[Zusammenfassung] Dieser Artikel beschreibt die Entwicklungsgeschichte zylindrischer Turbinenventile und deren Vorteile in der Praxis. Er analysiert die Ursachen für Asynchronität im Betrieb des Servosystems zylindrischer Ventile und erläutert Prinzip und Anwendungsmethode der Synchronisation mittels speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS). [Schlüsselwörter] Zylinderventil, Servosynchronisation, Proportionalventil, Regelungstechnik, elektrohydraulischer Servo . I. Überblick: Seit der ersten Anwendung in einer realen Turbine durch das französische Unternehmen NEYRPIC im Jahr 1962 wurden zylindrische Turbinenventile durch praktische Anwendungen in kleinen und mittelgroßen Turbinen kontinuierlich verbessert. Nach der Einführung zylindrischer Ventile im Jahr 1979 im Wasserkraftwerk LG-2 in Kanada, dem damals größten Wasserkraftwerk mit 16 großen Mischstromturbinen und einer Gesamtleistung von 338,5 MW, erregte deren Anwendung international Aufmerksamkeit, und ihre zahlreichen Vorteile wurden erkannt. Daher werden sie in immer mehr Wasserkraftwerken eingesetzt. Die Hauptvorteile sind: 1) Durch die Installation zwischen den festen und beweglichen Leitschaufeln verkürzt sich im Vergleich zu Kugel- und Absperrklappen vor dem Spiralgehäuse die Längsabmessung des gesamten Kraftwerks, wodurch die Baukosten sinken. 2) Es bietet eine bessere Dichtungsleistung und reduziert effektiv den durch Leckagen verursachten Verschleiß der Leitschaufeln. 3) Kurze Öffnungs- und Schließzeiten erfüllen die Anforderungen des Stromnetzes an einen schnellen Anlauf von Wasserkraftwerken und verhindern wirksam eine Überdrehzahl der Anlage in Störfällen. 4) Zusätzliche hydraulische Verluste durch die Verengungs- und Diffusionsabschnitte am Ein- und Auslass der Ventile vor dem Generator werden vermieden. 5) Das Zylinderventil arbeitet beim Öffnen und Schließen linear; die Schließgeschwindigkeit kann an den Wasserdruckanstieg angepasst werden. Die Synchronisierung mehrerer Aktuatoren stellt jedoch eine zentrale technische Herausforderung für die praktische Anwendung von Zylinderventilen dar. Im Folgenden werden Prinzip und Methode der Synchronisierung mittels SPS-Technologie erläutert. II. Struktur und Synchronisierungsmechanismus des Zylinderventils: Die traditionelle Methode zur Lösung des Synchronisierungsproblems verwendet hauptsächlich antriebsgetriebene Ketten. Mehrere Hydraulikzylinder sind möglichst gleichmäßig um den Umfang des Zylinderventils verteilt. Das untere Ende des Kolbens jedes Zylinders ist mit dem Ventilkörper verbunden und fixiert; die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens betätigt das Öffnen und Schließen des Ventils. Die synchrone Bewegung der Kolben wird durch ein reversibles Gewindespindelpaar erreicht. Dieses besteht aus einer am Kolben befestigten Mutter, die mit einer Gewindespindel verbunden ist. Bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens dreht sich die Gewindespindel in beide Richtungen. Ein am oberen Ende der Gewindespindel angebrachtes Zahnrad wandelt die vertikale Bewegung des Zylinderventils in eine Zahnraddrehung um. Das Zahnrad treibt die Kette an, welche wiederum die Zahnräder anderer Zylinder mit der gleichen Drehzahl antreibt. Diese Drehung wirkt wiederum auf deren Gewindespindeln und synchronisiert so mehrere Zylinder. Die Nachteile dieses Synchronisationssystems sind: 1) Zylinderventile mit größerem Durchmesser erfordern eine größere Anzahl von Zylindern, was die Gesamtinvestitionskosten des Systems erhöht. 2) Der Öleinlass der Zylinderzylinder ist nicht einstellbar; die Durchflussmenge wird durch ein voreingestelltes Drosselventil geregelt. Die Drehzahlregelung der Aktuatoren reagiert nicht ausreichend auf die Einstellregeln. 