Diagnóstico de Falhas no Sistema de Controle de Razão: Oxidação de Licor Negro com ABB AC500 e Yokogawa CENTUM VP

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abril 14, 2026

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

O Problema do Fluxo Variável em Fábricas de Celulose Kraft

As fábricas de celulose kraft geram licor negro como subproduto. Este líquido contém compostos voláteis de enxofre, como sulfeto de hidrogênio e mercaptanos. As fábricas devem oxidar esse licor negro com oxigênio puro para estabilizar o enxofre e reduzir as emissões. O desafio do controle está em manter uma proporção precisa entre oxigênio e licor negro o tempo todo.

Nesta arquitetura de controle de proporção, o fluxo do licor negro atua como a variável selvagem. O fluxo de oxigênio serve como a variável controlada. O ABB AC500 gerencia o laço de controle secundário. A estação de operação Yokogawa CENTUM VP gerencia o cálculo e a exibição da proporção.

Primeiro, identifique o transmissor do fluxo variável. Em uma fábrica de celulose kraft, o transmissor do fluxo do licor negro opera por medição de pressão diferencial. O transmissor envia um sinal 4-20mA proporcional à raiz quadrada da pressão diferencial. A placa de entrada analógica Yokogawa CENTUM VP AAI141-S40 recebe esse sinal.

Segundo, verifique a configuração de extração da raiz quadrada. O Yokogawa CENTUM VP inclui um bloco de função de raiz quadrada (ARITH-S) para linearizar o sinal de fluxo. Abra as propriedades do bloco de função no CENTUM VP. Verifique se o parâmetro SQRT ENABLE está ativado (ON). Não ativar a extração da raiz quadrada gera um sinal de fluxo não linear. O controlador então responde incorretamente às variações de fluxo.

Procedimento Passo a Passo para Isolamento de Falhas

Siga este procedimento de 6 passos para isolar falhas no controle de proporção:

Passo 1: Registre a leitura do transmissor do fluxo variável na FACEPLATE do Yokogawa CENTUM VP. Anote o valor PV em mA e o valor convertido do fluxo em GPM.
Passo 2: Realize a verificação com calibrador de loop. Conecte um calibrador de processo Fluke 754 ao loop 4-20mA no terminal do transmissor. Injete um sinal de 4mA. Verifique se o Yokogawa mostra 0% de fluxo. Injete 20mA. Verifique se o Yokogawa mostra 100% da faixa.
Passo 3: Verifique a configuração do bloco multiplicador. Na função BCDL do Yokogawa CENTUM VP, localize o bloco multiplicador (ARITH-M). Verifique as entradas: o PV do fluxo variável entra em IN1. A saída do controlador manual entra em IN2. A saída do multiplicador fornece o setpoint para o ABB AC500 via Modbus TCP.
Passo 4: Verifique a comunicação Modbus TCP. Use o módulo Ethernet ABB AC500 CM577-EP para checar o registrador Modbus 40001. Este registrador contém o setpoint de proporção do Yokogawa. Confirme que a consulta Modbus retorna dados válidos em até 100ms.
Passo 5: Verifique a configuração do ABB AC500. Abra o software Automation Builder. Navegue até a configuração do laço PID para a válvula de controle de oxigênio. Verifique se a fonte do PV está configurada para Modbus TCP. Defina o modo PID para AUTO após confirmar a integridade dos dados Modbus.
Passo 6: Realize o teste de degrau na válvula de oxigênio. Aplique uma mudança de 10% no setpoint via Yokogawa CENTUM VP. Observe a resposta da saída PID do ABB AC500. A válvula de oxigênio deve atingir a nova posição em até 15 segundos para uma válvula de controle caracterizada com tempo de deslocamento de 5 segundos.

Modos de Falha do Transmissor e Consequências de Segurança

Esta seção detalha quatro modos críticos de falha no sistema de controle de proporção da oxidação do licor negro.

