A bancada de testes para turbinas hidráulicas desempenha um papel fundamental no desenvolvimento da tecnologia hidrelétrica. Trata-se de um equipamento essencial para aprimorar a qualidade dos produtos hidrelétricos e otimizar o desempenho das unidades. A produção de qualquer rotor exige, primeiramente, o desenvolvimento de um modelo e o teste desse modelo, simulando a altura manométrica real da usina hidrelétrica em uma bancada de testes para máquinas hidráulicas de alta queda. Se todos os dados atenderem aos requisitos dos usuários, o rotor pode ser oficialmente produzido. Portanto, alguns fabricantes estrangeiros de equipamentos hidrelétricos possuem diversas bancadas de testes para altas alturas manométricas, atendendo às necessidades de várias funções. Por exemplo, a empresa francesa Neyrpic possui cinco bancadas de testes avançadas de alta precisão; a Hitachi e a Toshiba possuem cinco bancadas de testes com altura manométrica superior a 50 m. De acordo com as necessidades de produção, um grande instituto de pesquisa em máquinas elétricas projetou uma bancada de testes para altas alturas manométricas com funções completas e alta precisão, capaz de realizar testes em modelos de máquinas hidráulicas tubulares, de fluxo misto, de fluxo axial e reversíveis, respectivamente, com altura manométrica de até 150 m. A bancada de testes pode ser adaptada para testes em modelos de unidades verticais e horizontais. A bancada de testes foi projetada com duas estações, A e B. Quando a estação A está em funcionamento, a estação B é instalada, o que reduz o ciclo de testes. As estações A e B compartilham um conjunto de sistema de controle elétrico e sistema de testes. O sistema de controle elétrico utiliza PROFIBUS como núcleo, um CLP NAIS FP10SH como controlador principal e um IPC (computador de controle industrial) para realizar o controle centralizado. O sistema adota a tecnologia fieldbus para implementar o avançado modo de controle totalmente digital, o que garante a confiabilidade, a segurança e a facilidade de manutenção do sistema. Trata-se de um sistema de controle de testes para máquinas hidráulicas com alto grau de automação na China. Composição do sistema de controle
A bancada de testes de alta pressão hidráulica consiste em dois motores de bomba com potência de 550 kW e faixa de velocidade de 250 a 1100 rpm, que aceleram o fluxo de água na tubulação até os medidores de altura manométrica exigidos pelo usuário, mantendo a pressão constante. Os parâmetros do rotor são monitorados por um dinamômetro. A potência do motor do dinamômetro é de 500 kW, a velocidade varia entre 300 e 2300 rpm, e há um dinamômetro em cada estação (A e B). O princípio da bancada de testes de máquinas hidráulicas de alta pressão é mostrado na Figura 1. O sistema exige que a precisão do controle do motor seja inferior a 0,5% e o MTBF (Tempo Médio Entre Falhas) seja superior a 5000 horas. Após muita pesquisa, o sistema de regulação de velocidade DCS500, produzido por uma empresa * * *, foi selecionado. O DCS500 pode receber comandos de controle de duas maneiras: recebendo sinais de 4 a 20 mA para atender aos requisitos de velocidade; A segunda opção é adicionar um módulo PROFIBUS DP para receber dados em modo digital e atender aos requisitos de velocidade. O primeiro método oferece controle simples e baixo custo, mas pode sofrer interferências na transmissão de corrente e afetar a precisão do controle. Embora o segundo método seja mais caro, garante a precisão dos dados e do controle durante a transmissão. Portanto, o sistema adota quatro controladores DCS500 para controlar dois dinamômetros e dois motores de bomba d'água, respectivamente. Como estações escravas PROFIBUS DP, os quatro dispositivos se comunicam com o controlador lógico programável (CLP) da estação mestre em modo mestre-escravo. O CLP controla a partida/parada do dinamômetro e do motor da bomba d'água, transmite a velocidade de rotação do motor para o DCS500 via PROFIBUS DP e obtém o estado de funcionamento e os parâmetros do motor do DCS500.
O PLC seleciona o módulo afp37911, produzido pela NAIS Europe, como estação mestre, que suporta simultaneamente os protocolos FMS e DP. O módulo é a estação principal do FMS, responsável pela comunicação no modo principal com o IPC e o sistema de aquisição de dados; também é a estação mestre do DP, responsável pela comunicação mestre-escravo com o DCS500.
Todos os parâmetros do dinamômetro serão coletados e exibidos na tela por meio da tecnologia VXI Bus (outros parâmetros serão coletados pela empresa VXI). O IPC se conecta ao sistema de aquisição de dados por meio do FMS para completar a comunicação. A composição de todo o sistema é mostrada na Figura 2.
1.1 O fieldbus PROFIBUS é um padrão formulado por 13 empresas e 5 instituições de pesquisa científica em um projeto de desenvolvimento conjunto. Ele foi incluído na norma europeia EN50170 e é um dos padrões de fieldbus industriais recomendados na China. Inclui as seguintes formas:
O PROFIBUS FMS resolve as tarefas gerais de comunicação em nível de oficina, fornece um grande número de serviços de comunicação e executa tarefas de comunicação cíclicas e não cíclicas com velocidade de transmissão média. O módulo Profibus do NAIS suporta uma taxa de comunicação de 1,2 Mbps e não suporta o modo de comunicação cíclica. Ele só pode se comunicar com outras estações mestras FMS usando MMA (transmissão de dados não cíclicos) e conexão mestra, e o módulo não é compatível com o FMS. Portanto, não é possível usar apenas uma forma de PROFIBUS no projeto do esquema.
