ความสำคัญของแท่นทดสอบแบบจำลองกังหันน้ำในการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานน้ำ

แท่นทดสอบแบบจำลองกังหันน้ำมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานน้ำ เป็นอุปกรณ์สำคัญในการปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์พลังงานน้ำและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจักร การผลิตใบพัดกังหันน้ำใดๆ ต้องเริ่มจากการพัฒนาแบบจำลองใบพัดและทดสอบแบบจำลองโดยจำลองระดับน้ำจริงของโรงไฟฟ้าพลังน้ำบนแท่นทดสอบเครื่องจักรไฮดรอลิกแรงดันสูง หากข้อมูลทั้งหมดตรงตามข้อกำหนดของผู้ใช้ ใบพัดจึงจะสามารถผลิตได้อย่างเป็นทางการ ดังนั้น ผู้ผลิตอุปกรณ์พลังงานน้ำในต่างประเทศบางรายจึงมีแท่นทดสอบแรงดันสูงหลายแท่นเพื่อตอบสนองความต้องการด้านฟังก์ชันต่างๆ ตัวอย่างเช่น บริษัท Neyrpic ของฝรั่งเศสมีแท่นทดสอบแบบจำลองความแม่นยำสูงขั้นสูง 5 แท่น Hitachi และ Toshiba มีแท่นทดสอบแบบจำลอง 5 แท่นที่มีระดับน้ำมากกว่า 50 เมตร ตามความต้องการในการผลิต สถาบันวิจัยเครื่องจักรไฟฟ้าขนาดใหญ่แห่งหนึ่งได้ออกแบบแท่นทดสอบแรงดันสูงที่มีฟังก์ชันครบถ้วนและมีความแม่นยำสูง ซึ่งสามารถทำการทดสอบแบบจำลองเครื่องจักรไฮดรอลิกแบบท่อ แบบผสม แบบไหลตามแนวแกน และแบบกลับทิศทางได้ ตามลำดับ และระดับน้ำสามารถสูงถึง 150 เมตร แท่นทดสอบนี้สามารถปรับให้เข้ากับการทดสอบแบบจำลองของเครื่องจักรแนวตั้งและแนวนอนได้ แท่นทดสอบได้รับการออกแบบให้มีสองสถานี คือ สถานี A และสถานี B เมื่อสถานี A ทำงาน สถานี B จะถูกติดตั้ง ซึ่งสามารถลดระยะเวลาการทดสอบได้ สถานี A และ B ใช้ระบบควบคุมไฟฟ้าและระบบทดสอบร่วมกัน ระบบควบคุมไฟฟ้าใช้ PROFIBUS เป็นแกนหลัก ใช้ PLC NAIS fp10sh เป็นตัวควบคุมหลัก และใช้ IPC (คอมพิวเตอร์ควบคุมอุตสาหกรรม) ในการควบคุมแบบรวมศูนย์ ระบบใช้เทคโนโลยีฟิลด์บัสเพื่อให้ได้โหมดควบคุมดิจิทัลขั้นสูง ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือ ความปลอดภัย และการบำรุงรักษาที่ง่ายของระบบ เป็นระบบควบคุมการทดสอบเครื่องจักรชลประทานที่มีระดับการทำงานอัตโนมัติสูงในประเทศจีน องค์ประกอบของระบบควบคุม

