수력 터빈 모형 시험대는 수력 발전 기술 개발에 중요한 역할을 합니다. 수력 발전 제품의 품질을 향상시키고 유닛 성능을 최적화하는 데 중요한 장비입니다. 러너(runner)를 생산하려면 먼저 모형 러너를 개발하고 고수두 수력 기기 시험대에서 수력 발전소의 실제 수두계를 시뮬레이션하여 모형을 시험해야 합니다. 모든 데이터가 사용자 요구 사항을 충족하면 러너를 정식으로 생산할 수 있습니다. 따라서 일부 해외 수력 기기 제조업체는 다양한 기능의 요구를 충족하기 위해 여러 대의 고수두 시험대를 보유하고 있습니다. 예를 들어, 프랑스의 NEYRPIC사는 5대의 첨단 고정밀 모형 시험대를 보유하고 있으며, 히타치와 도시바는 50m 이상의 수두를 가진 5대의 모형 시험대를 보유하고 있습니다. 생산 요구에 따라, 한 대형 전기 기기 연구소는 관형, 혼합 유동, 축 유동 및 가역형 수력 기기에 대한 모형 시험을 각각 수행할 수 있는 완벽한 기능과 고정밀성을 갖춘 고수두 시험대를 설계했습니다. 이 시험대는 최대 수두가 150m에 달할 수 있습니다. 이 시험대는 수직 및 수평 유닛의 모형 시험에 모두 적합합니다. 테스트 벤치는 두 개의 스테이션 a와 B로 설계되었습니다. 스테이션 a가 작동하면 스테이션 B가 설치되므로 테스트 주기를 단축할 수 있습니다. A와 B 두 스테이션은 하나의 전기 제어 시스템과 테스트 시스템을 공유합니다. 전기 제어 시스템은 PROFIBUS를 핵심으로, NAIS fp10sh PLC를 주 컨트롤러로 사용하며, IPC(산업용 제어 컴퓨터)를 통해 중앙 집중식 제어를 구현합니다. 필드버스 기술을 채택하여 첨단 디지털 제어 모드를 구현하여 시스템의 신뢰성, 안전성 및 간편한 유지 보수를 보장합니다. 이 시스템은 중국에서 높은 수준의 자동화를 갖춘 수자원 보존 기계 테스트 제어 시스템입니다. 제어 시스템 구성
고수두 테스트 벤치는 출력 550kW, 속도 범위 250~1100r/min의 펌프 모터 2개로 구성되어 있으며, 사용자가 요구하는 수두계로 파이프라인의 물 흐름을 가속하여 수두가 원활하게 작동하도록 합니다. 러너의 매개변수는 동력계로 모니터링합니다. 동력계의 모터 출력은 500kW이고, 속도는 300~2300r/min이며, 스테이션 a와 B에 동력계가 하나씩 있습니다. 고수두 유압 기계 테스트 벤치의 원리는 그림 1에 나와 있습니다. 이 시스템은 모터 제어 정확도가 0.5% 미만이고 MTBF가 5000시간 이상이어야 합니다. 많은 연구 끝에 ** 회사에서 생산한 DCS500 DC 속도 조절 시스템을 선택했습니다. DCS500은 두 가지 방법으로 제어 명령을 수신할 수 있습니다. 하나는 속도 요구 사항을 충족하기 위해 4~20mA 신호를 수신하는 것입니다. 두 번째는 속도 요구 사항을 충족하기 위해 디지털 모드로 수신하는 PROFIBUS DP 모듈을 추가하는 것입니다. 첫 번째 방법은 제어가 간단하고 가격이 저렴하지만, 전류 전송에 방해가 되어 제어 정확도에 영향을 미칩니다. 두 번째 방법은 비용이 많이 들지만, 전송 과정에서 데이터 정확도와 제어 정확도를 보장할 수 있습니다. 따라서 시스템은 4대의 DCS500을 사용하여 각각 2개의 동력계와 2개의 워터 펌프 모터를 제어합니다. PROFIBUS DP 슬레이브 스테이션인 4대의 장치는 마스터-슬레이브 모드로 마스터 스테이션 PLC와 통신합니다. PLC는 동력계와 워터 펌프 모터의 시동/정지를 제어하고, PROFIBUS DP를 통해 모터 운전 속도를 DCS500으로 전송하며, DCS500으로부터 모터 운전 상태 및 파라미터를 가져옵니다.
