De testbank voor hydraulische turbinemodellen speelt een belangrijke rol in de ontwikkeling van waterkrachttechnologie. Het is een essentieel hulpmiddel om de kwaliteit van waterkrachtproducten te verbeteren en de prestaties van de turbines te optimaliseren. Voor de productie van een turbine is het essentieel om eerst een model te ontwikkelen en dit model te testen door de werkelijke valhoogte van de waterkrachtcentrale te simuleren op een testbank voor hydraulische machines met een hoge valhoogte. Als alle gegevens aan de eisen van de gebruikers voldoen, kan de turbine officieel in productie worden genomen. Daarom beschikken sommige buitenlandse fabrikanten van waterkrachtapparatuur over meerdere testbanken met hoge valhoogte om aan de behoeften van verschillende toepassingen te voldoen. Zo heeft het Franse bedrijf neyrpic vijf geavanceerde, zeer nauwkeurige testbanken; Hitachi en Toshiba hebben elk vijf testbanken met een valhoogte van meer dan 50 meter. Een groot onderzoeksinstituut voor elektrische machines heeft, afhankelijk van de productiebehoeften, een volledig functionele en zeer nauwkeurige testbank met hoge valhoogte ontworpen, waarmee respectievelijk buisvormige, gemengde, axiale en omkeerbare hydraulische machines kunnen worden getest, met een valhoogte tot 150 meter. De testbank is geschikt voor het testen van zowel verticale als horizontale turbines. De testopstelling bestaat uit twee stations, A en B. Wanneer station A in werking is, wordt station B geïnstalleerd, wat de testcyclus verkort. De stations A en B delen één set elektrisch besturingssysteem en testsysteem. Het elektrisch besturingssysteem gebruikt PROFIBUS als kern, een NAIS fp10sh PLC als hoofdcontroller en een IPC (industriële besturingscomputer) voor gecentraliseerde besturing. Het systeem maakt gebruik van veldbustechnologie voor een geavanceerde, volledig digitale besturing, wat de betrouwbaarheid, veiligheid en het onderhoudsgemak van het systeem garandeert. Het is een testbesturingssysteem voor waterbouwmachines met een hoge mate van automatisering in China. Samenstelling van het besturingssysteem
De testbank voor hoge waterdruk bestaat uit twee pompmotoren met een vermogen van 550 kW en een toerentalbereik van 250 tot 1100 tpm. Deze versnellen de waterstroom in de leiding naar de door de gebruiker gewenste waterdrukmeters en zorgen voor een constante waterdruk. De parameters van de rotor worden bewaakt door een dynamometer. De motor van de dynamometer heeft een vermogen van 500 kW, het toerental ligt tussen 300 en 2300 tpm, en er is een dynamometer op station A en B. Het principe van de testbank voor hydraulische machines met hoge waterdruk is weergegeven in Figuur 1. Het systeem vereist een nauwkeurigheid van de motorregeling van minder dan 0,5% en een MTBF (Mean Time Between Failures) van meer dan 5000 uur. Na uitgebreid onderzoek is gekozen voor het DCS500 DC-snelheidsregelsysteem van bedrijf **. De DCS500 kan op twee manieren besturingscommando's ontvangen. De ene manier is het ontvangen van 4 tot 20 mA signalen om aan de snelheidseisen te voldoen; De tweede optie is het toevoegen van een PROFIBUS DP-module voor digitale ontvangst om aan de snelheidseisen te voldoen. De eerste methode is eenvoudig te bedienen en goedkoop, maar kan storingen in de stroomoverdracht veroorzaken en de nauwkeurigheid van de besturing beïnvloeden. Hoewel de tweede methode duurder is, garandeert deze de nauwkeurigheid van de gegevens en de besturing tijdens het transmissieproces. Daarom maakt het systeem gebruik van vier DCS500-modules om respectievelijk twee dynamometers en twee waterpompmotoren aan te sturen. De vier apparaten fungeren als PROFIBUS DP-slavestations en communiceren met de master-PLC in master-slave-modus. De PLC stuurt het starten en stoppen van de dynamometer en de waterpompmotor aan, verzendt de motorsnelheid via PROFIBUS DP naar de DCS500 en ontvangt de motorstatus en -parameters van de DCS500.
