Le banc d'essai de modèles 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. Pour la production de toute roue, il est indispensable de développer au préalable un modèle réduit, qui peut être testé en simulant la hauteur de chute réelle d'une centrale hydroélectrique sur un banc d'essai hydraulique haute pression. Si toutes les données répondent aux exigences de l'utilisateur, la production de la roue peut alors commencer. C'est pourquoi certains fabricants d'équipements hydroélectriques de renom à l'étranger disposent de plusieurs bancs d'essai haute pression adaptés à diverses applications. On peut citer, par exemple, les cinq bancs d'essai de haute précision de la société française Nyrpic ; Hitachi et Toshiba possèdent chacun cinq bancs d'essai avec une hauteur de chute supérieure à 50 m. Afin de répondre aux 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 modèles de turbines tubulaires, à flux mixte, axiales et réversibles. La hauteur de chute peut atteindre 150 m. Ce banc d'essai est compatible avec les essais sur modèles d'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 d'essai. Les stations A et B partagent un même système de commande électrique et un même système d'essai. 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 commande entièrement numérique avancée, garantissant ainsi sa fiabilité, sa sécurité et sa facilité de maintenance. Il s'agit du système de commande d'essais de machines hydrauliques le plus automatisé de Chine.
Le banc d'essai de haute pression est composé de deux moteurs de pompe d'une puissance installée de 550 kW et d'une plage de vitesse de rotation de 250 à 1100 tr/min. Ces moteurs accélèrent le débit d'eau dans la conduite jusqu'au manomètre requis par l'utilisateur et assurent un débit constant. Les paramètres de la pompe sont contrôlés par un dynamomètre. La puissance du moteur du dynamomètre est de 500 kW et sa vitesse de rotation est comprise entre 300 et 2300 tr/min. Deux dynamomètres sont installés, un à la station A et un à la station B. Le principe du banc d'essai de machines hydrauliques à haute pression est illustré à la figure 1. Le système exige une précision de commande moteur inférieure à 0,5 % et un temps moyen entre les pannes (MTTF) supérieur à 5000 heures. Après de nombreuses études, le système de contrôle de vitesse à courant continu DCS500 a été sélectionné. Le DCS500 peut recevoir les commandes de deux manières : soit par des signaux 4-20 mA pour répondre aux exigences de vitesse ; L'autre solution consiste à ajouter un module PROFIBUS DP pour répondre aux exigences de vitesse grâce à la réception en mode numérique. La première méthode est simple et économique, mais elle est sujette aux interférences 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 lors de la transmission et, par conséquent, la précision du contrôle. Le système utilise donc quatre DCS500 pour contrôler respectivement deux dynamomètres et deux moteurs de pompe à eau. Fonctionnant comme stations esclaves PROFIBUS DP, ces quatre appareils communiquent avec l'automate programmable (PLC) de la station maître en mode maître-esclave. L'automate contrôle le démarrage et l'arrêt du dynamomètre et du moteur de la pompe, transmet la vitesse de rotation du moteur au DCS500 via PROFIBUS DP, et obtient de ce dernier l'état de fonctionnement et les paramètres du moteur. Ces informations sont ensuite transmises à l'IPC via PROFIBUS FMS pour permettre une surveillance en temps réel.
L'automate programmable sélectionne le module afp37911 de NAIS Europe comme station maître. Ce module prend en charge simultanément les protocoles FMS et DP. Il constitue la station principale du FMS et communique avec l'IPC et le système d'acquisition de données en mode maître-maître. Il fait également office de station maître DP, assurant une communication maître-esclave avec le DCS500.
Le système d'acquisition de données utilise la technologie de bus VXI pour collecter les différents paramètres du dynamomètre et les afficher sur un grand écran, puis les présenter sous forme de tableaux et de graphiques (cette partie est réalisée par un tiers). L'IPC communique avec le système d'acquisition de données via un FMS. La composition du système complet est illustrée à la figure 2.
