การพัฒนาและวิจัยระบบควบคุมความเร็วกังหันไฮดรอลิกโดยใช้ PLC

1 บทนำ
ตัวควบคุมกังหันน้ำเป็นหนึ่งในสองอุปกรณ์ควบคุมหลักสำหรับหน่วยพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ ไม่เพียงแต่มีบทบาทในการควบคุมความเร็วเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่แปลงสภาพการทำงานและความถี่ พลังงาน มุมเฟส และการควบคุมอื่น ๆ ของหน่วยผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ และปกป้องกังหันน้ำ หน้าที่ของชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ตัวควบคุมกังหันน้ำได้ผ่านการพัฒนาสามขั้นตอน ได้แก่ ตัวควบคุมไฮดรอลิกเชิงกล ตัวควบคุมไฟฟ้าไฮดรอลิก และตัวควบคุมไฮดรอลิกดิจิทัลไมโครคอมพิวเตอร์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตัวควบคุมแบบตั้งโปรแกรมได้ถูกนำมาใช้ในระบบควบคุมความเร็วกังหัน ซึ่งมีความสามารถในการป้องกันการรบกวนที่แข็งแกร่งและความน่าเชื่อถือสูง การเขียนโปรแกรมและการทำงานที่เรียบง่ายและสะดวกสบาย โครงสร้างแบบแยกส่วน ความคล่องตัวที่ดี ความยืดหยุ่น และการบำรุงรักษาที่สะดวก มีข้อดีของฟังก์ชันการควบคุมที่แข็งแกร่งและความสามารถในการขับเคลื่อน ซึ่งได้รับการพิสูจน์ในทางปฏิบัติแล้ว
ในบทความนี้ ได้มีการเสนอการวิจัยเกี่ยวกับระบบปรับคู่ของกังหันไฮดรอลิก PLC และใช้ตัวควบคุมแบบตั้งโปรแกรมได้เพื่อปรับคู่ของใบพัดนำทางและใบพัด ซึ่งช่วยปรับปรุงความแม่นยำในการประสานงานของใบพัดนำทางและใบพัดสำหรับหัวน้ำที่แตกต่างกัน การปฏิบัติจริงแสดงให้เห็นว่าระบบควบคุมคู่ช่วยปรับปรุงอัตราการใช้พลังงานน้ำ

2. ระบบควบคุมกังหัน

2.1 ระบบควบคุมกังหัน
งานพื้นฐานของระบบควบคุมความเร็วของกังหันคือการเปลี่ยนช่องเปิดของใบพัดนำทางของกังหันตามนั้นผ่านตัวควบคุมเมื่อโหลดของระบบไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงและความเร็วในการหมุนของหน่วยเบี่ยงเบน ดังนั้นความเร็วในการหมุนของกังหันจะคงอยู่ในช่วงที่กำหนด เพื่อให้หน่วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงาน กำลังขาออกและความถี่ตอบสนองความต้องการของผู้ใช้ งานพื้นฐานของการควบคุมกังหันสามารถแบ่งออกได้เป็น การควบคุมความเร็ว การควบคุมกำลังงานจริง และการควบคุมระดับน้ำ

2.2 หลักการควบคุมกังหัน
หน่วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำเป็นหน่วยที่สร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อกังหันน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ส่วนที่หมุนได้ของชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำเป็นวัตถุแข็งที่หมุนรอบแกนคงที่ และสามารถอธิบายสมการของวัตถุแข็งนี้ได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

ในสูตร
——โมเมนต์ความเฉื่อยของส่วนที่หมุนของหน่วย (กก.ม.)
——ความเร็วเชิงมุมของการหมุน (เรเดียน/วินาที)
——แรงบิดของกังหัน (N/m) รวมถึงการสูญเสียทางกลและทางไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
——แรงบิดความต้านทานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งหมายถึงแรงบิดที่กระทำของสเตเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าบนโรเตอร์ ซึ่งมีทิศทางตรงข้ามกับทิศทางการหมุน และแสดงถึงกำลังไฟฟ้าที่ใช้งานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า นั่นคือขนาดของโหลด

