Regulacja PID i weryfikacja wyłączenia nadprędkości sterownika turbiny gazowej Woodward MicroNet TMR

Architektura MicroNet TMR i przegląd sterowania prędkością

Woodward MicroNet TMR działa w architekturze potrójnie modularnej redundancji. Trzy niezależne sterowniki wykonują równolegle logikę sterowania prędkością. Głosowanie 2oo3 wybiera medianę wyjścia dla polecenia aktuatora paliwa. Ten projekt spełnia wymagania IEC 61511 SIL 2 dla ochrony przed przekroczeniem prędkości. Każdy moduł CPU działa w cyklu zadania 10 ms. Wejścia czujnika prędkości wykorzystują pasywne czujniki MPU na kole zębatym o 60 zębach. Typowa częstotliwość wyjściowa waha się od 0 Hz w stanie spoczynku do 2 500 Hz przy prędkości znamionowej 3 000 obr./min.

ABB 800xA integruje się z MicroNet TMR przez Modbus TCP. Rejestr 40001 zawiera aktualną prędkość (0–4 000 obr./min, 1 obr./min/na jednostkę). Rejestr 40005 zawiera pozycję zaworu paliwa (0–100%, 0,1%/na jednostkę), aktualizowaną co 100 ms.

Dostrajanie PID do śledzenia referencji prędkości

Woodward MicroNet TMR używa równoległej struktury PID. Parametry PID prędkości to GAIN_P (proporcjonalny), RESET_I (całkujący w powtórzeniach/sekundę) oraz RATE_D (różniczkujący w sekundach). Domyślne wartości fabryczne to GAIN_P = 20, RESET_I = 2,0 r/s, RATE_D = 0,02 s. Użyj oprogramowania Woodward Watch Window do regulacji parametrów na żywo. Połącz się przez RS-232 z prędkością 115 200 baudów. Włącz rejestrator trendów z próbkowaniem 10 ms przed każdą zmianą nastaw.

• Krok 1: Zarejestruj odpowiedź skokową prędkości w stanie bazowym. Zastosuj skok 50 obr./min przy 3 000 obr./min. Zmierz czas narastania, przeregulowanie i czas ustalania z wykresu trendu.
• Krok 2: Jeśli przeregulowanie przekracza 1,5% (45 obr./min), zmniejsz GAIN_P o 10% krokami. Odczekaj 5 minut między zmianami. Potwierdź trend na każdym etapie.
• Krok 3: Jeśli czas ustalania przekracza 3 s, zwiększ RESET_I o 0,2 r/s krokami. Ogranicz RESET_I do maksymalnie 4,0 r/s dla turbin z pojedynczym wałem.
• Krok 4: Włącz RATE_D tylko jeśli oscylacje prędkości utrzymują się po dostrojeniu proporcjonalnym i całkującym. Zwiększaj od 0,01 s w krokach 0,005 s. Przy włączaniu różniczkującego stosuj filtr dolnoprzepustowy 80 Hz na sygnale prędkości.
• Krok 5: Zweryfikuj akceptację obciążenia. Zastosuj nagły wzrost obciążenia o 20%. Potwierdź, że odchylenie prędkości mieści się w ±3% prędkości znamionowej i powraca w czasie krótszym niż 5 s.

Konfiguracja spadku prędkości i dzielenie obciążenia

Spadek prędkości (droop) kontroluje dzielenie obciążenia między równoległymi turbinami. Spadek 5% pozwala na spadek prędkości o 150 obr./min przy 3 000 obr./min prędkości znamionowej, gdy obciążenie wzrasta od zera do pełnego. Ustaw spadek na 0% (izochroniczny) tylko w trybie wyspowym bez jednostek równoległych. Dla pracy równoległej ustaw spadek na 4–5% przez Watch Window — Sterowanie prędkością — Dzielenie obciążenia. Cyfrowy moduł sterowania dzieleniem obciążenia Woodward zapewnia dedykowaną logikę dzielenia obciążenia dla pracy wielojednostkowej równoległej.

