Aggiornamento del sistema di controllo del forno per cemento del Borneo: caso di studio sull'installazione di cavi di controllo industriale

Nel marzo 2024, Borneo Cement Industries Sdn Bhd, un produttore di cemento di medie dimensioni che opera un impianto integrato di cemento da 1,2 milioni di tonnellate all'anno a Miri, Sarawak, Malesia,ha avviato un importante progetto di ammodernamento del sistema di controllo per la sua linea di forno rotativo di 25 anniL'impianto fornisce cemento alla rinfusa e imballato a progetti di costruzione in tutta la Malesia orientale e il Brunei.con circa il 70% della produzione consumata da progetti infrastrutturali nel corridoio della Pan Borneo Highway.

Il team di ingegneri, guidato dall'ingegnere elettrico senior, il signor Azman bin Hashim,identificato problemi persistenti di degrado del segnale nei circuiti di controllo del forno durante le ispezioni di manutenzione preventiva di routine alla fine del 2023Secondo i registri di manutenzione esaminati durante la riunione di lancio del progetto del 15 marzo 2024,gli operatori hanno segnalato almeno 14 casi di errori di comunicazione intermittenti del PLC nei sei mesi precedenti;, che interessano principalmente la gestione del bruciatore, il controllo della velocità del raffreddatore del clinker e il posizionamento dell'ammortizzatore del ventilatore del precalore.Ogni evento di guasto ha causato una media di 45 minuti di rallentamento della produzione mentre i tecnici hanno eseguito la risoluzione manuale dei problemi.

Il processo di appalto è iniziato nel gennaio 2024, con il dipartimento ingegneristico dell'impianto che ha rilasciato una specifica tecnica dettagliata a tre fornitori di cavi industriali prequalificati.Dopo un periodo di valutazione di quattro settimane che prevede il campionamento, visite in loco e revisione della conformità tecnica, il contratto è stato assegnato con una finestra di installazione target di giugno-luglio 2024 per coincidere con la chiusura annuale prevista per la manutenzione dell'impianto.

L'impianto di Miri è stato commissionato nel 1999 con una capacità iniziale di 800.000 tonnellate all'anno, ampliata a 1,2 milioni di tonnellate nel 2008.Il cablaggio di controllo originale installato durante la messa in servizio consisteva principalmente in cavi multicore isolati in PVC non blindati che passavano attraverso i vassoi di cavi aerei nell'edificio del fornoNel corso di due decenni di funzionamento continuo, l'impianto ha registrato i seguenti problemi relativi ai cavi documentati nei rapporti di ispezione tecnica:

• Invecchiamento dei cavi:L'ispezione visiva effettuata nel dicembre 2023 ha rivelato involucri esterni di PVC induriti e crepiti su circa il 40% dei cavi di controllo nell'area del forno,con misurazioni della resistenza di isolamento su 12 segmenti di cavo inferiori alla soglia di 1 MΩ specificata nella norma IEC 60364 per i circuiti di controllo a bassa tensione.
• Interferenza del segnale:I registri di manutenzione hanno mostrato ripetute derivazioni del segnale analogo sui circuiti del trasmettitore di temperatura (4-20 mA) situati entro 300 mm dei cavi di alimentazione del motore 415V.Lo storico DCS dell'impianto ha registrato una deviazione del segnale superiore al ±3% della portata in sei diverse occasioni nel quarto trimestre del 2023., rispetto alla tolleranza accettabile ± 0,5% specificata dalle schede di dati dello strumento.
• Ambienti difficili:L'area del forno funziona con temperature ambientali comprese tra 35°C e 65°C a livello del vassoio dei cavi,con occasionali perdite di aria calda dal guscio del forno che aumentano le temperature locali sopra i 80 °C vicino alla piattaforma del bruciatore- l'accumulo di polvere di cemento sui tavoli dei cavi, combinato con alti livelli di umidità (75-85% RH) durante la stagione dei monsoni tra novembre e febbraio,ha creato un microambiente corrosivo che ha accelerato la degradazione della giacca.
• Vibrazioni meccaniche:Le misurazioni delle vibrazioni effettuate sui vassoi dei cavi della torre di preregiazione hanno mostrato valori di accelerazione di picco di 2,8 m/s2 al livello del ciclone di quinta fase, superiori al 2.0 m/s2 soglia raccomandata dal produttore del cavo per l'installazione fissa senza protezione meccanica supplementare.
• Contaminazione da olio:La nebbia idraulica proveniente dal sistema di lubrificazione dei rulli a spinta del forno si era depositata sulle superfici dei cavi nell'area della trazione,causando gonfiore e ammorbidimento delle giacche in PVC sui cavi installati entro un raggio di 5 metri dall'unità di alimentazione idraulica.

