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. Para a produção de qualquer rotor, é necessário desenvolver primeiro um modelo em escala, que pode ser testado 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 do usuário, o rotor pode ser produzido em larga escala. Por isso, alguns fabricantes renomados de equipamentos hidrelétricos no exterior possuem diversas bancadas de testes para altas quedas que atendem às necessidades de várias funções, como as cinco bancadas de testes de alta precisão da empresa francesa Nyrpic; a Hitachi e a Toshiba possuem cinco bancadas de testes cada, com altura manométrica superior a 50 m. De acordo com as necessidades de produção, um grande instituto de pesquisa de máquinas elétricas projetou uma bancada de testes para altas quedas com funções completas e alta precisão, capaz de realizar testes em modelos de máquinas hidráulicas tubulares, de fluxo misto, de fluxo axial e reversíveis. A altura manométrica pode chegar a 150 m. A bancada de testes pode ser adaptada para testes de modelos de unidades verticais e horizontais. Ela foi projetada com duas estações, A e B. Quando a estação A está em operação, 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 de barramento de campo para implementar o avançado modo de controle totalmente digital, o que garante a confiabilidade, segurança e facilidade de manutenção do sistema. Trata-se do sistema de controle de testes de máquinas hidráulicas com o mais alto grau de automação na China. Composição do sistema de controle
A bancada de testes de alta pressão hidráulica é composta por dois motores de bomba com potência instalada de 550 kW e velocidade de rotação entre 250 e 1100 rpm, para acelerar o fluxo de água na tubulação até o medidor de altura manométrica exigido pelo usuário e manter a pressão constante. Os parâmetros do rotor são monitorados por um dinamômetro. A potência do motor do dinamômetro é de 500 kW e a velocidade de rotação varia entre 300 e 2300 rpm. 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 tempo médio entre falhas (MTTF) seja superior a 5000 horas. Após extensa pesquisa, o sistema de controle de velocidade DCS500 foi selecionado. O DCS500 pode receber comandos de controle de duas maneiras: recebendo sinais de 4-20 mA para atender aos requisitos de velocidade; Outra opção é adicionar um módulo PROFIBUS DP para atender à exigência de velocidade, recebendo os dados em modo digital. O primeiro método é simples e barato, mas pode sofrer interferências na transmissão de corrente, afetando a precisão do controle. Embora o segundo método seja mais caro, ele garante a precisão dos dados durante a transmissão e a precisão do controle. Portanto, o sistema utiliza quatro 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 PLC mestre em modo mestre-escravo. O PLC controla a partida/parada do dinamômetro e do motor da bomba, transmite a velocidade de operação do motor para o DCS500 via PROFIBUS DP e obtém o status de operação e os parâmetros do motor do DCS500, transmitindo-os para o IPC superior via PROFIBUS FMS para realizar o monitoramento em tempo real.
O PLC seleciona o módulo afp37911, produzido pela NAIS Europe, como estação mestre, que suporta simultaneamente os protocolos FMS e DP. Este módulo é a estação principal do FMS e comunica-se com o IPC e o sistema de aquisição de dados em modo mestre-mestre; também funciona como estação mestre DP, realizando comunicação mestre-escravo com o DCS500.
O sistema de aquisição de dados adota a tecnologia de barramento VXI para coletar vários parâmetros do dinamômetro e exibi-los na tela grande, além de gerar tabelas e gráficos com os resultados (essa parte é realizada por outras empresas). O IPC se comunica com o sistema de aquisição de dados através do FMS. A composição de todo o sistema é mostrada na Figura 2.
1.1 Fieldbus PROFIBUS O PROFIBUS é um padrão desenvolvido por 13 empresas, como a Siemens e a AEC, 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 no nível da 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 da NAIS suporta uma taxa de comunicação de 1,2 Mbps e não suporta o modo de comunicação cíclica. Ele só pode usar MMA para transmissão de dados não cíclicos, conexão mestre e comunicação com outras estações mestre FMS. Além disso, este módulo não é compatível com o PROFIBUS FMS de outras empresas. Portanto, nenhuma das formas de PROFIBUS pode ser usada durante o projeto do esquema.
O PROFIBUS PA é uma tecnologia de transmissão intrinsecamente segura, especialmente projetada para automação de processos, que implementa o protocolo de comunicação especificado na norma IEC 1158-2 e é utilizada em locais 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 o 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, que executa o sistema operacional Windows NT 4.0 e utiliza o software de configuração industrial WinCC, da Siemens. Um grande visor exibe as condições de operação e as informações de orçamento do sistema, além de mostrar graficamente o fluxo na tubulação e as condições de bloqueio. Todos os dados são transmitidos pelo 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, é possível estabelecer a rede, a relação de comunicação de rede (Cr) e o dicionário 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 empresa de software fornece um servidor DDE para realizar a comunicação PROFIBUS com o WinCC.
1.3 PLC
A empresa Fp10sh da NAIS foi selecionada como PLC.
(2) função 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 descarga de óleo e 2 válvulas solenoides de lubrificação. A direção e a vazão da água são controladas pela chave seletora de válvulas para atender aos requisitos de teste dos usuários.
2.1 Altura manométrica constante Ajuste a velocidade de rotação da bomba d'água: estabilize-a em um determinado valor, mantendo a altura manométrica constante. Ajuste a velocidade do dinamômetro para um determinado valor. Após 2 a 4 minutos de operação estável, colete os dados relevantes. Durante o teste, é necessário manter a altura manométrica constante. Um disco de código é posicionado no motor da bomba para coletar os dados de velocidade, permitindo que o DCS500 estabeleça um controle em malha fechada. A velocidade da bomba d'água é inserida pelo teclado do computador.
2.2 velocidade constante
Ajuste a velocidade do dinamômetro para estabilizá-la em um determinado valor, mantendo-a constante. Ajuste a velocidade da bomba para um valor específico (ou seja, ajuste a altura manométrica) e colete os dados relevantes após 2 a 4 minutos de estabilização das condições de operação. 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. Ajuste a velocidade da bomba d'água para que o torque de saída do dinamômetro seja aproximadamente 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 deve ser constante e regulada pelo DCS500.
2.4 Calibração de fluxo
O sistema está equipado com dois tanques de correção de vazão para calibrar os medidores de vazão. Antes da calibração, determine o valor de vazão desejado, ligue a bomba d'água e ajuste continuamente sua velocidade de rotação. Durante esse processo, monitore o valor da vazão. Quando atingir o valor desejado, estabilize a rotação da bomba d'água na velocidade atual (enquanto a água circula na tubulação de calibração). Ajuste o tempo de acionamento do defletor. Após a estabilização das condições de operação, ligue a válvula solenoide e inicie a contagem do tempo. Simultaneamente, direcione a água da tubulação para o tanque de calibração. Ao término do tempo programado, a válvula solenoide é desligada. Nesse momento, a água é direcionada para a tubulação de calibração e a rotação da bomba d'água é reduzida até estabilizar em um valor específico. 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 determinada válvula de forma independente através do teclado, sem as restrições impostas pelo sistema de intertravamento. O sistema utiliza o módulo de E/S remota NAIS, permitindo o controle do teclado 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 baseado em barramento de campo industrial se tornará a principal aplicação industrial.
Data da publicação: 24/08/2022
