تطوير وبحث نظام التحكم في سرعة التوربينات الهيدروليكية باستخدام وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC).

1. مقدمة
يُعد منظم سرعة التوربين أحد أهم جهازي التحكم في وحدات الطاقة الكهرومائية. فهو لا يقتصر دوره على تنظيم السرعة فحسب، بل يتعداه إلى التحكم في ظروف التشغيل المختلفة، بما في ذلك التردد والطاقة وزاوية الطور، بالإضافة إلى حماية دولاب الماء في مجموعة المولدات. وقد مرّت منظمات سرعة التوربين بثلاث مراحل تطويرية: المنظمات الهيدروليكية الميكانيكية، والمنظمات الكهروهيدروليكية، والمنظمات الهيدروليكية الرقمية المُحوسبة. وفي السنوات الأخيرة، تم إدخال وحدات التحكم القابلة للبرمجة في أنظمة التحكم بسرعة التوربين، والتي تتميز بقدرة عالية على مقاومة التداخل وموثوقية فائقة، بالإضافة إلى سهولة البرمجة والتشغيل، وبنية معيارية، وتعدد استخدامات ومرونة، وسهولة الصيانة. كما تتميز هذه الوحدات بوظائف تحكم قوية وقدرة تشغيل عالية، وقد أثبتت فعاليتها عمليًا.
تقترح هذه الورقة البحثية نظام ضبط مزدوج لتوربينات المياه باستخدام وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، حيث تُستخدم هذه الوحدة لتحقيق الضبط المزدوج لريشة التوجيه والمجداف، مما يُحسّن دقة التنسيق بينهما عند مستويات ضغط مائي مختلفة. وقد أظهرت التجارب العملية أن نظام التحكم المزدوج يُحسّن معدل استغلال طاقة المياه.

2. نظام تنظيم التوربينات

2.1 نظام تنظيم التوربين
تتمثل المهمة الأساسية لنظام التحكم في سرعة التوربين في تغيير فتح ريش التوجيه للتوربين وفقًا لذلك، من خلال المنظم، عند تغير حمل نظام الطاقة وانحراف سرعة دوران الوحدة، وذلك للحفاظ على سرعة دوران التوربين ضمن النطاق المحدد، وبالتالي ضمان تشغيل وحدة المولد. وتلبية القدرة الناتجة والتردد لمتطلبات المستخدم. ويمكن تقسيم المهام الأساسية لتنظيم التوربين إلى تنظيم السرعة، وتنظيم القدرة الفعالة، وتنظيم مستوى الماء.

2.2 مبدأ تنظيم التوربينات
وحدة توليد الطاقة الكهرومائية هي وحدة تتكون من توصيل توربين مائي ومولد كهربائي. الجزء الدوار من مجموعة توليد الطاقة الكهرومائية هو جسم صلب يدور حول محور ثابت، ويمكن وصف معادلته بالمعادلة التالية:

في الصيغة
——عزم القصور الذاتي للجزء الدوار من الوحدة (كجم م2)
——السرعة الزاوية الدورانية (راديان/ثانية)
——عزم دوران التوربين (نيوتن/متر)، بما في ذلك الخسائر الميكانيكية والكهربائية للمولد.
——عزم مقاومة المولد، والذي يشير إلى عزم الدوران المؤثر لجزء المولد الثابت على الجزء الدوار، ويكون اتجاهه معاكساً لاتجاه الدوران، ويمثل خرج الطاقة الفعالة للمولد، أي حجم الحمل.

