Il banco prova per modelli di turbine idrauliche riveste un ruolo fondamentale nello sviluppo della tecnologia idroelettrica. Si tratta di un'apparecchiatura essenziale per migliorare la qualità dei prodotti idroelettrici e ottimizzare le prestazioni degli impianti. Per la produzione di qualsiasi girante, è necessario innanzitutto sviluppare un modello, che può essere testato simulando il dislivello idraulico effettivo della centrale idroelettrica su un banco prova per macchinari idraulici ad alta prevalenza. Se tutti i dati soddisfano i requisiti dell'utente, la girante può essere formalmente prodotta. Pertanto, alcuni noti produttori di apparecchiature idroelettriche all'estero dispongono di diversi banchi prova ad alta prevalenza che soddisfano le esigenze di varie funzioni, come ad esempio i cinque banchi prova per modelli ad alta precisione dell'azienda francese Nyrpic; Hitachi e Toshiba possiedono ciascuna cinque banchi prova per modelli con un dislivello idraulico superiore a 50 m. In base alle esigenze di produzione, un importante istituto di ricerca sulle macchine elettriche ha progettato un banco prova per alta prevalenza idraulica con funzionalità complete e alta precisione, in grado di eseguire test su modelli di macchinari idraulici tubolari, a flusso misto, a flusso assiale e reversibili. Il dislivello idraulico può raggiungere i 150 m. Il banco prova può adattarsi al test di modelli di unità verticali e orizzontali. Il banco prova è progettato con due stazioni, A e B. Quando la stazione A è in funzione, viene installata la stazione B, il che consente di ridurre i tempi del ciclo di prova. Le due stazioni A e B condividono un unico sistema di controllo elettrico e di test. Il sistema di controllo elettrico utilizza PROFIBUS come nucleo, un PLC NAIS fp10sh come controllore principale e un IPC (computer di controllo industriale) per realizzare il controllo centralizzato. Il sistema adotta la tecnologia fieldbus per realizzare la modalità di controllo digitale avanzata, garantendo affidabilità, sicurezza e facilità di manutenzione. Si tratta del sistema di controllo per test di macchinari idraulici con un elevato grado di automazione in Cina. Composizione del sistema di controllo
Il banco prova per alte prevalenze è composto da due motori di pompa con una potenza installata di 550 kW e una velocità di rotazione compresa tra 250 e 1100 giri/min per accelerare il flusso d'acqua nella tubazione fino al misuratore di prevalenza richiesto dall'utente e mantenere la prevalenza in funzione senza intoppi. I parametri della girante sono monitorati dal dinamometro. La potenza del motore del dinamometro è di 500 kW e la velocità di rotazione è compresa tra 300 e 2300 giri/min. È presente un dinamometro nella stazione A e nella stazione B. Il principio di funzionamento del banco prova per macchinari idraulici ad alta prevalenza è illustrato in Fig. 1. Il sistema richiede che la precisione del controllo del motore sia inferiore allo 0,5% e che il tempo medio tra i guasti (MTTF) sia superiore a 5000 ore. Dopo numerose ricerche, è stato selezionato il sistema di controllo della velocità DCS500. Il DCS500 può ricevere comandi di controllo in due modi: uno è tramite segnali 4-20 mA per soddisfare i requisiti di velocità; L'altra soluzione consiste nell'aggiungere un modulo PROFIBUS DP per soddisfare i requisiti di velocità tramite la ricezione in modalità digitale. Il primo metodo è semplice ed economico, ma interferisce con la trasmissione corrente, compromettendo la precisione del controllo; il secondo, pur essendo più costoso, garantisce l'accuratezza dei dati durante la trasmissione e la precisione del controllo. Pertanto, il sistema utilizza quattro DCS500 per controllare rispettivamente due dinamometri e due motori di pompe idrauliche. In qualità di stazioni slave PROFIBUS DP, i quattro dispositivi comunicano con il PLC della stazione master in modalità master-slave. Il PLC controlla l'avvio e l'arresto del dinamometro e del motore della pompa, trasmette la velocità di rotazione del motore al DCS500 tramite PROFIBUS DP, riceve dal DCS500 lo stato di funzionamento e i parametri del motore e li trasmette all'IPC superiore tramite PROFIBUS FMS per realizzare il monitoraggio in tempo reale.
