Diagnosi dei Guasti del Sistema di Controllo del Rapporto: Ossidazione della Lisciva Nera con ABB AC500 e Yokogawa CENTUM VP

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aprile 14, 2026

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

Il Problema del Flusso Variabile negli Impianti di Produzione di Pasta Kraft

Gli impianti di produzione di pasta kraft generano liquor nero come sottoprodotto. Questo liquido contiene composti volatili dello zolfo come idrogeno solforato e mercaptani. Gli impianti devono ossidare questo liquor nero con ossigeno puro per stabilizzare lo zolfo e ridurre le emissioni. La sfida del controllo consiste nel mantenere sempre un rapporto preciso tra ossigeno e liquor nero.

In questa architettura di controllo del rapporto, il flusso del liquor nero agisce come variabile variabile (wild variable). Il flusso di ossigeno è la variabile controllata. L'ABB AC500 gestisce il ciclo di controllo secondario. La postazione operatore Yokogawa CENTUM VP gestisce il calcolo e la visualizzazione del rapporto.

Per prima cosa, identificare il trasmettitore del flusso variabile. In un impianto di pasta kraft, il trasmettitore del flusso del liquor nero funziona con la misura della pressione differenziale. Il trasmettitore invia un segnale 4-20mA proporzionale alla radice quadrata della pressione differenziale. La scheda di ingresso analogico Yokogawa CENTUM VP AAI141-S40 riceve questo segnale.

Secondo, verificare l’impostazione dell’estrazione della radice quadrata. Il Yokogawa CENTUM VP include un blocco funzione radice quadrata (ARITH-S) per linearizzare il segnale di flusso. Aprire le proprietà del blocco funzione in CENTUM VP. Controllare che il parametro SQRT ENABLE sia impostato su ON. Se non si abilita l’estrazione della radice quadrata, il segnale di flusso risulta non lineare. Il controllore risponde quindi in modo errato alle variazioni di flusso.

Procedura Passo-Passo per l’Isolamento dei Guasti

Seguire questa procedura in 6 passaggi per isolare i guasti nel controllo del rapporto:

Passo 1: Registrare la lettura del trasmettitore del flusso variabile sulla FACEPLATE Yokogawa CENTUM VP. Annotare il valore PV in mA e il valore di flusso convertito in GPM.
Passo 2: Eseguire il controllo con calibratore di loop. Collegare un calibratore di processo Fluke 754 al loop 4-20mA al terminale del trasmettitore. Iniettare un segnale di 4mA. Verificare che il Yokogawa mostri 0% di flusso. Iniettare 20mA. Verificare che il Yokogawa mostri il 100% della portata.
Passo 3: Controllare la configurazione del blocco moltiplicatore. Nella funzione BCDL di Yokogawa CENTUM VP, individuare il blocco moltiplicatore (ARITH-M). Verificare gli ingressi: il PV del flusso variabile entra in IN1. L’uscita del controllore manuale entra in IN2. L’uscita del moltiplicatore fornisce il setpoint all’ABB AC500 tramite Modbus TCP.
Passo 4: Verificare la comunicazione Modbus TCP. Usare il modulo Ethernet ABB AC500 CM577-EP per controllare il registro Modbus 40001. Questo registro contiene il setpoint del rapporto da Yokogawa. Confermare che la richiesta Modbus restituisca dati validi entro 100ms.
Passo 5: Controllare la configurazione dell’ABB AC500. Aprire il software Automation Builder. Navigare alla configurazione del ciclo PID per la valvola di controllo dell’ossigeno. Verificare che la sorgente PV sia impostata su Modbus TCP. Impostare la modalità PID su AUTO dopo aver verificato l’integrità dei dati Modbus.
Passo 6: Eseguire un test a gradino sulla valvola dell’ossigeno. Emettere una variazione a gradino del 10% nel setpoint tramite Yokogawa CENTUM VP. Osservare la risposta dell’uscita PID ABB AC500. La valvola dell’ossigeno dovrebbe raggiungere la nuova posizione entro 15 secondi per una valvola di controllo caratterizzata con tempo di spostamento di 5 secondi.

Modalità di Guasto del Trasmettitore e Conseguenze di Sicurezza

Questa sezione descrive quattro modalità critiche di guasto nel sistema di controllo del rapporto di ossidazione del liquor nero.

