Ajuste PID y Validación de Parada por Sobrevelocidad del Gobernador de Turbina de Gas Woodward MicroNet TMR

Arquitectura MicroNet TMR y Resumen del Control de Velocidad

El Woodward MicroNet TMR utiliza una arquitectura redundante triple modular. Tres controladores independientes ejecutan la lógica de control de velocidad en paralelo. Un votante 2oo3 selecciona la salida mediana para la orden del actuador de combustible. Este diseño cumple con los requisitos SIL 2 de la norma IEC 61511 para protección contra sobrevelocidad. Cada módulo CPU opera con un ciclo de tarea de 10 ms. Las entradas del sensor de velocidad usan captadores pasivos MPU en un anillo dentado de 60 dientes. La frecuencia de salida típica varía de 0 Hz en reposo a 2,500 Hz a 3,000 RPM de velocidad nominal.

ABB 800xA se integra con MicroNet TMR vía Modbus TCP. El registro 40001 contiene la velocidad actual (0–4,000 RPM, 1 RPM/cuenta). El registro 40005 contiene la posición de la válvula de combustible (0–100%, 0.1%/cuenta), actualizado cada 100 ms.

Ajuste PID para Seguimiento de Referencia de Velocidad

Woodward MicroNet TMR utiliza una estructura PID paralela. Los parámetros PID de velocidad son GAIN_P (proporcional), RESET_I (integral en repeticiones/segundo) y RATE_D (derivativo en segundos). Los valores predeterminados de fábrica son GAIN_P = 20, RESET_I = 2.0 r/s, RATE_D = 0.02 s. Use el software Woodward Watch Window para ajustar los parámetros en tiempo real. Conéctese vía RS-232 a 115,200 baudios. Active el registrador de tendencias a una tasa de muestreo de 10 ms antes de cualquier cambio de ajuste.

• Paso 1: Registre la respuesta escalón base de la velocidad. Aplique un escalón de 50 RPM a 3,000 RPM. Mida el tiempo de subida, sobreimpulso y tiempo de asentamiento a partir del gráfico de tendencias.
• Paso 2: Si el sobreimpulso supera el 1.5% (45 RPM), reduzca GAIN_P en incrementos del 10%. Espere 5 minutos entre cambios. Confirme la tendencia en cada paso.
• Paso 3: Si el tiempo de asentamiento supera los 3 s, aumente RESET_I en incrementos de 0.2 r/s. Limite RESET_I a un máximo de 4.0 r/s para turbinas de eje único.
• Paso 4: Active RATE_D solo si persisten oscilaciones de velocidad después de ajustar proporcional e integral. Aumente desde 0.01 s en pasos de 0.005 s. Use un filtro pasa bajos de 80 Hz en la señal de velocidad al activar el derivativo.
• Paso 5: Verifique la aceptación de carga. Aplique un aumento repentino de carga del 20%. Confirme que la desviación de velocidad se mantenga dentro de ±3% de la velocidad nominal y se recupere en menos de 5 s.

Configuración de Caída y Compartición de Carga

La caída controla la compartición de carga entre turbinas en paralelo. Una caída del 5% permite una disminución de velocidad de 150 RPM a 3,000 RPM de velocidad nominal cuando la carga aumenta de cero a plena. Ajuste la caída a 0% (isócrono) solo en modo isla sin unidades en paralelo. Para operación en paralelo, configure la caída entre 4–5% mediante Watch Window — Control de Velocidad — Compartición de Carga. El módulo digital de control de velocidad para compartición de carga Woodward proporciona lógica dedicada para operación en paralelo de múltiples unidades.

