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 معدة أساسية لتحسين جودة منتجات الطاقة الكهرومائية وتحسين أداء الوحدات. لإنتاج أي مُشغل، يجب تطوير المُشغل النموذجي أولًا، ويمكن اختبار النموذج من خلال محاكاة عداد الضغط الفعلي لمحطة الطاقة الكهرومائية على منصة اختبار الآلات الهيدروليكية عالية الضغط. إذا استوفت جميع البيانات متطلبات المستخدم، يمكن إنتاج المُشغل رسميًا. لذلك، يمتلك بعض مصنعي معدات الطاقة الكهرومائية المشهورين في الخارج العديد من منصات اختبار الضغط العالي التي تلبي احتياجات وظائف متنوعة، مثل خمسة منصات اختبار نماذج متطورة وعالية الدقة من شركة نيربك الفرنسية؛ ولدى كل من هيتاشي وتوشيبا خمسة منصات اختبار نماذج بارتفاع مائي يزيد عن 50 مترًا. ووفقًا لاحتياجات الإنتاج، صمم معهد كبير لأبحاث الآلات الكهربائية منصة اختبار ضغط الماء العالي بوظائف كاملة ودقة عالية، يمكنها إجراء اختبارات نموذجية على الآلات الهيدروليكية الأنبوبية، والتدفق المختلط، والتدفق المحوري، والقابلة للعكس على التوالي. يمكن أن يصل ارتفاع الماء إلى 150 مترًا. يمكن لمنصة الاختبار التكيف مع اختبار الوحدات الرأسية والأفقية. صُممت المنصة بمحطتين (أ) و(ب). عند تشغيل المحطة (أ)، تُركّب المحطة (ب)، مما يُختصر دورة الاختبار. تشترك المحطتان (أ) و(ب) في نظام تحكم كهربائي ونظام اختبار واحد. يعتمد نظام التحكم الكهربائي على PROFIBUS كنظام أساسي، وNAIS fp10sh PLC كوحدة تحكم رئيسية، بينما يُحقق IPC (حاسوب التحكم الصناعي) تحكمًا مركزيًا. يعتمد النظام على تقنية ناقل المجال لتحقيق وضع التحكم الرقمي الكامل المتقدم، مما يضمن موثوقية النظام وسلامته وسهولة صيانته. إنه نظام تحكم في اختبار الآلات الهيدروليكية عالي الأتمتة في الصين. مكونات نظام التحكم

تتكون منصة اختبار رأس الماء العالي من محركين للمضخة بقوة مثبتة تبلغ 550 كيلو وات ونطاق سرعة دوران يتراوح من 250 إلى 1100 دورة في الدقيقة لتسريع تدفق المياه في خط الأنابيب إلى عداد رأس الماء الذي يحتاجه المستخدم والحفاظ على تشغيل رأس الماء بسلاسة. تتم مراقبة معلمات المشغل بواسطة مقياس القوة. تبلغ قوة محرك مقياس القوة 500 كيلو وات، وتتراوح سرعة الدوران بين 300 و2300 دورة في الدقيقة. يوجد مقياس قوة واحد في المحطة أ والمحطة ب. يظهر مبدأ منصة اختبار الآلات الهيدروليكية ذات الرأس العالي في الشكل 1. يتطلب النظام أن تكون دقة التحكم في المحرك أقل من 0.5٪، وأن يكون متوسط ​​الوقت بين الأعطال (MTTF) أكبر من 5000 ساعة. بعد الكثير من البحث، تم اختيار نظام التحكم في سرعة التيار المستمر DCS500. يمكن لـ DCS500 استقبال أوامر التحكم بطريقتين، إحداهما استقبال إشارات 4-20 مللي أمبير لتلبية متطلبات السرعة؛ الطريقة الأخرى هي إضافة وحدة PROFIBUS DP لتلبية متطلبات السرعة من خلال الاستقبال في الوضع الرقمي. الطريقة الأولى بسيطة ورخيصة، ولكنها ستتداخل مع نقل التيار، مما يؤثر على دقة التحكم؛ على الرغم من أن الوضع الثاني مكلف، إلا أنه يمكن أن يضمن دقة البيانات في عملية النقل ودقة التحكم. لذلك، يستخدم النظام أربعة DCS500 للتحكم في مقياسين للقوة ومحركين لمضخة المياه على التوالي. كمحطة تابعة لـ PROFIBUS DP، تتواصل الأجهزة الأربعة مع PLC للمحطة الرئيسية في وضع رئيسي تابع. يتحكم PLC في بدء / إيقاف مقياس القوة ومحرك المضخة، وينقل سرعة تشغيل المحرك إلى DCS500 من خلال PROFIBUS DP، ويحصل على حالة تشغيل المحرك والمعلمات من DCS500، وينقلها إلى IPC العلوي من خلال PROFIBUS FMS لتحقيق المراقبة في الوقت الفعلي.