L'ampliamento dell'automazione ha incluso la sostituzione del sistema PLC-5 esistente con una piattaforma ControlLogix moderna, l'installazione di 48 nuovi strumenti sul campo (trasmettitori di temperatura,trasmettitori di pressione, analizzatori di gas e sensori di posizione) e sostituzione completa di tutti i cavi di controllo tra le caselle di giunzione di campo e la sala di controllo centrale,con una lunghezza totale del cavo di circa 4.2 chilometri.

Il sistema di controllo del forno si basa su cavi di controllo a bassa tensione per diverse funzioni mission-critical che non possono tollerare il degrado del segnale:

• Comunicazione PLC:Digital I/O signals between the ControlLogix remote I/O racks in the kiln field junction boxes and the main processor in the central control room require clean 24V DC signal transmission with a maximum voltage drop of 1.5V sul cavo più lungo di 280 metri.
• Controllo motore:comandi di avvio/arresto, feedback di esecuzione e segnali di riferimento di velocità (0-10V CC e 4-20 mA) per 12 azionamenti a frequenza variabile che controllano l'azionamento principale del forno, il ventilatore ID, gli azionamenti della griglia di raffreddamento,e ventilatori precalorificatori richiedono un segnale stabile integrità per evitare viaggi fastidiosi e oscillazioni di velocità.
• Loops di strumentazione:48 circuiti analogici da 4 a 20 mA che collegano trasmettitori di temperatura, trasmettitori di pressione,e gli analizzatori di gas alle schede DCS I/O richiedono cavi di controllo a coppia tortuosa blindati per mantenere la precisione del segnale entro ±00,25% della portata, come specificato nei criteri di accettazione delle prestazioni dello strumento.
• Sistemi di sicurezza:Circuiti di arresto di emergenza, blocchi di sicurezza dei bruciatori,e il circuito di allarme di sovra-temperatura dello scanner della conchiglia del forno rappresentano funzioni di sicurezza SIL 2 che devono mantenere l'integrità del segnale in tutte le condizioni di funzionamento, anche in caso di incendio.
• Integrazione SCADA:Il sistema aggiornato richiedeva la comunicazione Modbus RTU su coppia tortuosa RS-485 tra il PLC del forno e il server SCADA dell'impianto,che richiedono un cavo di controllo adeguatamente blindato con caratteristiche di impedenza controllate.

Il team di ingegneri ha valutato tre configurazioni di cavi prima della selezione finale.Le prove in loco hanno comportato l'installazione temporanea di campioni di cavi di 50 metri nell'area di raffreddamento del forno per un periodo di prova di due settimane, con monitoraggio continuo della resistenza all'isolamento e della qualità del segnale utilizzando un multimetro di isolamento Fluke 1587 FC e un oscilloscopio portatile Yokogawa DL350.

Dopo aver esaminato i dati dei test in loco e aver condotto un'analisi costi-benefici, il team ha selezionato le seguenti specifiche del cavo:

La configurazione a doppio schermo è stata selezionata specificatamente per i 120 circuiti di segnale analogo che collegano gli strumenti di campo nella torre del precaldo e nell'area di raffreddamento.Il team di ingegneri ha determinato attraverso misurazioni in loco che i cavi VFD da 415 V nello stesso vassoio dei cavi hanno generato campi di interferenza elettromagnetica fino a 15 V/m a 50 Hz entro 200 mm di prossimità, che il cavo a scudo singolo non poteva sopprimere in modo adeguato.ben entro la soglia di 100 mV per un'integrità del segnale affidabile da 4 a 20 mA.

