Der Prüfstand für hydraulische Turbinenmodelle spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Wasserkrafttechnologie. Er ist ein wichtiges Instrument zur Verbesserung der Qualität von Wasserkraftprodukten und zur Optimierung der Anlagenleistung. Für die Produktion eines Laufrads muss zunächst ein Modelllaufrad entwickelt werden. Dieses Modell kann auf dem Hochdruckprüfstand getestet werden, indem die tatsächliche Fallhöhe des Wasserkraftwerks simuliert wird. Entsprechen alle Daten den Anforderungen des Nutzers, kann das Laufrad in Serie gefertigt werden. Daher verfügen einige namhafte Hersteller von Wasserkraftanlagen im Ausland über mehrere Hochdruckprüfstände, die den Anforderungen verschiedener Funktionen gerecht werden. Beispielsweise betreibt das französische Unternehmen Nyrpic fünf hochpräzise Modellprüfstände; Hitachi und Toshiba verfügen jeweils über fünf Modellprüfstände mit einer Fallhöhe von über 50 m. Entsprechend den Produktionsanforderungen hat ein großes Forschungsinstitut für Elektromaschinen einen hochpräzisen und voll funktionsfähigen Hochdruckprüfstand entwickelt, der Modellversuche an Rohr-, Misch-, Axial- und reversiblen Wasserkraftmaschinen ermöglicht. Die Fallhöhe kann bis zu 150 m betragen. Der Prüfstand eignet sich für Modellversuche an vertikalen und horizontalen Anlagen. 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-Computer) für die zentrale Steuerung. Das System nutzt Feldbustechnologie für einen fortschrittlichen, volldigitalen Steuerungsmodus, was Zuverlässigkeit, Sicherheit und einfache Wartung gewährleistet. Es handelt sich um das in China am höchsten automatisierte Prüfsteuerungssystem für Hydraulikmaschinen.
Der Hochdruck-Prüfstand besteht aus zwei Pumpenmotoren mit einer installierten Leistung von 550 kW und einem Drehzahlbereich von 250–1100 U/min. Diese beschleunigen den Wasserdurchfluss in der Rohrleitung bis zum vom Anwender geforderten Förderhöhenmesser und gewährleisten einen gleichmäßigen Förderhöhenverlauf. 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 Station A und Station B befindet sich jeweils ein Dynamometer. Das Funktionsprinzip des Hochdruck-Prüfstands für hydraulische Maschinen ist in Abb. 1 dargestellt. Das System erfordert eine Motorsteuerungsgenauigkeit von unter 0,5 % und eine mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTTF) von über 5000 Stunden. Nach eingehender Prüfung wurde das DC-Drehzahlregelungssystem DCS500 ausgewählt. Das DCS500 kann Steuerbefehle auf zwei Arten empfangen: zum einen über 4–20-mA-Signale, um die Drehzahlvorgaben zu erfüllen; Die zweite Möglichkeit besteht darin, ein PROFIBUS-DP-Modul hinzuzufügen, um die Geschwindigkeitsanforderungen durch digitalen Empfang zu erfüllen. Die erste Methode ist einfach und kostengünstig, jedoch kann es zu Störungen in der Stromübertragung kommen, was die Regelgenauigkeit beeinträchtigt. Die zweite Methode ist zwar teurer, gewährleistet aber die Genauigkeit der Datenübertragung und der Regelung. Daher verwendet das System vier DCS500-Steuergeräte zur Ansteuerung 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 Pumpenmotor, überträgt die Motordrehzahl über PROFIBUS DP an die DCS500-Steuergeräte, empfängt den Motorstatus und die Parameter von den DCS500-Steuergeräten und leitet diese über PROFIBUS FMS an die übergeordnete IPC weiter, um eine Echtzeitüberwachung zu ermöglichen.
Die SPS wählt das von NAIS Europe hergestellte Modul afp37911 als Masterstation aus, das sowohl FMS- als auch DP-Protokolle unterstützt. Dieses Modul ist die FMS-Hauptstation und kommuniziert im Master-Master-Modus mit IPC und Datenerfassungssystem. Es fungiert außerdem als DP-Masterstation und ermöglicht die Master-Slave-Kommunikation mit DCS500.
Das Datenerfassungssystem nutzt VXI-Bustechnologie, um verschiedene Parameter des Dynamometers zu erfassen, auf einem Großbildschirm anzuzeigen und die Ergebnisse in Tabellen und Diagrammen darzustellen (dieser Teil wird von anderen Unternehmen realisiert). Die 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 5 wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt entwickelt wurde. Er ist in der europäischen Norm EN 50170 aufgeführt und zählt in China zu den empfohlenen industriellen Feldbusstandards. Er umfasst folgende Formen:
PROFIBUS FMS löst die allgemeinen Kommunikationsaufgaben auf Werkstattebene, bietet eine Vielzahl von Kommunikationsdiensten und führt zyklische und nicht-zyklische Kommunikationsaufgaben mit mittlerer Übertragungsgeschwindigkeit durch. Das Profibus-Modul von NAIS unterstützt eine Kommunikationsrate von 1,2 Mbit/s und keinen zyklischen Kommunikationsmodus. Es kann nur MMA für nicht-zyklische Datenübertragung, Master-Verbindungen und die Kommunikation mit anderen FMS-Masterstationen nutzen. Dieses Modul ist nicht mit PROFIBUS FMS anderer Unternehmen kompatibel. Daher kann bei der Schemaentwicklung nicht dieselbe PROFIBUS-Variante verwendet werden.