عند تغير الحمل، تبقى فتحة ريشة التوجيه ثابتة، ويمكن تثبيت سرعة الوحدة عند قيمة معينة. ولأن السرعة ستنحرف عن القيمة المقننة، فإن الاعتماد على قدرة الضبط الذاتي للتوازن غير كافٍ للحفاظ على السرعة. وللحفاظ على سرعة الوحدة عند قيمتها المقننة الأصلية بعد تغير الحمل، يتضح من الشكل 1 أنه من الضروري تغيير فتحة ريشة التوجيه تبعًا لذلك. فعند انخفاض الحمل، وعندما يتغير عزم المقاومة من 1 إلى 2، تُخفَّض فتحة ريشة التوجيه إلى 1، وتُحافظ الوحدة على سرعتها. وبالتالي، مع تغير الحمل، تتغير فتحة آلية توجيه الماء تبعًا لذلك، بحيث تُحافظ وحدة المولد الكهرومائي على سرعة محددة مسبقًا، أو تتغير وفقًا لقانون محدد مسبقًا. تُعرف هذه العملية بضبط سرعة وحدة المولد الكهرومائي، أو تنظيم التوربين.

3. نظام ضبط مزدوج لتوربينات هيدروليكية PLC
يُستخدم منظم سرعة التوربين للتحكم في فتح ريش توجيه الماء لضبط تدفق الماء إلى دولاب التوربين، وبالتالي تغيير عزم الدوران الديناميكي للتوربين والتحكم في تردد وحدة التوربين. مع ذلك، أثناء تشغيل توربين المجداف الدوار ذي التدفق المحوري، لا يقتصر دور المنظم على ضبط فتح ريش التوجيه فحسب، بل يشمل أيضًا ضبط زاوية شفرات دولاب التوربين وفقًا لشوط وقيمة ضغط الماء لتابع ريش التوجيه، بحيث يكون هناك ترابط وتنسيق بين ريش التوجيه ودولاب التوربين، مما يُحسّن كفاءة التوربين، ويقلل من تجويف الشفرات واهتزاز الوحدة، ويعزز استقرار تشغيل التوربين.
يتكون نظام التحكم في ريش التوربينات بواسطة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بشكل أساسي من جزأين، هما وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ونظام المؤازرة الهيدروليكي. لنبدأ بمناقشة بنية وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة.

3.1 وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)
يتكون جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بشكل أساسي من وحدة إدخال، ووحدة تحكم أساسية، ووحدة إخراج. تتألف وحدة الإدخال من وحدة تحويل تناظري/رقمي ووحدة إدخال رقمية، بينما تتألف وحدة الإخراج من وحدة تحويل رقمي/تناظري ووحدة إدخال رقمية. يُجهز جهاز التحكم بشاشة عرض رقمية LED لمراقبة معلمات النظام PID، وموضع مُتابع الريشة، وموضع مُتابع ريشة التوجيه، وقيمة ضغط الماء في الوقت الفعلي. كما يُوفر مقياس فولت تناظري لمراقبة موضع مُتابع الريشة في حال تعطل وحدة التحكم.

3.2 نظام المتابعة الهيدروليكي
يُعدّ نظام المؤازرة الهيدروليكي جزءًا أساسيًا من نظام التحكم في ريش التوربين. تُضخّم إشارة خرج وحدة التحكم هيدروليكيًا للتحكم في حركة تابع الريشة، وبالتالي ضبط زاوية شفرات الدوّار. اعتمدنا نظام تحكم هيدروليكي متوازيًا، يتألف من صمام تناسبي وصمام ضغط رئيسي، ونظام تحكم هيدروليكي تقليدي، كما هو موضح في الشكل 2. نظام التتبع الهيدروليكي لشفرات التوربين.