Il trasmettitore del flusso variabile legge un valore basso: Se il trasmettitore del flusso del liquor nero scende a 8mA (50% del campo) a causa di linee di impulso intasate, il sistema di controllo del rapporto interpreta questo come un flusso basso di liquor nero. Il blocco moltiplicatore riduce di conseguenza il setpoint dell’ossigeno. Il ciclo PID dell’ABB AC500 chiude la valvola dell’ossigeno. L’efficienza di ossidazione scende sotto l’85%. I composti dello zolfo rimangono instabili nello scarico.
Il trasmettitore del flusso variabile legge un valore alto: Se il diaframma del trasmettitore di pressione differenziale si guasta aperto, il segnale supera i 20mA. Il sistema di controllo del rapporto apre maggiormente la valvola dell’ossigeno. La concentrazione di ossigeno nel recipiente di reazione supera il 25%. Questo crea un rischio di incendio ed esplosione in un ambiente arricchito di ossigeno.
Il trasmettitore del flusso di ossigeno guasta con segnale basso: Se il trasmettitore dell’ossigeno mostra 4mA (flusso zero) a causa di un guasto della bobina, il ciclo PID ABB AC500 apre completamente la valvola dell’ossigeno. Il blocco moltiplicatore non può correggere questo perché riceve correttamente il segnale del liquor nero. L’operatore deve intervenire immediatamente.
La valvola di controllo dell’ossigeno si guasta completamente chiusa: Se l’attuatore della valvola perde l’alimentazione d’aria, l’uscita PID ABB AC500 si satura a 0%. Nessun ossigeno entra nel recipiente di reazione. La reazione di ossidazione si ferma completamente. Il sistema HIMA HIMatrix F-GAS deve attivare uno spegnimento di emergenza entro 30 secondi.

Taratura PID per il Ciclo di Ossigeno Captivo

Il controllore PID ABB AC500 richiede la taratura dopo ogni modifica di configurazione. Seguire questa sequenza di taratura per il ciclo di controllo dell’ossigeno.

Passo 1: Impostare il PID in modalità MANUALE. Impostare l’uscita al 50%.
Passo 2: Eseguire un test di risposta a gradino. Cambiare l’uscita dal 50% al 60%. Registrare il tempo fino a quando il PV raggiunge il 63,2% del valore finale. Questo è la costante di tempo a ciclo aperto (Tau). Per una valvola di controllo dell’ossigeno tipica, Tau è tra 8 e 12 secondi.
Passo 3: Calcolare i parametri iniziali di taratura usando il metodo Ziegler-Nichols. Impostare la banda proporzionale (PB) a 3 volte Tau diviso il tempo morto. Impostare il tempo integrale (Ti) a 2,67 volte il tempo morto. Impostare il tempo derivativo (Td) a 0.
Passo 4: Inserire i valori calcolati nel blocco funzione PID ABB AC500. Abilitare per ultimo il termine integrale. Monitorare il ciclo per oscillazioni. Se le oscillazioni superano 3 cicli, aumentare PB del 20%.
Passo 5: Verificare le prestazioni sotto carico. Modificare il flusso del liquor nero del 25%. Osservare il tempo di risposta del flusso di ossigeno. Il tempo di assestamento target è di 45 secondi o meno. Verificare che il rapporto rimanga entro +/- 3% del setpoint durante i transitori.

Conclusioni e Consigli Operativi

I sistemi di controllo del rapporto negli impianti di pasta kraft richiedono una rigorosa diagnosi dei guasti e manutenzione preventiva. La combinazione di ABB AC500 e Yokogawa CENTUM VP fornisce rispettivamente un controllo secondario e primario robusto. Tuttavia, gli ingegneri devono comprendere la configurazione del blocco moltiplicatore, la comunicazione Modbus TCP e le procedure di taratura PID.

Per prima cosa, verificare l’estrazione della radice quadrata sul segnale del trasmettitore del flusso variabile almeno una volta per ogni fermata programmata. Secondo, controllare ogni 6 mesi le linee di impulso per intasamenti usando il confronto della pressione differenziale. Terzo, calibrare trimestralmente il posizionatore della valvola di controllo dell’ossigeno per garantire un posizionamento accurato.

Infine, documentare tutte le variazioni del setpoint del controllo del rapporto nel registro allarmi di Yokogawa CENTUM VP. Questa documentazione supporta la conformità alla IEC 61511 per l’integrazione SIS con HIMA HIMatrix. Gli ingegneri che seguono questo approccio strutturato manterranno l’efficienza di ossidazione sopra il 95% e prevengono condizioni pericolose arricchite di ossigeno nell’impianto di pasta.