การพัฒนาและวิจัยระบบควบคุมความเร็วของกังหันไฮดรอลิกโดยใช้ PLC

1 บทนำ
ตัวควบคุมความเร็วของกังหันเป็นหนึ่งในสองอุปกรณ์ควบคุมหลักสำหรับหน่วยผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ นอกจากจะทำหน้าที่ควบคุมความเร็วแล้ว ยังทำหน้าที่แปลงสภาวะการทำงานต่างๆ และควบคุมความถี่ กำลัง มุมเฟส และอื่นๆ ของหน่วยผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ รวมถึงปกป้องกังหันน้ำด้วย ตัวควบคุมความเร็วของกังหันได้ผ่านการพัฒนามาสามขั้นตอน ได้แก่ ตัวควบคุมไฮดรอลิกเชิงกล ตัวควบคุมไฮดรอลิกไฟฟ้า และตัวควบคุมไฮดรอลิกดิจิทัลด้วยไมโครคอมพิวเตอร์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้มีการนำตัวควบคุมแบบโปรแกรมได้มาใช้ในระบบควบคุมความเร็วของกังหัน ซึ่งมีคุณสมบัติเด่นคือ ความสามารถในการต้านทานการรบกวนสูงและมีความน่าเชื่อถือสูง การตั้งโปรแกรมและการใช้งานง่ายและสะดวก โครงสร้างแบบโมดูลาร์ มีความหลากหลาย ยืดหยุ่น และบำรุงรักษาง่าย มีข้อดีคือมีฟังก์ชันการควบคุมและความสามารถในการขับเคลื่อนที่แข็งแกร่ง และได้รับการตรวจสอบในทางปฏิบัติแล้ว
ในบทความนี้ ได้นำเสนอการวิจัยเกี่ยวกับระบบปรับตั้งคู่ของกังหันไฮดรอลิก PLC โดยใช้ตัวควบคุมแบบโปรแกรมได้ (PLC) เพื่อปรับตั้งใบพัดนำทางและใบพัดหลักพร้อมกัน ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำในการประสานงานของใบพัดนำทางและใบพัดหลักสำหรับระดับน้ำที่แตกต่างกัน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าระบบควบคุมแบบคู่ช่วยเพิ่มอัตราการใช้พลังงานน้ำ

2. ระบบควบคุมกังหัน

2.1 ระบบควบคุมกังหัน
หน้าที่พื้นฐานของระบบควบคุมความเร็วของกังหันคือการเปลี่ยนการเปิดของใบพัดนำทางของกังหันให้เหมาะสมผ่านตัวควบคุมเมื่อภาระของระบบไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงและความเร็วรอบของกังหันเบี่ยงเบน เพื่อให้ความเร็วรอบของกังหันอยู่ในช่วงที่กำหนด เพื่อให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานและกำลังไฟฟ้าขาออกและความถี่ตรงตามความต้องการของผู้ใช้ หน้าที่พื้นฐานของการควบคุมกังหันสามารถแบ่งออกเป็น การควบคุมความเร็ว การควบคุมกำลังไฟฟ้า และการควบคุมระดับน้ำ

2.2 หลักการควบคุมกังหัน
ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำเป็นหน่วยที่เกิดจากการเชื่อมต่อกังหันน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ส่วนที่หมุนได้ของชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำเป็นวัตถุแข็งที่หมุนรอบแกนคงที่ และสมการของมันสามารถอธิบายได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

ในสูตร
——โมเมนต์ความเฉื่อยของส่วนที่หมุนได้ของหน่วย (กก. ตร.ม.)
——ความเร็วเชิงมุมของการหมุน (เรเดียน/วินาที)
—แรงบิดของกังหัน (นิวตันเมตร) รวมทั้งการสูญเสียทางกลและทางไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
——แรงบิดต้านทานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หมายถึงแรงบิดที่ขดลวดสเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระทำต่อขดลวดโรเตอร์ โดยมีทิศทางตรงข้ามกับทิศทางการหมุน และแสดงถึงกำลังไฟฟ้าขาออกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หรือก็คือขนาดของโหลด

