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 Laufrads muss zunächst ein Modelllaufrad entwickelt werden. Dieses kann durch Simulation der tatsächlichen Fallhöhe des Wasserkraftwerks auf einem Hochdruck-Hydraulikprüfstand getestet werden. Entsprechen alle Daten den Anforderungen des Anwenders, kann das Laufrad produziert werden. Einige namhafte Wasserkraftanlagenhersteller im Ausland verfügen daher über mehrere Hochdruckprüfstände, die den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden, wie beispielsweise fünf fortschrittliche, hochpräzise Modellprüfstände des französischen Herstellers Nyrpic; Hitachi und Toshiba verfügen jeweils über fünf Modellprüfstände mit einer Fallhöhe von über 50 m. Ein großes Forschungsinstitut für Elektromaschinen hat einen vollfunktionalen und hochpräzisen Hochdruckprüfstand entwickelt, der Modellprüfungen an Rohr-, Misch-, Axial- und reversiblen Hydraulikmaschinen ermöglicht. Die Fallhöhe kann bis zu 150 m erreichen. Der Prüfstand ist für Modellprüfungen 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, der 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 Hydraulikmaschinen in China. Aufbau des Steuerungssystems
Der Hochdruckprüfstand besteht aus zwei Pumpenmotoren mit einer installierten Leistung von 550 kW und einem Drehzahlbereich von 250 bis 1.100 U/min, um den Wasserfluss in der Rohrleitung auf die vom Benutzer gewünschte Wassersäule zu beschleunigen und eine gleichmäßige Wassersäule aufrechtzuerhalten. Die Parameter des Läufers werden durch den Dynamometer überwacht. Die Motorleistung des Dynamometers beträgt 500 kW und die Drehzahl liegt zwischen 300 und 2.300 U/min. An Station A und Station B befindet sich jeweils ein Dynamometer. Das Prinzip des Hochdruckprüfstands für Hydraulikmaschinen ist in Abb. 1 dargestellt. Das System erfordert eine Motorsteuerungsgenauigkeit von weniger als 0,5 % und eine mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTTF) von mehr als 5.000 Stunden. Nach langer Recherche wurde das Gleichstrom-Drehzahlregelungssystem DCS500 ausgewählt. Das DCS500 kann Steuerbefehle auf zwei Arten empfangen, eine ist der Empfang von 4–20-mA-Signalen, um die Geschwindigkeitsanforderungen zu erfüllen; Die andere Möglichkeit besteht darin, ein PROFIBUS DP-Modul hinzuzufügen, um die Geschwindigkeitsanforderungen durch digitalen Empfang zu erfüllen. Die erste Methode ist einfach und kostengünstig, stört jedoch die aktuelle Übertragung und beeinträchtigt die Regelgenauigkeit. Die zweite Methode ist zwar teurer, kann aber die Datengenauigkeit im Übertragungsprozess und die Regelgenauigkeit sicherstellen. Daher verwendet das System vier DCS500 zur Steuerung von zwei Dynamometern und zwei Wasserpumpenmotoren. Als PROFIBUS DP-Slave-Stationen kommunizieren die vier Geräte im Master-Slave-Modus mit der SPS der Masterstation. Die SPS steuert Start und Stopp des Dynamometers und des Pumpenmotors, überträgt die Motordrehzahl über PROFIBUS DP an das DCS500, erhält den Motorbetriebszustand und die Parameter vom DCS500 und überträgt sie über PROFIBUS FMS an den übergeordneten IPC, um eine Echtzeitüberwachung zu ermöglichen.
Die SPS wählt das von NAIS Europe hergestellte Modul afp37911 als Masterstation aus, das gleichzeitig FMS- und DP-Protokolle unterstützt. Dieses Modul ist die Hauptstation des FMS und kommuniziert im Master-Master-Modus mit IPC und Datenerfassungssystem. Es ist auch eine DP-Masterstation, die die Master-Slave-Kommunikation mit DCS500 ermöglicht.
Das Datenerfassungssystem nutzt die VXI-Bus-Technologie, um verschiedene Parameter des Dynamometers zu erfassen, auf dem großen Bildschirm anzuzeigen und die Ergebnisse in Tabellen und Grafiken darzustellen (dieser Teil wird von anderen Unternehmen übernommen). IPC kommuniziert über FMS mit dem Datenerfassungssystem. Der Aufbau des Gesamtsystems ist in Abb. 2 dargestellt.
1.1 Feldbus PROFIBUS PROFIBUS ist ein Standard, der von 13 Unternehmen wie Siemens und AEC sowie fünf wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen im Rahmen eines gemeinsamen Entwicklungsprojekts entwickelt wurde. Er ist in der europäischen Norm EN50170 aufgeführt und zählt zu den empfohlenen industriellen Feldbusstandards in China. Er umfasst folgende Formen:
PROFIBUS FMS löst allgemeine Kommunikationsaufgaben auf Werkstattebene bietet eine Vielzahl von Kommunikationsdiensten erledigt zyklische und nichtzyklische Kommunikationsaufgaben mit mittlerer Übertragungsgeschwindigkeit. Das Profibus-Modul von NAIS unterstützt eine Kommunikationsrate von 1,2 Mbit/s und keinen zyklischen Kommunikationsmodus es kann nur MMA verwenden nichtzyklische Datenübertragung Masterverbindung Kommunikation mit anderen FMS-Masterstationen und dieses Modul ist nicht mit PROFIBUS FMS eines * * * Unternehmens kompatibel daher kann bei der Schemaentwicklung keine bestimmte PROFIBUS-Form verwendet werden.
