تشخیص خطای سیستم کنترل نسبت: اکسیداسیون مایع سیاه با ABB AC500 و Yokogawa CENTUM VP
مسئله جریان ناپایدار در کارخانههای خمیر کاغذ کرافت
کارخانههای خمیر کاغذ کرافت، مایع سیاهرنگی بهعنوان محصول جانبی تولید میکنند. این مایع شامل ترکیبات گوگرد فرار مانند هیدروژن سولفید و مرکاپتانها است. کارخانهها باید این مایع سیاه را با اکسیژن خالص اکسید کنند تا گوگرد تثبیت شده و انتشار آلایندهها کاهش یابد. چالش کنترل در حفظ نسبت دقیق اکسیژن به مایع سیاه در تمام لحظات است.
در این معماری کنترل نسبت، جریان مایع سیاه بهعنوان متغیر ناپایدار عمل میکند. جریان اکسیژن متغیر کنترلشده است. ABB AC500 حلقه کنترل ثانویه را مدیریت میکند. ایستگاه اپراتور Yokogawa CENTUM VP محاسبه و نمایش نسبت را بر عهده دارد.
ابتدا، فرستنده جریان ناپایدار را شناسایی کنید. در کارخانه خمیر کرافت، فرستنده جریان مایع سیاه بر اساس اندازهگیری اختلاف فشار کار میکند. فرستنده سیگنال 4-20mA متناسب با جذر اختلاف فشار ارسال میکند. کارت ورودی آنالوگ Yokogawa CENTUM VP AAI141-S40 این سیگنال را دریافت میکند.
دوم، تنظیم استخراج جذر را بررسی کنید. Yokogawa CENTUM VP شامل بلوک تابع جذر (ARITH-S) برای خطیسازی سیگنال جریان است. خصوصیات بلوک تابع را در CENTUM VP باز کنید. مطمئن شوید پارامتر SQRT ENABLE روی ON تنظیم شده است. فعال نکردن استخراج جذر باعث تولید سیگنال جریان غیرخطی میشود و کنترلکننده بهدرستی به تغییرات جریان پاسخ نمیدهد.
روش گامبهگام عیبیابی
برای عیبیابی خطاهای کنترل نسبت، این روش ۶ مرحلهای را دنبال کنید:
- مرحله ۱: مقدار خوانده شده فرستنده جریان ناپایدار را روی صفحه نمایش Yokogawa CENTUM VP ثبت کنید. مقدار PV را به میلیآمپر و مقدار جریان تبدیل شده به GPM یادداشت کنید.
- مرحله ۲: بررسی کالیبراسیون حلقه را انجام دهید. یک کالیبراتور فرآیند Fluke 754 را به حلقه 4-20mA در ترمینال فرستنده وصل کنید. سیگنال 4mA را تزریق کنید. مطمئن شوید Yokogawa جریان 0٪ را نشان میدهد. سیگنال 20mA را تزریق کنید. مطمئن شوید Yokogawa 100٪ دامنه را نمایش میدهد.
- مرحله ۳: پیکربندی بلوک ضربکننده را بررسی کنید. در تابع BCDL در Yokogawa CENTUM VP، بلوک ضربکننده (ARITH-M) را پیدا کنید. ورودیها را بررسی کنید: مقدار PV جریان ناپایدار به IN1 وارد میشود. خروجی کنترلکننده دستی به IN2 وارد میشود. خروجی ضربکننده نقطه تنظیم را از طریق Modbus TCP به ABB AC500 میفرستد.
- مرحله ۴: ارتباط Modbus TCP را تأیید کنید. از ماژول اترنت ABB AC500 CM577-EP برای بررسی رجیستر Modbus شماره 40001 استفاده کنید. این رجیستر نقطه تنظیم نسبت از Yokogawa را نگه میدارد. مطمئن شوید درخواست Modbus داده معتبر را ظرف 100 میلیثانیه بازمیگرداند.
- مرحله ۵: پیکربندی ABB AC500 را بررسی کنید. نرمافزار Automation Builder را باز کنید. به پیکربندی حلقه PID برای شیر کنترل اکسیژن بروید. منبع PV را روی Modbus TCP تنظیم کنید. پس از تأیید صحت دادههای Modbus، حالت PID را روی AUTO قرار دهید.
- مرحله ۶: تست پلهای روی شیر اکسیژن انجام دهید. تغییر ۱۰٪ در نقطه تنظیم از طریق Yokogawa CENTUM VP اعمال کنید. پاسخ خروجی PID در ABB AC500 را مشاهده کنید. شیر اکسیژن باید ظرف ۱۵ ثانیه به موقعیت جدید برسد (برای شیر کنترل با زمان حرکت ۵ ثانیه).
حالتهای خرابی فرستنده و پیامدهای ایمنی
این بخش چهار حالت خرابی بحرانی در سیستم کنترل نسبت اکسیداسیون مایع سیاه را شرح میدهد.