Niewłaściwy spadek powoduje oscylacje obciążenia w zakresie 0,5–2 Hz. Grupy sygnałów ABB 800xA rejestrują moc czynną i prędkość jednocześnie. Charakterystyczny sygnał oscylacji obciążenia to sinusoidalna oscylacja mocy czynnej z przesunięciem fazowym 180° między jednostkami równoległymi. Zweryfikuj pętlę sprzężenia zwrotnego aktuatora — MicroNet TMR odczytuje pozycję przez sygnał LVDT 4–20 mA z elektrycznego aktuatora zaworu Woodward ProAct. Alarm przerwania przewodu uruchamia się przy 3,8 mA. Ustaw ACT_POS_GAIN na 12–15, aby uniknąć oscylacji pętli pozycji.

Test dowodowy wyzwalania nadprędkości: weryfikacja głosowania 2oo3

IEC 61511 wymaga corocznego testu dowodowego funkcji wyzwalania nadprędkości dla ochrony turbin gazowych SIL 2. MicroNet TMR oferuje dedykowany tryb testu nadprędkości pozwalający na testowanie każdego kanału MPU indywidualnie bez wyłączania turbiny.

• Krok 1: Powiadom obsługę. Uzyskaj pozwolenie na test. Potwierdź, że turbina pracuje ze stałą prędkością znamionową ±0,5%.
• Krok 2: W Watch Window przejdź do Test nadprędkości — Blokada kanału A. Włącz blokadę na kanale A. Potwierdź, że dioda statusu kanału A na panelu przednim MicroNet TMR świeci na bursztynowo.
• Krok 3: Wstrzyknij symulowany sygnał nadprędkości do wejścia MPU kanału A za pomocą generatora częstotliwości. Ustaw częstotliwość odpowiadającą 110% prędkości znamionowej (3 300 obr./min = 3 300 Hz dla koła zębatego 60-zębnego). Potwierdź aktywację alarmu nadprędkości kanału A, ale bez wyzwolenia wyłączenia. Głosowanie 2oo3 wymaga zgody dwóch kanałów do wyzwolenia.
• Krok 4: Zwolnij blokadę kanału A. Powtórz kroki 2–3 dla kanału B, a następnie kanału C niezależnie.
• Krok 5: Dla testu łącznego zablokuj jednocześnie dwa kanały. Wstrzyknij sygnał nadprędkości do pozostałego aktywnego kanału. Potwierdź aktywację wyjścia wyłączenia w czasie poniżej 200 ms. Zweryfikuj, że wyjście wyłączenia dociera do karty DI ABB 800xA. Zarejestruj czas reakcji w historii SOE ABB 800xA z rozdzielczością 1 ms.
• Krok 6: Zarejestruj wszystkie wartości początkowe i końcowe. Udokumentuj test w protokole testu dowodowego IEC 61511. Potwierdź, że ponowne obliczenie PFDavg mieści się w zakresie SIL 2 (1×10⁻³ do 1×10⁻²).

Wnioski i zalecenia

Jakość sygnału MPU bezpośrednio wpływa na stabilność regulatora. MicroNet TMR monitoruje MPU_AMPLITUDE (zdrowy zakres 2 000–8 000 mV szczytowych), MPU_NOISE_RATIO (alarm doradczy przy 15%) oraz MPU_FREQUENCY_ERROR. Amplituda poniżej 1 000 mV wskazuje na zbyt dużą szczelinę. Standardowa szczelina to 0,75–1,25 mm dla koła zębatego 60-zębnego. Używaj ekranowanego kabla skrętkowego uziemionego tylko na końcu sterownika. Zakończ na listwie zaciskowej TB3.

Dostrajanie regulatora Woodward MicroNet TMR wymaga systematycznego podejścia. Zacznij od rejestracji trendu bazowego przed każdą zmianą parametrów. Najpierw dostrój GAIN_P, potem RESET_I, a na końcu RATE_D. Zweryfikuj, czy spadek prędkości odpowiada trybowi pracy równoległej, korzystając z sterowania dzieleniem obciążenia Woodward. Wykonuj coroczny test dowodowy nadprędkości, korzystając z wbudowanej funkcji blokady kanałów. Integruj rejestrację SOE ABB 800xA, aby dokumentować czasy reakcji wyłączenia. Cyfrowy regulator Woodward 505 stanowi alternatywną platformę dla turbin z pojedynczym wałem, gdzie redundancja TMR nie jest wymagana. Te kroki utrzymują integralność SIL 2 i wydłużają dostępność turbiny między przestojami.

Autor: Liu Yang jest inżynierem automatyki przemysłowej z ponad 10-letnim doświadczeniem w PLC, DCS i systemach sterowania.