A placa de proteção de emergência de turbina IS215VPROH2B é um componente central e independente dos sistemas de controle de turbinas a gás e vapor Mark VI da General Electric (GE), formando a arquitetura de proteção de mais alto nível de segurança. Esta placa foi projetada especificamente para proteção de emergência contra excesso de velocidade (EOS) e outras funções críticas de backup de segurança. Sua filosofia central é estabelecer uma “última linha de defesa” que seja física, elétrica e logicamente completamente independente do sistema de controle principal. Durante a operação de turbinas, especialmente equipamentos rotativos grandes e de alta velocidade, como turbinas a gás e a vapor, o excesso de velocidade é uma das falhas mais perigosas que pode levar a danos catastróficos. O sistema VPRO, particularmente sua versão VPROH2B de baixa potência, existe para garantir disparo confiável e proteção do próprio equipamento, mesmo que os principais sistemas de controle (
,
,
) todos falham.
A placa IS215VPROH2B opera dentro de um módulo de proteção triplo modular redundante (TMR) independente
rack. Este módulo contém três placas VPRO idênticas, designadas R8, S8 e T8 (as versões anteriores eram chamadas de X, Y, Z). Essas três placas funcionam em paralelo dentro de um gabinete fisicamente isolado, implementando a lógica de votação “2 em 3”. O design permite desligar, substituir ou manter qualquer placa enquanto a unidade estiver funcionando, sem comprometer a integridade do sistema de proteção.
O IS215VPROH2B recebe sinais de sensores de campo dedicados através da placa terminal TPRO, incluindo três captadores de velocidade magnética independentes, tensões de verificação de sincronização, termopares e entradas analógicas. Simultaneamente, ele controla diretamente os atuadores finais – os solenóides de disparo (ETDs) – através de grupos de relés na placa terminal do TREG. A comunicação com o sistema de controle principal é limitada ao monitoramento de status não crítico e à troca de comandos de teste via Ethernet (IONet), garantindo a independência e confiabilidade das ações de proteção.
Funções e recursos principais
A placa de proteção IS215VPROH2B integra um sistema multifuncional dedicado à proteção crítica, com as seguintes funções principais e recursos de design:
1. Proteção independente tripla redundante de emergência contra excesso de velocidade (missão principal):
Canais de detecção completamente independentes: O sistema utiliza dois conjuntos completamente independentes de grupos de sensores de velocidade. O primeiro conjunto (3 pickups) é usado pelo controlador principal (VTUR) para controle de velocidade e proteção primária contra sobrevelocidade. O segundo conjunto (mais 3 captadores) é dedicado exclusivamente às três placas VPRO do Módulo de Proteção
, alcançando isolamento físico no nível de detecção.
Arquitetura de votação com fio '2 de 3': As placas VPRO R8, S8 e T8 dentro do módulo de proteção processam independentemente seus sinais de velocidade atribuídos. Qualquer decisão de viagem com excesso de velocidade deve passar por uma votação de “2 em 3”. Um comando de trip é emitido somente se pelo menos duas placas avaliarem independentemente uma condição de sobrevelocidade. Isto elimina significativamente a possibilidade de uma única falha na placa causar um falso desarme (desarme incômodo) ou falha no desarme (desarme perdido).
Pontos de ajuste de disparo independentes: Os usuários podem configurar pontos de ajuste de velocidade de disparo separados para sobrevelocidade primária (sistema de controle principal) e sobrevelocidade de emergência (sistema de proteção VPRO) ( OS_Setpoint ). O ponto de ajuste de sobrevelocidade de emergência normalmente é definido como um backup verdadeiro. Além disso, o VPRO suporta Acceleration Trip ( Accel_Trip ) para detectar picos de velocidade anormais (por exemplo, rejeição repentina de carga). Mesmo que a velocidade absoluta não tenha excedido o limite, uma taxa de aceleração excessivamente alta (por exemplo, excedendo 100%/s) pode desencadear um desarme.
2. Monitoramento inteligente de velocidade e diagnóstico de discrepâncias:
Cálculo de velocidade de alta precisão: O VPRO calcula a velocidade medindo o tempo de passagem dos dentes da engrenagem usando um temporizador de alta precisão. Ele suporta uma faixa de frequência de pulso de 2 Hz a 20 kHz com precisão de 0,05% de leitura.
