أهمية منصة اختبار نموذج التوربينات الهيدروليكية في تطوير تكنولوجيا الطاقة الكهرومائية

تلعب منصة اختبار نماذج التوربينات الهيدروليكية دورًا هامًا في تطوير تكنولوجيا الطاقة الكهرومائية. فهي تُعدّ من المعدات الأساسية لتحسين جودة منتجات الطاقة الكهرومائية ورفع كفاءة الوحدات. يتطلب إنتاج أي توربين تطوير نموذج أولي له، ثم اختباره بمحاكاة عدادات الضغط الفعلية لمحطة الطاقة الكهرومائية على منصة اختبار الآلات الهيدروليكية ذات الضغط العالي. إذا استوفت جميع البيانات متطلبات المستخدمين، يُمكن إنتاج التوربين رسميًا. لذلك، يمتلك بعض مصنّعي معدات الطاقة الكهرومائية الأجانب عدة منصات اختبار ذات ضغط مائي عالٍ لتلبية احتياجات الوظائف المختلفة. على سبيل المثال، تمتلك شركة نيربيك الفرنسية خمس منصات اختبار نماذج متطورة وعالية الدقة؛ بينما تمتلك شركتا هيتاشي وتوشيبا خمس منصات اختبار نماذج بضغط مائي يزيد عن 50 مترًا. وبناءً على احتياجات الإنتاج، صمّم معهد أبحاث كبير للآلات الكهربائية منصة اختبار ذات ضغط مائي عالٍ كاملة الوظائف وعالية الدقة، قادرة على إجراء اختبارات نماذج على الآلات الهيدروليكية الأنبوبية، والمختلطة التدفق، والمحورية التدفق، والعكسية، حيث يصل الضغط المائي فيها إلى 150 مترًا. يمكن لمنصة الاختبار التكيف مع اختبار نماذج الوحدات الرأسية والأفقية. صُممت المنصة بمحطتين (أ) و(ب). عند تشغيل المحطة (أ)، يتم تركيب المحطة (ب)، مما يُقلل من دورة الاختبار. تشترك المحطتان (أ) و(ب) في نظام تحكم كهربائي ونظام اختبار واحد. يعتمد نظام التحكم الكهربائي على بروتوكول PROFIBUS، ووحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة NAIS fp10sh كوحدة تحكم رئيسية، بينما يُحقق حاسوب التحكم الصناعي (IPC) التحكم المركزي. يستخدم النظام تقنية ناقل البيانات الميداني لتحقيق نمط تحكم رقمي متقدم بالكامل، مما يضمن موثوقية النظام وسلامته وسهولة صيانته. يُعد هذا النظام نظام تحكم لاختبار آلات الريّ بدرجة عالية من الأتمتة في الصين. مكونات نظام التحكم

يتكون جهاز اختبار ضغط الماء العالي من محركي ضخ بقدرة 550 كيلوواط ونطاق سرعة من 250 إلى 1100 دورة في الدقيقة، يعملان على تسريع تدفق الماء في الأنابيب إلى عدادات ضغط الماء المطلوبة من قبل المستخدم، مع الحفاظ على تدفق الماء بسلاسة. تتم مراقبة معلمات المضخة بواسطة مقياس ديناميكي. تبلغ قدرة محرك المقياس الديناميكي 500 كيلوواط، وتتراوح سرعته بين 300 و2300 دورة في الدقيقة، ويوجد مقياس ديناميكي واحد في المحطتين (أ) و(ب). يوضح الشكل 1 مبدأ عمل جهاز اختبار الآلات الهيدروليكية ذات الضغط العالي. يتطلب النظام أن تكون دقة التحكم في المحرك أقل من 0.5% وأن يكون متوسط ​​الوقت بين الأعطال (MTBF) أكبر من 5000 ساعة. بعد بحث مستفيض، تم اختيار نظام تنظيم سرعة التيار المستمر DCS500 من إنتاج شركة * * *. يمكن لنظام DCS500 استقبال أوامر التحكم بطريقتين: الأولى هي استقبال إشارات من 4 إلى 20 مللي أمبير لتلبية متطلبات السرعة؛ الخيار الثاني هو إضافة وحدة PROFIBUS DP للاستقبال الرقمي لتلبية متطلبات السرعة. يتميز الخيار الأول بسهولة التحكم وانخفاض التكلفة، ولكنه قد يُسبب اضطرابات في نقل البيانات ويؤثر على دقة التحكم. أما الخيار الثاني، فرغم ارتفاع تكلفته، إلا أنه يضمن دقة البيانات ودقة التحكم أثناء عملية النقل. لذلك، يعتمد النظام على أربع وحدات DCS500 للتحكم في جهازي قياس عزم الدوران ومحركي مضخة مياه على التوالي. وبصفتها محطات تابعة لـ PROFIBUS DP، تتواصل هذه الأجهزة الأربعة مع وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الرئيسية في وضع رئيسي-تابع. تتحكم وحدة PLC في بدء/إيقاف جهاز قياس عزم الدوران ومحرك مضخة المياه، وترسل سرعة دوران المحرك إلى DCS500 عبر PROFIBUS DP، وتستقبل حالة تشغيل المحرك ومعاييره من DCS500.
يختار نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) وحدة afp37911 من إنتاج شركة NAIS Europe كمحطة رئيسية، تدعم بروتوكولات FMS وDP في آن واحد. تُعد هذه الوحدة المحطة الرئيسية لنظام FMS، حيث تُتيح الاتصال الرئيسي مع نظام IPC ونظام جمع البيانات؛ كما أنها المحطة الرئيسية لبروتوكول DP، التي تُتيح الاتصال الرئيسي-التابع مع نظام DCS500.
سيتم جمع جميع بيانات جهاز قياس القوة وعرضها على الشاشة عبر تقنية ناقل VXI (بينما ستقوم شركة VXI بجمع البيانات الأخرى). يتصل جهاز التحكم الآلي بنظام جمع البيانات عبر نظام إدارة الأسطول لإتمام عملية الاتصال. يوضح الشكل 2 مكونات النظام بالكامل.