เมื่อภาระเปลี่ยนแปลง การเปิดของใบพัดนำทางยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และความเร็วของหน่วยยังคงสามารถคงที่ที่ค่าใดค่าหนึ่งได้ เนื่องจากความเร็วจะเบี่ยงเบนจากค่าที่กำหนด การพึ่งพาความสามารถในการปรับสมดุลด้วยตนเองเพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอในการรักษาความเร็ว เพื่อรักษาความเร็วของหน่วยให้อยู่ที่ค่าที่กำหนดเดิมหลังจากภาระเปลี่ยนแปลง จะเห็นได้จากรูปที่ 1 ว่าจำเป็นต้องเปลี่ยนการเปิดของใบพัดนำทางให้เหมาะสม เมื่อภาระลดลง เมื่อแรงบิดต้านทานเปลี่ยนจาก 1 เป็น 2 การเปิดของใบพัดนำทางจะลดลงเหลือ 1 และความเร็วของหน่วยจะคงที่ ดังนั้น เมื่อภาระเปลี่ยนแปลง การเปิดของกลไกนำทางน้ำจะเปลี่ยนแปลงไปตามนั้น เพื่อให้ความเร็วของหน่วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำคงที่ที่ค่าที่กำหนดไว้ หรือเปลี่ยนแปลงตามกฎที่กำหนดไว้ กระบวนการนี้คือการปรับความเร็วของหน่วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ หรือการควบคุมกังหัน

3. ระบบปรับตั้งคู่ของกังหันไฮดรอลิก PLC
ตัวควบคุมความเร็วของกังหัน (turbine governor) ทำหน้าที่ควบคุมการเปิดของใบพัดนำน้ำเพื่อปรับการไหลเข้าสู่ใบพัดของกังหัน ทำให้แรงบิดไดนามิกของกังหันเปลี่ยนแปลงไป และควบคุมความถี่ของหน่วยกังหัน อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการทำงานของกังหันใบพัดหมุนแบบไหลตามแนวแกน ตัวควบคุมความเร็วไม่เพียงแต่ต้องปรับการเปิดของใบพัดนำน้ำเท่านั้น แต่ยังต้องปรับมุมของใบพัดตามระยะชักและค่าระดับน้ำของตัวตามใบพัดนำน้ำด้วย เพื่อให้ใบพัดนำน้ำและใบพัดเชื่อมต่อกันและรักษาความสัมพันธ์แบบประสานงานกัน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกังหัน ลดการเกิดโพรงอากาศและการสั่นสะเทือนของใบพัด และเพิ่มเสถียรภาพในการทำงานของกังหัน
ฮาร์ดแวร์ของระบบใบพัดกังหันที่ควบคุมด้วย PLC นั้นประกอบด้วยสองส่วนหลัก ได้แก่ ตัวควบคุม PLC และระบบเซอร์โวไฮดรอลิก ก่อนอื่น เรามาพูดถึงโครงสร้างฮาร์ดแวร์ของตัวควบคุม PLC กันก่อน

3.1 ตัวควบคุม PLC
ตัวควบคุม PLC ประกอบด้วยหน่วยป้อนข้อมูล หน่วยพื้นฐาน PLC และหน่วยแสดงผลเป็นหลัก หน่วยป้อนข้อมูลประกอบด้วยโมดูล A/D และโมดูลป้อนข้อมูลดิจิทัล และหน่วยแสดงผลประกอบด้วยโมดูล D/A และโมดูลป้อนข้อมูลดิจิทัล ตัวควบคุม PLC มีจอแสดงผลดิจิทัล LED สำหรับตรวจสอบค่าพารามิเตอร์ PID ของระบบ ตำแหน่งของใบพัดตาม ตำแหน่งของใบพัดนำทาง และค่าระดับน้ำแบบเรียลไทม์ นอกจากนี้ยังมีโวลต์มิเตอร์แบบอนาล็อกเพื่อตรวจสอบตำแหน่งของใบพัดตามในกรณีที่ตัวควบคุมไมโครคอมพิวเตอร์ทำงานผิดพลาด

