أهمية منصة اختبار نموذج التوربينات الهيدروليكية في تطوير تكنولوجيا الطاقة الكهرومائية

يلعب نموذج اختبار التوربينات الهيدروليكية دورًا هامًا في تطوير تكنولوجيا الطاقة الكهرومائية. فهو يُعدّ من المعدات الأساسية لتحسين جودة منتجات الطاقة الكهرومائية ورفع كفاءة الوحدات. ولإنتاج أي عجلة، يجب أولًا تطوير نموذج لها، ويمكن اختبار هذا النموذج بمحاكاة مقياس الضغط الفعلي لمحطة الطاقة الكهرومائية على منصة اختبار الآلات الهيدروليكية ذات الضغط العالي. إذا استوفت جميع البيانات متطلبات المستخدم، يُمكن إنتاج العجلة رسميًا. ولذلك، تمتلك بعض الشركات المصنعة لمعدات الطاقة الكهرومائية المعروفة عالميًا العديد من منصات اختبار الضغط العالي التي تلبي احتياجات وظائف متنوعة، مثل خمس منصات اختبار نماذج متطورة وعالية الدقة من شركة nyrpic الفرنسية؛ كما تمتلك كل من شركتي هيتاشي وتوشيبا خمس منصات اختبار نماذج بضغط مائي يزيد عن 50 مترًا. وبناءً على متطلبات الإنتاج، صمم معهد أبحاث كبير للآلات الكهربائية منصة اختبار ضغط مائي عالية الوظائف وعالية الدقة، قادرة على إجراء اختبارات نماذج على الآلات الهيدروليكية الأنبوبية، والتدفق المختلط، والتدفق المحوري، والعكسية. ويصل 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 كامل متقدم، مما يضمن موثوقية النظام وسلامته وسهولة صيانته. يُعد هذا النظام نظام التحكم لاختبار الآلات الهيدروليكية عالي الأتمتة في الصين. مكونات نظام التحكم

يتكون جهاز اختبار ضغط الماء العالي من محركي ضخ بقدرة مركبة 550 كيلوواط وسرعة دوران تتراوح بين 250 و1100 دورة في الدقيقة، وذلك لتسريع تدفق الماء في الأنابيب إلى مقياس ضغط الماء المطلوب من قبل المستخدم، مع ضمان استمرار تدفق الماء بسلاسة. تتم مراقبة معلمات المضخة بواسطة جهاز قياس القوة (الدينامومتر). تبلغ قدرة محرك الدينامومتر 500 كيلوواط، وتتراوح سرعة دورانه بين 300 و2300 دورة في الدقيقة. يوجد دينامومتر واحد في كل من 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 (MTTF) أكبر من 5000 ساعة. بعد بحث مستفيض، تم اختيار نظام التحكم في السرعة DCS500 DC. يستطيع نظام DCS500 استقبال أوامر التحكم بطريقتين: الأولى هي استقبال إشارات 4-20 مللي أمبير لتلبية متطلبات السرعة؛ أما الخيار الآخر فهو إضافة وحدة PROFIBUS DP لتلبية متطلبات السرعة من خلال الاستقبال الرقمي. الطريقة الأولى بسيطة وغير مكلفة، لكنها قد تُسبب تداخلًا في نقل البيانات، مما يؤثر على دقة التحكم. على الرغم من أن الطريقة الثانية مكلفة، إلا أنها تضمن دقة البيانات أثناء عملية النقل ودقة التحكم. لذلك، يستخدم النظام أربع وحدات DCS500 للتحكم في جهازي قياس عزم الدوران ومحركي مضخة مياه على التوالي. وبصفتها محطات تابعة لـ PROFIBUS DP، تتواصل 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 المضخة، وترسل سرعة دوران المحرك إلى DCS500 عبر PROFIBUS DP، وتحصل على حالة تشغيل المحرك ومعاييره من DCS500، ثم ترسلها إلى وحدة التحكم الصناعية (IPC) عبر PROFIBUS FMS لتحقيق المراقبة الآنية.