1.1 معيار PROFIBUS هو معيار تم تطويره من قبل 13 شركة و5 مؤسسات بحثية علمية ضمن مشروع تطوير مشترك. وقد تم إدراجه في المعيار الأوروبي EN50170، وهو أحد معايير ناقل البيانات الصناعية الموصى بها في الصين. ويتضمن الأشكال التالية:
يُعالج نظام PROFIBUS FMS مهام الاتصال العامة على مستوى ورشة العمل، ويُوفر عددًا كبيرًا من خدمات الاتصال، ويُنجز مهام الاتصال الدورية وغير الدورية بسرعة نقل متوسطة. يدعم مُكوّن PROFIBUS في نظام NAIS معدل اتصال يبلغ 1.2 ميجابت في الثانية، ولا يدعم وضع الاتصال الدوري. يُمكنه التواصل فقط مع محطات FMS الرئيسية الأخرى باستخدام MMA (نقل البيانات غير الدوري، الاتصال الرئيسي)، وهذا المُكوّن غير متوافق مع FMS. لذلك، لا يُمكن الاعتماد على شكل واحد فقط من PROFIBUS في تصميم المخطط.
• PROFIBUS-DP: اتصال عالي السرعة ومنخفض التكلفة مصمم للتواصل بين نظام التحكم الآلي ووحدات الإدخال/الإخراج اللامركزية على مستوى المعدات. نظرًا لأن DP وFMS يعتمدان نفس بروتوكول الاتصال، فيمكنهما التعايش في نفس شريحة الشبكة. بين NAIS وa، msaz: نقل بيانات غير دوري، اتصال رئيسي-تابع، لا تتواصل المحطة التابعة بشكل فعال.
PROFIBUS PA: تقنية نقل بيانات آمنة جوهريًا، مصممة خصيصًا لأتمتة العمليات، وتُحقق إجراءات الاتصال المحددة في معيار IEC 1158-2، وهي مناسبة للأماكن ذات متطلبات السلامة العالية والمحطات التي تعمل عبر ناقل البيانات. وسيط النقل المستخدم في النظام هو زوج أسلاك ملتوية محمي بالنحاس، وبروتوكول الاتصال هو RS485، ومعدل نقل البيانات 500 كيلوبت في الثانية. يضمن استخدام ناقل البيانات الصناعي أمان النظام وموثوقيته.

1.2 حاسوب التحكم الصناعي IPC
يعتمد حاسوب التحكم الصناعي العلوي على حاسوب تحكم صناعي من شركة أدفانتك التايوانية، يعمل بنظام تشغيل محطة عمل ويندوز NT40. ويُستخدم برنامج WinCC الصناعي من شركة سيمنز لعرض معلومات حالة تشغيل النظام على شاشة كبيرة، وتمثيل تدفق الأنابيب وانسداداتها بيانياً. تُنقل جميع البيانات من وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) عبر بروتوكول PROFIBUS. يحتوي الحاسوب على بطاقة شبكة profiboard من إنتاج شركة سوفتينغ الألمانية، وهي مصممة خصيصاً لبروتوكول PROFIBUS. يُمكن إتمام عملية الربط الشبكي، وإنشاء علاقة اتصال (Cr) وقاموس كائنات (OD) من خلال برنامج التكوين المُقدم من سوفتينغ. يُنتج برنامج WinCC من قبل سيمنز، وهو يدعم فقط الاتصال المباشر بوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة S5/S7 الخاصة بالشركة، ولا يمكنه التواصل مع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة الأخرى إلا عبر تقنية DDE المُقدمة من ويندوز. تُوفر شركة سوفتينغ برنامج خادم DDE لتحقيق اتصال PROFIBUS مع برنامج WinCC.