Una caída incorrecta causa oscilaciones de carga entre 0.5–2 Hz. Los grupos de señales ABB 800xA registran potencia activa y velocidad simultáneamente. Una firma de oscilación de carga muestra oscilación sinusoidal de potencia activa con desfase de 180° entre unidades en paralelo. Verifique el lazo de retroalimentación del actuador — el MicroNet TMR lee la posición vía señal LVDT 4–20 mA del actuador eléctrico de válvula Woodward ProAct. La alarma de ruptura de cable se activa a 3.8 mA. Ajuste ACT_POS_GAIN a 12–15 para evitar oscilaciones en el lazo de posición.

Prueba de Verificación de Votación 2oo3 para Disparo por Sobrevelocidad

La norma IEC 61511 requiere una prueba anual de verificación de la función de disparo por sobrevelocidad para protección SIL 2 de turbinas de gas. El MicroNet TMR ofrece un modo de prueba dedicado que permite probar cada canal MPU individualmente sin disparar la turbina.

• Paso 1: Notifique a operaciones. Obtenga permiso para la prueba. Confirme que la turbina está a velocidad nominal estable ±0.5%.
• Paso 2: En Watch Window, navegue a Prueba de Sobrevelocidad — Inhibición Canal A. Active la inhibición en el Canal A. Confirme que el LED de estado del Canal A se ponga ámbar en el panel frontal del MicroNet TMR.
• Paso 3: Inyecte una señal simulada de sobrevelocidad en la entrada MPU del Canal A usando un generador de frecuencia. Ajuste la frecuencia para corresponder al 110% de la velocidad nominal (3,300 RPM = 3,300 Hz para engranaje de 60 dientes). Confirme que la alarma de sobrevelocidad del Canal A se active pero no ocurra disparo. El votante 2oo3 requiere que dos canales coincidan para disparar.
• Paso 4: Libere la inhibición del Canal A. Repita los Pasos 2–3 para el Canal B y luego para el Canal C de forma independiente.
• Paso 5: Para la prueba combinada, inhiba dos canales simultáneamente. Inyecte la señal de sobrevelocidad en el canal activo restante. Confirme que la salida de disparo se active en menos de 200 ms. Verifique que la salida de disparo llegue a la tarjeta DI de ABB 800xA. Registre el tiempo de respuesta desde el historiador SOE de ABB 800xA con resolución de 1 ms.
• Paso 6: Registre todos los valores encontrados y dejados. Documente la prueba en el registro de prueba IEC 61511. Confirme que el recálculo de PFDavg esté dentro del rango SIL 2 (1×10⁻³ a 1×10⁻²).

Conclusión y Recomendaciones

La calidad de la señal MPU afecta directamente la estabilidad del gobernador. MicroNet TMR monitorea MPU_AMPLITUDE (rango saludable 2,000–8,000 mV pico), MPU_NOISE_RATIO (alarma de aviso al 15%) y MPU_FREQUENCY_ERROR. Amplitud por debajo de 1,000 mV indica una brecha excesiva. La brecha estándar es de 0.75–1.25 mm para un engranaje de 60 dientes. Use cable trenzado apantallado conectado a tierra solo en el extremo del controlador. Termine en el bloque de terminales TB3.

El ajuste del gobernador Woodward MicroNet TMR requiere un enfoque sistemático. Comience con el registro de la tendencia base antes de cualquier cambio de parámetro. Ajuste primero GAIN_P, luego RESET_I y finalmente RATE_D. Verifique que la caída coincida con el modo de operación en paralelo usando el control de velocidad para compartición de carga Woodward. Realice la prueba anual de sobrevelocidad usando la función de inhibición de canales incorporada. Integre el registro SOE de ABB 800xA para documentar los tiempos de respuesta de disparo. El gobernador digital Woodward 505 ofrece una plataforma alternativa para aplicaciones de turbinas de eje único donde no se requiere redundancia TMR. Estos pasos mantienen la integridad SIL 2 y extienden la disponibilidad de la turbina entre paradas.

Autor: Liu Yang es un ingeniero de automatización industrial con más de 10 años de experiencia en PLC, DCS y sistemas de control.