3.2 ระบบติดตามไฮดรอลิก
ระบบเซอร์โวไฮดรอลิกเป็นส่วนสำคัญของระบบควบคุมใบพัดกังหัน สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมจะถูกขยายทางไฮดรอลิกเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของตัวตามใบพัด ทำให้สามารถปรับมุมของใบพัดได้ เราได้นำระบบควบคุมไฮดรอลิกไฟฟ้าแบบวาล์วควบคุมแรงดันหลักที่ผสมผสานระหว่างระบบควบคุมแบบสัดส่วนและระบบควบคุมไฮดรอลิกแบบดั้งเดิมมาใช้ เพื่อสร้างระบบควบคุมไฮดรอลิกแบบขนานระหว่างวาล์วสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกและวาล์วไฮดรอลิกแบบดั้งเดิม ดังแสดงในรูปที่ 2 ระบบติดตามไฮดรอลิกสำหรับใบพัดกังหัน

ระบบไฮดรอลิกติดตามใบพัดกังหัน
เมื่อตัวควบคุม PLC วาล์วสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิก และเซ็นเซอร์ตำแหน่งทำงานปกติแล้ว จะใช้วิธีควบคุมสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกของ PLC ในการปรับระบบใบพัดกังหัน โดยค่าป้อนกลับตำแหน่งและค่าเอาต์พุตควบคุมจะถูกส่งผ่านสัญญาณไฟฟ้า และสัญญาณเหล่านั้นจะถูกสังเคราะห์ ประมวลผล และตัดสินใจโดยตัวควบคุม PLC เพื่อปรับการเปิดวาล์วของวาล์วจ่ายแรงดันหลักผ่านวาล์วสัดส่วน เพื่อควบคุมตำแหน่งของตัวตามใบพัด และรักษาความสัมพันธ์เชิงร่วมมือระหว่างใบพัดนำทาง ระดับน้ำ และใบพัด ระบบใบพัดกังหันที่ควบคุมโดยวาล์วสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกมีความแม่นยำในการทำงานร่วมกันสูง โครงสร้างระบบเรียบง่าย ทนทานต่อมลภาวะจากน้ำมันสูง และสะดวกในการเชื่อมต่อกับตัวควบคุม PLC เพื่อสร้างระบบควบคุมอัตโนมัติด้วยไมโครคอมพิวเตอร์

เนื่องจากการคงไว้ซึ่งกลไกการเชื่อมต่อเชิงกล ในโหมดควบคุมสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิก กลไกการเชื่อมต่อเชิงกลจึงทำงานประสานกันเพื่อติดตามสถานะการทำงานของระบบ หากระบบควบคุมสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิก PLC เกิดความล้มเหลว วาล์วสลับจะทำงานทันที และกลไกการเชื่อมต่อเชิงกลสามารถติดตามสถานะการทำงานของระบบควบคุมสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกได้อย่างแม่นยำ เมื่อทำการสลับ ผลกระทบต่อระบบจะน้อย และระบบใบพัดสามารถเปลี่ยนไปสู่โหมดควบคุมการเชื่อมต่อเชิงกลได้อย่างราบรื่น ซึ่งช่วยรับประกันความน่าเชื่อถือในการทำงานของระบบเป็นอย่างมาก

