水力発電技術の開発における水力タービン模型試験台の重要性

水力タービン模型試験台は、水力発電技術の開発において重要な役割を果たしています。水力発電製品の品質向上とユニット性能の最適化に不可欠な設備です。ランナーの製造には、まず模型ランナーを開発し、高落差水力機械試験台で水力発電所の実際の落差をシミュレートして模型をテストする必要があります。すべてのデータがユーザーの要求を満たせば、ランナーを正式に製造できます。そのため、海外の水力発電設備メーカーの中には、さまざまな機能のニーズを満たすために複数の高落差試験台を保有しているところもあります。例えば、フランスのnerrpic社は5台の高度な高精度模型試験台を保有しており、日立製作所と東芝は50m以上の落差を持つ模型試験台を5台保有しています。生産ニーズに応じて、ある大手電気機械研究所は、管状、混合流、軸流、可逆水力機械の模型試験をそれぞれ実施でき、落差が150mに達する、多機能かつ高精度の高落差試験台を設計しました。この試験台は、垂直および水平ユニットのモデル試験に対応できます。試験台は、ステーションaとBの2つのステーションで構成されています。ステーションaが動作している間は、ステーションBが稼働しており、試験サイクルを短縮できます。ステーションAとBは、1組の電気制御システムと試験システムを共有しています。電気制御システムは、PROFIBUSをコアとし、NAIS fp10sh PLCをメインコントローラとして、IPC（産業用制御コンピュータ）による集中制御を実現しています。このシステムは、フィールドバス技術を採用して高度な全デジタル制御モードを実現しており、システムの信頼性、安全性、および容易なメンテナンスを保証します。これは、中国における高度に自動化された水利機械試験制御システムです。制御システムの構成

高水頭試験ベンチは、出力550kW、速度範囲250～1100r/minの2台のポンプモーターで構成され、パイプライン内の水流をユーザーが要求する水頭メーターまで加速し、水頭をスムーズに維持します。ランナーのパラメータはダイナモメーターで監視されます。ダイナモメーターのモーター出力は500kW、速度は300～2300r/minで、ステーションaとBに1台のダイナモメーターがあります。高水頭油圧機械試験ベンチの原理を図1に示します。システムでは、モーター制御精度が0.5%未満、MTBFが5000時間以上であることが求められます。多くの調査の結果、***社製のDCS500 DC速度制御システムが選ばれました。DCS500は2つの方法で制御コマンドを受信できます。1つは、速度要件を満たすために4～20mAの信号を受信することです。 2つ目の方法は、速度要件を満たすためにデジタルモードで受信するPROFIBUS DPモジュールを追加することです。1つ目の方法は制御が簡単で価格も安いですが、電流伝送に乱れが生じ、制御精度に影響します。2つ目の方法は高価ですが、伝送プロセスにおけるデータの精度と制御精度を確保できます。そのため、本システムでは、2台のダイナモメータと2台のウォーターポンプモータをそれぞれ制御するために、4台のDCS500を採用しています。PROFIBUS DPスレーブステーションとして、4台のデバイスはマスタースレーブモードでマスターステーションPLCと通信します。PLCはダイナモメータとウォーターポンプモータの起動/停止を制御し、モータの回転速度をPROFIBUS DPを介してDCS500に送信し、DCS500からモータの回転状態とパラメータを取得します。
PLCは、NAIS Europe社製のafp37911モジュールをマスタステーションとして採用しました。このモジュールはFMSとDPプロトコルの両方を同時にサポートします。FMSのメインステーションとして、IPCおよびデータ収集システムとのメインモード通信を実現するとともに、DPマスタステーションとして、DCS500とのマスタースレーブ通信を実現します。
ダイナモメータのすべてのパラメータは、VXIバス技術を介して収集され、画面に表示されます（その他のパラメータはVXI社によって収集されます）。IPCはFMSを介してデータ収集システムに接続し、通信を完了します。システム全体の構成を図2に示します。

1.1 フィールドバス PROFIBUS は、13 社と 5 つの研究機関が共同開発プロジェクトで策定した規格です。欧州規格 en50170 に掲載されており、中国で推奨されている産業用フィールドバス規格の 1 つです。以下の形式が含まれます。
PROFIBUS FMSは、工場レベルでの一般的な通信タスクを解決し、多数の通信サービスを提供し、中程度の伝送速度で周期的および非周期的な通信タスクを完了します。NAISのProfibusモジュールは1.2Mbpsの通信速度をサポートし、周期的な通信モードをサポートしていません。MMA（非周期的データ伝送マスタ接続）を使用して他のFMSマスタステーションとのみ通信できますが、モジュールはFMSと互換性がありません。したがって、構成設計においてPROFIBUSの1つの形式のみを使用することはできません。
・PROFIBUS-DP  最適化された高速かつ低コストの通信接続は、自動制御システムと機器レベルの分散型 I/O 間の通信用に設計されています。DP と FMS は同じ通信プロトコルを採用しているため、同じネットワークセグメントで共存できます。NAIS と msaz の間  非周期的なデータ伝送  マスタースレーブ接続  スレーブステーションはアクティブに通信しません。
・PROFIBUS PA  プロセスオートメーション向けに特別に設計された標準本質安全伝送技術  IEC1158-2 で規定された通信手順を実現  高い安全性が求められる場合やバスから給電されるステーション向け。システムで使用される伝送媒体は銅シールドツイストペア  通信プロトコルは RS485、通信速度は 500kbps。産業用フィールドバスの適用により、システムの安全性と信頼性が保証されます。