De PLC selecteert de afp37911-module van NAIS Europe als masterstation, dat tegelijkertijd FMS- en DP-protocollen ondersteunt. De module is het hoofdstation voor FMS en realiseert de belangrijkste communicatiemodus met de IPC en het data-acquisitiesysteem. Het is tevens het DP-masterstation en realiseert master-slave-communicatie met de DCS500.
Alle parameters van de dynamometer worden verzameld en weergegeven op het scherm via VXI Bus Technology (overige parameters worden verzameld door VXI). De IPC maakt via FMS verbinding met het data-acquisitiesysteem voor de communicatie. De samenstelling van het gehele systeem is weergegeven in Figuur 2.
1.1 Fieldbus PROFIBUS is een standaard die is ontwikkeld door 13 bedrijven en 5 wetenschappelijke onderzoeksinstellingen in een gezamenlijk project. Het is opgenomen in de Europese norm EN50170 en is een van de industriële fieldbus-standaarden die in China worden aanbevolen. Het omvat de volgende vormen:
• PROFIBUS FMS lost de algemene communicatietaken op werkplaatsniveau op, biedt een groot aantal communicatiediensten en voltooit de cyclische en niet-cyclische communicatietaken met een gemiddelde transmissiesnelheid. De Profibus-module van NAIS ondersteunt een communicatiesnelheid van 1,2 Mbps en ondersteunt geen cyclische communicatiemodus. Het kan alleen communiceren met andere FMS-masterstations via MMA (niet-cyclische gegevensoverdracht) en de module is niet compatibel met FMS. Daarom kan er in het ontwerp niet slechts één vorm van PROFIBUS worden gebruikt.
• PROFIBUS-DP® is een geoptimaliseerde, snelle en voordelige communicatieverbinding, ontworpen voor communicatie tussen automatische besturingssystemen en gedecentraliseerde I/O op apparatuurniveau. Omdat DP en FMS hetzelfde communicatieprotocol gebruiken, kunnen ze naast elkaar bestaan in hetzelfde netwerksegment. Tussen NAIS en msaz is er sprake van niet-cyclische gegevensoverdracht, een master-slave-verbinding en het slave-station communiceert niet actief.
• PROFIBUS PA standaard intrinsiek veilige transmissietechnologie, speciaal ontworpen voor procesautomatisering realiseert de communicatieprocedures zoals gespecificeerd in IEC 1158-2 voor toepassingen met hoge veiligheidseisen en stations die door de bus worden gevoed. Het transmissiemedium dat in het systeem wordt gebruikt, is afgeschermde koperen twisted pair het communicatieprotocol is RS485 en de communicatiesnelheid is 500 kbps. De toepassing van industriële veldbus biedt een garantie voor de veiligheid en betrouwbaarheid van het systeem.
1.2 IPC industriële besturingscomputer
De bovenste industriële besturingscomputer maakt gebruik van een industriële besturingscomputer van Taiwan Advantech, die draait op het Windows NT4.0 werkstationbesturingssysteem. De WinCC industriële configuratiesoftware van Siemens wordt gebruikt om de operationele statusinformatie van het systeem op een groot scherm weer te geven en de pijpleidingstroom en eventuele blokkades grafisch te visualiseren. Alle gegevens worden via PROFIBUS van de PLC verzonden. De IPC is intern uitgerust met een Profiboard netwerkkaart van het Duitse bedrijf Softing, die speciaal is ontworpen voor PROFIBUS. Via de configuratiesoftware van Softing kan de netwerkverbinding tot stand worden gebracht en kunnen netwerkcommunicatierelaties (Cr) en objectwoordenboeken (OD) worden ingesteld. WINCC is een product van Siemens. Het ondersteunt alleen een directe verbinding met de S5/S7 PLC's van Siemens en kan alleen communiceren met andere PLC's via de DDE-technologie van Windows. Softing levert DDE-serversoftware om PROFIBUS-communicatie met WinCC mogelijk te maken.
1.3 PLC
Fp10sh van NAIS company is geselecteerd als PLC.