- خوانش پایین فرستنده جریان ناپایدار: اگر فرستنده جریان مایع سیاه به دلیل گرفتگی خطوط فشار به 8mA (۵۰٪ دامنه) کاهش یابد، سیستم کنترل نسبت این را بهعنوان جریان پایین مایع سیاه تفسیر میکند. بلوک ضربکننده نقطه تنظیم اکسیژن را کاهش میدهد. حلقه PID ABB AC500 شیر اکسیژن را میبندد. کارایی اکسیداسیون به زیر ۸۵٪ میرسد و ترکیبات گوگرد در جریان خروجی ناپایدار باقی میمانند.
- خوانش بالای فرستنده جریان ناپایدار: اگر دیافراگم فرستنده اختلاف فشار باز شود، سیگنال از 20mA فراتر میرود. سیستم کنترل نسبت شیر اکسیژن را بیشتر باز میکند. غلظت اکسیژن در مخزن واکنش بالاتر از ۲۵٪ میرود که خطر آتشسوزی و انفجار در محیط غنیشده از اکسیژن ایجاد میکند.
- خرابی فرستنده جریان اکسیژن به مقدار پایین: اگر فرستنده اکسیژن به دلیل خرابی سیمپیچ 4mA (جریان صفر) نشان دهد، حلقه PID ABB AC500 شیر اکسیژن را کاملاً باز میکند. بلوک ضربکننده نمیتواند این را اصلاح کند چون سیگنال مایع سیاه درست است. اپراتور باید فوراً مداخله کند.
- خرابی شیر کنترل اکسیژن در حالت کاملاً بسته: اگر محرک شیر هوای خود را از دست بدهد، خروجی PID ABB AC500 روی 0٪ اشباع میشود. هیچ اکسیژنی وارد مخزن واکنش نمیشود و واکنش اکسیداسیون کاملاً متوقف میشود. سیستم HIMA HIMatrix F-GAS باید ظرف ۳۰ ثانیه خاموشی اضطراری را فعال کند.
تنظیم PID برای حلقه اکسیژن بسته
کنترلکننده PID ABB AC500 پس از هر تغییر پیکربندی نیاز به تنظیم دارد. این توالی تنظیم را برای حلقه کنترل اکسیژن دنبال کنید.
- مرحله ۱: PID را در حالت دستی (MANUAL) قرار دهید. خروجی را روی ۵۰٪ تنظیم کنید.
- مرحله ۲: تست پاسخ پلهای انجام دهید. خروجی را از ۵۰٪ به ۶۰٪ تغییر دهید. زمان رسیدن PV به ۶۳.۲٪ مقدار نهایی را ثبت کنید. این ثابت زمان حلقه باز (Tau) است. برای شیر کنترل اکسیژن معمولی، Tau بین ۸ تا ۱۲ ثانیه است.
- مرحله ۳: پارامترهای اولیه تنظیم را با روش زیگلر-نیکولز محاسبه کنید. پهنای تناسبی (PB) را ۳ برابر Tau تقسیم بر زمان مرده قرار دهید. زمان انتگرال (Ti) را ۲.۶۷ برابر زمان مرده تنظیم کنید. زمان مشتق (Td) را صفر قرار دهید.
- مرحله ۴: مقادیر محاسبه شده را در بلوک تابع PID ABB AC500 وارد کنید. در نهایت ترم انتگرال را فعال کنید. حلقه را برای نوسانات کنترل کنید. اگر نوسانات بیش از ۳ چرخه بود، PB را ۲۰٪ افزایش دهید.
- مرحله ۵: عملکرد را تحت بار بررسی کنید. جریان مایع سیاه را ۲۵٪ تغییر دهید. زمان پاسخ جریان اکسیژن را مشاهده کنید. زمان تثبیت هدف ۴۵ ثانیه یا کمتر است. اطمینان حاصل کنید نسبت در طول گذراها در محدوده +/- ۳٪ نقطه تنظیم باقی بماند.
نتیجهگیری و توصیههای عملی
سیستمهای کنترل نسبت در کارخانههای خمیر کرافت نیازمند تشخیص دقیق خطا و نگهداری پیشگیرانه هستند. ترکیب ABB AC500 و Yokogawa CENTUM VP کنترل ثانویه و اولیه قوی را فراهم میکند. با این حال، مهندسان باید پیکربندی بلوک ضربکننده، ارتباط Modbus TCP و روشهای تنظیم PID را بهخوبی بشناسند.
اول، استخراج جذر سیگنال فرستنده جریان ناپایدار را حداقل یک بار در هر توقف تعمیرات بررسی کنید. دوم، هر ۶ ماه خطوط فشار را برای گرفتگی با مقایسه اختلاف فشار کنترل کنید. سوم، موقعیتدهنده شیر کنترل اکسیژن را هر سه ماه کالیبره کنید تا موقعیتیابی دقیق تضمین شود.
در نهایت، تمام تغییرات نقطه تنظیم نسبت را در گزارش هشدار Yokogawa CENTUM VP مستندسازی کنید. این مستندسازی از تطابق با استاندارد IEC 61511 برای یکپارچهسازی سیستم ایمنی (SIS) با HIMA HIMatrix پشتیبانی میکند. مهندسانی که این رویکرد ساختاریافته را دنبال کنند، کارایی اکسیداسیون را بالای ۹۵٪ حفظ کرده و از شرایط خطرناک غنیشده از اکسیژن در کارخانه جلوگیری خواهند کرد.