يختار نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) وحدة afp37911 من إنتاج NAIS Europe كمحطة رئيسية، تدعم بروتوكولات FMS وDP في آن واحد. تُعد هذه الوحدة المحطة الرئيسية لنظام FMS وتتواصل مع نظام IPC ونظام جمع البيانات في وضع رئيسي-رئيسي؛ كما أنها محطة رئيسية لبروتوكول DP، تُتيح اتصالاً رئيسياً-تابعاً مع نظام DCS500.

يستخدم نظام جمع البيانات تقنية ناقل VXI لجمع مختلف معايير الدينامومتر وعرضها على الشاشة الكبيرة، وتشكيل النتائج في جداول ورسوم بيانية (يتم تنفيذ هذا الجزء من قبل شركات أخرى). يتصل نظام التحكم الآلي (IPC) بنظام جمع البيانات عبر نظام إدارة الأسطول (FMS). يوضح الشكل 2 مكونات النظام بالكامل.
1.1 بروتوكول PROFIBUS (ناقل البيانات الميداني): بروتوكول PROFIBUS هو معيار تم تطويره من قبل 13 شركة، من بينها سيمنز وAEC، و5 مؤسسات بحثية علمية ضمن مشروع تطوير مشترك. وقد تم إدراجه في المعيار الأوروبي EN50170، وهو أحد معايير ناقل البيانات الميداني الصناعية الموصى بها في الصين. ويتضمن الأشكال التالية:
• نظام PROFIBUS FMS  يحل مهام الاتصال العامة على مستوى ورشة العمل  يوفر عددًا كبيرًا من خدمات الاتصال  ينجز مهام الاتصال الدورية وغير الدورية بسرعة نقل متوسطة. يدعم مُكوّن Profibus الخاص بـ NAIS معدل اتصال 1.2 ميجابت في الثانية ولا يدعم وضع الاتصال الدوري  يمكنه فقط استخدام MMA  لنقل البيانات غير الدوري  الاتصال الرئيسي  الاتصال مع محطات FMS الرئيسية الأخرى  وهذا المُكوّن غير متوافق مع PROFIBUS FMS الخاص بشركة  لذلك، لا يمكن استخدام أحد أشكال PROFIBUS أثناء تصميم المخطط.
PROFIBUS PA هي تقنية نقل بيانات آمنة جوهريًا، مصممة خصيصًا لأتمتة العمليات، وتُحقق بروتوكول الاتصال المحدد في معيار IEC 1158-2، وتُستخدم في الأماكن ذات متطلبات السلامة العالية والمحطات التي تعمل بنظام ناقل البيانات. وسيط النقل المستخدم في النظام هو زوج ملتوي محمي بالنحاس، وبروتوكول الاتصال هو RS485، ومعدل نقل البيانات 500 كيلوبت في الثانية. يضمن استخدام ناقل البيانات الصناعي سلامة النظام وموثوقيته.
1.2 حاسوب التحكم الصناعي IPC
يعتمد جهاز التحكم الصناعي العلوي على نظام تشغيل محطة العمل Windows NT4.0 من شركة Advantech التايوانية، ويستخدم برنامج WinCC من شركة Siemens. تعرض شاشة كبيرة بيانات التشغيل ومعلومات النظام، بالإضافة إلى عرض رسومي لتدفق خط الأنابيب وحالات الانسداد. تُنقل جميع البيانات بواسطة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) عبر بروتوكول PROFIBUS. يحتوي جهاز التحكم الصناعي على بطاقة شبكة Profiboard من إنتاج شركة Softing الألمانية، وهي مصممة خصيصًا لبروتوكول PROFIBUS. من خلال برنامج التهيئة المقدم من Softing، يُمكن إتمام عملية الربط الشبكي، وإنشاء علاقة اتصال (Cr)، وقائمة الكائنات (OD). برنامج WinCC من إنتاج Siemens، وهو يدعم الاتصال المباشر فقط مع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة S5/S7 من نفس الشركة، ولا يمكنه التواصل مع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة الأخرى إلا عبر تقنية DDE التي يوفرها نظام Windows. توفر شركة البرمجيات برنامج خادم DDE لتحقيق اتصال PROFIBUS مع برنامج WinCC.
