控制器。

3.3 服务器的配置

I/O总点数为3264点, 而一个FTE网络可支持2万个过程点, 可支持多对服务器, 每对服务器每秒钟平均访问控制器的参数为4000个, 可连接200个FTE节点和200个非FTE节点。因此苯乙烯配置1对服务器构成1套DCS系统, 服务器上装有组态软件, 方便工程师进行组态。

3.4 交换机的配置

FTE节点和非FTE节点约40个, FTE网络采用1对48口的Cisco Catalyst 2960交换机, 将控制层和监视层合并为一层。交换机提供100Mb传输速率。

4 控制方案

4.1 工艺要求

高压蒸汽罐液位调节是一个串级控制系统。它的主回路是一个定值调节系统, 其输出送给一个设计计算块, 经过工艺要求的算法后将输出送给副回路的设定, 副回路是一个随动调节系统。主调节器按照对象操作条件及负荷变化情况随时修正副回路的给定值, 使副参数能随时跟踪操作状况或负荷的变化, 最终保持主参数维持稳定。主变量为高压蒸汽罐液位, 副变量为高压锅炉给水流量, 控制方案如图2所示。

4.2 高压蒸汽罐液位调节的实现

在Honeywell PKS系统中, 高压蒸汽罐液位调节控制是通过系统中固有的一些功能块实现的, 其控制系统组态分为3个CM (Control Module) 点:

(1) 主回路高压蒸汽罐液位的组态, 如图3所示。此CM点命名为LIC-12270。AI-CHANNEL功能块为C系列IO卡件中的模拟量输入卡AI通道, 此AI卡负责采集高压蒸汽罐的液位信号;DACA功能块为数据采集块, 其作用是对AI卡采集的数据进行处理;PIDA功能块负责PID调节控制。该CM点的作用是实现串级控制的主调。

(2) 工艺要求的算法的组态, 如图4所示。此CM点名为FY-12270, 组态图中各个引脚连接各个条件, 计算块计算出结果传送给副调FIC12130。

(3) 副回路的组态如图5所示, CM点名为FIC12130。副回路流量控制中, 高压锅炉给水流量作为测量值作用于PID功能块。PID功能块为常规意义下的PID控制, 它有2个输入引脚:测量值PV、给定值SP;1个输出引脚:OP。OP为调节器的输出, 它作用于现场的调节阀, 实现对现场给水流量的控制。AOCHANNEL功能块为C系列IO卡件中的模拟量输出卡AO通道, 它接受控制器的信号, 对现场的执行机构进行调节。

这3个CM点不是孤立的, 而是相互有联系的。高压锅炉给水量 (第3个CM点) 的设定值是由第2个算法块的结果决定的;而第2个CM点中算法所用到的计算因子是由第1个CM点中调节器的输出决定的。

5 结语

PKS系统 篇3

神华煤直接液化项目,在国内和国际都属首例,工艺过程复杂,对安全生产要求高,因此自控系统应具有可靠性、安全性及自控水平的先进性。基于工艺过程对自控的要求采用分散型控制系统DCS,实现常规控制及部分复杂控制,并为今后逐步实施先进控制和优化控制策略提供良好基础。整个煤制油自控系统采用PKS+TRICON+PLC结构。整个煤直接液化项目包括:煤液化、煤制氢、备煤制剂、空分、油品和环保联合装置。

整个神华煤制油厂主控制系统是DCS,部分装置设有紧急停车系统(ESD)、机组控制系统(ITCC)等TRICON TMR冗错的系统。

一些特殊的工艺设备包会带专有的控制系统,循环水等一些辅助装置采用RTU,这些控制系统称为广义上的PLC。PLC控制系统与DCS通过接口单元通信,在DCS上实现监控。

各联合控制室的DCS控制系统通过网络接口与全厂的管理网络进行通信,为全厂的管理网络提供过程信息。

1 过程知识系统PKS

HONEYWELL Experion PKS过程知识系统是以Windows 2000为操作系统,包含了高级的工程工具和应用软件包。高性能的控制器、先进的工程组态工具、开放的控制网络等构成了PKS系统结构,见图1。

HMIWeb技术基于开放的工业标准的html文件格式和Web浏览器的访问界面,为用户提供一个先进的人机界面。PKS可以实现的功能包括常规、逻辑和顺序控制,如图2所示。

