수력 터빈 모형 시험대는 수력 발전 기술 개발에 중요한 역할을 합니다. 이는 수력 발전 제품의 품질을 향상시키고 발전 장치의 성능을 최적화하는 데 필수적인 장비입니다. 모든 터빈 러너(runner) 생산은 먼저 모형 러너를 개발하고, 고낙차 수력 기계 시험대에서 수력 발전소의 실제 수두계를 모사하여 모형을 시험해야 합니다. 모든 데이터가 사용자의 요구 사항을 충족하면 러너를 공식적으로 생산할 수 있습니다. 따라서 일부 해외 수력 발전 설비 제조업체는 다양한 기능의 요구를 충족하기 위해 여러 대의 고낙차 시험대를 보유하고 있습니다. 예를 들어, 프랑스의 네이르픽(Neyrpic)사는 5대의 첨단 고정밀 모형 시험대를 보유하고 있으며, 히타치(Hitachi)와 도시바(Toshiba)는 50m 이상의 수두를 갖춘 5대의 모형 시험대를 보유하고 있습니다. 한 대형 전기 기계 연구소는 생산 요구에 따라 관형, 혼합류, 축류 및 가역 수력 기계에 대한 모형 시험을 각각 수행할 수 있는 완전 기능의 고정밀 고낙차 시험대를 설계했으며, 수두는 최대 150m에 달할 수 있습니다. 이 시험대는 수직 및 수평 발전 장치의 모형 시험에 모두 적용 가능합니다. 시험 설비는 스테이션 A와 B 두 개로 설계되었습니다. 스테이션 A가 작동 중일 때 스테이션 B가 설치되어 시험 주기를 단축할 수 있습니다. A와 B 두 스테이션은 하나의 전기 제어 시스템과 시험 시스템을 공유합니다. 전기 제어 시스템은 PROFIBUS를 핵심으로 하고, NAIS fp10sh PLC를 주 컨트롤러로 사용하며, IPC(산업 제어 컴퓨터)를 통해 중앙 집중식 제어를 구현합니다. 이 시스템은 필드버스 기술을 채택하여 첨단 완전 디지털 제어 방식을 구현함으로써 시스템의 신뢰성, 안전성 및 손쉬운 유지보수를 보장합니다. 이는 중국에서 가장 높은 자동화 수준을 자랑하는 수자원 설비 시험 제어 시스템입니다. 제어 시스템 구성은 다음과 같습니다.
고양정 시험대는 550kW 출력과 250~1100rpm의 회전 속도를 가진 두 개의 펌프 모터로 구성되어 있으며, 사용자가 요구하는 수두계까지 파이프라인의 물 흐름을 가속시키고 안정적인 수두 유지를 보장합니다. 펌프의 작동 매개변수는 동력계를 통해 모니터링됩니다. 동력계 모터의 출력은 500kW이고 회전 속도는 300~2300rpm이며, A 지점과 B 지점에 각각 하나씩 설치되어 있습니다. 고양정 유압 기계 시험대의 원리는 그림 1에 나타나 있습니다. 이 시스템은 모터 제어 정확도가 0.5% 미만이고 평균 무고장 시간(MTBF)이 5000시간 이상이어야 합니다. 많은 연구 끝에 ***사에서 생산한 DCS500 DC 속도 제어 시스템이 선정되었습니다. DCS500은 두 가지 방식으로 제어 명령을 수신할 수 있습니다. 하나는 속도 요구 사항을 충족하기 위해 4~20mA 신호를 수신하는 방식이고, 두 번째 방법은 속도 요구 사항을 충족하기 위해 디지털 모드로 수신할 수 있도록 PROFIBUS DP 모듈을 추가하는 것입니다. 첫 번째 방법은 제어가 간단하고 가격이 저렴하지만 전류 전송에 간섭이 발생하여 제어 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 두 번째 방법은 비용이 많이 들지만 전송 과정에서 데이터 정확도와 제어 정확도를 보장할 수 있습니다. 따라서 본 시스템에서는 4개의 DCS500을 사용하여 각각 2개의 동력계와 2개의 워터펌프 모터를 제어합니다. PROFIBUS DP 슬레이브 스테이션인 이 4개의 장치는 마스터 스테이션 PLC와 마스터-슬레이브 모드로 통신합니다. PLC는 동력계와 워터펌프 모터의 시작/정지를 제어하고, 모터 회전 속도를 PROFIBUS DP를 통해 DCS500으로 전송하며, DCS500으로부터 모터 작동 상태와 파라미터를 수신합니다.