O PROFIBUS-DP é uma conexão de comunicação otimizada, de alta velocidade e baixo custo, projetada para comunicação entre sistemas de controle automático e E/S descentralizadas em nível de equipamento. Como o DP e o FMS adotam o mesmo protocolo de comunicação, eles podem coexistir no mesmo segmento de rede. Entre NAIS e a, msaz transmissão de dados não cíclica conexão mestre-escravo estação escrava não se comunica ativamente.
• PROFIBUS PA: tecnologia de transmissão intrinsecamente segura, padrão especialmente projetada para automação de processos, que implementa os procedimentos de comunicação especificados na norma IEC 1158-2 para aplicações com altos requisitos de segurança e estações alimentadas pelo barramento. O meio de transmissão utilizado no sistema é o par trançado blindado de cobre, o protocolo de comunicação é RS485 e a taxa de transmissão é de 500 kbps. A aplicação do barramento de campo industrial garante a segurança e a confiabilidade do sistema.
1.2 Computador de controle industrial IPC
O computador de controle industrial superior adota o modelo Advantech de Taiwan, executando o sistema operacional Windows NT 4.0. O software de configuração industrial WinCC, da Siemens, é utilizado para exibir as informações de operação do sistema em uma tela grande e representar graficamente o fluxo e o bloqueio da tubulação. Todos os dados são transmitidos do CLP via PROFIBUS. O computador de controle industrial possui internamente uma placa de rede Profiboard, produzida pela empresa alemã Softing, especialmente projetada para PROFIBUS. Através do software de configuração fornecido pela Softing, a rede pode ser estabelecida, permitindo o estabelecimento de relações de comunicação de rede (Cr) e dicionários de objetos (OD). O WinCC, também da Siemens, suporta apenas conexão direta com os CLPs S5/S7 da empresa e só pode se comunicar com outros CLPs através da tecnologia DDE do Windows. A Softing fornece o software servidor DDE para realizar a comunicação PROFIBUS com o WinCC.
1.3 PLC
A empresa Fp10sh da NAIS foi selecionada como PLC.
2 funções do sistema de controle
Além de controlar dois motores de bomba d'água e dois dinamômetros, o sistema de controle também precisa controlar 28 válvulas elétricas, 4 motores de balança, 8 motores de bomba de óleo, 3 motores de bomba de vácuo, 4 motores de bomba de drenagem de óleo e 2 válvulas solenoides de lubrificação. A direção e a vazão da água são controladas por meio da comutação das válvulas para atender aos requisitos de teste dos usuários.
2.1 altura constante
Ajuste a velocidade da bomba d'água: estabilize-a em um determinado valor, garantindo que a altura manométrica permaneça constante. Ajuste a velocidade do dinamômetro para um valor específico e colete os dados relevantes após 2 a 4 minutos de operação estável. Durante o teste, é necessário manter a altura manométrica constante. Um disco de código é posicionado no motor da bomba d'água para coletar os dados de velocidade, permitindo que o DCS500 estabeleça um controle em malha fechada. A velocidade da bomba d'água é inserida através do teclado do computador.
2.2 velocidade constante
Ajuste a velocidade do dinamômetro para estabilizá-la em um determinado valor. Nesse momento, a velocidade do dinamômetro estará constante; ajuste a velocidade da bomba para um determinado valor (ou seja, ajuste a altura manométrica) e colete os dados relevantes após a estabilização das condições de operação por 2 a 4 minutos. O DCS500 forma um circuito fechado para estabilizar a velocidade do dinamômetro.
2.3 teste de fuga
Ajuste a velocidade do dinamômetro para um determinado valor e mantenha-a constante. Em seguida, ajuste a velocidade da bomba d'água para que o torque de saída do dinamômetro se aproxime de zero (nessa condição de operação, o dinamômetro funciona para geração de energia e operação elétrica) e colete os dados relevantes. Durante o teste, a velocidade do motor da bomba d'água deve permanecer constante e ser ajustada pelo DCS500.
2.4 Calibração de fluxo
O sistema está equipado com dois tanques de correção de vazão para calibrar o medidor de vazão. Antes da calibração, determine o valor de vazão desejado, ligue a bomba d'água e ajuste continuamente sua velocidade. Durante esse processo, monitore o valor da vazão. Quando a vazão atingir o valor desejado, estabilize a velocidade da bomba d'água (a água estará circulando na tubulação de calibração). Ajuste o tempo de comutação do defletor. Após a estabilização das condições de operação, ligue a válvula solenoide, inicie a cronometragem e direcione a água da tubulação para o tanque de correção simultaneamente. Ao término do tempo programado, a válvula solenoide é desligada. Nesse momento, a água retorna à tubulação de calibração. Reduza a velocidade da bomba d'água, estabilize-a em uma velocidade específica e leia os dados correspondentes. Em seguida, drene a água e realize a calibração do próximo ponto.
2.5 comutação manual/automática sem interrupções
Para facilitar a manutenção e a depuração do sistema, foi projetado um teclado manual. O operador pode controlar o acionamento de uma válvula individualmente através do teclado, sem as restrições de intertravamento. O sistema adota o módulo de E/S remota NAIS, permitindo que o teclado opere em diferentes locais. Durante a comutação manual/automática, o estado da válvula permanece inalterado.
O sistema adota um CLP como controlador principal, o que simplifica o sistema e garante alta confiabilidade e facilidade de manutenção; o PROFIBUS realiza a transmissão completa de dados, evita interferências eletromagnéticas e faz com que o sistema atenda aos requisitos de precisão do projeto; o compartilhamento de dados entre diferentes dispositivos é viabilizado; a flexibilidade do PROFIBUS proporciona condições convenientes para a expansão do sistema. O esquema de projeto de sistema com barramento de campo industrial como núcleo se tornará a principal aplicação industrial.
Data da publicação: 17 de fevereiro de 2022
