Der Modellprüfstand für Wasserturbinen spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Wasserkrafttechnologie. Er ist ein wichtiges Instrument zur Verbesserung der Qualität von Wasserkraftprodukten und zur Optimierung der Leistung der Anlagen. Für die Produktion eines jeden Laufrads muss zunächst ein Modelllaufrad entwickelt und durch Simulation der tatsächlichen Fallhöhe des Wasserkraftwerks auf dem Hochdruck-Hydraulikprüfstand getestet werden. Entsprechen alle Daten den Anforderungen der Anwender, kann das Laufrad offiziell produziert werden. Daher verfügen einige ausländische Wasserkraftanlagenhersteller über mehrere Hochdruckprüfstände, um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Beispielsweise verfügt das französische Unternehmen Neyrpic über fünf fortschrittliche, hochpräzise Modellprüfstände; Hitachi und Toshiba verfügen über fünf Modellprüfstände mit einer Fallhöhe von über 50 m. Entsprechend den Produktionsanforderungen hat ein großes Forschungsinstitut für Elektromaschinen einen voll funktionsfähigen und hochpräzisen Hochdruckprüfstand entwickelt, der Modelltests an Rohr-, Misch-, Axial- und reversiblen Hydraulikmaschinen mit einer Fallhöhe von bis zu 150 m durchführen kann. Der Prüfstand ist für Modelltests an vertikalen und horizontalen Anlagen geeignet. Der Prüfstand ist mit zwei Stationen A und B ausgestattet. Wenn Station A in Betrieb ist, wird Station B installiert, was den Prüfzyklus verkürzt. Die beiden Stationen A und B nutzen ein gemeinsames elektrisches Steuerungssystem und ein Prüfsystem. Das elektrische Steuerungssystem basiert auf PROFIBUS als Kern, NAIS fp10sh PLC als Hauptsteuerung und einem IPC (Industrial Control Computer) für die zentrale Steuerung. Das System nutzt Feldbustechnologie für eine fortschrittliche, volldigitale Steuerung, die Zuverlässigkeit, Sicherheit und einfache Wartung gewährleistet. Es handelt sich um ein hochautomatisiertes Prüfsteuerungssystem für Wasserbaumaschinen in China. Aufbau des Steuerungssystems
Der Hochdruckprüfstand besteht aus zwei Pumpenmotoren mit einer Leistung von 550 kW und einem Drehzahlbereich von 250 bis 1100 U/min, die den Wasserfluss in der Rohrleitung auf die vom Benutzer gewünschte Wassersäule beschleunigen und eine gleichmäßige Strömung gewährleisten. Die Parameter des Läufers werden durch den Dynamometer überwacht. Die Motorleistung des Dynamometers beträgt 500 kW, die Drehzahl liegt zwischen 300 und 2300 U/min und an den Stationen A und B befindet sich jeweils ein Dynamometer. Das Funktionsprinzip des Hochdruckprüfstands für Hydraulikmaschinen ist in Abbildung 1 dargestellt. Das System erfordert eine Motorsteuerungsgenauigkeit von weniger als 0,5 % und eine MTBF von mehr als 5000 Stunden. Nach langen Recherchen wurde das Gleichstrom-Drehzahlregelungssystem DCS500 von einem * * *-Unternehmen ausgewählt. DCS500 kann Steuerbefehle auf zwei Arten empfangen. Eine besteht darin, 4 bis 20 mA-Signale zu empfangen, um die Drehzahlanforderungen zu erfüllen; Die zweite Möglichkeit besteht darin, ein PROFIBUS-DP-Modul hinzuzufügen, um den digitalen Empfang zu ermöglichen und so die Geschwindigkeitsanforderungen zu erfüllen. Die erste Methode ist einfach zu steuern und kostengünstig, führt jedoch zu Störungen bei der Stromübertragung und beeinträchtigt die Regelgenauigkeit. Die zweite Methode ist zwar teuer, gewährleistet aber die Datengenauigkeit und Regelgenauigkeit bei der Übertragung. Das System verwendet daher vier DCS500 zur Steuerung von jeweils zwei Dynamometern und zwei Wasserpumpenmotoren. Als PROFIBUS-DP-Slave-Stationen kommunizieren die vier Geräte im Master-Slave-Modus mit der SPS der Master-Station. Die SPS steuert Start und Stopp des Dynamometers und des Wasserpumpenmotors, überträgt die Motordrehzahl über PROFIBUS DP an die DCS500 und erhält von dieser den Motorbetriebszustand und die Motorparameter.
