Réglage PID du régulateur de turbine à gaz Woodward MicroNet TMR et validation du déclenchement de survitesse

Architecture MicroNet TMR et aperçu du contrôle de vitesse

Le Woodward MicroNet TMR utilise une architecture redondante triple modulaire. Trois contrôleurs indépendants exécutent en parallèle la logique de contrôle de vitesse. Un vote 2oo3 sélectionne la sortie médiane pour la commande de l'actionneur de carburant. Cette conception répond aux exigences SIL 2 de la norme IEC 61511 pour la protection contre la survitesse. Chaque module CPU fonctionne avec un cycle de tâche de 10 ms. Les entrées des capteurs de vitesse utilisent des capteurs passifs MPU sur une couronne dentée de 60 dents. La fréquence de sortie typique varie de 0 Hz à l'arrêt à 2 500 Hz à la vitesse nominale de 3 000 tr/min.

ABB 800xA s’intègre avec MicroNet TMR via Modbus TCP. Le registre 40001 contient la vitesse réelle (0–4 000 tr/min, 1 tr/min par compte). Le registre 40005 contient la position de la vanne de carburant (0–100 %, 0,1 % par compte), mis à jour toutes les 100 ms.

Réglage PID pour le suivi de la consigne de vitesse

Le Woodward MicroNet TMR utilise une structure PID parallèle. Les paramètres PID de vitesse sont GAIN_P (proportionnel), RESET_I (intégral en répétitions/seconde) et RATE_D (dérivé en secondes). Les valeurs d’usine par défaut sont GAIN_P = 20, RESET_I = 2,0 r/s, RATE_D = 0,02 s. Utilisez le logiciel Woodward Watch Window pour ajuster les paramètres en temps réel. Connectez-vous via RS-232 à 115 200 bauds. Activez l’enregistreur de tendance avec un taux d’échantillonnage de 10 ms avant toute modification de réglage.

• Étape 1 : Enregistrez la réponse en échelon de vitesse de référence. Appliquez un échelon de 50 tr/min à 3 000 tr/min. Mesurez le temps de montée, le dépassement et le temps de stabilisation à partir du graphique de tendance.
• Étape 2 : Si le dépassement dépasse 1,5 % (45 tr/min), réduisez GAIN_P par incréments de 10 %. Attendez 5 minutes entre chaque modification. Vérifiez la tendance à chaque étape.
• Étape 3 : Si le temps de stabilisation dépasse 3 s, augmentez RESET_I par incréments de 0,2 r/s. Limitez RESET_I à 4,0 r/s maximum pour les turbines à arbre unique.
• Étape 4 : Activez RATE_D uniquement si l’oscillation de la vitesse persiste après le réglage proportionnel et intégral. Augmentez à partir de 0,01 s par pas de 0,005 s. Utilisez un filtre passe-bas à 80 Hz sur le signal de vitesse lors de l’activation du dérivé.
• Étape 5 : Vérifiez l’acceptation de charge. Appliquez une augmentation soudaine de charge de 20 %. Confirmez que la déviation de vitesse reste dans ±3 % de la vitesse nominale et se rétablit en moins de 5 s.

Configuration du droop et partage de charge

Le droop contrôle le partage de charge entre turbines en parallèle. Un droop de 5 % permet une baisse de vitesse de 150 tr/min à 3 000 tr/min lorsque la charge passe de zéro à pleine charge. Réglez le droop à 0 % (isochronique) uniquement en mode îlot sans unités en parallèle. Pour l’opération parallèle, réglez le droop entre 4 et 5 % via Watch Window — Contrôle de vitesse — Partage de charge. Le module de contrôle de vitesse numérique Woodward pour partage de charge fournit une logique dédiée pour l’opération parallèle multi-unités.

