Le banc d'essai de turbines hydrauliques joue un rôle crucial dans le développement de la technologie hydroélectrique. Il s'agit d'un équipement essentiel pour améliorer la qualité des produits hydroélectriques et optimiser les performances des unités. La production de toute roue nécessite au préalable le développement d'une roue modèle et son essai sur un banc d'essai hydraulique haute pression, en simulant les hauteurs de chute réelles d'une centrale hydroélectrique. Si toutes les données satisfont aux exigences des utilisateurs, la production de la roue peut alors commencer. C'est pourquoi certains fabricants étrangers d'équipements hydroélectriques disposent de plusieurs bancs d'essai haute pression afin de répondre aux besoins des différentes applications. Par exemple, la société française Neyrpic possède cinq bancs d'essai de haute précision ; Hitachi et Toshiba en possèdent cinq avec une hauteur de chute supérieure à 50 m. En fonction des besoins de production, un important institut de recherche en machines électriques a conçu un banc d'essai haute pression complet et de haute précision, capable de réaliser des essais sur des turbines tubulaires, à flux mixte, axiales et réversibles, avec une hauteur de chute pouvant atteindre 150 m. Ce banc d'essai est adapté aux essais sur des unités verticales et horizontales. Le banc d'essai est conçu avec deux stations, A et B. Lorsque la station A est en fonctionnement, la station B est installée, ce qui permet de raccourcir le cycle de test. Les stations A et B partagent un même système de commande électrique et un même système de test. Le système de commande électrique repose sur PROFIBUS, avec un automate programmable NAIS FP10SH comme contrôleur principal et un PC industriel (ordinateur de contrôle industriel) pour la gestion centralisée. Le système utilise la technologie de bus de terrain pour une gestion entièrement numérique avancée, garantissant ainsi sa fiabilité, sa sécurité et sa facilité de maintenance. Il s'agit d'un système de contrôle de test de machines hydrauliques hautement automatisé, une première en Chine.
Le banc d'essai de haute pression hydraulique est composé de deux moteurs de pompe d'une puissance de 550 kW et d'une plage de vitesse de 250 à 1100 tr/min. Ces moteurs accélèrent le débit d'eau dans la conduite jusqu'aux manomètres requis par l'utilisateur et assurent un débit constant. Les paramètres de la pompe sont contrôlés par un dynamomètre. Ce dernier, d'une puissance de 500 kW et d'une vitesse de rotation comprise entre 300 et 2300 tr/min, est installé aux stations A et B. Le principe de fonctionnement du banc d'essai de machines hydrauliques de haute pression est illustré à la figure 1. Le système exige une précision de commande moteur inférieure à 0,5 % et un MTBF supérieur à 5000 heures. Après de nombreuses recherches, le système de régulation de vitesse CC DCS500, produit par la société * * *, a été sélectionné. Le DCS500 peut recevoir les commandes de deux manières : soit par des signaux de 4 à 20 mA pour répondre aux exigences de vitesse ; La seconde solution consiste à ajouter un module PROFIBUS DP pour la réception en mode numérique afin de répondre aux exigences de vitesse. La première méthode, simple et économique, est cependant sujette aux perturbations lors de la transmission du courant, ce qui affecte la précision du contrôle. Bien que plus onéreuse, la seconde méthode garantit la précision des données et du contrôle pendant la transmission. Le système utilise donc quatre DCS500 pour contrôler respectivement deux dynamomètres et deux moteurs de pompe à eau. Fonctionnant en mode esclave PROFIBUS DP, ces quatre appareils communiquent avec l'automate programmable (PLC) maître. Ce dernier contrôle le démarrage et l'arrêt des dynamomètres et des moteurs de pompe à eau, transmet la vitesse de rotation des moteurs aux DCS500 via PROFIBUS DP et reçoit de ces derniers l'état de fonctionnement et les paramètres des moteurs.
L'automate programmable sélectionne le module AFP37911 de NAIS Europe comme station maître, compatible avec les protocoles FMS et DP. Ce module constitue la station principale FMS, assurant la communication principale avec l'IPC et le système d'acquisition de données ; il sert également de station maître DP, permettant la communication maître-esclave avec le DCS500.
Tous les paramètres du dynamomètre seront collectés et affichés à l'écran via la technologie VXI Bus (les autres paramètres seront collectés par la société VXI). L'IPC se connecte au système d'acquisition de données via FMS pour assurer la communication. La composition du système complet est illustrée à la figure 2.
1.1 Le bus de terrain PROFIBUS est une norme élaborée conjointement par 13 entreprises et 5 instituts de recherche scientifique. Elle est répertoriée dans la norme européenne EN 50170 et figure parmi les normes de bus de terrain industriels recommandées en Chine. Elle comprend les formats suivants :
PROFIBUS FMS résout les problèmes de communication généraux au niveau de l'atelier, offre de nombreux services de communication et assure les communications cycliques et non cycliques à vitesse de transmission moyenne. Le module PROFIBUS de NAIS supporte un débit de 1,2 Mbit/s et ne prend pas en charge le mode de communication cyclique. Il peut uniquement communiquer avec d'autres stations maîtres FMS via MMA (transmission de données non cyclique – connexion maître) et n'est pas compatible avec les systèmes FMS. Par conséquent, une seule configuration PROFIBUS ne peut être utilisée dans la conception du système.
PROFIBUS-DP, une connexion de communication optimisée, rapide et économique, est conçue pour la communication entre un système de contrôle automatique et les E/S décentralisées au niveau de l'équipement. Comme DP et FMS utilisent le même protocole de communication, ils peuvent coexister sur le même segment de réseau. Entre NAIS et a, msaz : transmission de données non cyclique ; connexion maître-esclave ; la station esclave ne communique pas activement.