PLC는 NAIS Europe에서 생산한 afp37911 모듈을 마스터 스테이션으로 선택했으며, 이 모듈은 FMS 및 DP 프로토콜을 동시에 지원합니다. 이 모듈은 FMS의 메인 스테이션으로서 IPC 및 데이터 수집 시스템과 메인 모드 통신을 구현하며, DP 마스터 스테이션으로서 DCS500과 마스터-슬레이브 통신을 구현합니다.
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 연구기관이 공동 개발 프로젝트를 통해 제정한 표준입니다. 유럽 표준 EN50170에 등재되어 있으며, 중국에서 권장하는 산업용 필드버스 표준 중 하나입니다. 다음과 같은 형식을 포함합니다.
• PROFIBUS FMS는 워크샵 수준의 일반적인 통신 작업을 해결하고, 다양한 통신 서비스를 제공하며, 중간 전송 속도로 주기적 및 비주기적 통신 작업을 완료합니다. NAIS의 PROFIBUS 모듈은 1.2Mbps의 통신 속도를 지원하지만 주기적 통신 모드는 지원하지 않습니다. MMA(비주기적 데이터 전송)를 통한 마스터 연결 방식으로만 다른 FMS 마스터 스테이션과 통신할 수 있으며, 모듈 자체가 FMS와 호환되지 않습니다. 따라서 시스템 설계 시 한 가지 형태의 PROFIBUS만 사용할 수는 없습니다.
• PROFIBUS-DP 최적화된 고속 저비용 통신 연결은 자동 제어 시스템과 장비 수준의 분산형 I/O 간 통신을 위해 설계되었습니다. DP와 FMS는 동일한 통신 프로토콜을 채택하므로 동일한 네트워크 세그먼트에서 공존할 수 있습니다. NAIS와 MSAZ 간에는 비주기적 데이터 전송, 마스터-슬레이브 연결, 슬레이브 스테이션이 능동적으로 통신하지 않는 방식이 사용됩니다.
• PROFIBUS PA는 공정 자동화를 위해 특별히 설계된 본질 안전 전송 기술 표준입니다. IEC1158-2에 명시된 통신 절차를 구현하며, 높은 안전 요구 사항이 있는 환경 및 버스 전원 공급 방식의 스테이션에 적합합니다. 시스템에서 사용되는 전송 매체는 구리 차폐 트위스트 페어이며, 통신 프로토콜은 RS485이고 통신 속도는 500kbps입니다. 산업용 필드버스를 적용하면 시스템의 안전성과 신뢰성을 보장할 수 있습니다.
1.2 IPC 산업 제어 컴퓨터
상위 산업 제어 컴퓨터는 대만 어드밴텍(Advantech)사의 산업 제어 컴퓨터(IPC)를 채택하고 있으며, Windows NT4.0 워크스테이션 운영 체제를 실행합니다. 지멘스사의 WinCC 산업 구성 소프트웨어를 사용하여 시스템의 작동 상태 정보를 대형 화면에 표시하고 파이프라인의 흐름과 막힘을 그래프로 나타냅니다. 모든 데이터는 PLC에서 PROFIBUS를 통해 전송됩니다. IPC에는 독일 소프트잉(Softing)사에서 제작한 PROFIBUS 전용 네트워크 카드인 프로피보드(Profiboard)가 내장되어 있습니다. 소프트잉사에서 제공하는 구성 소프트웨어를 통해 네트워크를 구축하고 네트워크 통신 관계(Cr)와 객체 사전(OD)을 설정할 수 있습니다. WINCC는 지멘스사 제품으로, 자사의 S5/S7 PLC와의 직접 연결만 지원하며, 다른 PLC와는 Windows에서 제공하는 DDE 기술을 통해서만 통신할 수 있습니다. 소프트잉사는 WinCC와의 PROFIBUS 통신을 구현하기 위한 DDE 서버 소프트웨어를 제공합니다.
1.3 PLC
NAIS사의 Fp10sh가 상장기업(PLC)으로 선정되었습니다.