يختار جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) وحدة afp37911 من إنتاج شركة NAIS Europe كمحطة رئيسية، تدعم بروتوكولي FMS وDP في آنٍ واحد. تُعد هذه الوحدة المحطة الرئيسية لنظام FMS، وتتواصل مع نظام IPC ونظام جمع البيانات في وضع التحكم الرئيسي؛ كما أنها محطة رئيسية DP، تُحقق اتصالاً رئيسيًا وتابعًا مع DCS500.

يعتمد نظام جمع البيانات على تقنية ناقل VXI لجمع مختلف معلمات مقياس القوة وعرضها على الشاشة الكبيرة، وتحويل النتائج إلى جداول ورسوم بيانية (تُنجز هذه العملية من قِبل شركات أخرى). يتواصل نظام IPC مع نظام جمع البيانات عبر نظام إدارة الطاقة (FMS). يوضح الشكل 2 مكونات النظام بالكامل.
1.1 ناقل المجال PROFIBUS: PROFIBUS هو معيار طورته 13 شركة، منها سيمنز وAEC، و5 مؤسسات بحثية علمية، في مشروع تطوير مشترك. وقد أُدرج في المعيار الأوروبي en50170، وهو أحد معايير ناقل المجال الصناعي الموصى بها في الصين. ويشمل الأشكال التالية:
يُحل نظام PROFIBUS FMS مهام الاتصالات العامة على مستوى الورش، ويوفر عددًا كبيرًا من خدمات الاتصالات، ويُكمل مهام الاتصالات الدورية وغير الدورية بسرعة نقل متوسطة. تدعم وحدة Profibus التابعة لـ NAIS معدل اتصال يبلغ 1.2 ميجابت في الثانية، ولا تدعم وضع الاتصال الدوري، حيث يمكنها فقط استخدام MMA، ونقل البيانات غير الدوري، والاتصال الرئيسي، والاتصال بمحطات FMS الرئيسية الأخرى، وهذه الوحدة غير متوافقة مع نظام PROFIBUS FMS التابع لشركة، وبالتالي، لا يُمكن استخدام أيٍّ من أشكال PROFIBUS أثناء تصميم المخطط.
PROFIBUS PA  هي تقنية نقل بيانات قياسية آمنة جوهريًا، مصممة خصيصًا لأتمتة العمليات، وتُطبّق بروتوكول الاتصال المحدد في المعيار IEC1158-2 ، وتُستخدم في الأماكن ذات متطلبات السلامة العالية والمحطات التي تعمل بالناقل. وسيط النقل المستخدم في النظام هو زوج مجدول محمي بالنحاس، وبروتوكول الاتصال هو RS485 ، ومعدل الاتصال 500 كيلوبت في الثانية. يضمن استخدام ناقل البيانات الميداني الصناعي سلامة النظام وموثوقيته.
1.2 جهاز التحكم الصناعي IPC
يعتمد الكمبيوتر الصناعي للتحكم العلوي على كمبيوتر التحكم الصناعي Advantech من تايوان  يعمل بنظام تشغيل محطة عمل Windows NT4.0  يعتمد برنامج التكوين الصناعي WinCC من Siemens  تعرض الشاشة الكبيرة ظروف التشغيل ومعلومات الاقتباس للنظام، وتعرض بيانياً تدفق خط الأنابيب وظروف الحظر. يتم نقل جميع البيانات بواسطة PLC عبر PROFIBUS. تم تجهيز IPC داخليًا ببطاقة شبكة profiboard التي تنتجها شركة Softing الألمانية، والتي تم تصميمها خصيصًا لـ PROFIBUS. من خلال برنامج التكوين الذي توفره Softing، يمكن إكمال الشبكات، ويمكن إنشاء علاقة اتصال الشبكة Cr (علاقة الاتصال)، ويمكن إنشاء قاموس الكائنات OD (قاموس الكائنات). يتم إنتاج WINCC بواسطة Siemens. إنه يدعم الاتصال المباشر فقط مع S5 / S7 PLC للشركة، ويمكنه التواصل فقط مع PLC الأخرى من خلال تقنية DDE التي توفرها Windows. توفر شركة البرمجيات برنامج خادم DDE لتحقيق اتصال PROFIBUS مع WinCC.
1.3 وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة
تم اختيار شركة Fp10sh التابعة لشركة NAIS كشركة مساهمة عامة.