L'installazione dei cavi è iniziata il 2 giugno 2024, coincidendo con l'inizio della chiusura annuale di manutenzione della centrale di 21 giorni.La squadra di installazione era composta da 12 elettricisti appartenenti al personale interno di manutenzione elettrica dell'impianto, sostenuti da quattro tecnici del servizio tecnico del fornitore di cavi e da due ingegneri di messa in servizio dell'integratore dei sistemi di automazione.

L'installazione ha seguito un approccio graduale documentato nella dichiarazione del metodo MS-ELEC-2024-017:

• Fase 1 (giorni 1-3):La squadra ha estratto circa 3,8 chilometri di cavi vecchi da vassoi per cavi, condotti e cassette di giunzione.Ogni cavo rimosso è stato etichettato e registrato nel registro di disattivazioneIl team ha scoperto che 27 delle 94 guarnizioni della scatola di giunzione erano deteriorate, che sono state sostituite con nuove guarnizioni in silicone prima dell'inizio dell'installazione del nuovo cavo.
• Fase 2 (giorni 4-10):Nuovo cablaggio: ventiquattro tamburi di cavi sono stati posizionati in punti di trazione strategici identificati durante un percorso di preinstallazione il 28 maggio 2024.Trascinamento di cavi utilizzati a motore elettrico con rulli di cavi spaziati a intervalli di 3 metri lungo sezioni rettilinee e guida manuale attraverso curve con un raggio non inferiore a 8 volte il diametro esterno del cavo. più lunga trazione singola misurata 175 metri dalla scatola di giunzione del quinto stadio del precaldaio al gabinetto di raccolta del pavimento del forno.non macchiante) è stato applicato su trazioni superiori a 100 metri.
• Fase 3 (giorni 8-14):Le ghiandole di cavi in ottone con sigilli in neoprene sono state utilizzate per tutti gli ingressi della scatola di giunzione.Ogni nucleo di cavo è stato identificato utilizzando marcatori stampati resistenti al riscaldamento secondo lo standard di identificazione KKS (Kraftwerk-Kennzeichen-System) dell'impiantoI fili di scarico dello scudo sono stati collegati a barrette di terra dedicate per strumenti in ciascuna scatola di giunzione, mantenendo una copertura continua dello scudo dagli strumenti sul campo all'armadietto DCS.
• Fase 4 (giorni 12-18):L'invio dei cavi all'interno della sala di controllo prevedeva trincee di cavi sotto il pavimento con compartimenti separati per cavi di controllo, cavi di alimentazione e cavi di comunicazione,mantenere una separazione minima di 300 mm tra le vie dei cavi di comando e di alimentazione, come specificato nella norma IEC 61000-5-2, per la compatibilità elettromagnetica.
• Fase 5 (giorni 15-20):Ogni circuito di cavi è stato sottoposto a test di resistenza all'isolamento (500 V CC, minima accettazione di 100 MΩ), verifica della continuità e misurazione della resistenza al ciclo.La continuità dello scudo è stata verificata da estremità a estremità con una resistenza massima ammissibile di 1.0 Ω. I circuiti analogici sono stati sottoposti a test di stabilità del segnale di 24 ore con ingressi simulati da 4 a 20 mA a 0%, 50% e 100% di span, monitorati tramite la stazione di lavoro di ingegneria DCS.

Durante il periodo di installazione sono emerse diverse sfide impreviste, documentate nei registri giornalieri del progetto tenuti dal supervisore del sito, il signor Lee Chong Wei:

• Finestra di chiusura limitata:L'originale arresto di 21 giorni è stato compresso a 18 giorni dopo che il dipartimento di produzione ha esteso la produzione di clinker per soddisfare un ordine di esportazione urgente per il Brunei.La squadra di installazione si è riorganizzata in due turni di 10 ore per recuperare i tre giorni persi.
• Congestione del vassoio:I cavi di alimentazione esistenti e i cavi di strumentazione di generazione precedente occupavano circa il 70% della sezione trasversale disponibile del vassoio dei cavi nell'edificio di alimentazione del forno,lasciando spazio insufficiente per i nuovi fasci di cavi di controlloLa squadra ha installato 85 metri di supplemento di vassoie per cable perforate (400 mm di larghezza) lungo il muro nord dell'edificio di alimentazione durante i primi due giorni di arresto.
• Alta umidità durante la terminazione:I livelli di umidità della stagione monsonica hanno superato l'85% RH durante la prima settimana di lavoro di chiusura, sollevando preoccupazioni circa l'ingresso di umidità nell'isolamento XLPE prima della glandulazione.Il team ha dispiegato due deumidificatori industriali all'interno delle scatole di giunzione durante la terminazione e utilizzato i tappi di respirazione del gel di silicio sulle scatole di giunzione in luoghi esposti.
• Cambio di routing inaspettato:Durante la rimozione di vecchi cavi, il team ha scoperto che un condotto di cavi da 11 kV abbandonato originariamente contrassegnato come vuoto sui disegni dell'impianto come costruito era parzialmente crollato e occupato da roditori nidificanti.Il team ha dirottato 120 metri di cavo di controllo attraverso un percorso alternativo lungo il muro est dell'edificio frigorifero, che richiedono la fabbricazione di supporti di supporto per le vaschette per cavi.
• Coordinamento con la messa in servizio del VFD:Il programma di messa in servizio del VFD dell'integratore di automazione è in conflitto con il programma di terminazione del cavo nei giorni 14-16, poiché entrambi i team richiedevano l'accesso agli stessi cabini MCC.Una riunione di coordinamento giornaliera alle 07.Fu istituita la sessione delle ore 30 e l'orario di accesso al MCC fu diviso in sessioni mattutine e pomeridiane.

Il team del progetto ha implementato diverse soluzioni di ingegneria sul campo per affrontare le sfide incontrate:

• Installazione di una vaschetta di cavi supplementare:I nuovi vassoi per cavi da 400 mm installati nell'edificio di alimentazione sono stati specificati come galvanizzati a caldo per corrispondere al materiale del vassoio esistente, con supporti saldati alle colonne di acciaio dell'edificio a 1.Intervalli di 5 metriIl calcolo del carico ha verificato che la struttura esistente poteva sopportare un peso aggiuntivo di 12 kg/m di cavo per vassoio.
• Terzificazione migliorata per i cavi a doppia schermatura:Per i 120 circuiti analogici a doppio schermo, lo schermo in foglio di alluminio/poliestere è stato messa a terra solo all'estremità del gabinetto DCS (terrazione a punto singolo) per impedire le correnti del circuito di messa a terra,mentre lo scudo a treccia di rame è stato messa a terra alle due estremità per la protezione EMI ad alta frequenzaQuesto approccio ibrido, documentato nel programma di messa a terra GS-2024-005, è stato convalidato utilizzando un misuratore di pinza a terra Fluke 1630-2 FC.
• Verifica separata del routing:A post-installation walkdown with the EPC contractor's electrical supervisor confirmed that all new control cables maintained minimum 300 mm separation from power cables throughout the cable tray routeCinque punti in cui la separazione era inferiore a 250 mm sono stati corretti prima di procedere alla terminazione.
• Protocollo di protezione dall'umidità:Le caselle di giunzione nelle posizioni esposte delle torri di preriscaldamento sono state dotate di scarichi respiratori con rating IP66 e le piastre delle ghiandole sono state sigillate con sigillante in silicone a cura neutra dopo la terminazione.Il registro giornaliero delle prove di resistenza all'isolamento non ha mostrato alcun degrado durante il periodo di elevata umidità, confermando l'efficacia delle misure di deumidificazione.
• Sistema di identificazione del cavo:È stato implementato un sistema di identificazione dei cavi a tre livelli: numero del tamburo del cavo a ogni ingresso della casella di giunzione, codice di funzione KKS su ogni piastra della ghiandola e marcatori individuali del nucleo a ogni blocco terminale.Il supervisore elettrico ha osservato che questo sistema ha ridotto gli errori di terminazione di circa il 60% rispetto ai progetti precedenti in cui sono stati utilizzati solo marcatori di base.

