水輪機(jī)模型試驗(yàn)臺在水電" title="水電">水電技術(shù)的發(fā)展中起著十分重要的作用，是提高水電產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化機(jī)組性能的重要設(shè)備。任何轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)必須首先研制出模型轉(zhuǎn)輪，經(jīng)高水頭水利機(jī)械試驗(yàn)臺模擬水電站的實(shí)際水頭米數(shù)測試該模型，如果所有數(shù)據(jù)均滿足用戶的要求，方可正式生產(chǎn)轉(zhuǎn)輪。因此國外一些著名的水電設(shè)備制造廠均有幾座適應(yīng)各種功能需要的高水頭試驗(yàn)臺、如法國的NEYRPIC公司有五座先進(jìn)的高精度模型試驗(yàn)臺；日立、東芝公司各有五座水頭超過50m的模型試驗(yàn)臺。某大電機(jī)研究所根據(jù)生產(chǎn)的需要設(shè)計(jì)了一座功能全、精度高的高水頭試驗(yàn)臺，可以分別對貫流式、混流式、軸流式、可逆式水利機(jī)械進(jìn)行模型試驗(yàn)、最高水頭可達(dá)150m。試驗(yàn)臺可以適應(yīng)立式和臥式機(jī)組模型試驗(yàn)。試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)了A、B兩個工位，當(dāng)A工位工作時，B工位處于安裝狀態(tài)，可以縮短試驗(yàn)周期。A、B兩工位共用一套電氣控制系統(tǒng)及測試系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)以Profibus為核心，以NAiS FP10SH PLC為主控制器，IPC(工業(yè)控制" title="工業(yè)控制">工業(yè)控制計(jì)算機(jī))實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的全數(shù)字控制方式，保證了系統(tǒng)的可靠性、安全性、易維護(hù)性、是目前國內(nèi)自動化程度比較高的水利機(jī)械試驗(yàn)控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成
　　高水頭試驗(yàn)臺是由兩臺最大功率為550kW、轉(zhuǎn)速范圍為250～1100r/min的水泵電機(jī)將管道中的水流加速到用戶所需要的水頭米數(shù)，并保持水頭平穩(wěn)運(yùn)行。由測功機(jī)監(jiān)測轉(zhuǎn)輪的各項(xiàng)參數(shù)，測功機(jī)的電機(jī)功率為500kW，轉(zhuǎn)速介于300～2300r/min之間，A、B工位各一臺測功機(jī)。高水頭水利機(jī)械試驗(yàn)臺原理如圖1所示。系統(tǒng)要求電機(jī)控制精度" title="控制精度">控制精度小于0.5%，平均無故障時間MTTF大于5000小時。在經(jīng)過大量的調(diào)研后，選用了ABB公司生產(chǎn)的DCS500直流調(diào)速系統(tǒng)。DCS500可以通過兩種方式接收控制命令，其一為接收4～20mA信號以滿足轉(zhuǎn)速要求；其二為增加Profibus－DP模塊，以數(shù)字方式接收滿足速度要求。第一種方式控制簡單，價(jià)格便宜，但電流傳輸中會受到干擾，影響控制精度；第二種方式雖價(jià)格較貴，但可以保證傳輸過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證了控制精度。故而，系統(tǒng)采用了四臺DCS500，分別用來控制兩臺測功機(jī)、兩臺水泵電機(jī)。四臺設(shè)備作為Profibus－DP從站與主站PLC按主—從方式通訊，PLC控制測功機(jī)、水泵電機(jī)的啟/停，將電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速通過Profibus－DP傳到DCS500，并從DCS500獲得電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，通過Profibus－FMS傳到上位IPC，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。
　　PLC選擇NAiS歐洲公司生產(chǎn)的AFP37911模塊作為主站，該模塊同時支持FMS和DP協(xié)議。該模塊既是FMS主站，與IPC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主—主方式通訊；又是DP主站，與DCS500實(shí)現(xiàn)主—從方式通訊。
　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用VXI總線技術(shù)采集測功機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)、通過大屏幕顯示，并將檢測結(jié)果形成表格和圖形輸出(此部分由其他公司完成)。IPC通過FMS與數(shù)采系統(tǒng)相連完成通訊。整個系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

1.1 現(xiàn)場總線Profibus
　　Profibus是由SIEMENS、ABB、AEC等13家公司和5家科研機(jī)構(gòu)在聯(lián)合開發(fā)的項(xiàng)目中制定的標(biāo)準(zhǔn)，已列入歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，是我國推薦使用的工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一。具體包括以下幾種形式：
　　· Profibus－FMS:解決車間級通用性通信任務(wù)、提供大量的通信服務(wù)、完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)。NAiS的Profibus模塊支持的最高通信速率為1.2Mbps、不支持循環(huán)通信模式、與其他FMS主站只能采用MMA(非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸、主主連接)通信、并且該模塊與ABB公司的Profibus－FMS不能兼容、所以在方案設(shè)計(jì)時、不能只用一種形式的Profibus。
　　· Profibus－DP:經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信所設(shè)計(jì)。因DP、FMS采用相同的通信協(xié)議，故可以在同一網(wǎng)段內(nèi)共存。NAiS與ABB之間采用MSAZ(非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸、主從連接、從站不主動)方式通信。