เมื่อโหลดเปลี่ยนแปลง การเปิดของใบพัดนำทางจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และความเร็วของหน่วยยังคงสามารถคงที่ได้ที่ค่าบางค่า เนื่องจากความเร็วจะเบี่ยงเบนจากค่าที่กำหนด จึงไม่เพียงพอที่จะพึ่งพาความสามารถในการปรับสมดุลตนเองเพื่อรักษาความเร็ว เพื่อรักษาความเร็วของหน่วยที่ค่าที่กำหนดเดิมหลังจากโหลดเปลี่ยนแปลง จะเห็นได้จากรูปที่ 1 ว่าจำเป็นต้องเปลี่ยนการเปิดใบพัดนำทางให้เหมาะสม เมื่อโหลดลดลง เมื่อแรงบิดต้านทานเปลี่ยนจาก 1 เป็น 2 การเปิดของใบพัดนำทางจะลดลงเหลือ 1 และความเร็วของหน่วยจะคงอยู่ ดังนั้น เมื่อโหลดเปลี่ยนแปลง การเปิดของกลไกนำทางน้ำจะเปลี่ยนไปตามลำดับ ดังนั้น ความเร็วของหน่วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำจึงคงอยู่ที่ค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้า หรือเปลี่ยนแปลงไปตามกฎหมายที่กำหนดไว้ล่วงหน้า กระบวนการนี้คือการปรับความเร็วของหน่วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ หรือการควบคุมกังหัน

3. ระบบปรับคู่กังหันไฮดรอลิก PLC
ตัวควบคุมกังหันมีหน้าที่ควบคุมการเปิดของใบพัดนำทางน้ำเพื่อปรับการไหลเข้าไปในรางน้ำของกังหัน ดังนั้นจึงเปลี่ยนแรงบิดแบบไดนามิกของกังหันและควบคุมความถี่ของชุดกังหัน อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการทำงานของกังหันใบพัดหมุนแบบไหลตามแนวแกน ตัวควบคุมไม่ควรปรับการเปิดของใบพัดนำทางเท่านั้น แต่ยังต้องปรับมุมของใบพัดตามระยะชักและค่าหัวน้ำของตัวติดตามใบพัดนำทางด้วย เพื่อให้ใบพัดนำทางและใบพัดเชื่อมต่อกัน รักษาความสัมพันธ์ที่ร่วมมือกันระหว่างพวกเขา นั่นคือ ความสัมพันธ์ในการประสานงาน ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของกังหัน ลดการเกิดโพรงอากาศในใบพัดและการสั่นสะเทือนของชุด และเพิ่มเสถียรภาพในการทำงานของกังหัน
ฮาร์ดแวร์ของระบบใบพัดควบคุม PLC ประกอบด้วยสองส่วนหลัก ได้แก่ ตัวควบคุม PLC และระบบเซอร์โวไฮดรอลิก ก่อนอื่นมาพูดถึงโครงสร้างฮาร์ดแวร์ของตัวควบคุม PLC กันก่อน

3.1 ตัวควบคุม PLC
ตัวควบคุม PLC ประกอบด้วยหน่วยอินพุต หน่วยพื้นฐาน PLC และหน่วยเอาต์พุต หน่วยอินพุตประกอบด้วยโมดูล A/D และโมดูลอินพุตดิจิทัล และหน่วยเอาต์พุตประกอบด้วยโมดูล D/A และโมดูลอินพุตดิจิทัล ตัวควบคุม PLC ติดตั้งจอแสดงผลดิจิทัล LED สำหรับการสังเกตพารามิเตอร์ PID ของระบบแบบเรียลไทม์ ตำแหน่งตัวติดตามใบพัด ตำแหน่งตัวติดตามใบพัดนำทาง และค่าหัวน้ำ นอกจากนี้ยังมีโวลต์มิเตอร์แบบอนาล็อกเพื่อตรวจสอบตำแหน่งตัวติดตามใบพัดในกรณีที่ตัวควบคุมไมโครคอมพิวเตอร์ขัดข้อง