ในการออกแบบวงจรไฮดรอลิก เราได้ออกแบบตัววาล์วควบคุมไฮดรอลิกใหม่ โดยปรับขนาดของตัววาล์วและปลอกวาล์ว ขนาดการเชื่อมต่อของตัววาล์วและวาล์วแรงดันหลัก และขนาดของก้านเชื่อมต่อระหว่างวาล์วไฮดรอลิกและวาล์วจ่ายแรงดันหลักให้เหมือนกับของเดิม ในการติดตั้งจึงต้องเปลี่ยนเฉพาะตัววาล์วไฮดรอลิกเท่านั้น ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนชิ้นส่วนอื่น โครงสร้างของระบบควบคุมไฮดรอลิกทั้งหมดจึงมีขนาดกะทัดรัดมาก โดยยังคงกลไกการทำงานร่วมกันเชิงกลไว้อย่างสมบูรณ์ และเพิ่มกลไกควบคุมสัดส่วนไฟฟ้าไฮดรอลิกเพื่ออำนวยความสะดวกในการเชื่อมต่อกับตัวควบคุม PLC เพื่อให้สามารถควบคุมการทำงานร่วมกันแบบดิจิทัลและปรับปรุงความแม่นยำในการประสานงานของระบบใบพัดกังหัน นอกจากนี้ กระบวนการติดตั้งและทดสอบระบบยังง่ายมาก ซึ่งช่วยลดเวลาหยุดทำงานของหน่วยกังหันไฮดรอลิก อำนวยความสะดวกในการปรับเปลี่ยนระบบควบคุมไฮดรอลิกของกังหันไฮดรอลิก และมีคุณค่าในทางปฏิบัติที่ดี ในระหว่างการใช้งานจริง ณ สถานที่ปฏิบัติงาน ระบบดังกล่าวได้รับการประเมินค่าสูงจากบุคลากรด้านวิศวกรรมและเทคนิคของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ และเชื่อว่าระบบนี้สามารถนำไปใช้และประยุกต์ใช้ในระบบควบคุมไฮดรอลิกของตัวควบคุมในโรงไฟฟ้าพลังน้ำหลายแห่งได้อย่างแพร่หลาย