　　· Profibus－PA:專為過程自動化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)、實(shí)現(xiàn)了IEC1158－2中規(guī)定的通信規(guī)程、用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點(diǎn)。
　　本系統(tǒng)采用的傳輸介質(zhì)為銅質(zhì)屏蔽雙絞線、通信協(xié)議為RS485、通信速率為500kbps。工業(yè)現(xiàn)場總線的應(yīng)用為系統(tǒng)的安全性、可靠性提供了保障。
1.2 IPC工業(yè)控制計(jì)算機(jī)
　　上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用臺灣的ADVANTECH工控機(jī)、運(yùn)行Windows NT4.0 workstation操作系統(tǒng)、采用SIEMENS公司的WinCC工業(yè)組態(tài)軟件、大屏幕顯示系統(tǒng)的運(yùn)行工況、報(bào)警信息，以圖形方式表示管路流通及阻塞狀況。所有數(shù)據(jù)由PLC經(jīng)Profibus傳輸而來。IPC內(nèi)部配置一塊由德國Softing公司出品的Profiboard 網(wǎng)絡(luò)卡，該卡專為Profibus而設(shè)計(jì)。通過Softing提供的配置軟件，可以完成組網(wǎng)、建立網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)系CR(Communication Relation)，建立對象字典OD(Object Dictionary)。WinCC為SIEMENS公司生產(chǎn)，它只支持與該公司S5/S7 PLC直接連接，與其他PLC只能通過Windows提供的DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信。Softing公司提供了DDE Server軟件，實(shí)現(xiàn)了與WinCC的Profibus通信。
1.3 PLC
　　PLC選用NAiS公司的FP10SH。
2 控制系統(tǒng)功能
　　控制系統(tǒng)除了控制兩臺水泵電機(jī)、兩臺測功機(jī)以外，還需要控制28個電動閥、4臺砝碼電機(jī)、8臺油泵電機(jī)、3臺真空泵電機(jī)、4臺排油泵電機(jī)、2臺潤滑電磁閥，通過閥門的開關(guān)控制水的流向與流量來滿足用戶的試驗(yàn)要求。
2.1 定水頭
　　調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速、使其穩(wěn)定在某一數(shù)值，此時水頭一定；調(diào)整測功機(jī)轉(zhuǎn)速為某一數(shù)值，工況穩(wěn)定2～4分鐘后，采集有關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，要求保持水頭不變。在水泵電機(jī)安放碼盤采集電機(jī)轉(zhuǎn)速" title="電機(jī)轉(zhuǎn)速">電機(jī)轉(zhuǎn)速，使DCS500構(gòu)成閉環(huán)控制。水泵轉(zhuǎn)速由IPC鍵盤輸入。
2.2 定轉(zhuǎn)速
　　調(diào)節(jié)測功機(jī)轉(zhuǎn)速，使其穩(wěn)定在某一數(shù)值，此時測功機(jī)轉(zhuǎn)速一定；調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速為某一數(shù)值(即調(diào)整水頭)，工況穩(wěn)定2～4分鐘后，采集有關(guān)數(shù)據(jù)。DCS500對測功機(jī)轉(zhuǎn)速構(gòu)成閉環(huán)，穩(wěn)定測功機(jī)轉(zhuǎn)速。
2.3 飛逸試驗(yàn)
　　調(diào)節(jié)測功機(jī)轉(zhuǎn)速為某一數(shù)值，保持測功機(jī)轉(zhuǎn)速不變;調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使測功機(jī)輸出力矩近似為零(該工況下，測功機(jī)時作發(fā)電運(yùn)行，時作電動運(yùn)行)，采集有關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中要求水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，由DCS500調(diào)節(jié)。
2.4 流量校準(zhǔn)
　　系統(tǒng)設(shè)有兩個流量校正罐，用于標(biāo)定系統(tǒng)中的流量計(jì)。校準(zhǔn)前先確定所標(biāo)流量值，然后啟動水泵電機(jī)，并不斷調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，此時注意觀察流量值，當(dāng)流量值達(dá)到所需要的數(shù)值時，使水泵電機(jī)穩(wěn)定在當(dāng)前的轉(zhuǎn)速(此時水在標(biāo)定管路中循環(huán))。設(shè)定好折向器切換時間，待工況穩(wěn)定后，接通電磁閥，計(jì)時開始，同時把管路中的水切換到校正罐中。計(jì)時時間到，電磁閥斷開，此時水又切換到標(biāo)定管路中，下調(diào)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速，讀取有關(guān)數(shù)據(jù)。然后把水排掉，再標(biāo)定下一點(diǎn)。
2.5 手動/自動無擾切換
　　為使系統(tǒng)檢修和調(diào)試方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專用手動鍵盤，操作人員通過鍵盤可以單獨(dú)控制某個閥門的動作，不受互鎖的約束。系統(tǒng)采用NAiS Remote I/O模塊，可以使鍵盤在異地操作。手動/自動切換時，閥門狀態(tài)保持不變。
　　系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，簡化了系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的高可靠性和易維護(hù)性；Profibus實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)據(jù)傳輸，避免了電磁干擾，使系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的精度要求；實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享；Profibus的靈活性為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了方便條件。以工業(yè)現(xiàn)場總線為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案將成為工業(yè)界應(yīng)用的主流。