Die SPS wählt das von NAIS Europe hergestellte Modul afp37911 als Masterstation aus, das gleichzeitig FMS- und DP-Protokolle unterstützt. Das Modul ist die Hauptstation des FMS und realisiert die Hauptmoduskommunikation mit IPC und Datenerfassungssystem. Es ist gleichzeitig die DP-Masterstation, die die Master-Slave-Kommunikation mit DCS500 realisiert.
Alle Parameter des Dynamometers werden über die VXI-Bus-Technologie erfasst und auf dem Bildschirm angezeigt (weitere Parameter werden von VXI erfasst). Der IPC ist über FMS mit dem Datenerfassungssystem verbunden, um die Kommunikation zu gewährleisten. Der Aufbau des Gesamtsystems ist in Abbildung 2 dargestellt.
1.1 Feldbus PROFIBUS ist ein Standard, der von 13 Unternehmen und fünf wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen im Rahmen eines gemeinsamen Entwicklungsprojekts entwickelt wurde. Er ist in der europäischen Norm EN50170 aufgeführt und zählt zu den in China empfohlenen industriellen Feldbusstandards. Er umfasst folgende Formen:
PROFIBUS FMS löst allgemeine Kommunikationsaufgaben auf Werkstattebene, bietet eine Vielzahl von Kommunikationsdiensten und erledigt zyklische und nichtzyklische Kommunikationsaufgaben mit mittlerer Übertragungsgeschwindigkeit. Das Profibus-Modul von NAIS unterstützt eine Kommunikationsrate von 1,2 Mbit/s und nicht den zyklischen Kommunikationsmodus. Die Kommunikation mit anderen FMS-Masterstationen erfolgt ausschließlich über MMA (nichtzyklische Datenübertragung, Masterverbindung). Das Modul ist nicht FMS-kompatibel. Daher kann bei der Systemgestaltung nicht nur eine PROFIBUS-Variante verwendet werden.
·PROFIBUS-DP ist eine optimierte Hochgeschwindigkeits- und kostengünstige Kommunikationsverbindung, die für die Kommunikation zwischen automatischen Steuerungssystemen und dezentralen E/A-Geräten konzipiert ist. Da DP und FMS dasselbe Kommunikationsprotokoll verwenden, können sie im selben Netzwerksegment koexistieren. Zwischen NAIS und a, msaz nichtzyklische Datenübertragung Master-Slave-Verbindung kommuniziert die Slave-Station nicht aktiv.
Die eigensichere Übertragungstechnologie PROFIBUS PA wurde speziell für die Prozessautomatisierung entwickelt und realisiert die in IEC 1158-2 spezifizierten Kommunikationsverfahren für Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen und busgespeisten Stationen. Als Übertragungsmedium dient ein geschirmtes Twisted Pair-Kupferkabel. Das Kommunikationsprotokoll ist RS485, die Übertragungsrate beträgt 500 kbit/s. Der Einsatz eines industriellen Feldbusses gewährleistet die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems.
1.2 IPC Industrie-Steuerungscomputer
Der obere Industriesteuerungscomputer verwendet einen Industriesteuerungscomputer von Advantech aus Taiwan mit dem Workstation-Betriebssystem Windows NT4 0. Die Industriekonfigurationssoftware WinCC von Siemens zeigt Informationen zum Betriebszustand des Systems auf einem großen Bildschirm an und stellt Durchfluss und Verstopfungen in der Rohrleitung grafisch dar. Alle Daten werden von der SPS über PROFIBUS übertragen. Der IPC ist intern mit einer speziell für PROFIBUS entwickelten Profiboard-Netzwerkkarte der deutschen Firma Softing ausgestattet. Mit der Konfigurationssoftware von Softing können Netzwerke hergestellt und Netzwerkkommunikationsbeziehungen Cr (Kommunikationsbeziehungen) und Objektverzeichnisse OD (Objektverzeichnis) eingerichtet werden. WINCC wird von Siemens hergestellt. Es unterstützt nur eine direkte Verbindung mit der S5/S7-SPS des Unternehmens und kann mit anderen SPS nur über die von Windows bereitgestellte DDE-Technologie kommunizieren. Softing bietet DDE-Serversoftware zur Realisierung der PROFIBUS-Kommunikation mit WinCC.
1.3 SPS
Als PLC wird Fp10sh der Firma NAIS ausgewählt.
2 Steuerungssystemfunktionen
Neben der Steuerung von zwei Wasserpumpenmotoren und zwei Dynamometern muss das Steuerungssystem auch 28 elektrische Ventile, vier Gewichtsmotoren, acht Ölpumpenmotoren, drei Vakuumpumpenmotoren, vier Ölablasspumpenmotoren und zwei Schmiermagnetventile steuern. Die Durchflussrichtung und der Wasserfluss werden über Ventilschalter gesteuert, um den Prüfanforderungen der Benutzer gerecht zu werden.