3.3 โครงสร้างซอฟต์แวร์ระบบและวิธีการใช้งาน
ในระบบควบคุมใบพัดกังหันด้วย PLC นั้น ใช้วิธีการทำงานร่วมกันแบบดิจิทัลเพื่อสร้างความสัมพันธ์แบบประสานกันระหว่างใบพัดนำทาง ระดับน้ำ และการเปิดของใบพัด เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทำงานร่วมกันแบบเชิงกลแบบดั้งเดิม วิธีการทำงานร่วมกันแบบดิจิทัลมีข้อดีคือ ปรับแต่งพารามิเตอร์ได้ง่าย แก้ไขข้อผิดพลาดและบำรุงรักษาได้สะดวก และมีความแม่นยำสูง โครงสร้างซอฟต์แวร์ของระบบควบคุมใบพัดประกอบด้วยโปรแกรมฟังก์ชันการปรับระบบ โปรแกรมอัลกอริทึมควบคุม และโปรแกรมการวินิจฉัยเป็นหลัก ด้านล่างนี้เราจะกล่าวถึงวิธีการดำเนินการของโปรแกรมทั้งสามส่วนข้างต้นตามลำดับ โปรแกรมฟังก์ชันการปรับระบบประกอบด้วยซับรูทีนการทำงานร่วมกัน ซับรูทีนการเริ่มใบพัด ซับรูทีนการหยุดใบพัด และซับรูทีนการลดภาระของใบพัด เมื่อระบบทำงาน ระบบจะระบุและตัดสินสภาวะการทำงานปัจจุบันก่อน จากนั้นจึงเริ่มการสลับซอฟต์แวร์ ดำเนินการซับรูทีนฟังก์ชันการปรับระบบที่เกี่ยวข้อง และคำนวณค่าตำแหน่งที่กำหนดของตัวตามใบพัด
(1) ซับรูทีนการเชื่อมโยง
จากการทดสอบแบบจำลองของหน่วยกังหัน สามารถเก็บข้อมูลจุดวัดจำนวนหนึ่งบนพื้นผิวรอยต่อได้ จากนั้นจึงสร้างลูกเบี้ยวรอยต่อเชิงกลแบบดั้งเดิมโดยอิงจากจุดวัดเหล่านี้ และวิธีการสร้างรอยต่อแบบดิจิทัลก็ใช้จุดวัดเหล่านี้ในการวาดเส้นโค้งรอยต่อชุดหนึ่งเช่นกัน โดยการเลือกจุดที่ทราบค่าบนเส้นโค้งความสัมพันธ์เป็นจุดโหนด และใช้วิธีการประมาณค่าเชิงเส้นแบบแบ่งส่วนของฟังก์ชันไบนารี เพื่อหาค่าฟังก์ชันของจุดที่ไม่ใช่โหนดบนเส้นโค้งความสัมพันธ์นี้
(2) ซับรูทีนเริ่มต้นใบพัด
จุดประสงค์ของการศึกษาหลักการเริ่มต้นการทำงานคือ เพื่อลดระยะเวลาในการเริ่มต้นการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ลดภาระของแบริ่งรับแรงขับ และสร้างสภาวะการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
(3) ซับรูทีนหยุดใบพัด
กฎการปิดของใบพัดมีดังนี้: เมื่อตัวควบคุมได้รับคำสั่งปิดเครื่อง ใบพัดและใบพัดนำทางจะปิดพร้อมกันตามความสัมพันธ์แบบร่วมมือเพื่อให้มั่นใจในเสถียรภาพของเครื่อง: เมื่อการเปิดของใบพัดนำทางน้อยกว่าการเปิดขณะไม่มีโหลด ใบพัดจะหน่วง เมื่อใบพัดนำทางปิดลงอย่างช้าๆ ความสัมพันธ์แบบร่วมมือระหว่างใบพัดและใบพัดนำทางจะไม่คงอยู่ต่อไป เมื่อความเร็วของเครื่องลดลงต่ำกว่า 80% ของความเร็วที่กำหนด ใบพัดจะเปิดออกอีกครั้งไปยังมุมเริ่มต้น Φ0 เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการเริ่มต้นครั้งต่อไป
(4) ซับรูทีนการปฏิเสธการโหลดใบมีด
การตัดโหลดหมายถึงการตัดการเชื่อมต่อของหน่วยที่มีโหลดออกจากโครงข่ายไฟฟ้าอย่างกะทันหัน ทำให้หน่วยและระบบผันน้ำอยู่ในสภาวะการทำงานที่ไม่ดี ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าและหน่วย เมื่อโหลดถูกตัด ตัวควบคุมจะทำหน้าที่เสมือนอุปกรณ์ป้องกัน โดยจะทำให้ใบพัดนำทางและใบพัดปิดลงทันทีจนกว่าความเร็วของหน่วยจะลดลงมาใกล้เคียงกับความเร็วพิกัด ดังนั้น ในการตัดโหลดจริง ใบพัดมักจะเปิดออกเป็นมุมหนึ่ง ซึ่งมุมการเปิดนี้ได้มาจากการทดสอบการตัดโหลดของโรงไฟฟ้าจริง เพื่อให้แน่ใจว่าเมื่อหน่วยตัดโหลด ความเร็วที่เพิ่มขึ้นจะน้อยลง และหน่วยยังมีความเสถียรมากขึ้นด้วย

4. บทสรุป
จากสถานะทางเทคนิคปัจจุบันของอุตสาหกรรมควบคุมความเร็วของกังหันน้ำในประเทศ บทความนี้จึงอ้างอิงข้อมูลใหม่ในด้านการควบคุมความเร็วของกังหันน้ำทั้งในและต่างประเทศ และนำเทคโนโลยีตัวควบคุมตรรกะแบบโปรแกรมได้ (PLC) มาประยุกต์ใช้ในการควบคุมความเร็วของชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันน้ำ โดยตัวควบคุมโปรแกรม (PLC) เป็นหัวใจสำคัญของระบบควบคุมแบบคู่ของกังหันน้ำแบบใบพัดไหลตามแนวแกน การใช้งานจริงแสดงให้เห็นว่าแผนการนี้ช่วยปรับปรุงความแม่นยำในการประสานงานระหว่างใบพัดนำทางและใบพัดหลักภายใต้สภาวะระดับน้ำที่แตกต่างกันได้อย่างมาก และช่วยเพิ่มอัตราการใช้พลังงานน้ำ