Der Modellprüfstand für hydraulische Turbinen spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Wasserkrafttechnologie. Er ist ein wichtiges Gerät zur Verbesserung der Qualität von Wasserkraftprodukten und zur Optimierung der Anlagenleistung. Für die Produktion eines Laufrads muss zunächst ein Modelllaufrad entwickelt und dieses auf einem Hochdruckprüfstand getestet werden, indem die Fallhöhen des Wasserkraftwerks simuliert werden. Entsprechen alle Daten den Anforderungen der Anwender, kann das Laufrad in Produktion gehen. Daher verfügen einige ausländische Hersteller von Wasserkraftanlagen über mehrere Hochdruckprüfstände, um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Beispielsweise besitzt das französische Unternehmen Neyrpic fünf 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 hochpräzisen und vollfunktionsfähigen Hochdruckprüfstand entwickelt, der Modellversuche an Rohr-, Misch-, Axial- und reversiblen Wasserkraftmaschinen mit einer Fallhöhe von bis zu 150 m ermöglicht. Der Prüfstand ist sowohl für vertikale als auch für horizontale Anlagen geeignet. Der Prüfstand ist mit zwei Stationen, A und B, ausgestattet. Während Station A in Betrieb ist, wird Station B installiert, wodurch der Prüfzyklus verkürzt wird. Die Stationen A und B teilen sich ein elektrisches Steuerungs- und Prüfsystem. Das elektrische Steuerungssystem basiert auf PROFIBUS, einer NAIS FP10SH SPS als Hauptsteuerung und einem IPC (Industrie-Steuerungsrechner) für die zentrale Steuerung. Das System nutzt Feldbustechnologie für einen fortschrittlichen, volldigitalen Steuerungsmodus, was Zuverlässigkeit, Sicherheit und einfache Wartung gewährleistet. Es handelt sich um ein hochautomatisiertes Prüfsteuerungssystem für Wasserbaumaschinen in China.
Der Hochdruck-Prüfstand besteht aus zwei Pumpenmotoren mit einer Leistung von 550 kW und einem Drehzahlbereich von 250 bis 1100 U/min. Diese beschleunigen den Wasserfluss in der Rohrleitung auf die vom Anwender geforderten Förderhöhenmesser und gewährleisten einen gleichmäßigen Förderdruck. Die Parameter des Laufrads werden mit einem Dynamometer überwacht. Die Motorleistung des Dynamometers beträgt 500 kW, die Drehzahl liegt zwischen 300 und 2300 U/min. An den Stationen A und B befindet sich jeweils ein Dynamometer. Das Funktionsprinzip des Hochdruck-Prüfstands für hydraulische Maschinen ist in Abbildung 1 dargestellt. Das System erfordert eine Motorsteuerungsgenauigkeit von unter 0,5 % und eine mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von über 5000 Stunden. Nach eingehender Prüfung wurde das DC-Drehzahlregelungssystem DCS500 der Firma *** ausgewählt. Das DCS500 kann Steuerbefehle auf zwei Arten empfangen: Zum einen durch den Empfang von 4- bis 20-mA-Signalen zur Erfüllung der Drehzahlvorgaben; Die zweite Möglichkeit besteht darin, ein PROFIBUS-DP-Modul für den digitalen Empfang hinzuzufügen, um die Geschwindigkeitsanforderungen zu erfüllen. Die erste Methode bietet eine einfache Steuerung und niedrige Kosten, ist jedoch störungsanfällig bei der Stromübertragung und kann die Steuerungsgenauigkeit beeinträchtigen. Die zweite Methode ist zwar teurer, gewährleistet aber die Genauigkeit der Daten und der Steuerung während der Übertragung. Daher verwendet das System vier DCS500-Steuergeräte zur Steuerung von zwei Dynamometern und zwei Wasserpumpenmotoren. Als PROFIBUS-DP-Slave-Stationen kommunizieren die vier Geräte im Master-Slave-Modus mit der Master-SPS. Die SPS steuert Start und Stopp von Dynamometer und Wasserpumpenmotor, überträgt die Motordrehzahl über PROFIBUS DP an die DCS500 und empfängt von diesen den Betriebszustand und die Parameter der Motoren.
Die SPS wählt das von NAIS Europe hergestellte Modul afp37911 als Masterstation aus, das sowohl FMS- als auch DP-Protokolle unterstützt. Das Modul ist die FMS-Hauptstation und realisiert die Hauptkommunikation mit IPC und dem Datenerfassungssystem. Gleichzeitig dient es als DP-Masterstation und ermöglicht die Master-Slave-Kommunikation mit DCS500.