نظام متابعة هيدروليكي لشفرات التوربينات
عندما يكون كل من وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) والصمام النسبي الكهروهيدروليكي ومستشعر الموضع في حالة طبيعية، تُستخدم طريقة التحكم النسبي الكهروهيدروليكي لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة لضبط نظام ريش التوربين. تُنقل قيمة التغذية الراجعة للموضع وقيمة خرج التحكم عبر إشارات كهربائية، وتقوم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بتوليف هذه الإشارات ومعالجتها واتخاذ القرار بشأنها، وذلك لضبط فتحة صمام توزيع الضغط الرئيسي من خلال الصمام النسبي للتحكم في موضع تابع الريشة، والحفاظ على العلاقة التعاونية بين ريشة التوجيه ورأس الماء والريشة. يتميز نظام ريش التوربين الذي يتم التحكم فيه بواسطة الصمام النسبي الكهروهيدروليكي بدقة تآزر عالية، وبنية نظام بسيطة، ومقاومة عالية لتلوث الزيت، كما أنه سهل الربط مع وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة لتشكيل نظام تحكم آلي حاسوبي صغير.

بفضل آلية الربط الميكانيكية، تعمل هذه الآلية في وضع التحكم النسبي الكهروهيدروليكي بشكل متزامن لتتبع حالة تشغيل النظام. في حال تعطل نظام التحكم النسبي الكهروهيدروليكي المبرمج (PLC)، سيعمل صمام التحويل فورًا، وتستطيع آلية الربط الميكانيكية تتبع حالة تشغيل النظام بشكل أساسي. عند التحويل، يكون تأثير العملية على النظام ضئيلاً، وينتقل نظام الريش بسلاسة إلى وضع التحكم بالربط الميكانيكي، مما يضمن موثوقية تشغيل النظام بشكل كبير.

عند تصميم الدائرة الهيدروليكية، أعدنا تصميم جسم صمام التحكم الهيدروليكي، مع مراعاة أبعاد جسم الصمام وغلافه، وأبعاد وصلة جسم الصمام بصمام الضغط الرئيسي، بينما بقيت أبعاد قضيب التوصيل الميكانيكي بين الصمام الهيدروليكي وصمام توزيع الضغط الرئيسي مطابقةً للأصل. لا يتطلب التركيب سوى استبدال جسم الصمام الهيدروليكي فقط، دون الحاجة إلى تغيير أي أجزاء أخرى. يتميز نظام التحكم الهيدروليكي ببنية مدمجة للغاية. وبالاعتماد الكامل على آلية التآزر الميكانيكية، أُضيفت آلية تحكم تناسبية كهروهيدروليكية لتسهيل الربط مع وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) لتحقيق تحكم رقمي تآزري وتحسين دقة تنسيق نظام ريش التوربين. كما أن عملية تركيب النظام وضبطه سهلة للغاية، مما يقلل من وقت توقف وحدة التوربين الهيدروليكي، ويسهل تحويل نظام التحكم الهيدروليكي للتوربين، ويحقق قيمة عملية عالية. أثناء التشغيل الفعلي في الموقع، حظي النظام بتقدير كبير من قبل المهندسين والفنيين في محطة الطاقة، ويعتقد أنه يمكن تعميمه وتطبيقه في نظام المؤازرة الهيدروليكي لمنظم العديد من محطات الطاقة الكهرومائية.

