Diagnostyka usterek systemu kontroli stosunku: utlenianie czarnego ługu z ABB AC500 i Yokogawa CENTUM VP

Problem niestabilnego przepływu w zakładach masy celulozowej Kraft

Zakłady masy celulozowej Kraft generują czarny likier jako produkt uboczny. Ta ciecz zawiera lotne związki siarki, takie jak siarkowodór i merkaptany. Zakłady muszą utleniać ten czarny likier czystym tlenem, aby ustabilizować siarkę i zmniejszyć emisje. Wyzwanie sterowania polega na utrzymaniu precyzyjnego stosunku tlenu do czarnego likieru przez cały czas.

W tej architekturze sterowania stosunkiem przepływ czarnego likieru działa jako zmienna niestabilna. Przepływ tlenu pełni rolę zmiennej kontrolowanej. ABB AC500 obsługuje pętlę sterowania wtórnego. Stanowisko operatorskie Yokogawa CENTUM VP zarządza obliczaniem i wyświetlaniem stosunku.

Po pierwsze, zidentyfikuj nadajnik niestabilnego przepływu. W zakładzie masy celulozowej Kraft nadajnik przepływu czarnego likieru działa na zasadzie pomiaru różnicy ciśnień. Nadajnik wysyła sygnał 4-20mA proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z różnicy ciśnień. Karta wejścia analogowego Yokogawa CENTUM VP AAI141-S40 odbiera ten sygnał.

Po drugie, zweryfikuj ustawienie ekstrakcji pierwiastka kwadratowego. Yokogawa CENTUM VP zawiera blok funkcji pierwiastka kwadratowego (ARITH-S) do liniaryzacji sygnału przepływu. Otwórz właściwości bloku funkcji w CENTUM VP. Sprawdź, czy parametr SQRT ENABLE jest ustawiony na ON. Brak włączenia ekstrakcji pierwiastka kwadratowego powoduje nieliniowy sygnał przepływu. Wówczas regulator reaguje nieprawidłowo na zmiany przepływu.

Procedura izolacji awarii krok po kroku

Postępuj według tej 6-etapowej procedury, aby zlokalizować usterki w sterowaniu stosunkiem:

• Krok 1: Zapisz odczyt nadajnika niestabilnego przepływu na panelu Yokogawa CENTUM VP FACEPLATE. Zanotuj wartość PV w mA oraz przeliczoną wartość przepływu w GPM.
• Krok 2: Wykonaj kontrolę kalibratora pętli. Podłącz kalibrator procesowy Fluke 754 do pętli 4-20mA na zaciskach nadajnika. Wprowadź sygnał 4mA. Zweryfikuj, że Yokogawa pokazuje 0% przepływu. Wprowadź 20mA. Zweryfikuj, że Yokogawa pokazuje 100% zakresu.
• Krok 3: Sprawdź konfigurację bloku mnożnika. W funkcji BCDL Yokogawa CENTUM VP znajdź blok mnożnika (ARITH-M). Zweryfikuj wejścia: PV niestabilnego przepływu wchodzi do IN1. Wyjście regulatora ręcznego wchodzi do IN2. Wyjście mnożnika dostarcza nastawę do ABB AC500 przez Modbus TCP.
• Krok 4: Zweryfikuj komunikację Modbus TCP. Użyj modułu Ethernet ABB AC500 CM577-EP, aby sprawdzić rejestr Modbus 40001. Ten rejestr zawiera nastawę stosunku z Yokogawa. Potwierdź, że odczyt Modbus zwraca prawidłowe dane w czasie poniżej 100 ms.
• Krok 5: Sprawdź konfigurację ABB AC500. Otwórz oprogramowanie Automation Builder. Przejdź do konfiguracji pętli PID dla zaworu sterującego tlenem. Zweryfikuj, że źródło PV jest ustawione na Modbus TCP. Ustaw tryb PID na AUTO po potwierdzeniu integralności danych Modbus.
• Krok 6: Wykonaj test skokowy na zaworze tlenowym. Wprowadź 10% skokową zmianę nastawy przez Yokogawa CENTUM VP. Obserwuj odpowiedź wyjścia PID ABB AC500. Zawór tlenowy powinien osiągnąć nową pozycję w ciągu 15 sekund dla zaworu sterującego o czasie przemieszczenia 5 sekund.

Tryby awarii nadajnika i konsekwencje bezpieczeństwa

Ta sekcja opisuje cztery krytyczne tryby awarii w systemie sterowania stosunkiem utleniania czarnego likieru.

