Fehlerdiagnose im Regelungssystem: Schwarzlauge-Oxidation mit ABB AC500 und Yokogawa CENTUM VP

Das Wildfluss-Problem in Zellstoffwerken mit Sulfatverfahren

Zellstoffwerke mit Sulfatverfahren erzeugen als Nebenprodukt Schwarzlauge. Diese Flüssigkeit enthält flüchtige Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff und Mercaptane. Die Werke müssen diese Schwarzlauge mit reinem Sauerstoff oxidieren, um den Schwefel zu stabilisieren und Emissionen zu reduzieren. Die Herausforderung der Regelung besteht darin, jederzeit ein genaues Sauerstoff-zu-Schwarzlauge-Verhältnis einzuhalten.

In dieser Regelungsarchitektur für das Verhältnis ist der Schwarzlauge-Durchfluss die Wildvariable. Der Sauerstoffdurchfluss dient als Regelgröße. Der ABB AC500 übernimmt die Sekundärregelung. Die Yokogawa CENTUM VP Bedienstation verwaltet die Verhältnisberechnung und Anzeige.

Zuerst identifizieren Sie den Wildfluss-Sender. In einem Sulfatzellstoffwerk arbeitet der Schwarzlauge-Durchflusssender mit Differenzdruckmessung. Der Sender gibt ein 4-20mA-Signal proportional zur Quadratwurzel des Differenzdrucks aus. Die Yokogawa CENTUM VP AAI141-S40 Analog-Eingangskarte empfängt dieses Signal.

Zweitens überprüfen Sie die Einstellung der Quadratwurzel-Extraktion. Die Yokogawa CENTUM VP enthält einen Quadratwurzel-Funktionsblock (ARITH-S) zur Linearisierung des Durchflusssignals. Öffnen Sie die Eigenschaften des Funktionsblocks in CENTUM VP. Stellen Sie sicher, dass der Parameter SQRT ENABLE auf EIN gesetzt ist. Wird die Quadratwurzel-Extraktion nicht aktiviert, entsteht ein nichtlineares Durchflusssignal. Der Regler reagiert dann falsch auf Durchflussänderungen.

Schritt-für-Schritt-Fehlerisolierungsverfahren

Befolgen Sie dieses 6-Schritte-Verfahren zur Isolierung von Fehlern in der Verhältnissregelung:

• Schritt 1: Notieren Sie den Wert des Wildfluss-Senders auf dem Yokogawa CENTUM VP FACEPLATE. Vermerken Sie den PV-Wert in mA und den umgerechneten Durchflusswert in GPM.
• Schritt 2: Führen Sie eine Schleifen-Kalibrierprüfung durch. Schließen Sie einen Fluke 754 Prozesskalibrator an die 4-20mA-Schleife am Senderanschluss an. Injizieren Sie ein 4mA-Signal. Verifizieren Sie, dass Yokogawa 0 % Durchfluss anzeigt. Injizieren Sie 20mA. Verifizieren Sie, dass Yokogawa 100 % des Bereichs anzeigt.
• Schritt 3: Prüfen Sie die Konfiguration des Multiplikatorblocks. Finden Sie im Yokogawa CENTUM VP BCDL-Funktionsblock den Multiplikatorblock (ARITH-M). Verifizieren Sie die Eingänge: Wildfluss-PV geht in IN1. Der Ausgang des manuellen Reglers geht in IN2. Der Multiplikatorausgang liefert den Sollwert an den ABB AC500 über Modbus TCP.
• Schritt 4: Überprüfen Sie die Modbus TCP-Kommunikation. Verwenden Sie das ABB AC500 CM577-EP Ethernet-Modul, um das Modbus-Register 40001 zu prüfen. Dieses Register enthält den Verhältnis-Sollwert von Yokogawa. Bestätigen Sie, dass die Modbus-Abfrage innerhalb von 100 ms gültige Daten zurückgibt.
• Schritt 5: Prüfen Sie die ABB AC500-Konfiguration. Öffnen Sie die Automation Builder Software. Navigieren Sie zur PID-Schleifen-Konfiguration für das Sauerstoffregelventil. Vergewissern Sie sich, dass die PV-Quelle auf Modbus TCP eingestellt ist. Stellen Sie den PID-Modus nach Überprüfung der Modbus-Datenintegrität auf AUTO.
• Schritt 6: Führen Sie einen Stufentest am Sauerstoffventil durch. Geben Sie eine 10 % Stufenänderung des Sollwerts über Yokogawa CENTUM VP aus. Beobachten Sie die PID-Ausgangsreaktion des ABB AC500. Das Sauerstoffventil sollte bei einem charakterisierten Regelventil mit 5 Sekunden Ansprechzeit innerhalb von 15 Sekunden die neue Position erreichen.

Ausfallarten des Senders und Sicherheitsfolgen

Dieser Abschnitt beschreibt vier kritische Ausfallarten im Schwarzlauge-Oxidations-Verhältnissregelsystem.

