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。ランナーを製造するには、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、正式にランナーを製造できます。そのため、海外の著名な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高落差試験台を複数所有しているところがあります。例えば、フランスのnyrpic社は5台の高度な高精度模型試験台を所有しています。日立製作所と東芝製作所はそれぞれ、水頭50mを超える模型試験台を5台所有しています。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る、多機能かつ高精度の高落差試験台を設計しました。水頭は最大150mに達します。この試験ベンチは、垂直および水平ユニットのモデル試験に対応できます。試験ベンチは、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。AとBの2つのステーションは、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フル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油圧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、設置出力550kW、回転速度範囲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計まで加速し、水頭をスムーズに稼働させます。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、回転速度は300～2300r/minです。ステーションaとステーションBにそれぞれ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、平均故障間隔（MTTF）が5000時間以上であることが求められます。多くの研究の結果、DCS500 DC速度制御システムが選択されました。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信号を受信する方法です。もう1つの方法は、PROFIBUS DPモジュールを追加してデジタルモードで受信することで速度要件を満たすことです。最初の方法はシンプルで安価ですが、電流伝送に干渉し、制御精度に影響します。2番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、このシステムでは、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を使用します。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て、PROFIBUS FMSを介して上位IPCに送信し、リアルタイム監視を実現します。
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選択します。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。このモジュールはFMSのメインステーションとして、マスターマスターモードでIPCおよびデータ収集システムと通信します。また、DPマスタステーションとしても機能し、DCS500とのマスタースレーブ通信を実現します。
データ収集システムは、VXIバス技術を採用し、ダイナモメータの各種パラメータを収集して大型スクリーンに表示し、結果を表やグラフにまとめます（この部分は他社が担当）。IPCはFMSを介してデータ収集システムと通信します。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 PROFIBUSは、シーメンスやAECなどの13社と5つの研究機関が共同開発プロジェクトで開発した規格です。欧州規格EN50170に記載されており、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、作業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、1.2 Mbps 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 のみを使用できます。 非周期的なデータ伝送 マスタ接続 他の FMS マスタステーションとの通信 また、このモジュールは、*** 社の PROFIBUS FMS と互換性がありません。 そのため、スキーム設計中に 1 つの形式の PROFIBUS を使用することはできません。
・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の本質安全伝送技術 は、IEC1158-2 で規定された通信プロトコルを実現し、高い安全性が求められる場所やバスから給電されるステーションで使用されます。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 で、通信プロトコルは RS485 、通信速度は 500kbps です。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います。 Windows NT4.0ワークステーションオペレーティングシステムで動作します。 シーメンスのWinCC産業用構成ソフトウェアを採用しています。 大型スクリーンには、システムの運転状況と見積もり情報が表示され、パイプラインの流れと閉塞状況がグラフィカルに表示されます。すべてのデータは、PLCからPROFIBUS経由で送信されます。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により、ネットワーク化が完了し、ネットワーク通信関係Cr（通信関係）が確立され、オブジェクト辞書OD（オブジェクト辞書）が確立されます。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。ソフトウェア会社は、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）制御システムの機能
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個のオイル排出ポンプモーター、および2個の潤滑電磁弁も制御する必要があります。バルブスイッチ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 ウォーターポンプの回転速度を調整して、一定の値で安定させ、このとき水頭を一定に保ちます。ダイナモメータの速度を一定の値に調整します。動作状態が 2～4 分間安定したら、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。ポンプモーターにコードディスクを置い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。ウォーターポンプの速度は 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、動力計の速度を一定に保ちます。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
動力計の速度を特定の値に調整し、動力計の速度を一定に保ちます。次に、動力計の出力トルクがほぼゼロに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、動力計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、ポンプモーターの速度は一定で、DCS500によって制御される必要があります。
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、ウォーターポンプモーターの回転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回転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)。偏向板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ます。同時に、パイプライン内の水を校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、水は校正パイプラインに切り替えられ、ウォーターポンプモーターの回転速度が一定の速度で安定するまで減速されます。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、手動キーボードがシステム用に設計されています。オペレーターは、インターロックに制約されることなく、キーボードを介して特定の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、キーボードをさまざま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、高い信頼性と保守性を確保しています。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実現しています。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ベースとしたシステム設計方式は、産業用途の主流となるでしょう。
投稿日時：2022年8月24日