3.2 ระบบติดตามไฮดรอลิก
ระบบเซอร์โวไฮดรอลิกเป็นส่วนสำคัญของระบบควบคุมใบพัดกังหัน สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมจะถูกขยายด้วยระบบไฮดรอลิกเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของใบพัดตาม จึงปรับมุมของใบพัดได้ เราใช้ระบบควบคุมไฟฟ้าไฮดรอลิกแบบวาล์วควบคุมแรงดันหลักแบบวาล์วควบคุมสัดส่วนร่วมกับระบบควบคุมเครื่องจักรไฮดรอลิกแบบดั้งเดิมเพื่อสร้างระบบควบคุมไฮดรอลิกคู่ขนานของวาล์วควบคุมสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกและวาล์วเครื่องจักรไฮดรอลิกตามที่แสดงในรูปที่ 2 ระบบไฮดรอลิกตามสำหรับใบพัดกังหัน

ระบบติดตามไฮดรอลิกสำหรับใบพัดกังหัน
เมื่อตัวควบคุม PLC วาล์วควบคุมสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกและเซ็นเซอร์ตำแหน่งทั้งหมดเป็นปกติ วิธีการควบคุมสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิก PLC จะถูกใช้เพื่อปรับระบบใบพัดกังหัน ค่าป้อนกลับตำแหน่งและค่าเอาต์พุตการควบคุมจะถูกส่งโดยสัญญาณไฟฟ้า และสัญญาณจะถูกสังเคราะห์โดยตัวควบคุม PLC การประมวลผลและการตัดสินใจ ปรับการเปิดวาล์วของวาล์วกระจายแรงดันหลักผ่านวาล์วควบคุมสัดส่วนเพื่อควบคุมตำแหน่งของตัวตามใบพัด และรักษาความสัมพันธ์ที่ร่วมมือกันระหว่างใบพัดนำทาง หัวน้ำ และใบพัด ระบบใบพัดกังหันที่ควบคุมโดยวาล์วควบคุมสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกมีความแม่นยำสูง โครงสร้างระบบที่เรียบง่าย ทนต่อการปนเปื้อนของน้ำมันได้ดี และสะดวกในการเชื่อมต่อกับตัวควบคุม PLC เพื่อสร้างระบบควบคุมอัตโนมัติไมโครคอมพิวเตอร์

เนื่องมาจากการคงไว้ซึ่งกลไกการเชื่อมโยงทางกล ในโหมดการควบคุมตามสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิก กลไกการเชื่อมโยงทางกลยังทำงานแบบซิงโครนัสเพื่อติดตามสถานะการทำงานของระบบ หากระบบควบคุมตามสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิก PLC ล้มเหลว วาล์วสวิตชิ่งจะทำหน้าที่ทันที และกลไกการเชื่อมโยงทางกลสามารถติดตามสถานะการทำงานของระบบควบคุมตามสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกได้โดยทั่วไป เมื่อสวิตชิ่ง ผลกระทบของระบบจะน้อย และระบบใบพัดสามารถเปลี่ยนผ่านไปยังโหมดการควบคุมการเชื่อมโยงทางกลได้อย่างราบรื่น รับประกันความน่าเชื่อถือของการทำงานของระบบได้อย่างมาก

