Woodward MicroNet TMR Gasturbinen-Regler PID-Abstimmung und Validierung der Überdrehzahlauslösung

MicroNet TMR Architektur und Überblick zur Drehzahlregelung

Der Woodward MicroNet TMR arbeitet mit einer dreifach-modularen redundanten Architektur. Drei unabhängige Steuerungen führen die Drehzahlregelungslogik parallel aus. Ein 2oo3-Wähler wählt den Median-Ausgang für den Kraftstoffaktuator-Befehl. Dieses Design erfüllt die IEC 61511 SIL 2 Anforderungen für Überdrehzahlschutz. Jedes CPU-Modul arbeitet mit einem 10 ms Task-Zyklus. Die Drehzahlsensor-Eingänge verwenden passive MPU-Abnehmer an einem 60-Zahn-Ring. Die typische Ausgangsfrequenz reicht von 0 Hz im Stillstand bis 2.500 Hz bei 3.000 U/min Nenndrehzahl.

ABB 800xA integriert sich mit MicroNet TMR über Modbus TCP. Register 40001 enthält die aktuelle Drehzahl (0–4.000 U/min, 1 U/min pro Zählwert). Register 40005 enthält die Kraftstoffventilstellung (0–100 %, 0,1 % pro Zählwert), aktualisiert alle 100 ms.

PID-Abstimmung für Drehzahlreferenzverfolgung

Woodward MicroNet TMR verwendet eine parallele PID-Struktur. Die PID-Drehzahlparameter sind GAIN_P (proportional), RESET_I (integral in Wiederholungen pro Sekunde) und RATE_D (differenziell in Sekunden). Die werkseitigen Standardwerte sind GAIN_P = 20, RESET_I = 2,0 r/s, RATE_D = 0,02 s. Verwenden Sie die Woodward Watch Window Software, um Parameter live anzupassen. Verbinden Sie sich über RS-232 mit 115.200 Baud. Aktivieren Sie den Trendrekorder mit 10 ms Abtastrate vor jeder Abstimmungsänderung.

• Schritt 1: Zeichnen Sie die Basis-Drehzahl-Sprungantwort auf. Wenden Sie einen 50 U/min Sprung bei 3.000 U/min an. Messen Sie Anstiegszeit, Überschwingen und Einschwingzeit aus dem Trenddiagramm.
• Schritt 2: Wenn das Überschwingen 1,5 % (45 U/min) übersteigt, reduzieren Sie GAIN_P in 10 %-Schritten. Warten Sie 5 Minuten zwischen den Änderungen. Bestätigen Sie den Trend bei jedem Schritt.
• Schritt 3: Wenn die Einschwingzeit 3 s überschreitet, erhöhen Sie RESET_I in 0,2 r/s Schritten. Begrenzen Sie RESET_I auf maximal 4,0 r/s für Einwellen-Turbinen.
• Schritt 4: Aktivieren Sie RATE_D nur, wenn nach der proportionalen und integralen Abstimmung weiterhin Drehzahloszillationen bestehen. Erhöhen Sie von 0,01 s in 0,005 s Schritten. Verwenden Sie einen 80 Hz Tiefpassfilter am Drehzahlsignal-Eingang bei Aktivierung der Ableitung.
• Schritt 5: Überprüfen Sie die Lastannahme. Wenden Sie eine plötzliche Laststeigerung von 20 % an. Bestätigen Sie, dass die Drehzahlabweichung innerhalb von ±3 % der Nenndrehzahl bleibt und sich in unter 5 s erholt.

Frequenzgang-Einstellung und Lastverteilung

Die Frequenzgangregelung steuert die Lastverteilung zwischen parallel geschalteten Turbinen. Ein 5 % Frequenzgang erlaubt eine Drehzahlabsenkung von 150 U/min bei 3.000 U/min Nenndrehzahl, wenn die Last von null auf voll ansteigt. Stellen Sie den Frequenzgang nur im Inselbetrieb ohne parallele Einheiten auf 0 % (isochron) ein. Für Parallelbetrieb stellen Sie den Frequenzgang auf 4–5 % über Watch Window — Drehzahlregelung — Lastverteilung ein. Das Woodward digitale Lastverteilungs-Drehzahlregelungsmodul bietet dedizierte Lastverteilungslogik für den Mehrgeräte-Parallelbetrieb.

Falscher Frequenzgang verursacht Lastjagen bei 0,5–2 Hz. ABB 800xA Signalgruppen protokollieren Wirkleistung und Drehzahl gleichzeitig. Ein Lastjagen zeigt sich als sinusförmige Wirkleistungsschwingung mit 180° Phasenversatz zwischen parallelen Einheiten. Überprüfen Sie die Aktuator-Rückkopplungsschleife — der MicroNet TMR liest die Position über ein 4–20 mA LVDT-Signal vom Woodward ProAct elektrischen Ventilantrieb. Drahtbruchalarm löst bei 3,8 mA aus. Stellen Sie ACT_POS_GAIN auf 12–15 ein, um Positionsschleifen-Jagen zu vermeiden.