Proteção de diferença de velocidade ( SpeedDiffEn ): Esta é uma função crucial de verificação cruzada. O VPRO compara continuamente sua própria velocidade calculada com o sinal de velocidade ( Speed1 ) recebido do controlador principal via IONet. Se a diferença exceder um limite configurado ( OS_Diff ) por um período sustentado, isso indica um problema grave com o sistema principal ou circuito de detecção, e o VPRO pode iniciar um desarme para evitar perda de proteção devido a erro de medição do sistema principal.
Detecção de velocidade obsoleta ( StaleSpdEn ): Monitora continuamente se o sinal de velocidade do controlador principal está 'congelado' (inalterado por um longo período). A detecção de um sinal congelado indica falha potencial na comunicação ou processamento do controlador principal e o VPRO pode iniciar um desarme.
3. Controle de saída de disparo abrangente e redundante:
Caminhos de disparo duplos independentes: Os solenóides de disparo (ETDs) são gerenciados em conjunto por duas placas de terminais: TRPG (fornece a alimentação negativa) e TREG (fornece a alimentação positiva e controla via relés). Qualquer uma das extremidades pode remover energia de forma independente, desenergizando o solenóide e acionando o sistema hidráulico para fechar as válvulas. Isso fornece um ponto de interrupção de hardware duplo.
Controle de votação do grupo de relés: A placa terminal TREG hospeda 12 relés. Entre estes, 9 relés de disparo de emergência (ETRs) são divididos em três grupos de três, cada um controlado pelas placas R8, S8 e T8 VPRO, respectivamente. Cada grupo controla um solenóide de disparo. O comando de trip deve passar pela lógica de votação tanto dentro dos VPROs quanto entre os grupos de relés, garantindo a confiabilidade da ação.
Resistores de economia e relés de economia (KE): Cada circuito solenóide de disparo é conectado (conectado em série) com um resistor de economia (10 Ω, 70 W) e um relé de economia (KE). Durante a operação normal, o relé KE é energizado, causando curto-circuito no resistor, permitindo que o solenóide receba tensão total para permanecer energizado. No instante em que um trip é comandado, o relé KE é desenergizado primeiro, forçando a corrente através do resistor limitador por cerca de 0,1 segundos antes do ETR abrir para completar o trip. Isto reduz o aquecimento da bobina e o consumo de energia durante a operação de longo prazo e minimiza o arco voltaico nos contatos do relé durante a abertura.
4. Verificação de sincronização de backup e proteção do gerador:
O VPRO integra uma função de verificação de sincronização de backup. Ele recebe dois sinais independentes de Transformador de Potencial (PT) (115 Vrms) do gerador e do lado do barramento através da placa terminal TPRO.
Ele emprega tecnologia Phase-Locked Loop (PLL) para medir com precisão a diferença de magnitude, diferença de frequência e diferença de ângulo de fase entre as duas tensões. A precisão da medição de fase é melhor que ±1 grau em tensão e frequência nominais.
Os resultados da verificação de sincronização das três placas VPRO são votados através de um relé (por exemplo, K25A no TTUR). Um comando de fechamento ou permissão é emitido somente se todas as três placas considerarem que as condições de sincronização foram atendidas, fornecendo um intertravamento de segurança de backup crítico para sincronização automática.
5. Entradas Auxiliares de Monitoramento e Proteção:
Entradas de termopar: Suporta até 9 entradas de termopar (tipos E, J, K, T), normalmente usadas para proteção de sobretemperatura de exaustão em turbinas a gás. Um desarme pode ser iniciado se a temperatura de exaustão exceder o ponto de ajuste ( OwTemp_Trip ). As especificações são semelhantes às da placa VTCC, apresentando compensação de junta fria e autodiagnóstico.
Entradas Analógicas: Fornece 3 entradas analógicas. Um deles pode ser selecionado entre 4-20 mA, ±5 V CC e ±10 V CC; as outras duas são entradas de 4-20 mA. Eles podem monitorar outros parâmetros críticos do processo (por exemplo, pressão, vazão) e servir como condições de disparo.