เมื่อเราออกแบบวงจรไฮดรอลิก เราได้ออกแบบตัววาล์วของวาล์วควบคุมไฮดรอลิกใหม่ ขนาดที่ตรงกันของตัววาล์วและปลอกวาล์ว ขนาดการเชื่อมต่อของตัววาล์วและวาล์วแรงดันหลัก และขนาดเชิงกลของก้านสูบระหว่างวาล์วไฮดรอลิกและวาล์วกระจายแรงดันหลักนั้นเหมือนกับของเดิม จำเป็นต้องเปลี่ยนเฉพาะตัววาล์วของวาล์วไฮดรอลิกระหว่างการติดตั้งเท่านั้น และไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนชิ้นส่วนอื่น โครงสร้างของระบบควบคุมไฮดรอลิกทั้งหมดนั้นกะทัดรัดมาก บนพื้นฐานของการรักษาไว้ซึ่งกลไกการทำงานร่วมกันเชิงกลอย่างสมบูรณ์ กลไกการควบคุมตามสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกจึงถูกเพิ่มเข้ามาเพื่ออำนวยความสะดวกในการเชื่อมต่อกับตัวควบคุม PLC เพื่อควบคุมการทำงานร่วมกันแบบดิจิทัลและปรับปรุงความแม่นยำในการประสานงานของระบบใบพัดกังหัน และกระบวนการติดตั้งและแก้ไขข้อบกพร่องของระบบนั้นง่ายมาก ซึ่งช่วยลดเวลาหยุดทำงานของหน่วยกังหันไฮดรอลิก อำนวยความสะดวกในการแปลงระบบควบคุมไฮดรอลิกของกังหันไฮดรอลิก และมีมูลค่าในทางปฏิบัติที่ดี ระหว่างการปฏิบัติการจริงในสถานที่ ระบบได้รับการประเมินอย่างสูงจากบุคลากรด้านวิศวกรรมและเทคนิคของโรงไฟฟ้า และเชื่อว่าสามารถเผยแพร่และนำไปใช้ในระบบเซอร์โวไฮดรอลิกของผู้ว่าการโรงไฟฟ้าพลังน้ำหลายแห่งได้