Il PLC seleziona il modulo afp37911 prodotto da NAIS Europe come stazione master, che supporta simultaneamente i protocolli FMS e DP. Questo modulo è la stazione principale FMS e comunica con l'IPC e il sistema di acquisizione dati in modalità master-master; funge anche da stazione master DP, realizzando la comunicazione master-slave con il DCS500.
Il sistema di acquisizione dati adotta la tecnologia bus VXI per raccogliere vari parametri del dinamometro e visualizzarli sul grande schermo, e trasformare i risultati in tabelle e grafici (questa parte è completata da altre aziende). L'IPC comunica con il sistema di acquisizione dati tramite FMS. La composizione dell'intero sistema è mostrata in Fig. 2.
1.1 Fieldbus PROFIBUS PROFIBUS è uno standard sviluppato da 13 aziende, tra cui Siemens e AEC, e 5 istituti di ricerca scientifica nell'ambito di un progetto di sviluppo congiunto. È stato incluso nello standard europeo EN50170 ed è uno degli standard fieldbus industriali raccomandati in Cina. Comprende le seguenti forme:
·PROFIBUS FMS risolve i compiti di comunicazione generali a livello di officina fornisce un gran numero di servizi di comunicazione completa i compiti di comunicazione ciclica e non ciclica con velocità di trasmissione media. Il modulo Profibus di NAIS supporta una velocità di comunicazione di 1,2 Mbps e non supporta la modalità di comunicazione ciclica può utilizzare solo la trasmissione dati non ciclica MMA connessione master comunicazione con altre stazioni master FMS e questo modulo non è compatibile con PROFIBUS FMS di un'azienda pertanto, una forma di PROFIBUS non può essere utilizzata durante la progettazione dello schema.
• PROFIBUS PA La tecnologia di trasmissione intrinsecamente sicura standard, appositamente progettata per l'automazione di processo , realizza il protocollo di comunicazione specificato nella norma IEC 1158-2 ed è utilizzata in ambienti con elevati requisiti di sicurezza e in stazioni alimentate dal bus. Il mezzo di trasmissione utilizzato nel sistema è la coppia intrecciata schermata in rame , il protocollo di comunicazione è RS485 e la velocità di comunicazione è di 500 kbps. L'applicazione del bus di campo industriale garantisce la sicurezza e l'affidabilità del sistema.
1.2 Computer di controllo industriale IPC
Il computer di controllo industriale superiore adotta un computer di controllo industriale Advantech di Taiwan esegue il sistema operativo workstation Windows NT4.0 adotta il software di configurazione industriale WinCC di Siemens l'ampio schermo visualizza le condizioni operative e le informazioni di quotazione del sistema e mostra graficamente il flusso della tubazione e le condizioni di blocco. Tutti i dati vengono trasmessi dal PLC tramite PROFIBUS. L'IPC è dotato internamente di una scheda di rete profiboard prodotta dall'azienda tedesca softing, appositamente progettata per PROFIBUS. Tramite il software di configurazione fornito da softing, è possibile completare la rete, stabilire la relazione di comunicazione di rete Cr (relazione di comunicazione) e creare il dizionario degli oggetti OD (dizionario degli oggetti). WINCC è prodotto da Siemens. Supporta solo la connessione diretta con i PLC S5/S7 dell'azienda e può comunicare con altri PLC solo tramite la tecnologia DDE fornita da Windows. L'azienda di software fornisce il software server DDE per realizzare la comunicazione PROFIBUS con WinCC.
1.3 PLC
Il modello FP10SH dell'azienda NAIS è stato selezionato come PLC.