1.1 Bus de terrain PROFIBUS. PROFIBUS est une norme développée conjointement par 13 entreprises, dont Siemens et AEC, 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 :
Le système 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 prend en charge un débit de communication de 1,2 Mbit/s et ne prend pas en charge le mode de communication cyclique. Il utilise uniquement le mode MMA pour la transmission de données non cyclique, la connexion maître et la communication avec d'autres stations maîtres FMS. Ce module n'est pas compatible avec le système PROFIBUS FMS d'une autre entreprise. Par conséquent, une version de PROFIBUS ne peut pas être utilisée lors de la conception du système.
PROFIBUS PA est une technologie de transmission à sécurité intrinsèque standard, spécialement conçue pour l'automatisation des processus. Elle met en œuvre le protocole de communication spécifié dans la norme IEC 1158-2 et est utilisée dans les environnements à exigences de sécurité élevées 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 (Taïwan) fonctionnant sous Windows NT 4.0 et le logiciel de configuration industrielle WinCC de Siemens. Son grand écran affiche les conditions de fonctionnement et les informations de facturation du système, ainsi que des graphiques représentant le flux dans les canalisations et les éventuels blocages. Toutes les données sont transmises par l'automate programmable via PROFIBUS. L'ordinateur est équipé d'une carte réseau Profiboard de la société allemande Softing, spécialement conçue pour PROFIBUS. Le logiciel de configuration fourni par Softing permet la mise en réseau, l'établissement des relations de communication réseau (Cr) et la création du dictionnaire d'objets (OD). WINCC, développé par Siemens, prend uniquement en charge la connexion directe avec les automates programmables S5/S7 de la société et la communication avec d'autres automates s'effectue via la technologie DDE de Windows. Un serveur DDE est fourni par la société de logiciels pour assurer la communication PROFIBUS avec WinCC.
1.3 PLC
Le Fp10sh de la société NAIS est sélectionné comme PLC.
(2) Fonction 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 refoulement d'huile et 2 électrovannes de lubrification. Le sens et le débit de l'eau sont contrôlés par un commutateur de vannes afin de répondre aux exigences de test des utilisateurs.
2.1 Pression constante : Régler la vitesse de rotation de la pompe à eau jusqu'à la stabiliser à une valeur donnée, la pression d'eau restant constante. Régler la vitesse du dynamomètre à une valeur donnée. Après 2 à 4 minutes de stabilisation, collecter les données pertinentes. Durant l'essai, la pression d'eau doit rester constante. Un disque codeur placé sur le moteur de la pompe permet d'enregistrer sa vitesse, assurant ainsi une régulation en boucle fermée par le DCS500. La vitesse de la pompe à eau est saisie par le clavier de l'IPC.
2,2 vitesse constante
Réglez la vitesse du dynamomètre pour la stabiliser à une valeur donnée. Ajustez ensuite 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 pour stabiliser la vitesse du dynamomètre.
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 de façon à ce que le couple de sortie du dynamomètre soit quasiment nul (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 doit rester constante et est régulée par le DCS500.
2.4 étalonnage du débit
Le système est équipé de deux réservoirs de correction de débit pour l'étalonnage des débitmètres. Avant l'étalonnage, déterminez d'abord la valeur de débit indiquée, puis démarrez la pompe à eau et ajustez sa vitesse de rotation 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 et lancez le chronométrage. Simultanément, alimentez la conduite en eau avec le réservoir d'étalonnage. À la fin du temps imparti, fermez l'électrovanne. L'eau est alors redirigée vers la conduite d'étalonnage et la vitesse de rotation de la pompe à eau diminue jusqu'à stabilisation. Relevez les données. Vidangez 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 indépendamment le fonctionnement de chaque vanne, sans être limité par les systèmes de verrouillage. Le système utilise un module d'E/S déporté NAIS, permettant l'utilisation du clavier depuis différents emplacements. 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 architecture et garantit sa haute fiabilité et sa facilité de maintenance. Le protocole PROFIBUS assure une transmission complète des données, élimine les interférences électromagnétiques et permet au système de répondre aux exigences de précision de 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 : 24 août 2022