Un droop incorrect provoque des oscillations de charge à 0,5–2 Hz. Les groupes de signaux ABB 800xA enregistrent simultanément la puissance active et la vitesse. Une signature d’oscillation de charge montre une oscillation sinusoïdale de la puissance active avec un décalage de phase de 180° entre unités parallèles. Vérifiez la boucle de rétroaction de l’actionneur — le MicroNet TMR lit la position via un signal LVDT 4–20 mA provenant de l’actionneur électrique Woodward ProAct. L’alarme de rupture de câble se déclenche à 3,8 mA. Réglez ACT_POS_GAIN entre 12 et 15 pour éviter les oscillations de la boucle de position.

Test de preuve de déclenchement survitesse : vérification du vote 2oo3

La norme IEC 61511 exige un test annuel de preuve de la fonction de déclenchement survitesse pour la protection SIL 2 des turbines à gaz. Le MicroNet TMR offre un mode test survitesse dédié permettant de tester chaque canal MPU individuellement sans déclencher la turbine.

• Étape 1 : Informez les opérations. Obtenez le permis de test. Confirmez que la turbine est à la vitesse nominale stable ±0,5 %.
• Étape 2 : Dans Watch Window, allez à Test Survitesse — Inhibition Canal A. Activez l’inhibition sur le Canal A. Confirmez que la LED de statut du Canal A devient ambre sur le panneau avant du MicroNet TMR.
• Étape 3 : Injectez un signal survitesse simulé dans l’entrée MPU du Canal A à l’aide d’un générateur de fréquence. Réglez la fréquence pour correspondre à 110 % de la vitesse nominale (3 300 tr/min = 3 300 Hz pour une couronne de 60 dents). Confirmez que l’alarme survitesse du Canal A s’active sans déclenchement. Le vote 2oo3 nécessite l’accord de deux canaux pour un déclenchement.
• Étape 4 : Désactivez l’inhibition du Canal A. Répétez les étapes 2–3 pour les Canaux B puis C indépendamment.
• Étape 5 : Pour le test combiné, inhibez deux canaux simultanément. Injectez le signal survitesse dans le canal actif restant. Confirmez que la sortie de déclenchement s’active en moins de 200 ms. Vérifiez que la sortie de déclenchement atteint la carte DI ABB 800xA. Enregistrez le temps de réponse dans l’historique SOE ABB 800xA avec une résolution de 1 ms.
• Étape 6 : Enregistrez toutes les valeurs initiales et finales. Documentez le test dans le registre de preuve IEC 61511. Confirmez que le recalcul de PFDavg est dans la plage SIL 2 (1×10⁻³ à 1×10⁻²).

Conclusion et conseils d’action

La qualité du signal MPU affecte directement la stabilité du régulateur. Le MicroNet TMR surveille MPU_AMPLITUDE (plage saine 2 000–8 000 mV crête), MPU_NOISE_RATIO (alarme consultative à 15 %) et MPU_FREQUENCY_ERROR. Une amplitude inférieure à 1 000 mV indique un écart excessif. L’écart standard est de 0,75–1,25 mm pour une couronne de 60 dents. Utilisez un câble blindé torsadé mis à la terre uniquement côté contrôleur. Terminez au bornier TB3.

Le réglage du régulateur Woodward MicroNet TMR nécessite une approche systématique. Commencez par enregistrer la tendance de base avant toute modification de paramètre. Réglez d’abord GAIN_P, puis RESET_I, puis RATE_D. Vérifiez que le droop correspond au mode d’opération parallèle en utilisant le contrôle de vitesse Woodward pour partage de charge. Effectuez le test annuel de preuve survitesse en utilisant la fonction d’inhibition de canal intégrée. Intégrez l’enregistrement SOE ABB 800xA pour documenter les temps de réponse de déclenchement. Le régulateur numérique Woodward 505 offre une plateforme alternative pour les applications de turbines à arbre unique où la redondance TMR n’est pas requise. Ces étapes maintiennent l’intégrité SIL 2 et prolongent la disponibilité de la turbine entre les arrêts.

Auteur : Liu Yang est ingénieur en automatisation industrielle avec plus de 10 ans d’expérience en PLC, DCS et systèmes de contrôle.