Entradas de intertravamento de desarme: Fornece até 7 entradas de contato seco para receber sinais de desarme de outros sistemas de proteção (por exemplo, alta vibração, baixa pressão de óleo lubrificante, botões manuais de parada de emergência). Pode ser configurado para modos de disparo direto ou de disparo condicional.
6. Projeto de alta confiabilidade e capacidade de manutenção on-line:
Fontes de alimentação independentes: Cada placa VPRO e o módulo de proteção como um todo são equipados com fontes de alimentação integradas independentes, convertendo 125 V CC do Módulo de Distribuição de Energia (PDM) nos 5 V CC e 28 V CC necessários. O design da fonte de alimentação tripla elimina o risco de falha de energia em um único ponto.
Funções de teste on-line: Cada solenóide de disparo pode ser testado on-line por meio do software do controlador. Durante um teste, um único solenóide pode ser desenergizado sem afetar os outros dois, verificando a integridade do circuito mecânico e elétrico. Testes de simulação de excesso de velocidade offline também são suportados.
Modularidade e Hot-Swap: Devido ao design de redundância tripla, todo o módulo de proteção permite a remoção e substituição de qualquer placa VPRO enquanto a unidade está em funcionamento, sem interromper a proteção do sistema.
Princípio de funcionamento
O princípio de funcionamento do sistema IS215VPROH2B é uma cadeia de segurança de circuito fechado que integra detecção independente, processamento paralelo, votação redundante e execução segura.
1. Aquisição e processamento independente de sinais:
Sinais de velocidade: Os sinais de onda senoidal do segundo conjunto de três captadores magnéticos (MPUs) dedicados para proteção EOS são enviados através de cabos longos (até 300 m) para a placa terminal TPRO. Após a supressão de ruído, eles são alimentados nas portas dedicadas de entrada de pulso de alta velocidade das placas R8, S8 e T8 VPRO (por meio de conectores J5/J6). Cada placa VPRO conta e cronometra de forma independente e sincronizada seus pulsos atribuídos, usando algoritmos de alta precisão para calcular a velocidade da turbina ( PR1/2/3 ) e a aceleração ( PR1/2/3_Accel ) em tempo real.
Sinais analógicos e de sincronização: Sinais como tensões de TP de gerador/barramento, termopares e entradas analógicas são colocados em paralelo e distribuídos na placa terminal TPRO para todas as três placas VPRO (por exemplo, três termopares vão para R, S, T respectivamente). Cada placa realiza conversão A/D, filtragem e cálculo de valor de engenharia de forma independente.
2. Julgamento da lógica de proteção e votação intra-conselho:
Cada placa VPRO compara sua velocidade calculada com o ponto de ajuste de disparo de sobrevelocidade de emergência configurado pelo usuário ( OS_Setpoint ). Simultaneamente, verifica se a aceleração ultrapassa os limites e avalia a diferença e o status do sinal de velocidade recebido do controlador principal.
Para verificações de sincronização, proteção contra sobretemperatura, violações de limites analógicos, etc., cada placa também executa de forma independente sua lógica de proteção configurada, gerando um estado de “decisão preliminar de disparo”.
3. Votação tripla redundante em nível de sistema:
Este é o principal mecanismo de segurança do sistema VPRO. As placas R8, S8 e T8 trocam suas respectivas informações de status de proteção por meio de backplane dedicado e isolado ou conexões ponto a ponto, separadas da rede de controle principal.
Para cada saída de desarme (por exemplo, o solenóide de controle do relé ETR1 nº 1), o comando final de “atuar” requer pelo menos duas placas VPRO para votar “desarme necessário”. O sistema implementa votação lógica e de hardware “2 em 3” rigorosa. Isso garante que qualquer falha em uma única placa VPRO (seja erro de sensor, falha de processador ou falha de software) não possa causar unilateralmente um falso desarme. Por outro lado, desde que duas placas funcionem corretamente, a proteção permanece eficaz, evitando uma falha no disparo.
4. Condução e execução de saída segura:
O comando de disparo votado atua sobre o Relé de Disparo de Emergência (ETR) correspondente na placa terminal do TREG.