Experion PKS的组态环境为control builder(见图3),在PKS系统的控制执行环境(见图4)中可以诊断出硬件和回路的故障。

控制系统组态时,需要对一些操作设置权限,在满足工艺需要的同时,进行安全操作。组态时权限的设置分为操作员、班长、工程师、管理员权限。

操作员权限:操作员能够看到所有信息,并监控装置,可以操作开关,调节器,手操器,并且能够启动/停止泵,改动调节器的设定值和输出值。

班长权限:班长有更多的权限,可以改动一些内部设定值,如报警值,控制器的P、I、D参数等。

工程师权限:工程师可以修改所有可进入的参数和模式,可以将点设置成回路检查模式,使之可以对所有阀门、控制开关、马达进行操作。工程师权限可以强制所有联锁,仿真测量值,进入并修改所有内部参数和计时器。

管理员权限比工程师权限具有更多的设置内容,可以修改组态,对以上3种权限进行范围设定。

报警信息系统的功能要求采集系统中所有信息,并在信息日志中自动排序,信息日志中的信息可以按各种方式排序,组态3种报警信息功能:过程报警信息包括所有过程报警,如测量值的限位报警、联锁报警;系统报警信息由控制系统自动产生,如回路开路、I/O故障、元件故障等;操作信息包括操作员对监控参数的修改,如控制器模式的改动、报警值的改动等。

2 TRICON控制系统

TRICONEX公司的TRICON TMR系统根据控制功能的不同,在自控设计时分别称为ESD或ITCC。ESD是紧急停车系统,主要用于装置联锁自保。ITCC是压缩机及透平集成控制系统,是为关键透平压缩机及其相关设备设计的综合控制系统,可将机组诊断信息、机组运行操作信息集中到一起,便于管理和分析事故原因。

TRICON控制器最重要的特性是容错技术,它是通过三重模件冗余结构提供容错能力的。此系统由3个完全相同的系统通道组成(电源模件除外,该模件是双重冗余的),其基本配置见图5,三重化处理器结构见图6。

SOE(事件顺序记录)功能站(与工程师站共用)事件记录的分辨率为毫秒级,记录数量为5万条,自动生成日志文件进行保存。在出现停机或操作大幅波动时,可以方便地查找最早发生的事件,给事故原因的分析提供可靠的记录依据。

上位机画面的设计软件采用INTOUCH9.5开发软件。

3 其它PLC系统与DCS通信协议及通信接口

全厂PLC系统包括西门子S7-200、S7-300,GE FANUC 90-70,AB ControlLogix5000,Micrcontrol SCA-DA RTU。采用串口RS-232/485,通信协议为Modbus RTU方式,特殊的或关键的参数用硬线连接。除RTU采用直接以E网经交换机与DCS通信外,其它均采用MODBUS协议,经MOXA串口服务器转为E网经交换机与DCS通信。MODBUS通信协议中对各种通信的字符串格式做了规定,但它并不对通信的参数作规定,所谓通信参数是指通信速度的波特率和通信的奇偶校验等的指定,这些参数都可以根据用户的实际使用情况在软件上组态。

煤液化联合装置与DCS信号互联的成套关键设备举例:

(1)催化剂及三列煤粉输送部分固体煤粉输送设备4套(意大利GOVONI)。

(2)煤浆进料泵6台,103-P-102A/B/C/D/E/F(德国URACA)。相关的现场仪表和控制系统均随设备成套提供。其控制系统安装在URACA内。

(3)特殊控制阀门液压站和控制系统(德国Schuf)。Schuf特殊阀门采用液压控制,随阀门提供一套液压站和一套专用控制系统,有一个控制柜安装在UCR1的机柜室。

PKS+TRICON+PLC形成了煤制油的主导控制结构,示意图见图7。

4 各装置之间的硬接线信号互联

煤制油项目各装置前后流程联系紧密,互相有联锁关系,由于各个装置单元由不同的设计院设计,各装置之间的信号联系,容易被忽视和漏项,要重视与各装置的信号互联,否则在装置开车时会出现问题,这些问题在调试必须重点关注。

归纳总结主要有以下几类:

4.1 103煤液化单元与其它装置的互联

煤液化装置是煤制油的核心装置,不仅其本身的自控方案很复杂,与其它装置的信号互联也最复杂。

(1)全厂总变配电所与103单元紧急电源(紧急循环水)投用信号。当电源系统故障时,正常的循环水系统即发生故障,此时紧急电源(紧急循环水)投用,103单元将根据此信号自动切换循环水系统。

(2)103单元与139单元103-IS-5302Trip,103单元密封油罐103-D-401高高液位联锁,联锁动作时送信号去停外部的密封油输送泵139-P-102A/B。常闭接点信号(断开时联锁停泵)。

(3)103单元与119单元油渣成型单元103-IS-4802Trip,103单元减渣紧急冲洗油动作,信号送油渣成型单元进行报警。接点信号(闭合时冲洗油引入)。

(4)103单元与119单元油渣成型单元103-IS-4801Trip,103单元减压塔底隔离联锁(即减渣停止外送)信号送油渣成型单元进行报警。常闭接点信号(断开时隔离)。

(5)103单元与113单元硫磺回收单元103-IS-1506Trip,液硫罐103-D-107高液位联锁,联锁动作时,向103单元送液硫的泵停车。常闭接点信号(断开停车)。

(6)103单元与101单元103-IS-0101 Trip,C列煤粉料仓103-D-101C高料位联锁,料位高时101单元应停止固体输送。常闭接点信号(断开停车)。

(7)104单元与103单元103-IS-1505,注硫泵103-P-108A/B停泵联锁输入信号。常闭接点信号(断开停车)。

(8)103单元与144单元火炬煤液化紧急高压放空,火炬气柜进气阀关阀144-UV-0501、144-UV-0502,103-IS-2001Trip,103单元反应系统Cutback联锁动作信号,联锁发生时103单元进行紧急泄压等动作。火炬单元可进行相关的动作(144-UV-0501,144-UV-0502关闭)。常闭接点信号(断开联锁)。

(9)103单元与102单元催化剂制备102-IS-0101Trip,催化剂料仓103-D-101高料位联锁,料位高时102单元应停止固体输送。常闭接点信号(断开停车)。

(10)103单元与101单元备煤103-IS-0101 Trip,A列煤粉料仓103-D-101A高料位联锁,料位高时101单元应停止固体输送。常闭接点信号(断开停车)。

(11)103单元与101单元备煤103-IS-0201 Trip,B列煤粉料仓103-D-101B高料位联锁,料位高时101单元应停止固体输送。常闭接点信号(断开停车)。

4.2 煤制氢与其它装置的互联

煤制氢装置是为煤液化提供高纯氢,是煤制油的重要装置,顺序控制逻辑多,联锁自保逻辑复杂。

(1)105/106单元煤制氢装置与144单元火炬系统的联系。煤制氢停车,火炬气柜进气阀关阀144-UV-0501,144-UV-0502。

(2)煤制氢装置与123单元煤输送系统的联系。

105单元碎煤仓与123单元、第一煤制氢装置碎煤仓高低料位信号送至固体物料输送123单元报警:105-11WAL0103、105-11WAL0203、105-11WAH0103、105-11WAH0203;105单元碎煤仓高高料位送至固体物料输送123单元紧急停车:105-11US0109、105-11US0209;106单元碎煤仓高低料位信号送至固体物料输送123单元报警:106-11WAL0103、106-11WAL0203、106-11WAH0103、106-11WAH0203;106单元碎煤仓123单元、碎煤仓高高料位信号送至固体物料输送123单元紧急停车:106-11US0109、106-11US0209;123单元至105单元123-X-104A带式输送机运行信号;123单元至106单元123-X-104B带式输送机运行信号。

(3)煤制氢与空分停车信号联系报警。

4.3 123单元煤输送系统与洗煤厂的联系

洗煤厂洗精煤筒仓低料位信号至123单元。

4.4 空分装置与自备电厂的联系

(1)空分与自备电厂空分汽轮机蒸汽入口的压力模拟信号:09-PI-1160、10-PI-1160。

(2)空分与自备电厂空分汽轮机前蒸汽速关阀的开关信号:09-HV-1171、10-HV-1171。

5 注意事项

5.1 组态

在进行组态工作时应把握以下原则:

(1)安全性和可靠性设计应贯穿整个用户组态设计的全过程。

(2)在设计时,合理分配I/O信号,要为系统扩展、调试做好铺垫,控制模块或算法的组合一定要有扩展余地。

(3)控制模块或算法的选择要合适,充分发挥系统的计算、逻辑等功能。选择控制模块或算法时,一定要考虑系统负载因素,选择合适的模块或算法可以减少系统负载和节省内存空间。例如:空分联合装置的产品氮压机防喘振在组态时模块选择和搭接不合理,在测试时发现控制滞后,经过优化后问题解决。

系统组态的主要内容有:工艺流程图画面、控制分组、趋势分组、报表;系统构成、I/O模块定义、控制回路、测量回路、报警回路、趋势分组、控制分组、报表打印等。在煤制油项目中,几乎每一个装置都存在一些组态上的尾项,引起的原因主要是控制组态技术人员对工艺生产过程的熟悉程度不够,工艺人员对控制策略不甚了解。这些尾项在现场调试验收时必须妥善解决。

在组态过程中,既要了解生产过程对控制的要求,熟悉生产过程,深刻认识各种设备和过程的生产顺序,明确生产过程和仪表的相互关系;还要熟练掌握系统所提供的各个控制算法或模块功能,以及各功能模块提供的各参数(即软连接信号端子)的相互影响,系统提供的顺控语言。

进行用户组态的硬件设计一定要有深度,要纵览全局。在系统选型时,应对仪表、变送器和执行机构等部件,传输信号电缆和I/O卡件进行全面的考虑,从工艺的合理性、投资的经济性、运行的可靠性、维修的方便性等进行综合分析。

5.2 硬件设计

在进行系统组态的硬件设计时,应注意以下几点:

(1)确定控制和联锁的关系,选择合适的设备。生产装置从安全角度讲,可分为3个层次:生产过程层;过程控制层;联锁停车保护层。用户组态在最初的工程设计、设备选型及安装阶段,都要对过程和设备的安全性进行考虑。生产装置本身是安全的第一道防线;控制系统对生产的连续动态控制是安全的第二道防线;在过程控制之上设置一套紧急联锁停车系统,最大限度地保护设备和人身安全,是最后一道安全防线。因此,在组态时,首先要确定实现控制和联锁系统的形式。目前通常有下列几种基本形式:控制、联锁一体化式;控制、联锁通信网络式;DCS+PLC;DCS+ESD。

(2)硬件故障造成的影响应尽可能小。在用户组态设计时,可靠性设计应贯穿其全过程。由于不可能对系统的硬件都采用冗余设计,应考虑硬件的某些部件一旦发生故障时,它对生产过程的影响是否是最小的。例如,重要过程点的检测,应选用三取二或二选二设计,这时在DCS控制的硬件组态设计时,考虑到独立性问题要把各点仪表信号分别连接到各自的I/O部件上,这样一旦某一I/O部件发生故障,仅对相应的仪表有影响,对其他仪表不造成影响。

(3)合适的输入和输出信号配合,能有效地减小I/O部件故障的影响。例如,将所有信号按照实际变化率和重要性分配为不同的采样周期,在设计时将不同采样周期的信号合理地组态在一起,使I/O部件微处理单元的负荷较均匀,这样会减少硬件因负载过大而发生故障。

(4)方便安装和维护。在设计过程中,诸多因素将影响系统的安装和系统投运后的日常维护。例如,一些板卡的布局要考虑维护的适用性。

5.3 软件设计

组态的软件设计是直接涉及到功能的,最终用户也最关心。在设计时应注意以下特点:

(1)充分利用DCS所提供的各种控制算法或模块,提高控制质量。针对不同的工艺过程特点,充分利用DCS所提供的各种控制算法或模块,是提高设计水平的重要方法。因此,在DCS中应利用计算机运算方便、离散的控制算法、软连接等优点,提高使用DCS后的控制质量。例如,DCS能方便实现微分先行、积分分离、自整定等控制算法,在设计时,可根据工艺过程的不同要求选用有关的控制算法,使控制质量提高。

(2)采取前馈反馈控制策略。在采用模拟仪表控制工艺过程时,由于前馈控制需要相关的运算单元仪表完成,因此,除了干扰影响很大时,一般不常采用。由于DCS有运算方便的特长,因此,干扰量如果已经引入DCS,则采用前馈反馈控制策略有利于克服干扰的影响,提高控制质量。通常,采用静态前馈就能大大改善控制品质。