Überdrehzahl-Auslösung Nachweisprüfung: 2oo3 Abstimmungsprüfung

IEC 61511 verlangt eine jährliche Nachweisprüfung der Überdrehzahl-Auslösefunktion für SIL 2 Gasturbinenschutz. Der MicroNet TMR bietet einen speziellen Überdrehzahl-Testmodus, der es erlaubt, jeden MPU-Kanal einzeln zu testen, ohne die Turbine auszuschalten.

• Schritt 1: Informieren Sie den Betrieb. Holen Sie eine Testgenehmigung ein. Bestätigen Sie, dass die Turbine mit stabiler Nenndrehzahl ±0,5 % läuft.
• Schritt 2: Navigieren Sie im Watch Window zu Überdrehzahl-Test — Kanal A Sperre. Aktivieren Sie die Sperre für Kanal A. Bestätigen Sie, dass die Status-LED von Kanal A an der MicroNet TMR Frontplatte bernsteinfarben leuchtet.
• Schritt 3: Injizieren Sie ein simuliertes Überdrehzahlsignal in den MPU-Eingang von Kanal A mit einem Frequenzgenerator. Stellen Sie die Frequenz auf 110 % der Nenndrehzahl ein (3.300 U/min = 3.300 Hz für 60-Zahn-Ring). Bestätigen Sie, dass der Überdrehzahlalarm von Kanal A aktiviert wird, aber kein Abschalten erfolgt. Der 2oo3-Wähler benötigt zwei Kanäle, die übereinstimmen, um eine Abschaltung auszulösen.
• Schritt 4: Deaktivieren Sie die Sperre von Kanal A. Wiederholen Sie die Schritte 2–3 für Kanal B und dann Kanal C jeweils einzeln.
• Schritt 5: Für den kombinierten Test sperren Sie zwei Kanäle gleichzeitig. Injizieren Sie das Überdrehzahlsignal in den verbleibenden aktiven Kanal. Bestätigen Sie, dass der Abschaltausgang innerhalb von 200 ms aktiviert wird. Verifizieren Sie, dass der Abschaltausgang die ABB 800xA DI-Karte erreicht. Protokollieren Sie die Reaktionszeit mit 1 ms Auflösung im ABB 800xA SOE-Historian.
• Schritt 6: Dokumentieren Sie alle Ist- und Sollwerte. Halten Sie den Test im IEC 61511 Nachweisprüfprotokoll fest. Bestätigen Sie, dass die PFDavg-Neuberechnung im SIL 2 Bereich liegt (1×10⁻³ bis 1×10⁻²).

Fazit und Handlungsempfehlung

Die MPU-Signalqualität beeinflusst direkt die Reglerstabilität. MicroNet TMR überwacht MPU_AMPLITUDE (gesunder Bereich 2.000–8.000 mV Spitze), MPU_NOISE_RATIO (Hinweisalarm bei 15 %) und MPU_FREQUENCY_ERROR. Eine Amplitude unter 1.000 mV weist auf zu großen Spalt hin. Der Standardspalt beträgt 0,75–1,25 mm für einen 60-Zahn-Ring. Verwenden Sie geschirmtes verdrilltes Kabel, das nur am Steuerungsende geerdet ist. Abschließen am Klemmenblock TB3.

Die Abstimmung des Woodward MicroNet TMR Reglers erfordert ein systematisches Vorgehen. Beginnen Sie mit der Basis-Trendaufzeichnung vor jeder Parameteränderung. Stimmen Sie zuerst GAIN_P ab, dann RESET_I, dann RATE_D. Vergewissern Sie sich, dass der Frequenzgang dem Parallelbetriebsmodus entspricht, mit dem Woodward Lastverteilungs-Drehzahlregler. Führen Sie die jährliche Überdrehzahl-Nachweisprüfung mit der integrierten Kanalsperrfunktion durch. Integrieren Sie ABB 800xA SOE-Protokollierung zur Dokumentation der Abschaltreaktionszeiten. Der Woodward 505 digitale Regler bietet eine alternative Plattform für Einwellen-Turbinenanwendungen, bei denen keine TMR-Redundanz erforderlich ist. Diese Schritte erhalten die SIL 2 Integrität und verlängern die Turbinenverfügbarkeit zwischen Ausfällen.

Autor: Liu Yang ist ein Ingenieur für industrielle Automatisierung mit über 10 Jahren Erfahrung in SPS-, DCS- und Steuerungssystemen.