1.3 وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)
تم اختيار شركة Fp10sh التابعة لشركة NAIS كشركة مساهمة عامة.

2 وظائف نظام التحكم
بالإضافة إلى التحكم في محركي مضخة مياه وجهازين لقياس القوة، يتطلب نظام التحكم أيضًا التحكم في 28 صمامًا كهربائيًا، و4 محركات أوزان، و8 محركات مضخات زيت، و3 محركات مضخات تفريغ، و4 محركات مضخات تصريف زيت، وصمامين كهربائيين للتشحيم. ويتم التحكم في اتجاه تدفق المياه وتدفقها عبر مفاتيح الصمامات لتلبية متطلبات اختبار المستخدمين.

2.1 ضغط ثابت
اضبط سرعة مضخة الماء حتى تستقر عند قيمة محددة، مع التأكد من ثبات ضغط الماء في هذه المرحلة. اضبط سرعة جهاز قياس القوة (الدينامومتر) عند قيمة محددة، واجمع البيانات اللازمة بعد استقرار ظروف التشغيل لمدة تتراوح بين دقيقتين وأربع دقائق. خلال الاختبار، يجب الحفاظ على ضغط الماء ثابتًا. يتم وضع قرص بيانات على محرك مضخة الماء لتسجيل سرعة المحرك، مما يسمح لنظام DCS500 بتكوين حلقة تحكم مغلقة. يتم إدخال سرعة مضخة الماء عبر لوحة مفاتيح IPC.

2.2 سرعة ثابتة
اضبط سرعة الدينامومتر حتى تستقر عند قيمة معينة. في هذه المرحلة، تكون سرعة الدينامومتر ثابتة؛ اضبط سرعة المضخة إلى قيمة معينة (أي اضبط الضغط)، واجمع البيانات ذات الصلة بعد استقرار ظروف التشغيل لمدة تتراوح بين دقيقتين وأربع دقائق. يقوم نظام DCS500 بتشكيل حلقة مغلقة لسرعة الدينامومتر لتحقيق استقرارها.

2.3 اختبار الهروب
اضبط سرعة جهاز قياس القوة على قيمة محددة، ثم ثبّتها. اضبط سرعة مضخة الماء بحيث يكون عزم دوران خرج جهاز قياس القوة قريبًا من الصفر (في هذه الحالة، يعمل الجهاز لتوليد الطاقة الكهربائية)، واجمع البيانات اللازمة. خلال الاختبار، يجب أن تبقى سرعة محرك مضخة الماء ثابتة ويتم ضبطها بواسطة نظام التحكم DCS500.

2.4 معايرة التدفق
يحتوي النظام على خزانين لتصحيح التدفق لمعايرة مقياس التدفق. قبل المعايرة، حدد قيمة التدفق المطلوبة، ثم شغّل مضخة الماء واضبط سرعتها باستمرار مع مراقبة قيمة التدفق. عند وصول قيمة التدفق إلى القيمة المطلوبة، ثبّت سرعة المضخة (مع استمرار دوران الماء في خط المعايرة). اضبط زمن تشغيل العاكس. بعد استقرار حالة التشغيل، شغّل الصمام اللولبي وابدأ التوقيت، مع تحويل الماء من خط الأنابيب إلى خزان التصحيح. عند انتهاء زمن التوقيت، افصل الصمام اللولبي، ثم أعد الماء إلى خط المعايرة. خفّض سرعة مضخة الماء وثبّتها، ثم اقرأ البيانات. بعد ذلك، فرّغ الماء وابدأ المعايرة.

2.5 تبديل يدوي / تلقائي بدون انقطاع
لتسهيل صيانة النظام وتصحيح أخطائه، صُممت لوحة مفاتيح يدوية. يستطيع المشغل التحكم في عمل الصمام بشكل مستقل عبر لوحة المفاتيح، دون أي قيود تتعلق بنظام التعشيق. يعتمد النظام على وحدة إدخال/إخراج عن بُعد من نوع NAIS، مما يسمح بتشغيل لوحة المفاتيح من مواقع مختلفة. ويبقى وضع الصمام ثابتًا أثناء التبديل بين الوضعين اليدوي والتلقائي.
يعتمد النظام على وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) كوحدة تحكم رئيسية، مما يُبسط النظام ويضمن موثوقيته العالية وسهولة صيانته. كما يُتيح بروتوكول PROFIBUS نقل البيانات بشكل كامل، ويتجنب التداخل الكهرومغناطيسي، ويُمكّن النظام من تلبية متطلبات الدقة التصميمية. ويُمكن أيضًا مشاركة البيانات بين الأجهزة المختلفة. وتُوفر مرونة بروتوكول PROFIBUS ظروفًا ملائمة لتوسيع النظام. ومن المتوقع أن يُصبح تصميم النظام الذي يعتمد على ناقل البيانات الصناعي (Fieldbus) هو التصميم السائد في التطبيقات الصناعية.