(2) funzione del sistema di controllo
Oltre a controllare due motori per pompe dell'acqua e due dinamometri, il sistema di controllo deve gestire anche 28 elettrovalvole, 4 motori per contrappesi, 8 motori per pompe dell'olio, 3 motori per pompe del vuoto, 4 motori per pompe di scarico dell'olio e 2 elettrovalvole di lubrificazione. La direzione e la portata dell'acqua sono controllate tramite interruttori per soddisfare i requisiti di prova degli utenti.
2.1 Prevalenza costante Regolare la velocità di rotazione della pompa dell'acqua: stabilizzarla a un certo valore, in modo che la prevalenza rimanga costante; Regolare la velocità del dinamometro a un certo valore. Dopo che le condizioni di lavoro si sono stabilizzate per 2-4 minuti, raccogliere i dati pertinenti. Durante il test, è necessario mantenere la prevalenza invariata. Un disco codificato viene posizionato sul motore della pompa per raccogliere la velocità del motore, in modo che il DCS500 formi un controllo ad anello chiuso. La velocità della pompa dell'acqua viene inserita tramite tastiera IPC.
2.2 velocità costante
Regolare la velocità del dinamometro per stabilizzarla a un determinato valore, in modo che rimanga costante; regolare la velocità della pompa a un determinato valore (ovvero regolare la prevalenza) e raccogliere i dati pertinenti dopo che le condizioni di lavoro si sono stabilizzate per 2-4 minuti. Il DCS500 forma un circuito chiuso per stabilizzare la velocità del dinamometro.
2.3 test di fuga
Regolare la velocità del dinamometro a un certo valore e mantenerla costante. Regolare la velocità della pompa dell'acqua in modo che la coppia in uscita del dinamometro sia approssimativamente zero (in queste condizioni di lavoro, il dinamometro funziona per la generazione di energia e il funzionamento elettrico) e raccogliere i dati pertinenti. Durante il test, la velocità del motore della pompa deve essere costante e regolata dal DCS500.
2.4 Calibrazione del flusso
Il sistema è dotato di due serbatoi di correzione del flusso per la calibrazione dei flussimetri. Prima della calibrazione, determinare innanzitutto il valore di flusso di riferimento, quindi avviare il motore della pompa dell'acqua e regolarne continuamente la velocità di rotazione. Durante questa fase, monitorare attentamente il valore di flusso. Quando il valore di flusso raggiunge il valore richiesto, stabilizzare il motore della pompa dell'acqua alla velocità di rotazione corrente (in questa fase, l'acqua circola nella tubazione di calibrazione). Impostare il tempo di commutazione del deflettore. Una volta stabilizzate le condizioni di funzionamento, attivare l'elettrovalvola e avviare il timer. Contemporaneamente, deviare l'acqua dalla tubazione al serbatoio di calibrazione. Allo scadere del tempo di timer, disconnettere l'elettrovalvola. A questo punto, l'acqua viene deviata verso la tubazione di calibrazione e la velocità di rotazione del motore della pompa dell'acqua viene ridotta per stabilizzarsi a una determinata velocità. Leggere i dati pertinenti. Quindi svuotare l'acqua e calibrare il punto successivo.
2.5 commutazione manuale/automatica ininterrotta
Per facilitare la manutenzione e la messa a punto del sistema, è stata progettata una tastiera manuale. L'operatore può controllare l'azione di una determinata valvola in modo indipendente tramite la tastiera, senza essere vincolato da interblocchi. Il sistema adotta un modulo I/O remoto NAIS, che consente di utilizzare la tastiera in diverse postazioni. Durante la commutazione tra modalità manuale e automatica, lo stato della valvola rimane invariato.
Il sistema adotta un PLC come controllore principale, il che semplifica il sistema e garantisce elevata affidabilità e manutenibilità; PROFIBUS realizza una trasmissione dati completa, evita le interferenze elettromagnetiche e consente al sistema di soddisfare i requisiti di precisione di progettazione; è possibile la condivisione dei dati tra diversi dispositivi; la flessibilità di PROFIBUS offre condizioni favorevoli per l'espansione del sistema. Lo schema di progettazione del sistema basato su bus di campo industriale diventerà la norma nelle applicazioni industriali.
Data di pubblicazione: 24 agosto 2022