(2) وظيفة نظام التحكم
بالإضافة إلى التحكم في محركي مضخة مياه ومقياسي قوة، يحتاج نظام التحكم أيضًا إلى التحكم في 28 صمامًا كهربائيًا، و4 محركات وزن، و8 محركات مضخات زيت، و3 محركات مضخات تفريغ، و4 محركات مضخات تفريغ زيت، وصمامين لولبيين للتزييت. يتم التحكم في اتجاه تدفق المياه وتدفقها بواسطة مفتاح الصمام لتلبية متطلبات اختبار المستخدمين.
٢.١ رأس ثابت: اضبط سرعة دوران مضخة الماء: اجعلها مستقرة عند قيمة معينة، بحيث يكون رأس الماء ثابتًا في هذه اللحظة؛ اضبط سرعة مقياس القوة إلى قيمة معينة. بعد استقرار حالة التشغيل لمدة ٢-٤ دقائق، اجمع البيانات ذات الصلة. أثناء الاختبار، يجب الحفاظ على رأس الماء ثابتًا. يُوضع قرص رمز على محرك المضخة لجمع سرعة المحرك، بحيث يُشكل DCS500 وحدة تحكم في حلقة مغلقة. يتم إدخال سرعة مضخة الماء عبر لوحة مفاتيح IPC.
2.2 سرعة ثابتة
اضبط سرعة الدينامومتر لجعله مستقرًا عند قيمة معينة، وتبقى سرعته ثابتة؛ اضبط سرعة المضخة إلى قيمة معينة (أي اضبط رأس المضخة)، وجمع البيانات ذات الصلة بعد استقرار حالة العمل لمدة 2-4 دقائق. يُشكل DCS500 حلقة مغلقة لسرعة الدينامومتر لتثبيت سرعته.
2.3 اختبار الهروب
اضبط سرعة الدينامومتر على قيمة محددة، مع الحفاظ على سرعته ثابتة. اضبط سرعة مضخة الماء بحيث يكون عزم خرج الدينامومتر قريبًا من الصفر (في هذه الحالة، يعمل الدينامومتر لتوليد الطاقة والتشغيل الكهربائي)، واجمع البيانات اللازمة. أثناء الاختبار، يجب أن تكون سرعة محرك المضخة ثابتة ومُنظّمة بواسطة DCS500.
2.4 معايرة التدفق
تم تجهيز النظام بخزانين لتصحيح التدفق لمعايرة عدادات التدفق في النظام. قبل المعايرة، حدد أولاً قيمة التدفق المحددة، ثم ابدأ تشغيل محرك مضخة المياه، واضبط سرعة دوران محرك مضخة المياه باستمرار. في هذا الوقت، انتبه لقيمة التدفق. عندما تصل قيمة التدفق إلى القيمة المطلوبة، اجعل محرك مضخة المياه مستقرًا عند سرعة الدوران الحالية (في هذا الوقت، يدور الماء في خط أنابيب المعايرة). اضبط وقت تبديل العاكس. بعد استقرار حالة العمل، قم بتشغيل صمام الملف اللولبي وبدء التوقيت. في الوقت نفسه، قم بتحويل الماء في خط الأنابيب إلى خزان المعايرة. عندما ينتهي وقت التوقيت، يتم فصل صمام الملف اللولبي. في هذا الوقت، يتم تحويل الماء إلى خط أنابيب المعايرة، ويتم تقليل سرعة دوران محرك مضخة المياه للاستقرار عند سرعة معينة. اقرأ البيانات ذات الصلة. ثم صفي الماء وعاير النقطة التالية.
2.5 التبديل اليدوي / التلقائي دون إزعاج
لتسهيل صيانة النظام وتصحيح أخطائه، صُممت لوحة مفاتيح يدوية. يمكن للمشغل التحكم في عمل صمام معين بشكل مستقل من خلال لوحة المفاتيح دون التقيد بآلية التشغيل المتداخلة. يعتمد النظام على وحدة إدخال/إخراج عن بُعد NAIS، مما يسمح بتشغيل لوحة المفاتيح في أماكن مختلفة. أثناء التبديل اليدوي/التلقائي، تبقى حالة الصمام ثابتة.
يعتمد النظام على وحدة تحكم PLC كوحدة تحكم رئيسية، مما يُبسط النظام ويضمن موثوقيته العالية وسهولة صيانته؛ ويحقق PROFIBUS نقلًا كاملًا للبيانات، ويتجنب التداخل الكهرومغناطيسي، ويلبي متطلبات دقة التصميم؛ ويحقق مشاركة البيانات بين الأجهزة المختلفة؛ وتوفر مرونة PROFIBUS ظروفًا ملائمة لتوسيع النظام. وسيصبح تصميم النظام القائم على ناقل المجال الصناعي هو السائد في التطبيقات الصناعية.