Transmissor do fluxo variável indica valor baixo: Se o transmissor do fluxo do licor negro cair para 8mA (50% da faixa) devido a linhas de impulso entupidas, o sistema de controle de proporção interpreta isso como fluxo baixo de licor negro. O bloco multiplicador reduz o setpoint de oxigênio conforme. O laço PID do ABB AC500 fecha a válvula de oxigênio. A eficiência da oxidação cai abaixo de 85%. Compostos de enxofre permanecem instáveis no efluente.
Transmissor do fluxo variável indica valor alto: Se a membrana do transmissor de pressão diferencial falhar aberta, o sinal ultrapassa 20mA. O sistema de controle de proporção abre a válvula de oxigênio mais. A concentração de oxigênio no vaso de reação sobe acima de 25%. Isso cria risco de incêndio e explosão em ambiente enriquecido com oxigênio.
Transmissor de fluxo de oxigênio falha indicando valor baixo: Se o transmissor de oxigênio mostrar 4mA (fluxo zero) devido a falha na bobina, o laço PID do ABB AC500 abre totalmente a válvula de oxigênio. O bloco multiplicador não consegue corrigir isso porque recebe o sinal do licor negro corretamente. O operador deve intervir imediatamente.
Válvula de controle de oxigênio falha totalmente fechada: Se o atuador da válvula perder o suprimento de ar, a saída PID do ABB AC500 satura em 0%. Nenhum oxigênio entra no vaso de reação. A reação de oxidação para completamente. O sistema HIMA HIMatrix F-GAS deve disparar um desligamento de emergência em até 30 segundos.

Configuração do PID para o Laço de Oxigênio Cativo

O controlador PID ABB AC500 requer ajuste após qualquer alteração de configuração. Siga esta sequência de ajuste para o laço de controle de oxigênio.

Passo 1: Configure o PID para modo MANUAL. Defina a saída em 50%.
Passo 2: Realize um teste de resposta em degrau. Altere a saída de 50% para 60%. Registre o tempo até o PV atingir 63,2% do valor final. Este é o tempo constante em malha aberta (Tau). Para uma válvula típica de controle de oxigênio, Tau é entre 8 e 12 segundos.
Passo 3: Calcule os parâmetros iniciais de ajuste usando o método Ziegler-Nichols. Defina a Banda Proporcional (PB) como 3 vezes Tau dividido pelo Tempo Morto. Defina o Tempo Integral (Ti) como 2,67 vezes o Tempo Morto. Defina o Tempo Derivativo (Td) como 0.
Passo 4: Insira os valores calculados no bloco de função PID do ABB AC500. Ative o termo integral por último. Monitore o laço para oscilações. Se as oscilações ultrapassarem 3 ciclos, aumente PB em 20%.
Passo 5: Verifique o desempenho sob carga. Altere o fluxo do licor negro em 25%. Observe o tempo de resposta do fluxo de oxigênio. O tempo de estabilização deve ser de 45 segundos ou menos. Verifique se a proporção permanece dentro de +/- 3% do setpoint durante transientes.

Conclusão e Recomendações de Ação

Os sistemas de controle de proporção em fábricas de celulose kraft exigem diagnóstico rigoroso de falhas e manutenção preventiva. A combinação do ABB AC500 e do Yokogawa CENTUM VP oferece controle secundário e primário robustos, respectivamente. Contudo, os engenheiros devem compreender a configuração do bloco multiplicador, a comunicação Modbus TCP e os procedimentos de ajuste PID.

Primeiro, verifique a extração da raiz quadrada no sinal do transmissor do fluxo variável pelo menos uma vez a cada parada programada. Segundo, inspecione as linhas de impulso para obstruções a cada 6 meses usando comparação de pressão diferencial. Terceiro, calibre o posicionador da válvula de controle de oxigênio trimestralmente para garantir posicionamento preciso.

Por fim, documente todas as alterações de setpoint do controle de proporção no registro de alarmes do Yokogawa CENTUM VP. Essa documentação apoia a conformidade com a IEC 61511 para integração do SIS com o HIMA HIMatrix. Engenheiros que seguirem essa abordagem estruturada manterão a eficiência da oxidação acima de 95% e evitarão condições perigosas enriquecidas com oxigênio na fábrica de celulose.