2. 제어 시스템 기능
제어 시스템은 두 개의 워터 펌프 모터와 두 개의 동력계를 제어하는 것 외에도 28개의 전기 밸브, 4개의 추 모터, 8개의 오일 펌프 모터, 3개의 진공 펌프 모터, 4개의 오일 배출 펌프 모터 및 2개의 윤활 솔레노이드 밸브를 제어해야 합니다. 물의 흐름 방향과 유량은 밸브 스위치를 통해 제어되어 사용자의 테스트 요구 사항을 충족합니다.
2.1 상수 헤드
워터 펌프의 속도를 조절하여 특정 값으로 안정화시키고, 이때 수두가 일정하게 유지되도록 합니다. 동력계의 속도를 특정 값으로 조절하고, 작동 상태가 2~4분 동안 안정화된 후 관련 데이터를 수집합니다. 테스트 중에는 수두를 일정하게 유지해야 합니다. 워터 펌프 모터에 코드 디스크를 부착하여 모터 속도를 수집하고, 이를 통해 DCS500이 폐루프 제어를 구성합니다. 워터 펌프 속도는 IPC 키보드를 통해 입력합니다.
2.2 일정 속도
동력계의 속도를 특정 값으로 안정화시킵니다. 이때 동력계 속도는 일정하게 유지됩니다. 펌프 속도를 특정 값(즉, 양정)으로 조정하고, 작동 조건이 2~4분 동안 안정화된 후 관련 데이터를 수집합니다. DCS500은 동력계 속도에 대한 폐쇄 루프를 형성하여 동력계 속도를 안정화합니다.
2.3 폭주 테스트
동력계의 속도를 특정 값으로 조정하고 그 속도를 일정하게 유지합니다. 동력계의 출력 토크가 0에 가까워지도록 워터 펌프의 속도를 조정합니다(이 작동 조건에서 동력계는 발전 및 전기 작동을 위해 작동합니다). 그리고 관련 데이터를 수집합니다. 테스트 동안 워터 펌프 모터의 속도는 일정하게 유지되어야 하며 DCS500을 통해 조정됩니다.
2.4 유량 교정
이 시스템에는 시스템 내 유량계 교정을 위한 두 개의 유량 보정 탱크가 장착되어 있습니다. 교정 전에 먼저 표시된 유량 값을 확인한 후, 워터 펌프 모터를 시동하고 워터 펌프 모터의 속도를 일정하게 조절합니다. 이때 유량 값을 주의 깊게 관찰합니다. 유량 값이 목표값에 도달하면 워터 펌프 모터를 현재 속도로 안정화합니다(이때 교정 배관에 물이 순환합니다). 디플렉터 전환 시간을 설정합니다. 작동 상태가 안정화되면 솔레노이드 밸브를 켜고 타이밍을 시작하며 동시에 배관의 물을 보정 탱크로 전환합니다. 설정된 시간이 지나면 솔레노이드 밸브를 차단합니다. 이때 물은 다시 교정 배관으로 순환합니다. 워터 펌프 모터의 속도를 줄이고 특정 속도로 안정화한 후 관련 데이터를 읽습니다. 그런 다음 물을 배출하고 다음 지점을 교정합니다.
2.5 수동/자동 전환 (방해받지 않음)
시스템 유지보수 및 디버깅을 용이하게 하기 위해 수동 키보드가 시스템에 탑재되어 있습니다. 작업자는 키보드를 통해 밸브 작동을 독립적으로 제어할 수 있으며, 연동 장치의 제약을 받지 않습니다. 이 시스템은 NAIS 원격 I/O 모듈을 채택하여 키보드를 다양한 위치에서 조작할 수 있습니다. 수동/자동 전환 중에도 밸브 상태는 변경되지 않습니다.
본 시스템은 PLC를 주 제어기로 채택하여 시스템을 간소화하고 높은 신뢰성과 손쉬운 유지보수를 보장합니다. PROFIBUS는 완벽한 데이터 전송을 실현하고 전자기 간섭을 방지하여 설계 정확도 요구 사항을 충족합니다. 또한, 다양한 장치 간의 데이터 공유가 가능하며, PROFIBUS의 유연성은 시스템 확장에 편리한 환경을 제공합니다. 산업용 필드버스를 핵심으로 하는 이러한 시스템 설계 방식은 향후 산업 현장에서 주류로 자리 잡을 것입니다.
게시 시간: 2022년 2월 17일