แท่นทดสอบแรงดันน้ำสูงประกอบด้วยมอเตอร์ปั๊มสองตัว กำลัง 550 กิโลวัตต์ และช่วงความเร็ว 250 ~ 1100 รอบ/นาที ซึ่งเร่งการไหลของน้ำในท่อไปยังระดับน้ำที่ผู้ใช้ต้องการ และรักษาระดับน้ำให้คงที่อย่างราบรื่น พารามิเตอร์ของมอเตอร์จะถูกตรวจสอบโดยไดนาโมมิเตอร์ กำลังมอเตอร์ของไดนาโมมิเตอร์คือ 500 กิโลวัตต์ ความเร็วระหว่าง 300 ~ 2300 รอบ/นาที และมีไดนาโมมิเตอร์อยู่ที่สถานี A และ B หลักการทำงานของแท่นทดสอบเครื่องจักรไฮดรอลิกแรงดันสูงแสดงในรูปที่ 1 ระบบนี้ต้องการความแม่นยำในการควบคุมมอเตอร์น้อยกว่า 0.5% และ MTBF มากกว่า 5000 ชั่วโมง หลังจากทำการวิจัยอย่างละเอียดแล้ว ระบบควบคุมความเร็ว DCS500 ที่ผลิตโดยบริษัท ** ได้รับเลือก DCS500 สามารถรับคำสั่งควบคุมได้สองวิธี วิธีแรกคือการรับสัญญาณ 4 ~ 20 mA เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านความเร็ว วิธีที่สองคือการเพิ่มโมดูล PROFIBUS DP เพื่อรับข้อมูลในโหมดดิจิทัลให้ตรงตามข้อกำหนดด้านความเร็ว วิธีแรกนั้นควบคุมง่ายและราคาถูก แต่จะเกิดการรบกวนในการส่งข้อมูลและส่งผลต่อความแม่นยำในการควบคุม แม้ว่าวิธีที่สองจะมีราคาแพงกว่า แต่สามารถรับประกันความถูกต้องของข้อมูลและความแม่นยำในการควบคุมในกระบวนการส่งข้อมูลได้ ดังนั้น ระบบจึงใช้ DCS500 จำนวนสี่ตัวเพื่อควบคุมไดนาโมมิเตอร์สองตัวและมอเตอร์ปั๊มน้ำสองตัวตามลำดับ โดยอุปกรณ์ทั้งสี่ตัวจะสื่อสารกับสถานีหลัก PLC ในโหมดมาสเตอร์-สเลฟ โดย PLC จะควบคุมการเริ่ม/หยุดของไดนาโมมิเตอร์และมอเตอร์ปั๊มน้ำ ส่งความเร็วรอบของมอเตอร์ไปยัง DCS500 ผ่าน PROFIBUS DP และรับสถานะการทำงานและพารามิเตอร์ของมอเตอร์จาก DCS500
PLC เลือกใช้โมดูล afp37911 ที่ผลิตโดย NAIS Europe เป็นสถานีหลัก ซึ่งรองรับทั้งโปรโตคอล FMS และ DP ในเวลาเดียวกัน โมดูลนี้เป็นสถานีหลักของ FMS ซึ่งช่วยให้การสื่อสารในโหมดหลักกับ IPC และระบบเก็บข้อมูลเป็นไปได้ และยังเป็นสถานีหลักของ DP ซึ่งช่วยให้การสื่อสารแบบมาสเตอร์-สเลฟกับ DCS500 เป็นไปได้ด้วย
พารามิเตอร์ทั้งหมดของไดนาโมมิเตอร์จะถูกรวบรวมและแสดงผลบนหน้าจอผ่านเทคโนโลยี VXI Bus (พารามิเตอร์อื่นๆ จะถูกรวบรวมโดยบริษัท VXI) IPC เชื่อมต่อกับระบบเก็บข้อมูลผ่าน FMS เพื่อให้การสื่อสารสมบูรณ์ ส่วนประกอบทั้งหมดของระบบแสดงในรูปที่ 2

1.1 ฟิลด์บัส PROFIBUS เป็นมาตรฐานที่จัดทำขึ้นโดยบริษัท 13 แห่งและสถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์ 5 แห่งในโครงการพัฒนาร่วมกัน ได้รับการบรรจุอยู่ในมาตรฐานยุโรป en50170 และเป็นหนึ่งในมาตรฐานฟิลด์บัสอุตสาหกรรมที่แนะนำในประเทศจีน ประกอบด้วยรูปแบบต่างๆ ดังต่อไปนี้:
• PROFIBUS FMS ช่วยแก้ปัญหาการสื่อสารทั่วไปในระดับโรงงาน ให้บริการการสื่อสารจำนวนมาก และดำเนินการสื่อสารแบบวนรอบและไม่วนรอบด้วยความเร็วในการส่งข้อมูลปานกลาง โมดูล Profibus ของ NAIS รองรับอัตราการสื่อสาร 1.2mbps และไม่รองรับโหมดการสื่อสารแบบวนรอบ สามารถสื่อสารกับสถานีหลัก FMS อื่นๆ ได้โดยใช้ MMA (การส่งข้อมูลแบบไม่วนรอบ - การเชื่อมต่อหลัก) เท่านั้น และโมดูลนี้ไม่สามารถใช้งานร่วมกับ FMS ได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้ PROFIBUS เพียงรูปแบบเดียวในการออกแบบระบบได้
• PROFIBUS-DP คือการเชื่อมต่อการสื่อสารความเร็วสูงและราคาประหยัดที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม ออกแบบมาสำหรับการสื่อสารระหว่างระบบควบคุมอัตโนมัติและ I/O แบบกระจายศูนย์ระดับอุปกรณ์ เนื่องจาก DP และ FMS ใช้โปรโตคอลการสื่อสารเดียวกัน จึงสามารถทำงานร่วมกันได้ในส่วนเครือข่ายเดียวกัน ระหว่าง NAIS และ a, msaz  การส่งข้อมูลแบบไม่วนรอบ  การเชื่อมต่อแบบมาสเตอร์-สเลฟ  สถานีสเลฟไม่สื่อสารอย่างกระตือรือร้น
• PROFIBUS PA คือเทคโนโลยีการส่งสัญญาณที่ปลอดภัยโดยเนื้อแท้ตามมาตรฐาน ซึ่งออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับระบบอัตโนมัติในกระบวนการผลิต โดยคำนึงถึงขั้นตอนการสื่อสารที่ระบุไว้ใน IEC 1158-2 สำหรับกรณีที่มีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสูงและสถานีที่ใช้พลังงานจากบัส สื่อกลางในการส่งสัญญาณที่ใช้ในระบบคือสายคู่บิดเกลียวหุ้มด้วยทองแดง โปรโตคอลการสื่อสารคือ RS485 และอัตราการสื่อสารคือ 500 kbps การใช้งานฟิลด์บัสอุตสาหกรรมช่วยรับประกันความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของระบบ

1.2 คอมพิวเตอร์ควบคุมอุตสาหกรรม (IPC)
คอมพิวเตอร์ควบคุมอุตสาหกรรมส่วนบนใช้คอมพิวเตอร์ควบคุมอุตสาหกรรม Advantech จากไต้หวัน  ที่ทำงานบนระบบปฏิบัติการเวิร์กสเตชัน Windows NT4 0  ใช้ซอฟต์แวร์การกำหนดค่าอุตสาหกรรม WinCC ของบริษัท Siemens เพื่อแสดงข้อมูลสภาพการทำงานของระบบบนหน้าจอขนาดใหญ่ และแสดงภาพกราฟิกการไหลและการอุดตันของท่อ ข้อมูลทั้งหมดถูกส่งจาก PLC ผ่าน PROFIBUS IPC ติดตั้งการ์ดเครือข่าย profiboard ที่ผลิตโดยบริษัท softing จากประเทศเยอรมนี ซึ่งออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับ PROFIBUS ผ่านซอฟต์แวร์การกำหนดค่าที่ softing จัดหาให้ สามารถเชื่อมต่อเครือข่าย สร้างความสัมพันธ์การสื่อสารเครือข่าย Cr (communication relation) และพจนานุกรมวัตถุ OD (object dictionary) ได้ WINCC ผลิตโดย Siemens รองรับการเชื่อมต่อโดยตรงกับ PLC S5/S7 ของบริษัทเท่านั้น และสามารถสื่อสารกับ PLC อื่นๆ ได้ผ่านเทคโนโลยี DDE ที่ Windows จัดหาให้เท่านั้น บริษัท softing จัดหาซอฟต์แวร์เซิร์ฟเวอร์ DDE เพื่อให้สามารถสื่อสาร PROFIBUS กับ WinCC ได้

1.3 PLC
Fp10sh ของบริษัท NAIS ได้รับเลือกให้เป็นบริษัทมหาชนจำกัด (PLC)

2 ฟังก์ชันระบบควบคุม
นอกจากจะควบคุมมอเตอร์ปั๊มน้ำ 2 ตัวและไดนาโมมิเตอร์ 2 ตัวแล้ว ระบบควบคุมยังต้องควบคุมวาล์วไฟฟ้า 28 ตัว มอเตอร์ตุ้มน้ำหนัก 4 ตัว มอเตอร์ปั๊มน้ำมัน 8 ตัว มอเตอร์ปั๊มสุญญากาศ 3 ตัว มอเตอร์ปั๊มระบายน้ำมัน 4 ตัว และวาล์วโซลินอยด์หล่อลื่น 2 ตัว โดยทิศทางการไหลและการไหลของน้ำจะถูกควบคุมผ่านการสลับวาล์วเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการทดสอบของผู้ใช้งาน

2.1 หัวคงที่
ปรับความเร็วของปั๊มน้ำ: ให้ความเร็วคงที่ที่ค่าใดค่าหนึ่ง และระดับน้ำต้องคงที่ในขณะนั้น ปรับความเร็วของเครื่องวัดกำลังไปที่ค่าใดค่าหนึ่ง และเก็บข้อมูลที่เกี่ยวข้องหลังจากที่สภาวะการทำงานคงที่แล้วประมาณ 2-4 นาที ในระหว่างการทดสอบ จำเป็นต้องรักษาระดับน้ำให้คงที่ ติดตั้งแผ่นวงจรพิมพ์ (code disk) บนมอเตอร์ปั๊มน้ำเพื่อเก็บความเร็วของมอเตอร์ เพื่อให้ DCS500 สามารถควบคุมแบบวงปิดได้ ป้อนความเร็วของปั๊มน้ำผ่านแป้นพิมพ์ IPC

