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 생산에는 먼저 모형 러너 개발이 필수적이며, 고낙차 수력 기계 시험대에서 수력 발전소의 실제 수두계를 모사하여 모형을 시험할 수 있습니다. 모든 데이터가 사용자의 요구 사항을 충족하면 러너를 정식으로 생산할 수 있습니다. 따라서 해외 유명 수력 발전 장비 제조업체들은 다양한 기능의 요구 사항을 충족하는 여러 대의 고낙차 시험대를 보유하고 있습니다. 예를 들어 프랑스의 Nyrpic사는 5대의 최첨단 고정밀 모형 시험대를 보유하고 있으며, 히타치와 도시바는 각각 5대의 50m 이상의 수두를 지원하는 모형 시험대를 보유하고 있습니다. 한 대형 전기 기계 연구소는 생산 요구에 맞춰 관형, 혼합류, 축류 및 가역식 수력 기계의 모형 시험을 각각 수행할 수 있는 다기능 고정밀 고낙차 시험대를 설계했습니다. 이 시험대는 최대 150m의 수두를 지원하며, 수직 및 수평 발전 장치의 모형 시험에 모두 적용할 수 있습니다. 시험대는 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 유압 기계 시험 제어 시스템입니다. 제어 시스템 구성은 다음과 같습니다.
고양정 수두 시험대는 설치 출력 550kW, 회전 속도 범위 250~1100r/min의 펌프 모터 두 대로 구성되어 사용자가 요구하는 수두계까지 파이프라인의 물 흐름을 가속하고 안정적인 수두를 유지합니다. 작동 장치의 매개변수는 동력계로 모니터링됩니다. 동력계의 모터 출력은 500kW이고 회전 속도는 300~2300r/min입니다. 동력계는 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 고장 간격(MTTF)이 5000시간 이상이어야 합니다. 많은 연구 끝에 DCS500 DC 속도 제어 시스템이 선정되었습니다. DCS500은 두 가지 방식으로 제어 명령을 수신할 수 있는데, 하나는 속도 요구 사항을 충족하기 위해 4-20mA 신호를 수신하는 방식이고, 다른 방법은 디지털 모드 수신을 통해 속도 요구 사항을 충족하기 위해 PROFIBUS DP 모듈을 추가하는 것입니다. 첫 번째 방법은 간단하고 저렴하지만 전류 전송에 간섭을 일으켜 제어 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 두 번째 방법은 비용이 많이 들지만 전송 과정의 데이터 정확도와 제어 정확도를 보장할 수 있습니다. 따라서 본 시스템에서는 4개의 DCS500을 사용하여 각각 2개의 동력계와 2개의 워터 펌프 모터를 제어합니다. PROFIBUS DP 슬레이브 스테이션인 4개의 장치는 마스터 스테이션 PLC와 마스터-슬레이브 모드로 통신합니다. PLC는 동력계와 펌프 모터의 시작/정지를 제어하고, 모터 회전 속도를 PROFIBUS DP를 통해 DCS500으로 전송하며, DCS500으로부터 모터 작동 상태 및 파라미터를 받아 PROFIBUS FMS를 통해 상위 IPC로 전송하여 실시간 모니터링을 구현합니다.
PLC는 NAIS Europe에서 생산한 afp37911 모듈을 마스터 스테이션으로 선택하며, 이 모듈은 FMS 및 DP 프로토콜을 동시에 지원합니다. 이 모듈은 FMS의 메인 스테이션으로서 IPC 및 데이터 수집 시스템과 마스터-마스터 모드로 통신합니다. 또한 DP 마스터 스테이션으로서 DCS500과 마스터-슬레이브 통신을 구현합니다.
데이터 수집 시스템은 VXI 버스 기술을 사용하여 동력계의 다양한 매개변수를 수집하고 대형 화면에 표시하며, 결과를 표와 그래프로 생성합니다(이 부분은 다른 회사에서 완료). IPC는 FMS를 통해 데이터 수집 시스템과 통신합니다. 전체 시스템 구성은 그림 2에 나와 있습니다.
1.1 필드버스 PROFIBUS PROFIBUS는 지멘스, AEC 등 13개 기업과 5개 연구기관이 공동 개발 프로젝트를 통해 개발한 표준입니다. 유럽 표준 EN50170에 등재되어 있으며, 중국에서 권장하는 산업용 필드버스 표준 중 하나입니다. 다음과 같은 형식을 포함합니다.
• PROFIBUS FMS는 작업장 수준에서 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 방식만 사용 가능하며, 비주기적 데이터 전송, 마스터 연결, 다른 FMS 마스터 스테이션과의 통신만 지원합니다. 또한 이 모듈은 특정 회사의 PROFIBUS FMS와 호환되지 않으므로 시스템 설계 시 특정 형태의 PROFIBUS를 사용할 수 없습니다.