(3)采用按计算指标进行控制的控制系统。在采用模拟仪表控制工艺过程时,由于实施按计算指标进行控制的控制系统需要较多的运算单元仪表,因而应用面不广。采用DCS,为按计算指标进行控制提供了有效的运算工具,因此,在DCS组态的软件设计时应对其予以考虑,提高控制品质。例如,在气体流量的计量检测时,可采用温压补偿运算,使计量更加准确。

(4)采用纯滞后补偿控制系统。由于DCS能方便实施纯滞后补偿控制系统,因此,在DCS控制组态的软件设计时,应根据对象的纯滞后大小设计相应的控制系统。例如,在随动控制系统中采用史密斯控制方案,对定值控制系统,采用观测补偿器控制方案等。

(5)逻辑开关控制与常规PID控制相结合。在经典的控制方案中,逻辑开关控制与常规PID控制是很少在一起使用的,在DCS中,由于控制组态的方便,逻辑开关控制与常规PID控制可方便地结合在一起,形成复杂控制系统以适应不同工况下的控制要求。

(6)与操作流程图设计相结合。除了DCS的I/O信号应设计有关的数据库元素外,如果工艺操作需要某些中间变量,在控制组态软件设计时也应建立相应数据库元素。

(7)有条件时,可采用DCS所提供的高级控制算法。

(8)留有余地,便于在线调试、修改和扩展。

(9)优化设计控制算法或模块的使用数量,减少内存和运算时间。优化设计是在DCS软件设计中非常关键的一步。由于工期限制,加上用户经验较少,所以,DCS用户组态过程中常会出现类似“搭积木”的方式进行软件组态,结果使方案庞大,系统负载较大。因此,在用户组态的后期进行优化设计,选择更加合适的模块或算法,做到方案精简,功能齐全,从而减少内存和运算时间,降低系统负载。

(10)增加第一联锁条件的锁定功能。当大型机组和关键设备有很多联锁条件,往往由于某一个条件引起联锁跳车后,紧接着会有许多联锁条件在联锁状态,操作人员很难清楚地判断是哪一个条件引起的联锁,通过增加第一联锁条件的锁定逻辑,可以清晰地判断哪个是第一联锁条件。例如:空分联合装置在现场调试时,建议对大型机组增加第一联锁条件的锁定功能,在联锁停车时可以清晰地判断哪个是第一联锁条件。

6 煤制油的控制整体水平

PKS系统 篇4

极端环境微生物 (Microorganisms in extreme environments) 是指能够在高温、高盐、高酸等极端环境中正常生长的微生物。与普通微生物相比, 它们形成了特殊的基因类型和生理机制, 能够产生具有特殊功能的酶类及其它活性物质。近年来, 极端环境微生物在在医药、食品、化工、环保等领域的重大的应用潜力引起了微生物学家的极大关注[1]。嗜盐放线菌 (Actinopolyspora halophila) 作为极端微生物的重要组成部分, 目前研究相对较少。罗布泊是一个高盐、干旱、强辐射的自然环境[2], 位于塔里木盆地的东面, 是塔里木盆地的最低洼处, 极端独特的环境也蕴藏着极其丰富的的嗜盐微生物资源。

聚酮类化合物 (Polyketide, PK) 是一类具有广谱抗性的常用的天然产物。这一类天然产物主要是通过聚酮合酶 (polyketide synthase, PKS) 系统介导和进行生物合成[3]。这些聚酮合酶中, 有一种称为Ⅱ型PKS的聚酮合酶, 用于催化芳香族类化合物合成, 从而形成诸如四环素 (Tetracycline) 、阿霉素、柔红霉素等重要的天然产物[4]。目前, 普通环境中的放线菌及其天然产物已被大量重复研究, 新的物种和天然产物越来越难发现, 从新的环境中挖掘新物种新天然产物已经成为当前新的共识。这些研究无疑为新活性物质的挖掘带来极具诱惑的前景。

本研究采样多种培养基分离极端环境放线菌资源, 并利用分子技术对分离得到的放线菌进行PKSⅡ基因的筛选, 从而为嗜盐放线菌资源的挖掘、保护和开发提供宝贵的材料资源。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验材料