Sequência de disparo: Quando uma condição de desarme é atendida: 1) Primeiro, o Relé Economizador (KE) correspondente é desenergizado, fazendo com que a corrente flua através do resistor economizador em série. A tensão da bobina solenóide cai, mas é mantida por um curto período. 2) Imediatamente após (milissegundos), o Relé de Disparo de Emergência (ETR) abre, cortando completamente a alimentação de 125 V CC para aquele solenóide. O solenóide desenergizado faz com que sua válvula hidráulica piloto acione, levando à despressurização do circuito hidráulico principal, o que faz com que as válvulas de vapor ou combustível fechem rapidamente, desligando a turbina.
Feedback de status e diagnóstico: O VPRO monitora continuamente a corrente da bobina do acionador (feedback do inversor) e o estado real dos contatos de saída (feedback de contato) para cada relé ETR e KE. Ele também monitora a integridade da fonte de alimentação de 125 V CC dos solenóides. Qualquer incompatibilidade entre o 'comando' e o 'feedback real' ou perda de energia aciona imediatamente alarmes de diagnóstico detalhados e é indicada nos LEDs do painel frontal (RUN verde piscando, FAIL vermelho constante, STATUS laranja constante), garantindo que as falhas sejam prontamente identificadas.
5. Interface segura com o sistema de controle principal:
O VPRO se comunica com o controlador principal (VCMI) via IONet Ethernet. Esta comunicação é usada principalmente para:
Relatar o próprio status de integridade do VPRO, informações de diagnóstico e dados calculados, como velocidade, para o controlador principal.
Receber comandos de teste on-line, valores de referência de velocidade (para comparação de diferença de velocidade) e sinais de watchdog de controle do controlador principal.
Ponto-chave: Esta rede de comunicação não é usada para transmitir decisões de viagem em tempo real. As decisões de disparo são tomadas de forma totalmente independente dentro do módulo de proteção. A falha de comunicação não prejudica a capacidade do VPRO de executar suas funções de proteção, aderindo ao princípio “à prova de falhas” dos sistemas de segurança. Na verdade, se a perda de comunicação fizer com que o 'Control Watchdog' ( ContWdogEn ) expire, o VPRO poderá iniciar um desarme porque não pode confirmar se o controlador principal ainda está funcionando.
Principais diferenças das versões VPROH1A/H1B
Por ser uma versão otimizada para baixo consumo de energia, as principais diferenças funcionais do VPROH2B em comparação com o VPROH1A/H1B são:
Sem suporte para segunda placa TREG: IS215VPROH2B omite suporte para conexão de uma segunda placa terminal TREG (que permitiria o controle de mais solenóides de disparo) através do conector J4. Isso significa que uma única placa VPROH2B pode gerenciar no máximo uma placa TREG e seus 3 solenóides de disparo associados. As aplicações que requerem uma segunda placa TREG devem usar VPROH1A ou VPROH1B.
Otimização do consumo de energia: Ao simplificar parte do circuito do driver (para o segundo TREG), o consumo geral de energia é reduzido, auxiliando potencialmente no resfriamento do gabinete e no planejamento da carga de energia.
Aplicação e Resumo
A placa de proteção de emergência de turbina IS215VPROH2B é um 'guardião' indispensável na arquitetura de segurança de grandes turbinas modernas a gás e a vapor. Ele transcende o escopo dos sistemas de controle convencionais, constituindo um Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) dedicado, alinhado com os princípios do alto Nível de Integridade de Segurança (SIL). Seu valor reside não apenas em fornecer proteção de emergência contra sobrevelocidade, mas, mais importante ainda, em estabelecer um verdadeiro 'limite rígido de segurança' por meio de seu projeto completo de isolamento triplo redundante, saídas de segurança cabeadas e arquitetura independente da rede de controle.
Na aplicação, o sistema VPRO forma uma profunda relação de “intertravamento de proteção” com o sistema de controle principal (VTUR, etc.): o sistema principal lida com controle preciso e proteção primária, enquanto o VPRO serve como um backup independente e confiável. Eles se monitoram mutuamente por meio de mecanismos como comparação de diferenças de velocidade e temporizadores de vigilância. A falha em um deles pode ser detectada pelo outro e pode iniciar uma ação de segurança, melhorando significativamente a tolerância a falhas e a segurança do sistema como um todo.