• Wildfluss-Sender zeigt zu niedrigen Wert an: Wenn der Schwarzlauge-Durchflusssender aufgrund verstopfter Impulsleitungen auf 8mA (50 % des Bereichs) absinkt, interpretiert das Verhältnissregelsystem dies als niedrigen Schwarzlauge-Durchfluss. Der Multiplikatorblock reduziert entsprechend den Sauerstoff-Sollwert. Die ABB AC500 PID-Schleife schließt das Sauerstoffventil. Die Oxidationseffizienz fällt unter 85 %. Schwefelverbindungen bleiben im Ablaufstrom instabil.
• Wildfluss-Sender zeigt zu hohen Wert an: Wenn die Membran des Differenzdrucksenders offen ausfällt, überschreitet das Signal 20mA. Das Verhältnissregelsystem öffnet das Sauerstoffventil weiter. Die Sauerstoffkonzentration im Reaktionsgefäß steigt über 25 %. Dies erzeugt eine Brand- und Explosionsgefahr in der sauerstoffangereicherten Umgebung.
• Sauerstoff-Durchflusssender fällt auf niedrigen Wert aus: Wenn der Sauerstoffsender aufgrund eines Spulenausfalls 4mA (Null-Durchfluss) anzeigt, öffnet die ABB AC500 PID-Schleife das Sauerstoffventil vollständig. Der Multiplikatorblock kann dies nicht korrigieren, da er das Schwarzlauge-Signal korrekt erhält. Der Bediener muss sofort eingreifen.
• Sauerstoffregelventil fällt vollständig geschlossen aus: Wenn der Ventilantrieb die Luftversorgung verliert, sättigt der ABB AC500 PID-Ausgang bei 0 %. Kein Sauerstoff gelangt ins Reaktionsgefäß. Die Oxidationsreaktion stoppt vollständig. Das HIMA HIMatrix F-GAS-System muss innerhalb von 30 Sekunden eine Notabschaltung auslösen.

PID-Abstimmung für die Sauerstoffregelung

Der ABB AC500 PID-Regler muss nach jeder Konfigurationsänderung abgestimmt werden. Befolgen Sie diese Abstimmungssequenz für die Sauerstoffregelungsschleife.

• Schritt 1: Stellen Sie den PID auf MANUELL. Setzen Sie den Ausgang auf 50 %.
• Schritt 2: Führen Sie einen Stufenantworttest durch. Ändern Sie den Ausgang von 50 % auf 60 %. Notieren Sie die Zeit, bis der PV 63,2 % des Endwerts erreicht. Dies ist die offene Regelkreiszeitkonstante (Tau). Für ein typisches Sauerstoffregelventil beträgt Tau 8–12 Sekunden.
• Schritt 3: Berechnen Sie die Anfangs-Abstimmparameter mit der Ziegler-Nichols-Methode. Setzen Sie die Proportionalbandbreite (PB) auf 3 mal Tau geteilt durch Totzeit. Setzen Sie die Integrationszeit (Ti) auf 2,67 mal Totzeit. Setzen Sie die Differenzialzeit (Td) auf 0.
• Schritt 4: Geben Sie die berechneten Werte in den ABB AC500 PID-Funktionsblock ein. Aktivieren Sie den Integralanteil zuletzt. Überwachen Sie die Schleife auf Oszillationen. Überschreiten die Oszillationen 3 Zyklen, erhöhen Sie PB um 20 %.
• Schritt 5: Überprüfen Sie die Leistung unter Last. Ändern Sie den Schwarzlauge-Durchfluss um 25 %. Beobachten Sie die Reaktionszeit des Sauerstoffdurchflusses. Die Ziel-Einschwingzeit beträgt 45 Sekunden oder weniger. Vergewissern Sie sich, dass das Verhältnis während Transienten innerhalb von +/- 3 % des Sollwerts bleibt.

Fazit und Handlungsempfehlungen

Verhältnissregelsysteme in Sulfatzellstoffwerken erfordern eine gründliche Fehlerdiagnose und vorbeugende Wartung. Die Kombination aus ABB AC500 und Yokogawa CENTUM VP bietet robuste Sekundär- bzw. Primärregelung. Ingenieure müssen jedoch die Konfiguration des Multiplikatorblocks, die Modbus TCP-Kommunikation und die PID-Abstimmverfahren verstehen.

Erstens verifizieren Sie die Quadratwurzel-Extraktion am Wildfluss-Sendersignal mindestens einmal pro Turnaround. Zweitens prüfen Sie alle 6 Monate die Impulsleitungen auf Verstopfung mittels Differenzdruckvergleich. Drittens kalibrieren Sie den Positionssteller des Sauerstoffregelventils vierteljährlich, um eine genaue Positionierung sicherzustellen.

Abschließend dokumentieren Sie alle Sollwertänderungen der Verhältnissregelung im Alarmprotokoll der Yokogawa CENTUM VP. Diese Dokumentation unterstützt die IEC 61511-Konformität für die SIS-Integration mit HIMA HIMatrix. Ingenieure, die diesem strukturierten Vorgehen folgen, erhalten eine Oxidationseffizienz von über 95 % und verhindern gefährliche sauerstoffangereicherte Bedingungen im Zellstoffwerk.