• PROFIBUS PA는 공정 자동화를 위해 특별히 설계된 본질 안전 표준 전송 기술입니다. IEC1158-2에 명시된 통신 프로토콜을 구현하며, 높은 안전 요구 사항이 있는 장소 및 버스 전원 공급 장치에 사용됩니다. 시스템에서 사용되는 전송 매체는 구리 차폐 트위스트 페어이며, 통신 프로토콜은 RS485이고, 통신 속도는 500kbps입니다. 산업용 필드 버스를 적용하면 시스템의 안전성과 신뢰성을 보장할 수 있습니다.
1.2 IPC 산업 제어 컴퓨터
상위 산업 제어 컴퓨터는 대만 Advantech사의 산업 제어 컴퓨터를 채택하고 있으며, Windows NT 4.0 워크스테이션 운영 체제를 실행합니다. 또한 Siemens사의 WinCC 산업 구성 소프트웨어를 사용하며, 대형 화면에는 시스템의 작동 상태 및 견적 정보가 표시되고 파이프라인 흐름 및 막힘 상태가 그래프로 나타납니다. 모든 데이터는 PLC를 통해 PROFIBUS로 전송됩니다. IPC에는 독일 Softing사에서 제작한 PROFIBUS 전용 네트워크 카드인 Profiboard가 내장되어 있습니다. Softing사에서 제공하는 구성 소프트웨어를 통해 네트워크 연결을 완료하고, 네트워크 통신 관계(Cr) 및 객체 사전(OD)을 설정할 수 있습니다. WinCC는 Siemens사 제품으로, 자사 S5/S7 PLC와의 직접 연결만 지원하며, 다른 PLC와는 Windows에서 제공하는 DDE 기술을 통해서만 통신할 수 있습니다. Softing사는 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 정수두 시험: 워터 펌프의 회전 속도를 특정 값으로 조정하여 안정화시키고, 이때 수두가 일정하게 유지되도록 합니다. 동력계의 속도도 특정 값으로 조정합니다. 작동 상태가 2~4분간 안정화된 후 관련 데이터를 수집합니다. 시험 중에는 수두를 일정하게 유지해야 합니다. 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 안정화시킨 후, 동력계 속도를 일정하게 유지합니다. 펌프 속도를 특정 값으로 조정(즉, 양정을 조정)하고, 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 거의 0이 되도록 워터 펌프의 속도를 조정합니다(이 작동 조건에서 동력계는 발전 및 전기 작동을 위해 작동합니다). 그리고 관련 데이터를 수집합니다. 테스트 동안 펌프 모터의 속도는 DCS500에 의해 일정하게 유지되고 제어되어야 합니다.
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 회전 속도를 일정하게 조절합니다. 이때 유량 값을 주의 깊게 관찰합니다. 유량 값이 설정된 값에 도달하면 워터 펌프 모터를 현재 회전 속도로 안정화시킵니다(이때 교정 배관에 물이 순환합니다). 디플렉터 전환 시간을 설정합니다. 작동 상태가 안정되면 솔레노이드 밸브를 열고 타이밍을 시작합니다. 동시에 배관의 물을 교정 탱크로 전환합니다. 설정된 시간이 지나면 솔레노이드 밸브를 차단합니다. 이때 물은 다시 교정 배관으로 흐르게 되며, 워터 펌프 모터의 회전 속도를 일정 속도로 안정화시킵니다. 관련 데이터를 판독합니다. 그런 다음 물을 배출하고 다음 지점을 교정합니다.
2.5 수동/자동 전환 (방해받지 않음)
시스템 유지보수 및 디버깅을 용이하게 하기 위해 수동 키보드가 시스템에 내장되어 있습니다. 작업자는 연동 장치의 제약 없이 키보드를 통해 특정 밸브의 작동을 독립적으로 제어할 수 있습니다. 이 시스템은 NAIS 원격 I/O 모듈을 채택하여 키보드를 다양한 위치에서 조작할 수 있습니다. 수동/자동 전환 중에도 밸브의 상태는 변경되지 않습니다.
본 시스템은 PLC를 주 제어기로 채택하여 시스템을 간소화하고 높은 신뢰성과 유지보수성을 보장합니다. PROFIBUS는 완벽한 데이터 전송을 실현하고 전자기 간섭을 방지하여 시스템이 설계 정확도 요구 사항을 충족하도록 합니다. 또한, 다양한 장치 간의 데이터 공유가 가능하며, PROFIBUS의 유연성은 시스템 확장에 편리한 환경을 제공합니다. 산업용 필드버스 기반의 시스템 설계 방식은 향후 산업 응용 분야의 주류가 될 것입니다.
게시 시간: 2022년 8월 24일