Alle Parameter des Dynamometers werden über die VXI-Bus-Technologie erfasst und auf dem Bildschirm angezeigt (weitere Parameter werden von der Firma VXI erfasst). Die IPC-Schnittstelle ist über das FMS mit dem Datenerfassungssystem verbunden, um die Kommunikation abzuschließen. Der Aufbau des Gesamtsystems ist in Abbildung 2 dargestellt.
1.1 Der Feldbus PROFIBUS ist ein Standard, der von 13 Unternehmen und 5 wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt erarbeitet wurde. Er ist in der europäischen Norm EN 50170 aufgeführt und zählt zu den in China empfohlenen industriellen Feldbusstandards. Er umfasst folgende Formen:
PROFIBUS FMS löst die allgemeinen Kommunikationsaufgaben auf Werkstattebene, bietet zahlreiche Kommunikationsdienste und führt zyklische und nicht-zyklische Kommunikationsaufgaben mit mittlerer Übertragungsgeschwindigkeit durch. Das Profibus-Modul von NAIS unterstützt eine Übertragungsrate von 1,2 Mbit/s und keinen zyklischen Kommunikationsmodus. Es kann nur über MMA (nicht-zyklische Datenübertragung, Masterverbindung) mit anderen FMS-Masterstationen kommunizieren und ist nicht mit FMS kompatibel. Daher kann bei der Systemplanung nicht nur eine PROFIBUS-Variante verwendet werden.
PROFIBUS-DP ist eine optimierte, schnelle und kostengünstige Kommunikationsverbindung für die Kommunikation zwischen automatischen Steuerungssystemen und dezentralen E/A-Schnittstellen auf Geräteebene. Da DP und FMS dasselbe Kommunikationsprotokoll verwenden, können sie im selben Netzwerksegment koexistieren. Zwischen NAIS und a, msaz erfolgt eine nicht-zyklische Datenübertragung über eine Master-Slave-Verbindung, wobei die Slave-Station nicht aktiv kommuniziert.
PROFIBUS PA ist eine eigensichere Übertragungstechnologie nach IEC 1158-2, die speziell für die Prozessautomatisierung entwickelt wurde. Sie realisiert die in IEC 1158-2 spezifizierten Kommunikationsverfahren für Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen und busgespeiste Stationen. Als Übertragungsmedium dient ein geschirmtes Kupfer-Twisted-Pair-Kabel. Das Kommunikationsprotokoll ist RS485, die Datenrate beträgt 500 kbit/s. Der Einsatz eines industriellen Feldbusses gewährleistet die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems.
1.2 IPC Industrie-Steuerungsrechner
Der übergeordnete Industrie-Steuerungsrechner (IPC) ist ein Advantech-Industrie-Steuerungsrechner aus Taiwan mit dem Betriebssystem Windows NT4.0. Die WinCC-Industriekonfigurationssoftware von Siemens dient zur Anzeige der Betriebszustandsinformationen des Systems auf dem Großbildschirm und zur grafischen Darstellung von Rohrleitungsdurchfluss und -blockaden. Alle Daten werden von der SPS über PROFIBUS übertragen. Der IPC ist intern mit einer Profiboard-Netzwerkkarte der Firma Softing (Deutschland) ausgestattet, die speziell für PROFIBUS entwickelt wurde. Mithilfe der von Softing bereitgestellten Konfigurationssoftware wird die Vernetzung hergestellt und die Netzwerkkommunikationsbeziehung Cr (Kommunikationsbeziehung) sowie das Objektwörterbuch OD (Objektwörterbuch) werden eingerichtet. WinCC wird von Siemens hergestellt. Es unterstützt ausschließlich die direkte Verbindung mit S5/S7-SPSen von Siemens und kann mit anderen SPSen nur über die von Windows bereitgestellte DDE-Technologie kommunizieren. Softing stellt die DDE-Serversoftware für die PROFIBUS-Kommunikation mit WinCC bereit.
1.3 SPS
Die Fp10sh der NAIS-Gesellschaft wurde als PLC ausgewählt.
2 Steuerungssystemfunktionen
Das Steuerungssystem regelt neben zwei Wasserpumpenmotoren und zwei Dynamometern auch 28 elektrische Ventile, vier Gewichtsmotoren, acht Ölpumpenmotoren, drei Vakuumpumpenmotoren, vier Ölablasspumpenmotoren und zwei Schmiermagnetventile. Die Durchflussrichtung und der Wasserdurchfluss werden durch die Ventile gesteuert, um die Testanforderungen der Anwender zu erfüllen.