PROFIBUS PA ist eine eigensichere Standardübertragungstechnologie, die speziell für die Prozessautomatisierung entwickelt wurde. Sie realisiert das in IEC 1158-2 spezifizierte Kommunikationsprotokoll und wird in Bereichen mit hohen Sicherheitsanforderungen sowie an busgespeisten Stationen eingesetzt. Als Übertragungsmedium dient ein geschirmtes Kupfer-Twisted-Pair-Kabel. Das Kommunikationsprotokoll ist RS485, und die Datenrate beträgt 500 kbit/s. Der Einsatz von Industrie-Feldbussen gewährleistet die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems.
1.2 IPC Industrie-Steuerungsrechner
Der übergeordnete Industrie-Steuerungsrechner (IPC) ist ein Advantech-Industrie-Steuerungsrechner aus Taiwan und läuft mit dem Betriebssystem Windows NT 4.0. Er verwendet die industrielle Konfigurationssoftware WinCC von Siemens. Auf einem großen Bildschirm werden die Betriebsbedingungen und Angebotsinformationen des Systems angezeigt sowie der Rohrleitungsfluss und etwaige Blockierungen 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. Mithilfe der von Softing bereitgestellten Konfigurationssoftware können die Netzwerkverbindung hergestellt, Netzwerkkommunikationsbeziehungen (Cr) und Objektverzeichnisse (OD) eingerichtet werden. WinCC wird von Siemens hergestellt. Es unterstützt ausschließlich die direkte Verbindung mit S5/S7-SPS von Siemens und kann mit anderen SPS nur über die von Windows bereitgestellte DDE-Technologie kommunizieren. Die Softwarefirma stellt eine DDE-Serversoftware zur Verfügung, um die PROFIBUS-Kommunikation mit WinCC zu realisieren.
1,3 SPS
Die Fp10sh der NAIS-Gesellschaft wurde als PLC ausgewählt.
(2) Funktion des Steuerungssystems
Das Steuerungssystem regelt neben zwei Wasserpumpenmotoren und zwei Dynamometern auch 28 elektrische Ventile, vier Gewichtsmotoren, acht Ölpumpenmotoren, drei Vakuumpumpenmotoren, vier Ölförderpumpenmotoren und zwei Schmiermagnetventile. Die Durchflussrichtung und der Wasserdurchfluss werden mittels Ventilschaltern gesteuert, um die Testanforderungen der Anwender zu erfüllen.
2.1 Konstante Förderhöhe: Stellen Sie die Drehzahl der Wasserpumpe auf einen stabilen Wert ein, sodass die Förderhöhe konstant bleibt. Stellen Sie die Drehzahl des Dynamometers auf einen bestimmten Wert ein. Nachdem sich der Betriebszustand 2–4 Minuten lang stabilisiert hat, erfassen Sie die relevanten Daten. Während des Tests muss die Förderhöhe konstant gehalten werden. Eine Codierscheibe am Pumpenmotor erfasst die Motordrehzahl, sodass das DCS500 einen geschlossenen Regelkreis realisiert. Die Drehzahl der Wasserpumpe wird über die IPC-Tastatur eingegeben.
2.2 konstante Geschwindigkeit
Die Drehzahl des Dynamometers wird so eingestellt, dass sie sich auf einem bestimmten Wert stabilisiert und konstant bleibt. Anschließend wird die Pumpendrehzahl auf einen bestimmten Wert eingestellt (d. h. die Förderhöhe angepasst). Nach 2–4 Minuten, in denen sich der Betriebszustand stabilisiert hat, werden die entsprechenden Daten erfasst. 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 sie konstant. Stellen Sie die Drehzahl der Wasserpumpe so ein, dass das Drehmoment des Dynamometers annähernd null ist (in diesem Betriebszustand dient das Dynamometer der Stromerzeugung und dem elektrischen Betrieb). Erfassen Sie die relevanten Daten. Während des Tests muss die Drehzahl des Pumpenmotors konstant sein und wird vom DCS500 geregelt.
2.4 Durchflusskalibrierung
Das System ist mit zwei Durchflusskorrekturbehältern zur Kalibrierung der Durchflussmesser 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 auf die aktuelle Drehzahl gebracht (das Wasser zirkuliert nun in der Kalibrierleitung). Die Schaltzeit des Umlenkventils wird eingestellt. Nach Erreichen des stabilen Betriebszustands wird das Magnetventil geöffnet und die Zeitmessung gestartet. Gleichzeitig wird das Wasser in der Leitung in den Kalibrierbehälter geleitet. Nach Ablauf der Zeit wird das Magnetventil geschlossen. Nun fließt das Wasser wieder in die Kalibrierleitung, und die Drehzahl der Wasserpumpe wird auf einen bestimmten Wert reduziert und stabilisiert. Die entsprechenden 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 Funktion einzelner Ventile unabhängig voneinander über die Tastatur steuern, ohne durch die Verriegelung eingeschränkt zu sein. Das System verwendet ein NAIS-Fern-I/O-Modul, 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 und Wartungsfreundlichkeit gewährleistet. PROFIBUS ermöglicht die vollständige Datenübertragung, vermeidet elektromagnetische Störungen und erfüllt die Anforderungen an die Systemgenauigkeit. Der Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten ist möglich. Die Flexibilität von PROFIBUS bietet komfortable Voraussetzungen für eine Systemerweiterung. Das auf industriellen Feldbussen basierende Systemdesign wird sich als Standard in industriellen Anwendungen etablieren.
Veröffentlichungsdatum: 24. August 2022