2.1 Konstante Förderhöhe
Passen Sie die Drehzahl der Wasserpumpe an: Stabilisieren Sie sie auf einem bestimmten Wert, und die Wassersäule ist zu diesem Zeitpunkt festgelegt. Passen Sie die Drehzahl des Dynamometers auf einen bestimmten Wert an und erfassen Sie relevante Daten, nachdem der Betriebszustand 2 bis 4 Minuten lang stabil war. Während des Tests muss die Wassersäule unverändert bleiben. Eine Codescheibe wird auf den Wasserpumpenmotor gelegt, um die Motordrehzahl zu erfassen, sodass DCS500 eine Regelung bildet. Die Drehzahl der Wasserpumpe wird über die IPC-Tastatur eingegeben.
2.2 konstante Geschwindigkeit
Passen Sie die Geschwindigkeit des Dynamometers an, um ihn auf einem bestimmten Wert zu stabilisieren. Zu diesem Zeitpunkt ist die Geschwindigkeit des Dynamometers konstant. Passen Sie die Pumpengeschwindigkeit auf einen bestimmten Wert an (d. h. die Förderhöhe) und erfassen Sie relevante Daten, nachdem der Betriebszustand 2 bis 4 Minuten lang stabil war. DCS500 bildet einen geschlossenen Regelkreis für die Geschwindigkeit des Dynamometers, um die Geschwindigkeit des Dynamometers zu stabilisieren.
2.3 Runaway-Test
Stellen Sie die Drehzahl des Dynamometers auf einen bestimmten Wert ein und halten Sie sie unverändert. Passen Sie die Drehzahl der Wasserpumpe so an, dass das Ausgangsdrehmoment des Dynamometers nahe Null liegt (unter diesen Betriebsbedingungen dient der Dynamometer der Stromerzeugung und dem elektrischen Betrieb) und erfassen Sie relevante Daten. Während des Tests muss die Drehzahl des Wasserpumpenmotors unverändert bleiben und wird vom DCS500 angepasst.
2.4 Durchflusskalibrierung
Das System ist mit zwei Durchflusskorrekturbehältern zur Kalibrierung des Durchflussmessers ausgestattet. Vor der Kalibrierung ermitteln Sie zunächst den markierten Durchflusswert. Starten Sie dann den Pumpenmotor und regeln Sie dessen Drehzahl kontinuierlich. Beobachten Sie dabei den Durchflusswert. Sobald der Durchflusswert den gewünschten Wert erreicht hat, stabilisieren Sie den Pumpenmotor auf der aktuellen Drehzahl (Wasser zirkuliert in der Kalibrierleitung). Stellen Sie die Schaltzeit des Deflektors ein. Sobald der Betriebszustand stabil ist, schalten Sie das Magnetventil ein, starten Sie die Zeitmessung und leiten Sie gleichzeitig das Wasser in der Leitung zum Korrekturbehälter um. Nach Ablauf der Zeitmessung wird das Magnetventil geschlossen. Das Wasser wird dann wieder in die Kalibrierleitung geleitet. Reduzieren Sie die Drehzahl des Pumpenmotors, stabilisieren Sie ihn auf einer bestimmten Drehzahl und lesen Sie die relevanten Daten ab. Lassen Sie anschließend das Wasser ab und kalibrieren Sie den nächsten Punkt.
2.5 Manuelle / automatische ungestörte Umschaltung
Um die Wartung und Fehlerbehebung des Systems zu erleichtern, ist eine manuelle Tastatur vorgesehen. Der Bediener kann die Ventilfunktion unabhängig über die Tastatur steuern, ohne dass eine Verriegelung erforderlich ist. Das System verfügt über ein NAIS-Remote-E/A-Modul, mit dem die Tastatur an verschiedenen Orten bedient werden kann. Beim manuellen/automatischen Umschalten bleibt der Ventilzustand unverändert.
Das System nutzt eine SPS als Hauptsteuerung, was das System vereinfacht und eine hohe Zuverlässigkeit sowie einfache Wartung gewährleistet. PROFIBUS ermöglicht eine vollständige Datenübertragung, vermeidet elektromagnetische Störungen und sorgt dafür, dass das System die Genauigkeitsanforderungen des Designs erfüllt. Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten ist möglich. Die Flexibilität von PROFIBUS bietet komfortable Voraussetzungen für die Erweiterung des Systems. Das Systemdesign mit dem industriellen Feldbus als Kern wird sich in der industriellen Anwendung durchsetzen.
Veröffentlichungszeit: 17. Februar 2022