3.3 بنية برمجيات النظام وطريقة التنفيذ
في نظام ريش التوربين المُتحكم به بواسطة وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، تُستخدم طريقة التآزر الرقمي لتحقيق علاقة التآزر بين ريش التوجيه، وضغط الماء، وفتح الريش. بالمقارنة مع طريقة التآزر الميكانيكية التقليدية، تتميز طريقة التآزر الرقمي بسهولة ضبط المعلمات، وسهولة التصحيح والصيانة، ودقة الربط العالية. يتكون الهيكل البرمجي لنظام التحكم في الريش بشكل أساسي من برنامج وظيفة ضبط النظام، وبرنامج خوارزمية التحكم، وبرنامج التشخيص. فيما يلي، نناقش طرق تنفيذ الأجزاء الثلاثة المذكورة من البرنامج. يتضمن برنامج وظيفة الضبط بشكل أساسي روتينًا فرعيًا للتآزر، وروتينًا فرعيًا لبدء الريشة، وروتينًا فرعيًا لإيقاف الريشة، وروتينًا فرعيًا لتخفيف الحمل عن الريشة. عند تشغيل النظام، يقوم أولًا بتحديد حالة التشغيل الحالية وتقييمها، ثم يبدأ تشغيل مفتاح البرنامج، وينفذ روتين وظيفة الضبط المناسب، ويحسب قيمة الموضع المُعطاة لتابع الريشة.
(1) روتين فرعي للارتباط
من خلال اختبار نموذج وحدة التوربين، يمكن الحصول على مجموعة من النقاط المقاسة على سطح الوصلة. تُصنع كامة الوصلة الميكانيكية التقليدية بناءً على هذه النقاط، كما تستخدم طريقة الوصلة الرقمية هذه النقاط لرسم مجموعة من منحنيات الوصلة. باختيار النقاط المعروفة على منحنى الارتباط كعقد، واعتماد طريقة الاستيفاء الخطي القطعي للدالة الثنائية، يمكن الحصول على قيمة الدالة للنقاط غير العقدية على هذا الخط من منحنى الارتباط.
(2) روتين بدء تشغيل الريشة
إن الغرض من دراسة قانون بدء التشغيل هو تقصير وقت بدء تشغيل الوحدة، وتقليل حمل محمل الدفع، وخلق ظروف ربط الشبكة لوحدة المولد.
(3) روتين إيقاف الريشة
قواعد إغلاق الريش هي كالتالي: عندما يتلقى جهاز التحكم أمر الإيقاف، تُغلق الريش وريش التوجيه في نفس الوقت وفقًا للعلاقة التعاونية لضمان استقرار الوحدة: عندما تكون فتحة ريشة التوجيه أقل من فتحة عدم التحميل، تتأخر الريش. عندما تُغلق ريشة التوجيه ببطء، لا تعود العلاقة التعاونية بين الريشة وريشة التوجيه قائمة؛ عندما تنخفض سرعة الوحدة إلى أقل من 80% من السرعة المقدرة، تُعاد فتح الريشة إلى زاوية البداية Φ0، لتكون جاهزة للتشغيل التالي.
(4) روتين فرعي لرفض حمل الشفرة
يعني فصل الحمل فصل الوحدة المحمّلة فجأةً عن شبكة الكهرباء، مما يُعرّض الوحدة ونظام تحويل المياه لحالة تشغيل غير مستقرة، وهو ما يؤثر بشكل مباشر على سلامة محطة توليد الطاقة والوحدة. عند فصل الحمل، يعمل منظم السرعة كجهاز حماية، حيث يُغلق ريش التوجيه والريش الأخرى فورًا حتى تنخفض سرعة الوحدة إلى ما يقارب السرعة المقننة. لذلك، في عملية فصل الحمل الفعلية، تُفتح الريش عادةً بزاوية معينة. تُحدد هذه الزاوية من خلال اختبار فصل الحمل في محطة توليد الطاقة الفعلية. يضمن ذلك أنه عند فصل الحمل، لا يكون ارتفاع السرعة طفيفًا فحسب، بل تكون الوحدة مستقرة نسبيًا أيضًا.

4. الخاتمة
بالنظر إلى الوضع التقني الحالي لصناعة منظمات سرعة التوربينات الهيدروليكية في بلادنا، تتناول هذه الورقة البحثية المعلومات الحديثة في مجال التحكم بسرعة التوربينات الهيدروليكية محليًا وعالميًا، وتُطبّق تقنية وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) للتحكم بسرعة مجموعة مولدات التوربينات الهيدروليكية. تُعدّ وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) جوهر نظام التنظيم المزدوج للتوربينات الهيدروليكية ذات التدفق المحوري من نوع المجداف. يُظهر التطبيق العملي أن هذا النظام يُحسّن بشكل كبير دقة التنسيق بين ريشة التوجيه والريشة الرئيسية في ظل ظروف مختلفة لارتفاع الماء، كما يُحسّن معدل استغلال طاقة الماء.