从新疆罗布泊盐湖采集沉积物10份, 样品深度为0~40cm, p H 6.5~8.0, 样品温度22℃。

1.1.2 试剂

Proteinse K, merck 539480, 德国;X-gal, 0428-100MG, Amresco;T4DNA ligase, NEB M0202S, 美国;溶菌酶, S-90, Sigma;d NTPs, m-5, 上海莱枫;Taq DNA polymerase, C100D, 大连宝生物;NA Marker, DL 2000TMD501B, 大连宝生物。

1.1.3 仪器

高压灭菌锅, GR85, 美国Zeal Way;台式冷冻离心机, Micro17R, 美国Thermo Fisher;全自动电泳仪, Experion, 美国BioRad;快速双槽梯度PCR仪, C1000 D, 美国Bio-Rad;凝胶成像分析系统, Gel Doc XR, 美国Bio-Rad;普通倒置显微镜, TS100, 日本Nikon;生物安全柜, 1384, 美国Thermo Fisher;超低温冰箱, 994, 美国Thermo Fisher;移液器, Research plus, 德国Eppendorf。

1.1.4 培养基

分离培养基有:

(1) 淀粉酪素培养基[6]:水解络蛋白0.3 g、可溶性淀粉10g、KNO32g、K2HPO42g、Mg SO40.05g、Ca CO30.02g、Fe SO40.01g;

(2) GW1琼脂培养基[7]:水解络蛋白0.3 g、甘露醇1 g, Na HCO32g、Ca CO30.2g、 (NH4) 2SO40.2g, KNO32g、K2HPO41g、Mg SO42g、Fe SO40.02g;

(3) MM培养基:葡萄糖0.5 g、K2HPO40.3g、Na Cl 0.5g、Ca CO30.1g、Mg SO41g、酵母粉0.5 g、Zn SO40.07g、Fe SO40.01g、Mn Cl 0.2g;

(4) 葡萄糖天门冬酰胺培养基:葡萄糖1g、天门冬酰胺0.5g、K2HPO40.3g、甘油1g、Mg SO40.2g;

(5) 甘油精氨酸培养基:甘油5 g、精氨酸1 g、K2HPO41g、Mg SO40.5g、Ca CO30.5;

(6) 精氨酸培养基:K2HPO40.2g、精氨酸0.5g、水解络蛋白0.3g、Ca CO30.02g、Fe SO40.01g、Mg SO42g、KCl 5g、KNO30.5g、微晶纤维素5 g;

(7) 高氏一号培养基:可溶性淀粉20 g、KNO30.1 g、K2HPO40.05g、Mg SO40.05g、Fe SO40.001g。采用0%、5%、10%、15%、20%和25%6个盐浓度梯度, 盐成分主要以氯化钠作为主, p H被调整为7~7.5。

1.2 放线菌的分离

称取0.5 g沉积物, 无菌操作移入50 m L无菌生理盐水中, 37℃充分振荡12h后直接吸取0.1 m L悬浊液, 用于涂布平板分离。为避免培养基培养期间变干, 培养皿采用保鲜膜封口倒置于保湿培养箱。

1.3 放线菌基因组DNA的提取与16S r DNA基因的PCR扩增

PCR扩增所用引物为PA (5'-CCGTCGACGAGCT-CAGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3') 和PB (5'-CCCGGGTAC-CAAGCTTAAGGAGGTGATCCAGCCG CA-3') , 由上海生工合成。

PCR扩增的反应体系 (30μL) :2×PCR Mix 15μL, PA (10pmol) 1μL, PB (10 pmol) 1μL, DNA 1μL, 无菌重蒸水补足至30μL。

1.4 PKSⅡ基因的扩增

PKSⅡ基因扩增所用引物为PKSⅡ-A (5'-TSGCSTGCT-TGGAYGCSATC-3') 和PKSⅡ-B (5'-TGGAANCCGC-CGAABCCGCT-3') , 由上海生工合成。

PKSⅡ基因扩增的反应体系 (30μL) :2×PCR Mix 15μL, PKSⅡ-A (10 pmol) 1μL, PKSⅡ-B (10 pmol) 1μL, DNA1μL, 无菌重蒸水补足至30μl。采用细菌常规PCR反应程序进行。

