Ajuste PID do Regulador de Turbina a Gás Woodward MicroNet TMR e Validação da Proteção contra Sobretensão

Visão Geral da Arquitetura e Controle de Velocidade do MicroNet TMR

O Woodward MicroNet TMR opera com uma arquitetura tripla modular redundante. Três controladores independentes executam a lógica de controle de velocidade em paralelo. Um votador 2oo3 seleciona a saída mediana para o comando do atuador de combustível. Este design atende aos requisitos SIL 2 da IEC 61511 para proteção contra sobrerotação. Cada módulo de CPU opera com ciclo de tarefa de 10 ms. As entradas do sensor de velocidade utilizam captadores passivos MPU em um anel dentado de 60 dentes. A frequência de saída típica varia de 0 Hz em repouso até 2.500 Hz na velocidade nominal de 3.000 RPM.

O ABB 800xA integra-se ao MicroNet TMR via Modbus TCP. O registrador 40001 contém a velocidade atual (0–4.000 RPM, 1 RPM/contagem). O registrador 40005 contém a posição da válvula de combustível (0–100%, 0,1%/contagem), atualizado a cada 100 ms.

Configuração do PID para Rastreamento da Referência de Velocidade

O Woodward MicroNet TMR utiliza uma estrutura PID paralela. Os parâmetros do PID de velocidade são GAIN_P (proporcional), RESET_I (integral em repetições/segundo) e RATE_D (derivativo em segundos). Os valores padrão de fábrica são GAIN_P = 20, RESET_I = 2,0 r/s, RATE_D = 0,02 s. Use o software Woodward Watch Window para ajustar os parâmetros ao vivo. Conecte via RS-232 a 115.200 baud. Ative o gravador de tendências com taxa de amostragem de 10 ms antes de qualquer alteração de ajuste.

• Passo 1: Registre a resposta ao degrau da velocidade base. Aplique um degrau de 50 RPM em 3.000 RPM. Meça o tempo de subida, ultrapassagem e tempo de acomodação a partir do gráfico de tendências.
• Passo 2: Se a ultrapassagem exceder 1,5% (45 RPM), reduza o GAIN_P em incrementos de 10%. Aguarde 5 minutos entre as alterações. Confirme a tendência a cada passo.
• Passo 3: Se o tempo de acomodação exceder 3 s, aumente o RESET_I em incrementos de 0,2 r/s. Limite o RESET_I a 4,0 r/s no máximo para turbinas de eixo único.
• Passo 4: Ative o RATE_D somente se a oscilação de velocidade persistir após o ajuste proporcional e integral. Aumente a partir de 0,01 s em passos de 0,005 s. Use um filtro passa-baixa de 80 Hz na entrada do sinal de velocidade ao ativar o derivativo.
• Passo 5: Verifique a aceitação de carga. Aplique um aumento súbito de carga de 20%. Confirme que a variação de velocidade permaneça dentro de ±3% da velocidade nominal e recupere em menos de 5 s.

Configuração de Droop e Compartilhamento de Carga

O droop controla o compartilhamento de carga entre turbinas em paralelo. Um droop de 5% permite uma redução de 150 RPM na velocidade de 3.000 RPM quando a carga aumenta de zero para plena. Defina o droop para 0% (isócrono) somente em modo ilha sem unidades em paralelo. Para operação em paralelo, ajuste o droop para 4–5% via Watch Window — Controle de Velocidade — Compartilhamento de Carga. O módulo digital de controle de velocidade para compartilhamento de carga Woodward fornece lógica dedicada para operação paralela multiunidade.

Droop incorreto causa oscilações de carga entre 0,5–2 Hz. Os grupos de sinais do ABB 800xA registram potência ativa e velocidade simultaneamente. Uma assinatura de oscilação de carga mostra uma oscilação senoidal da potência ativa com defasagem de 180° entre unidades paralelas. Verifique o loop de realimentação do atuador — o MicroNet TMR lê a posição via sinal LVDT 4–20 mA do atuador elétrico de válvula Woodward ProAct. O alarme de ruptura de fio dispara a 3,8 mA. Ajuste ACT_POS_GAIN para 12–15 para evitar oscilações no loop de posição.

Teste de Prova do Disparo por Sobrerotação: Verificação do Voto 2oo3

A IEC 61511 exige teste anual de prova da função de disparo por sobrerotação para proteção SIL 2 de turbinas a gás. O MicroNet TMR oferece um modo de teste dedicado que permite testar cada canal MPU individualmente sem disparar a turbina.

• Passo 1: Notifique a operação. Obtenha permissão para teste. Confirme que a turbina está em velocidade nominal estável ±0,5%.
• Passo 2: No Watch Window, navegue até Teste de Sobrerotação — Inibição do Canal A. Ative a inibição no Canal A. Confirme que o LED de status do Canal A fica âmbar no painel frontal do MicroNet TMR.
• Passo 3: Injete um sinal simulado de sobrerotação na entrada MPU do Canal A usando um gerador de frequência. Ajuste a frequência para corresponder a 110% da velocidade nominal (3.300 RPM = 3.300 Hz para engrenagem de 60 dentes). Confirme que o alarme de sobrerotação do Canal A ativa, mas não ocorre disparo. O votador 2oo3 requer concordância de dois canais para disparo.
• Passo 4: Libere a inibição do Canal A. Repita os Passos 2–3 para os Canais B e C independentemente.
• Passo 5: Para o teste combinado, iniba dois canais simultaneamente. Injete o sinal de sobrerotação no canal ativo restante. Confirme que a saída de disparo ativa em até 200 ms. Verifique se a saída de disparo alcança a placa DI do ABB 800xA. Registre o tempo de resposta no histórico SOE do ABB 800xA com resolução de 1 ms.
• Passo 6: Registre todos os valores encontrados e deixados. Documente o teste no registro de prova IEC 61511. Confirme que o recálculo do PFDavg está dentro da faixa SIL 2 (1×10⁻³ a 1×10⁻²).

Conclusão e Recomendações de Ação

A qualidade do sinal MPU afeta diretamente a estabilidade do regulador. O MicroNet TMR monitora MPU_AMPLITUDE (faixa saudável 2.000–8.000 mV pico), MPU_NOISE_RATIO (alarme consultivo a 15%) e MPU_FREQUENCY_ERROR. Amplitude abaixo de 1.000 mV indica folga excessiva. A folga padrão é 0,75–1,25 mm para engrenagem de 60 dentes. Use cabo par trançado blindado aterrado somente na extremidade do controlador. Faça a terminação no bloco de terminais TB3.

O ajuste do regulador Woodward MicroNet TMR requer abordagem sistemática. Comece com o registro da tendência base antes de qualquer alteração de parâmetro. Ajuste primeiro o GAIN_P, depois o RESET_I e por último o RATE_D. Verifique se o droop corresponde ao modo de operação em paralelo usando o controle de velocidade para compartilhamento de carga Woodward. Realize o teste anual de prova de sobrerotação usando a função de inibição de canal integrada. Integre o registro SOE do ABB 800xA para documentar os tempos de resposta do disparo. O regulador digital Woodward 505 oferece uma plataforma alternativa para aplicações em turbinas de eixo único onde a redundância TMR não é necessária. Estes passos mantêm a integridade SIL 2 e ampliam a disponibilidade da turbina entre paradas.

Autor: Liu Yang é engenheiro de automação industrial com mais de 10 anos de experiência em PLC, DCS e sistemas de controle.