1.2 IPC産業用制御コンピュータ
上位産業用制御コンピュータは、台湾のアドバンテック産業用制御コンピュータを採用しており、Windows NT4 0 ワークステーション オペレーティングシステムが動作しています。シーメンス社の WinCC 産業用構成ソフトウェアを使用して、システムの運転状態情報を大画面に表示し、パイプラインの流れと詰まりをグラフィカルに表現します。すべてのデータは、PROFIBUS を介して PLC から送信されます。IPC には、ドイツの softing 社が製造した PROFIBUS 専用に設計された profiboard ネットワーク カードが内部に搭載されています。softing 社が提供する構成ソフトウェアを介してネットワークを構築し、ネットワーク通信関係 Cr (通信関係) とオブジェクト辞書 OD (オブジェクト辞書) を確立できます。WINCC はシーメンス社製です。同社の S5 / S7 PLC との直接接続のみをサポートし、Windows が提供する DDE テクノロジーを介してのみ他の PLC と通信できます。Softing 社は、WinCC との PROFIBUS 通信を実現するために DDE サーバー ソフトウェアを提供しています。

1.3 PLC
NAIS社のFp10shがPLCとして選定されました。

2つの制御システム機能
制御システムは、2台のウォーターポンプモーターと2台のダイナモメーターを制御するだけでなく、28個の電動バルブ、4個の重量モーター、8個のオイルポンプモーター、3個の真空ポンプモーター、4個のオイルドレンポンプモーター、および2個の潤滑電磁弁も制御する必要があります。バルブの切り替えによって水の流れ方向と流量が制御され、ユーザーの試験要件を満たします。

2.1 定水頭
水ポンプの速度を調整します。一定の値で安定させ、このときの水頭を一定にします。ダイナモメータの速度を一定の値に調整し、動作状態が2～4分間安定した後に関連データを収集します。テスト中は、水頭を一定に保つ必要があります。コードディスクを水ポンプモーターに取り付けてモーター速度を収集し、DCS500が閉ループ制御を形成します。水ポンプの速度はIPCキーボードで入力します。

2.2 定速
動力計の速度を一定値に安定するように調整します。このとき、動力計の速度は一定です。ポンプの速度を一定値に調整し（つまり、揚程を調整し）、動作状態が2～4分間安定した後に関連データを収集します。DCS500は動力計の速度を安定させるために、動力計の速度に関する閉ループを形成します。

2.3 暴走テスト
ダイナモメータの速度を特定の値に調整し、ダイナモメータの速度を一定に保ちます。  ダイナモメータの出力トルクがゼロに近くなるようにウォーターポンプの速度を調整し（この動作条件下では、ダイナモメータは発電および電気動作のために動作します）、関連データを収集します。テスト中は、ウォーターポンプモーターの速度は一定に保ち、DCS500で調整する必要があります。

2.4 流量校正
システムには、システム内の流量計を校正するための流量補正タンクが 2 つ装備されています。校正を行う前に、まずマークされた流量値を決定し、次にウォーターポンプモーターを起動してウォーターポンプモーターの速度を連続的に調整します。このとき、流量値に注意してください。流量値が要求値に達したら、ウォーターポンプモーターを現在の速度で安定させます (このとき、校正パイプライン内で水が循環します)。偏向器の切り替え時間を設定します。動作状態が安定したら、電磁弁をオンにしてタイマーを開始し、同時にパイプライン内の水を補正タンクに切り替えます。タイマー時間が経過したら、電磁弁を切り離します。このとき、水は再び校正パイプラインに切り替えられます。ウォーターポンプモーターの速度を下げて一定の速度で安定させ、関連データを読み取ります。次に、水を排出して次のポイントを校正します。

2.5 手動/自動無障害切り替え
システムの保守およびデバッグを容易にするため、手動キーボードが設計されています。オペレーターは、インターロックに制約されることなく、キーボードを通してバルブの動作を個別に制御できます。システムはNAISリモートI/Oモジュールを採用しており、キーボードを様々な場所で操作できます。手動/自動切り替え中も、バルブの状態は変化しません。
本システムは、メインコントローラとしてPLCを採用することで、システムを簡素化し、高い信頼性と容易なメンテナンスを実現しています。PROFIBUSは完全なデータ伝送を実現し、電磁干渉を回避し、設計上の精度要件を満たします。また、異なるデバイス間でのデータ共有も可能であり、PROFIBUSの柔軟性により、システムの拡張が容易になります。産業用フィールドバスをコアとするシステム設計方式は、産業用途の主流となるでしょう。