1.5 测序结果分析

将PCR的产物和得到的PKSⅡ基因片段送测序公司 (上海生工) 进行序列测定。用BLAST程序将所测的序列与NCBI Gen Bank数据库进行同源性分析, 并选择相应参比菌株序列, 采用MEGA 4.0软件及其Neighbor-Joining法构建系统发育树[7]。

2 结果与分析

2.1 罗布泊盐湖可培养放线菌的多样性

选取罗布泊盐湖中形态差异较大的42株菌株进行测序。序列结果表明, 从罗布泊分离得到6个属的放线菌, 即拟诺卡氏菌属 (Nocardiopsis) 、链霉菌属 (Streptomyces) 、微球菌属 (Micrococcus) 、栖白蚁菌属 (Isoptericola) 、放线多孢菌属 (Actinopolyspora) 和糖霉菌属 (Glycomyces) 。其中, 拟诺卡氏菌属有19株, 占全部获得纯培养菌株的42.8%, 是该环境最优势的放线菌类群;其次是链霉菌属有14株, 是处于第二优势地位的放线菌类群;另外, 有1株可能是潜在的新种, 菌株编号SACU-A-26与Glycomyces halotolerans最高相似性仅为94%;其分离菌株与同源菌种的系统进化树见图1。

菌株SACU-A-26与Gen Bank数据库同源菌株比对和构建系统进化树见图2。结果表明菌株SACU-A-26在进化树上能够形成一个单独的分枝, 并且枝长较长, 由于在同源性上同已知种Glycomyces halotolerans仅为94%, 可能是一个新属。但从进化距离上来看, 该菌株与Glycomyces属中的典型种距离较近, 可能位于该属内。依据小于97%的种间差异界定标准, 该菌株为潜在的一个新种或者新属, 具体的分类地位将进一步通过多项分类手段确认。

研究中还发现盐浓度对放线菌的分离影响较大 (表1) 。利用盐浓度为5%的培养基分离到的放线菌种类最多, 得到5个属, 即拟诺卡氏菌属、链霉菌属、微球菌属、放线多孢菌属、糖霉菌属, 其中以拟诺卡氏菌为主。0%和10%盐浓度的培养基上分离到较多数量的链霉菌, 在20%盐浓度的培养基上分离到了栖白蚁菌属;在其他盐浓度条件下没有获得放线菌。

2.2 PKSⅡ基因分子筛选

对42株放线菌的Ⅱ型聚酮合成酶相关基因研究结果表明大部分菌株具有Ⅱ型聚酮合成酶相关基因片段。将测序结果用BLAST比对, 结果见表2。

PKSⅡ基因序列的比对结果显示, 阳性菌株分属于拟诺卡氏菌属 (Nocardiopsis) 、链霉菌属 (Streptomyces) 、微球菌属 (Micrococcus) 3个属, 其中链霉菌属中PKSⅡ基因阳性率最高, 占89.6%。菌株A-75、A-68、A-7、A-70的PKSⅡ基因片段都与已知KS基因片段相似度最高, 相似度在96%~98%之间。来源于菌株A-2、A-3、A-34、A-42、A-44、A-46、A-49等的PKSⅡ基因片段与参比序列的相似度在90%~91%之间;而A-6、A-13等放线菌菌株的PKSⅡ序列经BLAST比对得到的相似度最高的PKSⅡ序列相似度差异较大, 在77%~88%之间, 有可能为新型的功能基因, 值得深入挖掘。

3 讨论

本次研究结果共在罗布泊盐湖中获得6个放线菌属, 拟诺卡氏菌属是主要类群;其次是链霉菌属。近年来, 诸多研究人员为寻找新的放线菌资源, 纷纷把目光投向了盐湖这个极端环境。例如, 关统伟等设计不同的培养基, 从盐湖中获得了18个属的放线菌, 包括8个放线菌新种[[8];唐蜀昆从新疆盐湖中分离到一个新属Haloactinospora alba[9]等。本研究中也挖掘一株放线菌新种, 相似性仅为94%, 可能是一个潜在的新属, 该新物种的鉴定工作仍在试验之中。这也说明极端盐湖环境是挖掘新型微生物的理想之地, 并存在大量微生物物种及其新资源, 这与设想的极端环境由于其极其苛刻的生存要求而可能存在的物种极少的观点有所不同。