PROFIBUS PA est une technologie de transmission à sécurité intrinsèque standard, spécialement conçue pour l'automatisation des processus. Elle met en œuvre les procédures de communication spécifiées dans la norme IEC 1158-2 pour les environnements exigeant une sécurité maximale et les stations alimentées par le bus. Le support de transmission utilisé est une paire torsadée blindée en cuivre, le protocole de communication est RS485 et le débit est de 500 kbit/s. L'utilisation de ce bus de terrain industriel garantit la sécurité et la fiabilité du système.
1.2 Ordinateur de contrôle industriel IPC
L'ordinateur de contrôle industriel supérieur utilise un système Advantech (Taiwan) fonctionnant sous Windows NT4.0. Le logiciel de configuration industrielle WinCC de Siemens permet d'afficher les informations de fonctionnement du système sur un grand écran et de représenter graphiquement le flux et les obstructions dans les canalisations. Toutes les données sont transmises de l'automate programmable via PROFIBUS. L'ordinateur est équipé d'une carte réseau Profiboard de Softing (Allemagne), spécialement conçue pour PROFIBUS. Le logiciel de configuration fourni par Softing permet la mise en réseau, l'établissement des relations de communication (Cr) et du dictionnaire d'objets (OD). WINCC, produit par Siemens, prend uniquement en charge la connexion directe avec les automates programmables S5/S7 de la société et communique avec les autres automates via la technologie DDE de Windows. Softing fournit le serveur DDE pour assurer la communication PROFIBUS avec WinCC.
1.3 Automate programmable
Le Fp10sh de la société NAIS est sélectionné comme PLC.
2 fonctions du système de contrôle
Outre la commande de deux moteurs de pompe à eau et de deux dynamomètres, le système de contrôle doit également gérer 28 électrovannes, 4 moteurs de poids, 8 moteurs de pompe à huile, 3 moteurs de pompe à vide, 4 moteurs de pompe de vidange d'huile et 2 électrovannes de lubrification. Le sens et le débit de l'eau sont contrôlés par la commutation des vannes afin de répondre aux exigences de test des utilisateurs.
2.1 pression constante
Réglez la vitesse de la pompe à eau : stabilisez-la à une valeur donnée, la hauteur manométrique étant alors constante. Réglez ensuite la vitesse du dynamomètre à une valeur précise et collectez les données pertinentes après 2 à 4 minutes de stabilisation. Durant l'essai, la hauteur manométrique doit rester constante. Un disque codeur est placé sur le moteur de la pompe à eau pour enregistrer sa vitesse, permettant ainsi au DCS500 de réaliser une régulation en boucle fermée. La vitesse de la pompe à eau est saisie via le clavier de l'IPC.
2,2 vitesse constante
Réglez la vitesse du dynamomètre pour la stabiliser à une valeur donnée. Une fois cette vitesse constante, ajustez la vitesse de la pompe (c'est-à-dire la hauteur manométrique) et collectez les données pertinentes après 2 à 4 minutes de stabilisation. Le DCS500 crée une boucle de régulation de la vitesse du dynamomètre afin de la stabiliser.
2.3 Test d'emballement
Réglez la vitesse du dynamomètre à une valeur précise et maintenez-la constante. Ajustez ensuite la vitesse de la pompe à eau afin que le couple de sortie du dynamomètre soit proche de zéro (dans ces conditions, le dynamomètre fonctionne pour la production d'énergie électrique) et collectez les données correspondantes. Durant l'essai, la vitesse du moteur de la pompe à eau doit rester constante et est ajustée par le DCS500.
2.4 étalonnage du débit
Le système est équipé de deux réservoirs de correction de débit pour l'étalonnage du débitmètre. Avant l'étalonnage, déterminez d'abord la valeur de débit indiquée, puis mettez en marche la pompe à eau et ajustez sa vitesse en continu. Surveillez le débit. Lorsque celui-ci atteint la valeur requise, stabilisez la pompe à eau à cette vitesse (l'eau circule alors dans la conduite d'étalonnage). Réglez la durée de commutation du déflecteur. Une fois le fonctionnement stabilisé, ouvrez l'électrovanne, lancez le chronomètre et dirigez simultanément l'eau de la conduite vers le réservoir de correction. À la fin du temps imparti, fermez l'électrovanne. L'eau est alors de nouveau dirigée vers la conduite d'étalonnage. Réduisez la vitesse de la pompe à eau, stabilisez-la à une valeur donnée et relevez les données. Purgez ensuite l'eau et procédez à l'étalonnage du point suivant.
2.5 commutation manuelle/automatique sans perturbation
Afin de faciliter la maintenance et le dépannage du système, un clavier manuel a été conçu. L'opérateur peut ainsi commander le fonctionnement d'une vanne indépendamment, sans contrainte de verrouillage. Le système utilise un module d'E/S déporté NAIS, permettant l'utilisation du clavier à distance. Lors du passage du mode manuel au mode automatique, l'état de la vanne reste inchangé.
Le système utilise un automate programmable comme contrôleur principal, ce qui simplifie son fonctionnement et garantit une fiabilité élevée ainsi qu'une maintenance aisée. Le protocole PROFIBUS assure une transmission complète des données, élimine les interférences électromagnétiques et permet au système de répondre aux exigences de précision de sa conception. Le partage de données entre différents appareils est possible. La flexibilité du PROFIBUS facilite l'extension du système. L'architecture système basée sur un bus de terrain industriel deviendra la norme dans les applications industrielles.
Date de publication : 17 février 2022