١.٣ 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 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 بواسطة مفتاح الصمام لتلبية متطلبات اختبار المستخدمين.
2.1 ضبط مستوى الماء: اضبط سرعة دوران مضخة الماء حتى تثبت عند قيمة معينة، ويكون مستوى الماء ثابتًا في هذه الحالة. اضبط سرعة جهاز قياس القوة (الدينامومتر) عند قيمة معينة. بعد استقرار ظروف التشغيل لمدة تتراوح بين دقيقتين وأربع دقائق، اجمع البيانات ذات الصلة. خلال الاختبار، يجب الحفاظ على مستوى الماء ثابتًا. يتم وضع قرص بيانات على محرك المضخة لتسجيل سرعة المحرك، مما يسمح لنظام DCS500 بتشكيل حلقة تحكم مغلقة. يتم إدخال سرعة مضخة الماء عبر لوحة مفاتيح IPC.
2.2 سرعة ثابتة
اضبط سرعة الدينامومتر لتثبيتها عند قيمة محددة، مع ضمان ثباتها. اضبط سرعة المضخة عند قيمة محددة (أي اضبط الضغط)، واجمع البيانات ذات الصلة بعد استقرار ظروف التشغيل لمدة تتراوح بين دقيقتين وأربع دقائق. يُنشئ نظام DCS500 حلقة تحكم مغلقة لسرعة الدينامومتر لضمان استقرارها.
2.3 اختبار الهروب
اضبط سرعة جهاز قياس القوة على قيمة محددة وحافظ عليها ثابتة. اضبط سرعة مضخة الماء بحيث يكون عزم دوران خرج جهاز قياس القوة صفراً تقريباً (في هذه الحالة، يعمل الجهاز لتوليد الطاقة الكهربائية)، ثم اجمع البيانات اللازمة. خلال الاختبار، يجب أن تكون سرعة محرك المضخة ثابتة ويتم تنظيمها بواسطة نظام التحكم DCS500.
2.4 معايرة التدفق
يحتوي النظام على خزانين لمعايرة عدادات التدفق. قبل المعايرة، حدد قيمة التدفق المطلوبة، ثم شغّل مضخة الماء، واضبط سرعة دورانها باستمرار مع مراقبة قيمة التدفق. عند وصول قيمة التدفق إلى القيمة المطلوبة، ثبّت المضخة على سرعة الدوران الحالية (في هذه الحالة، يدور الماء في أنبوب المعايرة). اضبط وقت تشغيل العاكس. بعد استقرار حالة التشغيل، افتح الصمام اللولبي وابدأ التوقيت. في الوقت نفسه، حوّل الماء من الأنبوب إلى خزان المعايرة. عند انتهاء وقت التوقيت، افصل الصمام اللولبي. عندئذٍ، سيعود الماء إلى أنبوب المعايرة، وتُخفّض سرعة دوران المضخة حتى تستقر عند سرعة معينة. اقرأ البيانات ذات الصلة. ثم فرّغ الماء وعاير النقطة التالية.
2.5 تبديل يدوي / تلقائي بدون انقطاع
لتسهيل صيانة النظام وتصحيح أخطائه، صُممت لوحة مفاتيح يدوية. يستطيع المشغل التحكم في عمل صمام معين بشكل مستقل عبر لوحة المفاتيح دون التقيد 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 دقة التصميم. ويُمكن أيضًا مشاركة البيانات بين الأجهزة المختلفة. وتُوفر مرونة بروتوكول PROFIBUS ظروفًا ملائمة لتوسيع النظام. ومن المتوقع أن يُصبح تصميم النظام القائم على ناقل المجال الصناعي هو التصميم السائد في التطبيقات الصناعية.