• Nadajnik niestabilnego przepływu wskazuje za nisko: Jeśli nadajnik przepływu czarnego likieru spadnie do 8mA (50% zakresu) z powodu zatkanych przewodów impulsowych, system sterowania stosunkiem interpretuje to jako niski przepływ czarnego likieru. Blok mnożnika odpowiednio zmniejsza nastawę tlenu. Pętla PID ABB AC500 zamyka zawór tlenu. Sprawność utleniania spada poniżej 85%. Związki siarki pozostają niestabilne w strumieniu odpływowym.
• Nadajnik niestabilnego przepływu wskazuje za wysoko: Jeśli membrana nadajnika różnicy ciśnień ulegnie uszkodzeniu i otworzy się, sygnał przekroczy 20mA. System sterowania stosunkiem szerzej otworzy zawór tlenu. Stężenie tlenu w naczyniu reakcyjnym wzrośnie powyżej 25%. Powstaje zagrożenie pożaru i wybuchu w środowisku wzbogaconym tlenem.
• Nadajnik przepływu tlenu wskazuje za nisko: Jeśli nadajnik tlenu pokaże 4mA (zerowy przepływ) z powodu awarii cewki, pętla PID ABB AC500 całkowicie otworzy zawór tlenu. Blok mnożnika nie może tego skorygować, ponieważ otrzymuje prawidłowy sygnał czarnego likieru. Operator musi natychmiast interweniować.
• Zawór sterujący tlenem ulega awarii i pozostaje całkowicie zamknięty: Jeśli siłownik zaworu straci dopływ powietrza, wyjście PID ABB AC500 nasyca się na 0%. Do naczynia reakcyjnego nie dostaje się tlen. Reakcja utleniania całkowicie ustaje. System HIMA HIMatrix F-GAS musi wywołać awaryjne wyłączenie w ciągu 30 sekund.

Strojenie PID dla pętli tlenu

Regulator PID ABB AC500 wymaga strojenia po każdej zmianie konfiguracji. Postępuj według tej sekwencji strojenia dla pętli sterowania tlenem.

• Krok 1: Ustaw PID w tryb RĘCZNY. Ustaw wyjście na 50%.
• Krok 2: Wykonaj test odpowiedzi skokowej. Zmień wyjście z 50% na 60%. Zarejestruj czas, aż PV osiągnie 63,2% wartości końcowej. To jest stała czasowa otwartej pętli (Tau). Dla typowego zaworu sterującego tlenem Tau wynosi 8–12 sekund.
• Krok 3: Oblicz początkowe parametry strojenia metodą Zieglera-Nicholsa. Ustaw pasmo proporcjonalne (PB) na 3 razy Tau podzielone przez czas martwy. Ustaw czas całkowania (Ti) na 2,67 razy czas martwy. Ustaw czas różniczkowania (Td) na 0.
• Krok 4: Wprowadź obliczone wartości do bloku funkcji PID ABB AC500. Włącz składnik całkujący na końcu. Monitoruj pętlę pod kątem oscylacji. Jeśli oscylacje przekroczą 3 cykle, zwiększ PB o 20%.
• Krok 5: Zweryfikuj działanie pod obciążeniem. Zmień przepływ czarnego likieru o 25%. Obserwuj czas odpowiedzi przepływu tlenu. Docelowy czas ustalania to 45 sekund lub mniej. Zweryfikuj, że stosunek pozostaje w granicach +/- 3% nastawy podczas przejściowych zmian.

Podsumowanie i zalecenia

Systemy sterowania stosunkiem w zakładach masy celulozowej Kraft wymagają rygorystycznej diagnostyki usterek i konserwacji zapobiegawczej. Połączenie ABB AC500 i Yokogawa CENTUM VP zapewnia solidne sterowanie wtórne i pierwotne odpowiednio. Jednak inżynierowie muszą rozumieć konfigurację bloku mnożnika, komunikację Modbus TCP oraz procedury strojenia PID.

Po pierwsze, co najmniej raz na przegląd techniczny zweryfikuj ekstrakcję pierwiastka kwadratowego na sygnale nadajnika niestabilnego przepływu. Po drugie, co 6 miesięcy sprawdzaj przewody impulsowe pod kątem zatkania, porównując różnicę ciśnień. Po trzecie, co kwartał kalibruj pozycjoner zaworu sterującego tlenem, aby zapewnić dokładne pozycjonowanie.

Na koniec dokumentuj wszystkie zmiany nastaw stosunku w dzienniku alarmów Yokogawa CENTUM VP. Ta dokumentacja wspiera zgodność z normą IEC 61511 dla integracji SIS z HIMA HIMatrix. Inżynierowie stosujący tę uporządkowaną metodę utrzymają sprawność utleniania powyżej 95% i zapobiegną niebezpiecznym warunkom wzbogaconym tlenem w zakładzie masy celulozowej.