PLC는 NAIS Europe에서 생산한 afp37911 모듈을 마스터 스테이션으로 선택했습니다. 이 모듈은 FMS와 DP 프로토콜을 동시에 지원합니다. 이 모듈은 FMS의 메인 스테이션으로, IPC 및 데이터 수집 시스템과의 주요 통신 모드(main mode)를 구현합니다. 또한, DCS500과 마스터-슬레이브 통신을 구현하는 DP 마스터 스테이션 역할도 수행합니다.
동력계의 모든 매개변수는 VXI 버스 기술을 통해 수집되어 화면에 표시됩니다(다른 매개변수는 VXI 회사에서 수집). IPC는 FMS를 통해 데이터 수집 시스템과 연결되어 통신을 완료합니다. 전체 시스템 구성은 그림 2에 나와 있습니다.
1.1 필드버스 PROFIBUS는 13개 기업과 5개 과학 연구 기관이 공동 개발 프로젝트를 통해 제정한 표준입니다. 유럽 표준 EN50170에 등재되었으며, 중국에서 권장하는 산업용 필드버스 표준 중 하나입니다. PROFIBUS는 다음과 같은 형식을 포함합니다.
·PROFIBUS FMS는 작업장 수준의 일반적인 통신 작업을 해결하고, 다양한 통신 서비스를 제공하며, 중간 전송 속도로 순환 및 비순환 통신 작업을 수행합니다. NAIS의 PROFIBUS 모듈은 1.2Mbps의 통신 속도를 지원하며, 순환 통신 모드를 지원하지 않습니다. MMA 비순환 데이터 전송 마스터 연결 을 통해서만 다른 FMS 마스터 스테이션과 통신할 수 있으며, 이 모듈은 FMS와 호환되지 않습니다. 따라서 시스템 설계 시 한 가지 형태의 PROFIBUS만 사용할 수 없습니다.
·PROFIBUS-DP 는 자동 제어 시스템과 장비 레벨 분산 I/O 간의 통신을 위해 최적화된 고속 저비용 통신 연결을 제공합니다. DP와 FMS는 동일한 통신 프로토콜을 사용하므로 동일한 네트워크 세그먼트에 공존할 수 있습니다. NAIS와 msaz 비순환 데이터 전송 마스터-슬레이브 연결 슬레이브 스테이션은 능동적으로 통신하지 않습니다.
·PROFIBUS PA 는 프로세스 자동화를 위해 특별히 설계된 표준 본질 안전 전송 기술입니다. 높은 안전 요구 사항이 적용되고 버스로 구동되는 스테이션에서 IEC 1158-2에 명시된 통신 절차를 구현합니다. 시스템에 사용되는 전송 매체는 구리 차폐 연선입니다. 통신 프로토콜은 RS485이며 통신 속도는 500kbps입니다. 산업용 필드버스를 적용하여 시스템의 안전성과 신뢰성을 보장합니다.
1.2 IPC 산업용 제어 컴퓨터
상위 산업용 제어 컴퓨터는 대만 Advantech 산업용 제어 컴퓨터(Windows NT4.0 워크스테이션 운영 체제)를 채택했으며, Siemens 사의 WinCC 산업용 구성 소프트웨어를 사용하여 대형 화면에 시스템 작동 상태 정보를 표시하고 파이프라인 흐름과 막힘을 그래픽으로 표현합니다. 모든 데이터는 PROFIBUS를 통해 PLC에서 전송됩니다. IPC 내부에는 독일 Softing 사에서 생산한 PROFIBUS 전용 Profiboard 네트워크 카드가 장착되어 있습니다. Softing에서 제공하는 구성 소프트웨어를 통해 네트워킹을 완료하고 네트워크 통신 관계(Cr)와 객체 사전(OD)을 설정할 수 있습니다. WINCC는 Siemens 사에서 생산하며, 회사의 S5/S7 PLC와의 직접 연결만 지원하며, Windows에서 제공하는 DDE 기술을 통해서만 다른 PLC와 통신할 수 있습니다. Softing은 WinCC와의 PROFIBUS 통신을 구현하기 위해 DDE 서버 소프트웨어를 제공합니다.
1.3 PLC
NAIS사의 Fp10sh가 PLC로 선정되었습니다.