Il sistema di controllo aggiornato è stato commissionato il 22 giugno 2024 e il forno è stato riaccendido con successo il 23 giugno 2024, raggiungendo la piena capacità di produzione di clinker entro 36 ore dal riavvio.Il monitoraggio delle prestazioni dopo la messa in servizio nei tre mesi successivi (luglio-settembre 2024) ha registrato le seguenti osservazioni::

• Stabilità della comunicazione del PLC:Il registro di manutenzione ha registrato zero eventi di guasto della comunicazione PLC nei tre mesi successivi alla messa in servizio, rispetto a 14 eventi di guasto nei sei mesi precedenti l'aggiornamento.L'ingegnere di affidabilità della centrale, Nurul Hayati, ha osservato nella riunione di revisione della manutenzione del Q3 2024 che "il sistema di controllo è stato il più silenzioso che abbiamo visto nei miei sette anni in questo impianto".
• Accuratezza del segnale analogo:La verifica trimestrale di taratura condotta nel settembre 2024 ha confermato che tutti i 48 circuiti degli strumenti di campo hanno mantenuto l'accuratezza del segnale entro il ±0,15% dello span, confortevolmente entro il ±0.Criterio di accettazione del 5%Il team di manutenzione ha attribuito questo miglioramento all'eliminazione del rumore indotto dalla configurazione del cavo a doppio schermo.
• Riduzione del tempo di risoluzione dei problemi:Il sistema strutturato di identificazione dei cavi ha consentito agli elettricisti di manutenzione di tracciare i circuiti circa il 40% più velocemente durante un'ispezione di manutenzione preventiva nell'agosto 2024,secondo i registri di completamento dell'ordine di lavoro del supervisore della manutenzione elettrica.
• Osservazioni operative:Gli operatori dei forni non hanno segnalato casi di modulazione inspiegabile del bruciatore o di velocità di caccia del ventilatore del precaldaio,problemi che in precedenza si erano verificati circa due volte al mese e richiedevano un intervento manualeIl diario del supervisore di turno per luglio-settembre 2024 non conteneva alcuna voce relativa ad anomalie del segnale di controllo.
• Tempo di produzione:Il forno ha raggiunto il 98,2% di tempo di funzionamento nel terzo trimestre del 2024, rispetto a una media del 94,7% nello stesso trimestre del 2023.l'eliminazione dei tempi di fermo correlati al segnale di controllo è stata identificata come elemento che contribuisce alla relazione di produzione trimestrale.

Il team del progetto ha documentato diversi insegnamenti appresi durante la riunione di revisione post-progetto tenutasi il 15 agosto 2024:

• L'indagine del vassoio dei cavi prima dell'installazione è critica:The discovery of cable tray congestion during installation could have been avoided with a detailed tray loading survey conducted during the engineering phase rather than relying on as-built drawings that were 15 years out of dateI progetti futuri dovrebbero includere una misurazione fisica dell'occupazione del vassoio dei cavi come parte dei risultati di ingegneria dettagliati.
• La doppia schermatura aggiunge un valore tangibile in ambienti ad alta emissione:Il costo aggiuntivo del cavo a doppia schermatura (circa un premio del 22% rispetto a quello a una sola schermatura) è stato giustificato dal miglioramento misurato dell'integrità del segnale analogo.L'ingegnere strumentale dell'impianto ha raccomandato che tutti i futuri circuiti di segnale analogici nelle aree con cavi VFD dovrebbero specificare la doppia schermatura come requisito standard.
• XLPE su PVC in zone ad alta temperatura:Mentre il cavo di controllo isolato in PVC sarebbe stato adeguato per le zone a temperatura ambiente, the selection of XLPE insulation for all kiln-area cables provided a uniform specification that simplified procurement and eliminated the risk of installing temperature-limited cable in a hot zone by mistake.
• L'investimento nell'identificazione dei cavi si ritorna in manutenzione:Il sistema di identificazione a tre livelli ha richiesto circa il 15% di lavoro aggiuntivo durante l'installazione,Ma gli ingegneri di manutenzione hanno stimato che questo investimento sarebbe stato recuperato entro i primi due anni di funzionamento attraverso un tempo ridotto di risoluzione dei problemi.
• Ripristino del programma abilitato al lavoro a turni:The decision to implement two-shift working within 24 hours of the production department's shutdown reduction notification enabled the team to recover 80% of the lost time without compromising installation quality, come confermato dal tasso di superamento del 100% per la prima volta nei test dei cavi.

