Diagnóstico de Fallos en el Sistema de Control de Proporciones: Oxidación de Licor Negro con ABB AC500 y Yokogawa CENTUM VP

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abril 14, 2026

Ratio Control System Fault Diagnosis: Black Liquor Oxidation with ABB AC500 and Yokogawa CENTUM VP

El Problema del Flujo Variable en las Plantas de Pulpa Kraft

Las plantas de pulpa kraft generan licor negro como subproducto. Este líquido contiene compuestos volátiles de azufre como sulfuro de hidrógeno y mercaptanos. Las plantas deben oxidar este licor negro con oxígeno puro para estabilizar el azufre y reducir las emisiones. El desafío del control radica en mantener una relación precisa de oxígeno a licor negro en todo momento.

En esta arquitectura de control de relación, el flujo de licor negro actúa como la variable variable. El flujo de oxígeno sirve como la variable controlada. El ABB AC500 maneja el lazo de control secundario. La estación de operador Yokogawa CENTUM VP gestiona el cálculo y la visualización de la relación.

Primero, identifique el transmisor de flujo variable. En una planta de pulpa kraft, el transmisor de flujo de licor negro opera mediante medición de presión diferencial. El transmisor envía una señal de 4-20mA proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial. La tarjeta de entrada analógica Yokogawa CENTUM VP AAI141-S40 recibe esta señal.

Segundo, verifique la configuración de extracción de raíz cuadrada. El Yokogawa CENTUM VP incluye un bloque de función de raíz cuadrada (ARITH-S) para linearizar la señal de flujo. Abra las propiedades del bloque de función en CENTUM VP. Compruebe que el parámetro SQRT ENABLE esté activado (ON). No activar la extracción de raíz cuadrada produce una señal de flujo no lineal. El controlador entonces responde incorrectamente a los cambios de flujo.

Procedimiento Paso a Paso para Aislar Fallas

Siga este procedimiento de 6 pasos para aislar fallas en el control de relación:

Paso 1: Registre la lectura del transmisor de flujo variable en la PLACA DE OPERADOR Yokogawa CENTUM VP. Anote el valor PV en mA y el valor de flujo convertido en GPM.
Paso 2: Realice una verificación con calibrador de lazo. Conecte un calibrador de proceso Fluke 754 al lazo 4-20mA en el terminal del transmisor. Inyecte una señal de 4mA. Verifique que el Yokogawa muestre 0% de flujo. Inyecte 20mA. Verifique que el Yokogawa muestre 100% del rango.
Paso 3: Revise la configuración del bloque multiplicador. En la función BCDL de Yokogawa CENTUM VP, localice el bloque multiplicador (ARITH-M). Verifique las entradas: el PV del flujo variable entra en IN1. La salida del controlador manual entra en IN2. La salida del multiplicador proporciona el punto de consigna al ABB AC500 vía Modbus TCP.
Paso 4: Verifique la comunicación Modbus TCP. Use el módulo Ethernet ABB AC500 CM577-EP para revisar el registro Modbus 40001. Este registro contiene el punto de consigna de relación desde Yokogawa. Confirme que la consulta Modbus devuelve datos válidos en menos de 100 ms.
Paso 5: Revise la configuración del ABB AC500. Abra el software Automation Builder. Navegue a la configuración del lazo PID para la válvula de control de oxígeno. Verifique que la fuente PV esté configurada a Modbus TCP. Configure el modo PID en AUTO después de verificar la integridad de los datos Modbus.
Paso 6: Realice una prueba escalón en la válvula de oxígeno. Emita un cambio escalón del 10% en el punto de consigna vía Yokogawa CENTUM VP. Observe la respuesta de salida PID del ABB AC500. La válvula de oxígeno debe alcanzar la nueva posición en 15 segundos para una válvula de control caracterizada con tiempo de desplazamiento de 5 segundos.

Modos de Falla del Transmisor y Consecuencias de Seguridad

Esta sección detalla cuatro modos críticos de falla en el sistema de control de relación de oxidación del licor negro.