2 functies van het besturingssysteem
Naast de aansturing van twee waterpompmotoren en twee dynamometers, moet het besturingssysteem ook 28 elektrische kleppen, 4 gewichtsmotoren, 8 oliepompmotoren, 3 vacuümpompmotoren, 4 olieafvoerpompmotoren en 2 smeersolenoïdekleppen aansturen. De stroomrichting en de waterstroom worden geregeld via de kleppen om te voldoen aan de testvereisten van de gebruikers.
2.1 constante kop
Stel de snelheid van de waterpomp in: zorg ervoor dat deze stabiel is op een bepaalde waarde, waarbij de waterdruk constant blijft. Stel de snelheid van de dynamometer in op een bepaalde waarde en verzamel de relevante gegevens nadat de bedrijfsomstandigheden gedurende 2 tot 4 minuten stabiel zijn. Tijdens de test moet de waterdruk constant blijven. Een codeerschijf wordt op de waterpompmotor geplaatst om de motorsnelheid te registreren, zodat de DCS500 een gesloten regelkring vormt. De snelheid van de waterpomp wordt ingevoerd via het IPC-toetsenbord.
2.2 constante snelheid
Stel de snelheid van de dynamometer zo in dat deze stabiel blijft op een bepaalde waarde. Op dit moment is de snelheid van de dynamometer constant. Stel vervolgens de pompsnelheid in op een bepaalde waarde (d.w.z. stel de opvoerhoogte in) en verzamel de relevante gegevens nadat de werkomstandigheden gedurende 2 tot 4 minuten stabiel zijn. De DCS500 vormt een gesloten regelkring voor de snelheid van de dynamometer om deze te stabiliseren.
2.3 test voor het weglopen van de weg
Stel de snelheid van de dynamometer in op een bepaalde waarde en houd deze snelheid constant. Stel de snelheid van de waterpomp zo in dat het uitgangskoppel van de dynamometer bijna nul is (onder deze omstandigheden werkt de dynamometer voor stroomopwekking en elektrische aandrijving) en verzamel de relevante gegevens. Tijdens de test moet de snelheid van de waterpompmotor constant blijven en worden aangepast door de DCS500.
2.4 stroomkalibratie
Het systeem is uitgerust met twee correctietanks voor het kalibreren van de debietmeter. Voordat de kalibratie plaatsvindt, moet eerst de gewenste debietwaarde worden bepaald. Start vervolgens de waterpomp en regel de snelheid ervan continu. Houd hierbij de debietwaarde in de gaten. Wanneer de debietwaarde de gewenste waarde bereikt, stabiliseert u de waterpomp op deze snelheid (het water circuleert dan door de kalibratieleiding). Stel de schakeltijd van de deflector in. Zodra de werking stabiel is, opent u de magneetklep, start u de timer en schakelt u tegelijkertijd het water in de leiding naar de correctietank. Na afloop van de timer sluit u de magneetklep. Het water stroomt dan weer naar de kalibratieleiding. Verlaag de snelheid van de waterpomp tot deze stabiel is en lees de relevante gegevens af. Laat vervolgens het water weglopen en kalibreer het volgende punt.
2.5 handmatig/automatisch ongestoord schakelen
Om het onderhoud en het debuggen van het systeem te vergemakkelijken, is een handmatig toetsenbord ontworpen. De operator kan de werking van een klep onafhankelijk via het toetsenbord regelen, zonder beperkingen door vergrendeling. Het systeem maakt gebruik van de NAIS remote I/O-module, waardoor het toetsenbord op verschillende locaties kan worden bediend. Tijdens het schakelen tussen handmatig en automatisch blijft de klepstatus ongewijzigd.
Het systeem maakt gebruik van een PLC als hoofdcontroller, wat het systeem vereenvoudigt en zorgt voor een hoge betrouwbaarheid en eenvoudig onderhoud. PROFIBUS realiseert volledige gegevensoverdracht, voorkomt elektromagnetische interferentie en zorgt ervoor dat het systeem voldoet aan de nauwkeurigheidseisen van het ontwerp. Gegevensuitwisseling tussen verschillende apparaten is mogelijk. De flexibiliteit van PROFIBUS biedt gunstige voorwaarden voor systeemuitbreiding. Het systeemontwerp met een industriële veldbus als kern zal de standaard worden voor industriële toepassingen.
Geplaatst op: 17 februari 2022