Sulla base dei risultati di questo progetto, il gruppo di ingegneri propone le seguenti raccomandazioni per simili installazioni di cavi di controllo industriali:

• Selezione protetta contro non protetta:Per i circuiti di I/O digitali che funzionano a 24 V di corrente continua in cassetti di cavi separati dai cavi di alimentazione di almeno 300 mm, è generalmente sufficiente un cavo di controllo multi-core non blindato.per qualsiasi circuito di segnale analogo (4-20 mA), 0-10V, termocoppia, RTD) o circuito di comunicazione digitale (RS-485, Modbus, Profibus), il cavo blindato deve essere specificato come obbligatorio.In ambienti in cui i cavi di comando e di alimentazione condividono un vassoio comune (anche con un divisore metallico), dovrebbe essere presa in considerazione la doppia schermatura per i circuiti sensibili al rumore.
• Selezione del materiale isolante:L'isolamento XLPE è raccomandato per i cavi di controllo in aree in cui le temperature ambientali superano costantemente i 45 °C, come gli edifici di forni di cemento, le zone di fusione delle acciaierie e le caldaie delle centrali elettriche.La temperatura continua di 90°C di XLPE fornisce un margine di 20°C rispetto al PVC (70°C), che prolunga in modo significativo la durata del cavo in ambienti ad alta temperatura.
• Segregazione del vassoio dei cavi:Se è possibile, i cavi di comando e quelli di alimentazione devono occupare vassoi separati per i cavi; se un vassoio comune è inevitabile, deve essere installata una piastra di separazione metallica di spessore di almeno 2 mm,i cavi di comando e di controllo devono mantenere una separazione orizzontale minima di 200 mm dai cavi di alimentazioneQueste raccomandazioni superano i requisiti minimi della norma IEC 61000-5-2 e si basano su misurazioni effettuate sul posto che mostrano tensioni residue indotte con e senza segregazione.
• Strategia di messa a terra dello scudo:Per i circuiti di segnale analogo, applicare la messa a terra in un solo punto dello scudo complessivo all'estremità ricevente (in genere il cabinet DCS o PLC).Il filo di scarico di ciascuna coppia protetta deve essere messa a terra nella stessa posizionePer gli ambienti con rumore ad alta frequenza (ad esempio, nei pressi di cavi motori VFD), la messa a terra della treccia di rame ad entrambe le estremità può fornire un'attenuazione aggiuntiva.ma questo deve essere verificato mediante misurazioni per garantire che non vengano introdotte correnti di circuito di terra.
• Pianificazione di espansione futura:Il gruppo di progetto ha raccomandato che il 25% della capacità inutilizzata (larghezza del vassoio dei cavi vuoti e terminali di scatola di giunzione di riserva) venga incorporato in tutti i progetti futuri di installazione dei cavi.il vassoio supplementare installato nell'edificio per mangimi è stato dimensionato con una capacità inutilizzata del 30%, e le caselle di giunzione sono state specificate con il 25% di terminali di ricambio, sulla base del piano di espansione quinquennale dell'impianto.
• Regime di ispezione periodica:È opportuno stabilire un programma di ispezione dei cavi di controllo con i seguenti intervalli: ispezione visiva dei vassoi di cavi accessibili ogni 6 mesi (controllo dei danni meccanici, della contaminazione da olio, della presenza di sostanze nocive).e integrità di supporto)• test di resistenza all'isolamento dei circuiti critici ogni 12 mesi; e indagine di imaging termico delle rotte dei vassoi dei cavi ogni 24 mesi per identificare i punti caldi che possono indicare l'insorgenza di guasti.

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