罗布泊极端特殊性的生态环境有望造就放线菌独特的代谢方式, 从而产生复杂、多样的代谢产物, 具有广阔的药用前景。传统微生物代谢产物的获得是基于微生物发酵, 从而获取得到发酵液, 分离代谢产物, 通过测试其生物活性筛选得到活性成分。但是在实验室人工环境下, 这种方法面临的困境是部分代谢产物的基因簇并不能完全地表达出相应的产物。因此通过选择合适的功能基因引物对目标菌株进行功能基因的分子筛选, 能够快速有效发掘产生相关代谢产物的放线菌株。目前, 已知的Ⅱ型PKS主要用于催化芳香族聚酮化合物的生物合成。Wu Shaojie等人从胶州湾分离的放线菌Streptomyces sp QD518中得到的这类化合物Chartreusin, 抗肿瘤活性非常突出[10]。相形之下, 当前关于盐湖环境放线菌Ⅱ型PKS基因的分子筛选及培养获得代谢产物的报道较少。徐平等在土壤链霉菌及稀有放线菌PKS基因筛选的研究中发现, Ⅱ型PKS基因在放线菌中普遍存在, 筛选出的阳性菌株达到54%[11], 这些研究为挖掘盐湖放线菌天然产物提供了很好的分子依据。本研究中, 针对罗布泊土壤样品分离得到的42株放线菌进行Ⅱ型PKS基因的分子筛选, 其阳性率高达69%, 充分表明极端盐湖环境下放线菌产生Ⅱ型聚酮类化合物的潜力巨大。

4 结论

盐湖中存在有丰富的放线菌资源, 并蕴藏独特新颖的菌种, 其中发现新种 (或新属) 1个;另外, 盐湖放线菌Ⅱ型PKS基因阳性率高达69%, 说明盐湖生态是定向筛选新型聚酮类化合物的绝佳生态环境;这些研究为开发利用极端微生物资源提供了良好的实验材料和理论指导。

参考文献

[1]Pettit Robin K.Culturability and secondary metabolite diversity of extreme microbes:expanding contribution of deep sea and deep-sea vent microbes to natural product discovery[J].Mar Biotechnol, 2011, 13 (1) :1-11.

[2]罗超, 彭子成, 杨东, 等.新疆罗布泊地区的环境演化[J].自然杂志, 2006, 28 (1) :37-41.

[3]Helfrich Eric JN, Reiter Silke, Piel Jrn.Recent advances in genome-based polyketide discovery[J].Curr Opin Biotechnol, 2014, 29 (3) :107-115.

[4]Meklat1Atika, Sabaou Nasserdine, Zitouni Abdelghani, et al.Isolation, taxonomy, and antagonistic properties of halophilic actinomycetes in Saharan soils of Algeria[J].Appl Environ Microbiol, 2011, 77 (18) :6710-6714.

[5]唐蜀昆, 姜怡, 职晓阳, 等.嗜盐放线菌分离方法[J].微生物学通报, 2007, 34 (2) :390-3921.

[6]关统伟, 吴晋元, 唐蜀昆, 等.新疆塔里木盆地可培养嗜盐放线菌系统发育多样性[J].微生物学通报, 2008, 35 (11) :1698-1702.

[7]Tamura Koichiro, Stecher Glen, Peterson Daniel, et al.MEGA6:Molecular Evolutionary Genetics Analysis software version 6.0[J].Mol Biol Evol, 2013, 30 (12) :2725-2729.

[8]关统伟, 腾芸, 车振明, 等.罗布泊盐湖放线菌分离培养基比较研究[J].生物技术, 2013, 23 (3) :56-60.

[9]Tang Shu Kun, Tian Xin Peng, Zhi Xiao Yang, et al.Haloactinospora alba gen.nov., sp.nov., a halophilic filamentous actinomycete of the family[J].Int J Syst Evol Micro, 2008, 58 (1) :2075-2080.

[10]Wu Shao Jie.N-carboxam-idostaurosporine and selina-4 (14) , 7 (11) -diene-8, 9-diol, new metabolites from a marine Streptomyces sp.[J].J Antibiot, 2006, 59 (6) :331-337.