El transmisor de flujo variable marca bajo: Si el transmisor de flujo de licor negro cae a 8mA (50% del rango) debido a líneas de impulso obstruidas, el sistema de control de relación interpreta esto como flujo bajo de licor negro. El bloque multiplicador reduce el punto de consigna de oxígeno en consecuencia. El lazo PID del ABB AC500 cierra la válvula de oxígeno. La eficiencia de oxidación cae por debajo del 85%. Los compuestos de azufre permanecen inestables en el efluente.
El transmisor de flujo variable marca alto: Si la membrana del transmisor de presión diferencial falla abierta, la señal supera los 20mA. El sistema de control de relación abre más la válvula de oxígeno. La concentración de oxígeno en el reactor supera el 25%. Esto crea un riesgo de incendio y explosión en el ambiente enriquecido con oxígeno.
El transmisor de flujo de oxígeno falla bajo: Si el transmisor de oxígeno muestra 4mA (flujo cero) debido a falla de bobina, el lazo PID del ABB AC500 abre completamente la válvula de oxígeno. El bloque multiplicador no puede corregir esto porque recibe correctamente la señal de licor negro. El operador debe intervenir inmediatamente.
La válvula de control de oxígeno falla completamente cerrada: Si el actuador de la válvula pierde suministro de aire, la salida PID del ABB AC500 se satura en 0%. No entra oxígeno al reactor. La reacción de oxidación se detiene completamente. El sistema HIMA HIMatrix F-GAS debe activar un paro de emergencia en menos de 30 segundos.

Ajuste PID para el Lazo de Oxígeno Captivo

El controlador PID ABB AC500 requiere ajuste tras cualquier cambio de configuración. Siga esta secuencia de ajuste para el lazo de control de oxígeno.

Paso 1: Configure el PID en modo MANUAL. Ajuste la salida al 50%.
Paso 2: Realice una prueba de respuesta escalón. Cambie la salida del 50% al 60%. Registre el tiempo hasta que el PV alcance el 63.2% del valor final. Este es la constante de tiempo en lazo abierto (Tau). Para una válvula típica de oxígeno, Tau es de 8 a 12 segundos.
Paso 3: Calcule los parámetros iniciales de ajuste usando el método Ziegler-Nichols. Configure la Banda Proporcional (PB) a 3 veces Tau dividido por el Tiempo Muerto. Configure el Tiempo Integral (Ti) a 2.67 veces el Tiempo Muerto. Configure el Tiempo Derivativo (Td) a 0.
Paso 4: Ingrese los valores calculados en el bloque de función PID del ABB AC500. Active el término integral al final. Monitoree el lazo para oscilaciones. Si las oscilaciones superan 3 ciclos, aumente PB en un 20%.
Paso 5: Verifique el desempeño bajo carga. Cambie el flujo de licor negro en un 25%. Observe el tiempo de respuesta del flujo de oxígeno. El tiempo de estabilización objetivo es de 45 segundos o menos. Verifique que la relación se mantenga dentro de +/- 3% del punto de consigna durante transitorios.

Conclusión y Recomendaciones de Acción

Los sistemas de control de relación en plantas de pulpa kraft requieren diagnóstico riguroso de fallas y mantenimiento preventivo. La combinación de ABB AC500 y Yokogawa CENTUM VP proporciona control secundario y primario robusto respectivamente. Sin embargo, los ingenieros deben comprender la configuración del bloque multiplicador, la comunicación Modbus TCP y los procedimientos de ajuste PID.

Primero, verifique la extracción de raíz cuadrada en la señal del transmisor de flujo variable al menos una vez por parada programada. Segundo, revise las líneas de impulso para detectar obstrucciones cada 6 meses usando comparación de presión diferencial. Tercero, calibre el posicionador de la válvula de control de oxígeno trimestralmente para asegurar posicionamiento preciso.

Finalmente, documente todos los cambios de punto de consigna de control de relación en el registro de alarmas de Yokogawa CENTUM VP. Esta documentación apoya el cumplimiento de la norma IEC 61511 para la integración SIS con HIMA HIMatrix. Los ingenieros que sigan este enfoque estructurado mantendrán la eficiencia de oxidación por encima del 95% y evitarán condiciones peligrosas enriquecidas con oxígeno en la planta de pulpa.