2.1 Konstantdruck
Die Drehzahl der Wasserpumpe wird so eingestellt, dass sie sich auf einem bestimmten Wert stabilisiert und die Förderhöhe konstant ist. Anschließend wird die Drehzahl des Dynamometers auf einen bestimmten Wert eingestellt und die entsprechenden Daten werden nach einer Stabilisierungszeit von 2–4 Minuten erfasst. Während des Tests muss die Förderhöhe konstant gehalten werden. Eine Codierscheibe wird am Wasserpumpenmotor angebracht, um die Motordrehzahl zu erfassen, sodass das DCS500 eine Regelung im geschlossenen Regelkreis realisiert. Die Drehzahl der Wasserpumpe wird über die IPC-Tastatur eingegeben.
2.2 konstante Geschwindigkeit
Stellen Sie die Drehzahl des Dynamometers so ein, dass sie sich auf einem bestimmten Wert stabilisiert. Währenddessen bleibt die Drehzahl konstant. Stellen Sie die Pumpendrehzahl auf einen bestimmten Wert ein (d. h. passen Sie die Förderhöhe an) und erfassen Sie die relevanten Daten, nachdem sich der Betriebszustand für 2–4 Minuten stabilisiert hat. Das DCS500 bildet einen geschlossenen Regelkreis für die Drehzahl des Dynamometers, um diese zu stabilisieren.
2.3 Durchgehenstest
Stellen Sie die Drehzahl des Dynamometers auf einen bestimmten Wert ein und halten Sie diese konstant. Passen Sie die Drehzahl der Wasserpumpe so an, dass das Drehmoment des Dynamometers gegen null tendiert (in diesem Betriebszustand dient das Dynamometer der Stromerzeugung und dem elektrischen Betrieb). Erfassen Sie die relevanten Daten. Während des Tests muss die Drehzahl des Wasserpumpenmotors konstant bleiben und wird über DCS500 geregelt.
2.4 Durchflusskalibrierung
Das System ist mit zwei Durchflusskorrekturbehältern zur Kalibrierung des Durchflussmessers ausgestattet. Vor der Kalibrierung wird zunächst der Sollwert des Durchflusses ermittelt. Anschließend wird die Wasserpumpe gestartet und ihre Drehzahl kontinuierlich angepasst. Dabei ist der Durchflusswert zu überwachen. Sobald der Sollwert erreicht ist, wird die Wasserpumpe mit der aktuellen Drehzahl stabilisiert (das Wasser zirkuliert nun in der Kalibrierleitung). Die Schaltzeit des Umlenkventils wird eingestellt. Nach Erreichen eines stabilen Betriebszustands wird das Magnetventil geöffnet, die Zeitmessung gestartet und gleichzeitig das Wasser in der Leitung in den Korrekturbehälter umgeleitet. Nach Ablauf der Zeit wird das Magnetventil geschlossen. Nun wird das Wasser wieder in die Kalibrierleitung umgeleitet. Die Drehzahl der Wasserpumpe wird reduziert, auf einen bestimmten Wert stabilisiert und die relevanten Daten werden abgelesen. Anschließend wird das Wasser abgelassen und der nächste Messpunkt kalibriert.
2.5 Manuelles/automatisches ungestörtes Umschalten
Zur Vereinfachung der Wartung und Fehlersuche am System ist eine manuelle Tastatur vorgesehen. Der Bediener kann die Ventilfunktion unabhängig über die Tastatur steuern, ohne dass Verriegelungen die Bedienung einschränken. Das System verwendet ein NAIS-Fernbedienungsmodul, wodurch die Tastatur an verschiedenen Standorten bedient werden kann. Der Ventilstatus bleibt beim Umschalten zwischen manuellem und automatischem Betrieb unverändert.
Das System verwendet eine SPS als Hauptsteuerung, was die Systemarchitektur vereinfacht und hohe Zuverlässigkeit sowie einfache Wartung gewährleistet. PROFIBUS ermöglicht die vollständige Datenübertragung, vermeidet elektromagnetische Störungen und erfüllt die Genauigkeitsanforderungen des Designs. Der Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten ist möglich. Die Flexibilität von PROFIBUS bietet optimale Voraussetzungen für die Systemerweiterung. Das Systemdesign mit einem industriellen Feldbus als Kern wird sich als Standard in industriellen Anwendungen etablieren.
Veröffentlichungsdatum: 17. Februar 2022