3.3 โครงสร้างซอฟต์แวร์ระบบและวิธีการใช้งาน
ในระบบใบพัดกังหันที่ควบคุมด้วย PLC จะใช้หลักการซินเนอร์จีแบบดิจิทัลเพื่อรับรู้ความสัมพันธ์ซินเนอร์จีระหว่างใบพัดนำทาง หัวน้ำ และช่องเปิดของใบพัด เมื่อเปรียบเทียบกับหลักการซินเนอร์จีแบบกลไกดั้งเดิม หลักการซินเนอร์จีแบบดิจิทัลมีข้อดีคือสามารถตัดแต่งพารามิเตอร์ได้ง่าย มีข้อดีคือสามารถดีบักและบำรุงรักษาได้สะดวก และมีความแม่นยำสูงในการเชื่อมโยง โครงสร้างซอฟต์แวร์ของระบบควบคุมใบพัดประกอบด้วยโปรแกรมฟังก์ชันการปรับระบบ โปรแกรมอัลกอริทึมการควบคุม และโปรแกรมวินิจฉัยเป็นหลัก ด้านล่างนี้ เราจะพูดถึงวิธีการรับรู้ของสามส่วนข้างต้นของโปรแกรมตามลำดับ โปรแกรมฟังก์ชันการปรับประกอบด้วยซับรูทีนของซินเนอร์จี ซับรูทีนของการเริ่มใบพัด ซับรูทีนของการหยุดใบพัด และซับรูทีนของการปลดโหลดของใบพัด เมื่อระบบทำงาน ระบบจะระบุและตัดสินสภาพการทำงานปัจจุบันก่อน จากนั้นจึงเริ่มสวิตช์ซอฟต์แวร์ ดำเนินการซับรูทีนฟังก์ชันการปรับที่สอดคล้องกัน และคำนวณค่าตำแหน่งที่กำหนดของตัวตามใบพัด
(1) ซับรูทีนการเชื่อมโยง
จากการทดสอบแบบจำลองของชุดกังหัน จะสามารถหาชุดจุดที่วัดได้บนพื้นผิวข้อต่อได้ แคมข้อต่อเชิงกลแบบดั้งเดิมนั้นสร้างขึ้นจากจุดที่วัดได้เหล่านี้ และวิธีการเชื่อมต่อแบบดิจิทัลยังใช้จุดที่วัดได้เหล่านี้ในการวาดเส้นโค้งข้อต่ออีกด้วย โดยการเลือกจุดที่ทราบบนเส้นโค้งการเชื่อมโยงเป็นโหนด และใช้การสอดแทรกเชิงเส้นแบบเป็นชิ้นๆ ของฟังก์ชันไบนารี ก็สามารถหาค่าฟังก์ชันของโหนดที่ไม่ใช่โหนดบนเส้นการเชื่อมโยงนี้ได้
(2) ซับรูทีนการสตาร์ทใบพัด
จุดประสงค์ของการศึกษาเกี่ยวกับกฎการสตาร์ทคือ เพื่อลดระยะเวลาการสตาร์ทของหน่วย ลดภาระของตลับลูกปืนกันรุน และสร้างเงื่อนไขที่เชื่อมต่อกับกริดสำหรับหน่วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
(3) ซับรูทีนหยุดใบพัด
กฎการปิดของใบพัดมีดังนี้: เมื่อตัวควบคุมได้รับคำสั่งปิดเครื่อง ใบพัดและใบพัดนำทางจะปิดในเวลาเดียวกันตามความสัมพันธ์การทำงานร่วมกันเพื่อให้แน่ใจว่าหน่วยมีความเสถียร: เมื่อช่องเปิดของใบพัดนำทางมีค่าน้อยกว่าช่องเปิดแบบไม่มีโหลด ใบพัดจะล่าช้า เมื่อใบพัดนำทางปิดลงอย่างช้าๆ ความสัมพันธ์การทำงานร่วมกันระหว่างใบพัดและใบพัดนำทางจะไม่คงอยู่อีกต่อไป เมื่อความเร็วหน่วยลดลงต่ำกว่า 80% ของความเร็วที่กำหนด ใบพัดจะเปิดอีกครั้งไปที่มุมเริ่มต้น Φ0 พร้อมสำหรับการสตาร์ทครั้งถัดไป เตรียมพร้อม.
(4) ซับรูทีนการปฏิเสธการโหลดใบมีด
การปฏิเสธโหลดหมายถึงหน่วยที่มีโหลดถูกตัดการเชื่อมต่อจากกริดไฟฟ้าอย่างกะทันหันทำให้หน่วยและระบบระบายน้ำอยู่ในสถานะการทำงานที่ไม่ดีซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าและหน่วย เมื่อโหลดถูกปลดออกตัวควบคุมจะเทียบเท่ากับอุปกรณ์ป้องกันซึ่งทำให้ใบพัดนำทางและใบพัดปิดทันทีจนกว่าความเร็วหน่วยจะลดลงจนถึงบริเวณใกล้เคียงกับความเร็วที่กำหนด ความเสถียร ดังนั้นในการตัดโหลดจริงใบพัดจะเปิดออกในมุมหนึ่งโดยทั่วไปการเปิดนี้ได้รับผ่านการทดสอบการตัดโหลดของโรงไฟฟ้าจริง มันสามารถมั่นใจได้ว่าเมื่อหน่วยกำลังตัดโหลดไม่เพียง แต่การเพิ่มขึ้นของความเร็วจะเล็กน้อยเท่านั้น แต่ยังทำให้หน่วยค่อนข้างเสถียรอีกด้วย

4 บทสรุป
เมื่อพิจารณาถึงสถานะทางเทคนิคปัจจุบันของอุตสาหกรรมตัวควบคุมกังหันไฮดรอลิกของประเทศของฉัน เอกสารนี้อ้างอิงถึงข้อมูลใหม่ในสาขาการควบคุมความเร็วของกังหันไฮดรอลิกในประเทศและต่างประเทศ และนำเทคโนโลยีตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) มาใช้กับการควบคุมความเร็วของชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันไฮดรอลิก ตัวควบคุมที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) เป็นแกนหลักของระบบควบคุมคู่กังหันไฮดรอลิกแบบใบพัดไหลตามแนวแกน การใช้งานจริงแสดงให้เห็นว่าโครงร่างนี้ช่วยปรับปรุงความแม่นยำในการประสานงานระหว่างใบพัดนำทางและใบพัดสำหรับสภาวะหัวน้ำที่แตกต่างกันได้อย่างมาก และปรับปรุงอัตราการใช้พลังงานน้ำ