2.2 ความเร็วคงที่
ปรับความเร็วของไดนาโมมิเตอร์ให้คงที่ที่ค่าใดค่าหนึ่ง ในขณะนี้ ความเร็วของไดนาโมมิเตอร์จะคงที่ ปรับความเร็วของปั๊มไปที่ค่าใดค่าหนึ่ง (เช่น ปรับแรงดัน) และเก็บข้อมูลที่เกี่ยวข้องหลังจากที่สภาวะการทำงานคงที่แล้วประมาณ 2-4 นาที DCS500 จะสร้างวงจรปิดสำหรับความเร็วของไดนาโมมิเตอร์เพื่อรักษาระดับความเร็วของไดนาโมมิเตอร์ให้คงที่

2.3 การทดสอบการวิ่งหนี
ปรับความเร็วของไดนาโมมิเตอร์ไปที่ค่าที่กำหนด และคงความเร็วของไดนาโมมิเตอร์ไว้คงที่  ปรับความเร็วของปั๊มน้ำเพื่อให้แรงบิดเอาต์พุตของไดนาโมมิเตอร์ใกล้เคียงกับศูนย์ (ภายใต้สภาวะการทำงานนี้ ไดนาโมมิเตอร์จะทำงานเพื่อผลิตพลังงานและใช้งานทางไฟฟ้า) และรวบรวมข้อมูลที่เกี่ยวข้อง ในระหว่างการทดสอบ ความเร็วของมอเตอร์ปั๊มน้ำจะต้องคงที่และปรับโดย DCS500

2.4 การสอบเทียบอัตราการไหล
ระบบนี้มีถังปรับเทียบการไหลสองถังสำหรับสอบเทียบเครื่องวัดการไหลในระบบ ก่อนการสอบเทียบ ให้กำหนดค่าการไหลที่ต้องการก่อน จากนั้นสตาร์ทมอเตอร์ปั๊มน้ำและปรับความเร็วของมอเตอร์ปั๊มน้ำอย่างต่อเนื่อง ในขณะนี้ ให้สังเกตค่าการไหล เมื่อค่าการไหลถึงค่าที่ต้องการ ให้ปรับความเร็วของมอเตอร์ปั๊มน้ำให้คงที่ (ในขณะนี้ น้ำจะไหลเวียนอยู่ในท่อสอบเทียบ) ตั้งเวลาการสลับของตัวเบี่ยง เมื่อสภาวะการทำงานคงที่แล้ว ให้เปิดวาล์วโซลินอยด์ เริ่มจับเวลา และสลับน้ำในท่อไปยังถังปรับเทียบพร้อมกัน เมื่อเวลาหมดลง วาล์วโซลินอยด์จะถูกตัดการเชื่อมต่อ ในขณะนี้ น้ำจะถูกสลับไปยังท่อสอบเทียบอีกครั้ง ลดความเร็วของมอเตอร์ปั๊มน้ำ ปรับความเร็วให้คงที่ และอ่านข้อมูลที่เกี่ยวข้อง จากนั้นระบายน้ำออกและสอบเทียบในจุดถัดไป

2.5 การสลับแบบแมนนวล/อัตโนมัติโดยไม่ถูกรบกวน
เพื่อให้การบำรุงรักษาและการแก้ไขข้อบกพร่องของระบบทำได้ง่ายขึ้น จึงได้ออกแบบแป้นพิมพ์แบบแมนนวลสำหรับระบบนี้ ผู้ปฏิบัติงานสามารถควบคุมการทำงานของวาล์วได้อย่างอิสระผ่านทางแป้นพิมพ์ โดยไม่ถูกจำกัดด้วยระบบล็อก ระบบนี้ใช้โมดูล NAIS remote I/O ซึ่งช่วยให้สามารถใช้งานแป้นพิมพ์ได้จากหลายตำแหน่ง ในระหว่างการสลับโหมดแมนนวล/อัตโนมัติ สถานะของวาล์วยังคงไม่เปลี่ยนแปลง
ระบบนี้ใช้ PLC เป็นตัวควบคุมหลัก ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของระบบและรับประกันความน่าเชื่อถือสูงและการบำรุงรักษาที่ง่าย PROFIBUS ช่วยให้การส่งข้อมูลสมบูรณ์ หลีกเลี่ยงการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และทำให้ระบบตรงตามข้อกำหนดด้านความแม่นยำของการออกแบบ สามารถแบ่งปันข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ ได้ ความยืดหยุ่นของ PROFIBUS ช่วยให้สามารถขยายระบบได้อย่างสะดวก รูปแบบการออกแบบระบบโดยใช้ฟิลด์บัสอุตสาหกรรมเป็นแกนหลักจะกลายเป็นกระแสหลักของการใช้งานในอุตสาหกรรมในอนาคต