PROFIBUS PA – die speziell für die Prozessautomatisierung entwickelte, eigensichere Standard-Übertragungstechnologie – realisiert das in IEC 1158-2 spezifizierte Kommunikationsprotokoll und wird an Orten mit hohen Sicherheitsanforderungen und busgespeisten Stationen eingesetzt. 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 Advantech-Industriesteuerungscomputer aus Taiwan und läuft mit dem Workstation-Betriebssystem Windows NT4.0. Außerdem verwendet er die Industriekonfigurationssoftware WinCC von Siemens. Auf dem großen Bildschirm werden die Betriebsbedingungen und Angebotsinformationen des Systems angezeigt sowie der Rohrleitungsfluss und die Blockierungsbedingungen grafisch dargestellt. Alle Daten werden von der SPS über PROFIBUS übertragen. Der IPC ist intern mit einer Profiboard-Netzwerkkarte der deutschen Firma Softing ausgestattet, die speziell für PROFIBUS entwickelt wurde. Durch die Konfigurationssoftware von Softing können die Vernetzung abgeschlossen, die Netzwerkkommunikationsbeziehung Cr (Kommunikationsbeziehung) und das Objektverzeichnis OD (Objektverzeichnis) eingerichtet werden. WINCC wird von Siemens hergestellt. Es unterstützt nur die direkte Verbindung mit S5/S7-SPS des Unternehmens und kann mit anderen SPS nur über die von Windows bereitgestellte DDE-Technologie kommunizieren. Das Softwareunternehmen bietet DDE-Serversoftware zur Realisierung der PROFIBUS-Kommunikation mit WinCC.
1.2 SPS
Als PLC wird Fp10sh der Firma NAIS ausgewählt.
(2) Steuerungssystemfunktion
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 durch den Ventilschalter gesteuert, um die Testanforderungen der Benutzer zu erfüllen.
2.1 Konstante Förderhöhe: Die Drehzahl der Wasserpumpe wird auf einen bestimmten Wert eingestellt, sodass die Förderhöhe konstant bleibt. Die Drehzahl des Dynamometers wird auf einen bestimmten Wert eingestellt. Nachdem der Betrieb 2–4 Minuten lang stabil war, werden die relevanten Daten erfasst. Während des Tests muss die Förderhöhe unverändert bleiben. Eine Codescheibe am Pumpenmotor erfasst die Motordrehzahl, sodass der DCS500 einen geschlossenen Regelkreis bildet. Die Pumpendrehzahl 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 und die Geschwindigkeit des Dynamometers konstant zu halten. Passen Sie die Pumpengeschwindigkeit auf einen bestimmten Wert an (d. h. die Förderhöhe) und erfassen Sie relevante Daten, nachdem der Betriebszustand 2–4 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. Stellen Sie die Drehzahl der Wasserpumpe so ein, dass das Ausgangsdrehmoment des Dynamometers annähernd Null beträgt (unter diesen Betriebsbedingungen dient der Dynamometer der Stromerzeugung und dem elektrischen Betrieb) und erfassen Sie relevante Daten. Während des Tests muss die Drehzahl des Pumpenmotors konstant sein und vom DCS500 geregelt werden.
2.4 Durchflusskalibrierung
Das System ist mit zwei Durchflusskorrekturbehältern zur Kalibrierung der Durchflussmesser ausgestattet. Vor der Kalibrierung ermitteln Sie zunächst den markierten Durchflusswert, starten dann den Pumpenmotor und regeln dessen Drehzahl kontinuierlich. Achten Sie dabei auf den Durchflusswert. Sobald der Durchflusswert den gewünschten Wert erreicht hat, stabilisieren Sie den Pumpenmotor bei 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 und starten Sie die Zeitmessung. Gleichzeitig leiten Sie das Wasser in der Leitung zum Kalibrierbehälter um. Nach Ablauf der Zeitmessung wird das Magnetventil geschlossen. Das Wasser wird nun zur Kalibrierleitung umgeleitet, und die Drehzahl des Pumpenmotors wird reduziert, um sich bei einer bestimmten Drehzahl zu stabilisieren. 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 Funktion eines bestimmten Ventils unabhängig über die Tastatur steuern, ohne durch die Verriegelung eingeschränkt zu sein. 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 Ventilstatus unverändert.
Das System nutzt eine SPS als Hauptsteuerung, was das System vereinfacht und eine hohe Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit gewährleistet. PROFIBUS ermöglicht eine vollständige Datenübertragung, vermeidet elektromagnetische Störungen und sorgt dafür, dass das System die Anforderungen an die Designgenauigkeit erfüllt. Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten ist möglich. Die Flexibilität von PROFIBUS bietet komfortable Voraussetzungen für Systemerweiterungen. Das auf industriellen Feldbussen basierende Systemdesign wird sich in der industriellen Anwendung durchsetzen.
Veröffentlichungszeit: 24. August 2022