2개의 제어 시스템 기능
제어 시스템은 물 펌프 모터 2개와 동력계 2개를 제어하는 것 외에도 전기 밸브 28개, 웨이트 모터 4개, 오일 펌프 모터 8개, 진공 펌프 모터 3개, 오일 배출 펌프 모터 4개, 그리고 윤활 솔레노이드 밸브 2개를 제어해야 합니다. 물의 흐름 방향과 유량은 밸브 스위치를 통해 제어되어 사용자의 시험 요구 사항을 충족합니다.
2.1 상수 헤드
워터 펌프 속도 조절: 펌프 속도를 일정 값으로 안정시키고 이때 수두가 일정하게 유지되도록 합니다. 동력계 속도를 일정 값으로 조절하고, 작동 조건이 2~4분 동안 안정된 후 관련 데이터를 수집합니다. 시험 중에는 수두를 일정하게 유지해야 합니다. 워터 펌프 모터에 코드 디스크를 부착하여 모터 속도를 수집함으로써 DCS500이 폐루프 제어를 형성하도록 합니다. 워터 펌프 속도는 IPC 키보드를 통해 입력합니다.
2.2 일정 속도
동력계의 속도를 일정 값으로 조정하여 안정시킵니다. 이때 동력계의 속도는 일정합니다. 펌프 속도를 일정 값으로 조정(즉, 헤드 조정)하고, 작동 조건이 2~4분 동안 안정된 후 관련 데이터를 수집합니다. DCS500은 동력계의 속도에 대해 폐쇄 루프를 형성하여 동력계의 속도를 안정시킵니다.
2.3 폭주 테스트
동력계 속도를 일정 값으로 조정하고 동력계 속도를 일정하게 유지합니다. 동력계의 출력 토크가 0에 가까워지도록 워터 펌프 속도를 조정합니다(이 작동 조건에서 동력계는 발전 및 전기 작동을 위해 작동합니다). 관련 데이터를 수집합니다. 시험 중에는 워터 펌프 모터 속도를 일정하게 유지해야 하며, DCS500으로 조정해야 합니다.
2.4 유량 교정
이 시스템에는 시스템 내 유량계를 교정하기 위한 두 개의 유량 보정 탱크가 장착되어 있습니다. 교정 전에 먼저 표시된 유량 값을 확인한 후, 워터 펌프 모터를 시동하고 워터 펌프 모터의 속도를 지속적으로 조정합니다. 이때 유량 값에 유의해야 합니다. 유량 값이 필요한 값에 도달하면 워터 펌프 모터를 현재 속도로 안정화합니다(이때 물은 교정 파이프라인을 순환합니다). 디플렉터의 스위칭 시간을 설정합니다. 작동 조건이 안정되면 솔레노이드 밸브를 켜고 타이밍을 시작하며 파이프라인의 물을 동시에 보정 탱크로 전환합니다. 타이밍 시간이 완료되면 솔레노이드 밸브가 분리됩니다. 이때 물은 다시 교정 파이프라인으로 전환됩니다. 워터 펌프 모터의 속도를 줄이고 특정 속도로 안정화한 후 관련 데이터를 읽습니다. 그런 다음 물을 배출하고 다음 지점을 교정합니다.
2.5 수동/자동 무방해 전환
시스템의 유지 관리 및 디버깅을 용이하게 하기 위해 수동 키보드가 시스템에 설계되었습니다. 작업자는 연동 장치의 제약 없이 키보드를 통해 밸브의 작동을 독립적으로 제어할 수 있습니다. 이 시스템은 NAIS 원격 I/O 모듈을 채택하여 키보드를 여러 위치에서 작동시킬 수 있습니다. 수동/자동 전환 시 밸브 상태는 변경되지 않습니다.
이 시스템은 PLC를 주 컨트롤러로 채택하여 시스템을 간소화하고 높은 신뢰성과 간편한 유지 보수를 보장합니다. PROFIBUS는 완벽한 데이터 전송을 실현하고 전자기 간섭을 방지하며, 시스템이 설계 정확도 요구 사항을 충족하도록 합니다. 또한, 다양한 장치 간의 데이터 공유가 가능합니다. PROFIBUS의 유연성은 시스템 확장에 편리한 환경을 제공합니다. 산업용 필드버스를 핵심으로 하는 시스템 설계 방식은 산업 응용 분야의 주류가 될 것입니다.
게시 시간: 2022년 2월 17일