3) Die Kettensynchronisation hat eine geringe Korrekturfähigkeit für asynchrone Zylinder, was leicht zu Kettenüberlastung oder sogar Kettenbruch und damit zu Fehlfunktionen des Zylinderventils führen kann. 4) Da das Öleinlassvolumen des Zylinders durch das Drosselventil festgelegt ist, kann das Zylinderventil nur mit konstanter Geschwindigkeit öffnen und schließen. Dadurch geht der Vorteil der linearen Bewegung des Zylinderventils verloren, die ein Öffnen und Schließen mit einer vom Programm vorgegebenen Geschwindigkeit ermöglicht. III. Synchronisation mittels SPS-Ausgangssteuerung des hydraulischen Proportionalventil-Nachführsystems: Dieses Verfahren nutzt ein Relais zur direkten Ansteuerung des Zylinderventils und zur Steuerung seiner Synchronisation. Die Synchronisationsmechanismen des Wälzspindelpaares und des Kettenantriebs können entfallen oder als Hilfssynchronisations- und Schutzmaßnahmen eingesetzt werden. Darüber hinaus benötigt das Relais selbst keine Puffervorrichtung; die Pufferfunktion wird vom SPS-Steuerungsprogramm implementiert. Im Vergleich zu herkömmlichen synchronen Steuerungssystemen weist dieses System folgende Merkmale auf: 1) Es ermöglicht die flexible Anpassung des Öffnungs- und Schließverhaltens des Ventils (durch Modifizierung des Steuerungsprogramms), um den Anforderungen des Anlagenbetriebs besser gerecht zu werden. Beispielsweise kann bei einem Ausfall des Hauptdrehzahlreglers während einer Notabschaltung und dem damit verbundenen Bedarf an schnellem Schließen des Zylinderventils ein segmentiertes Schließsteuerungsgesetz eingesetzt werden, um sowohl die erforderliche Geschwindigkeit zu gewährleisten als auch einen übermäßigen Druckanstieg im Spiralgehäuse und im Druckrohr zu verhindern. 2) Der mechanische Synchronisationsmechanismus entfällt, wodurch die Steuerung und der Betrieb erheblich vereinfacht werden. Dies führt zu einer optimierten Gesamtstruktur des Zylinderventils, spart Platz im Schacht und verbessert die Betriebs- und Wartungsbedingungen. 3) Die Anzahl der Betriebskomponenten wird reduziert, wodurch die Projektkosten gesenkt werden. 4) Durch den Einsatz von Computerkommunikationstechnologie wird eine robuste Vor-Ort-Steuerungs- und Datenerfassungseinheit für die Fernüberwachung bereitgestellt. 3.1 Grundprinzipien des Steuerungssystems Dieses System besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: Hardware und Steuerungssoftware. Die Hardware umfasst eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, in dieser Lösung die Mitsubishi FX2N-80MT) mit zugehörigem A/D-Wandler, Kommunikationsmodul, Relais-Hubmesseinheit (hochpräzises, schnelles Impuls-Induktionssystem), Signalverstärkerplatine, hydraulisches Proportionalventil, Netzteil, Bedienschalter, Tasten und Kontrollleuchten. Die Hardwarekonfiguration ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Software wurde mit Mitsubishi FXGP-WIN-C entwickelt und ist unter Windows programmierbar. Die grundlegende Regelungsstrategie des Systems ist wie folgt: Das Gesamtsystem kann als geschlossenes elektrohydraulisches Servosystem mit Wegabweichung als negativer Rückkopplung betrachtet werden. Bei nicht synchronisierten Aktuatoren dient einer als Referenz. Basierend auf den vorgegebenen Öffnungs- und Schließregeln wird die Stellgröße nach dem klassischen PI-Regler generiert und dem hydraulischen Proportionalventil zugeführt. Dieses regelt den Öldurchfluss, um die Asynchronität auszugleichen und den synchronen Betrieb der Zylinder sicherzustellen. Das Blockdiagramm des grundlegenden Steuerungsprinzips ist in Abbildung 2 dargestellt. 3.2 Eigenschaften der einzelnen Komponenten 3.2.1 Steuer- und Recheneinheit SPS und ihre Funktionsmodule Die SPS (FX2N-80MT) ist die zentrale Steuerungskomponente des Gesamtsystems. Ihre umfangreichen und vollständigen Steuerbefehle, ihre hohe Leistungsfähigkeit sowie die einfache Programmierung und Fehlersuche vor Ort machen sie zu einem Feldgerät für vielfältige Steuerungsanwendungen. Ihre wichtigsten Leistungskennzahlen sind: Arbeitsgeschwindigkeit: 0,08 µs/Schritt (Basisbefehle), 1,52 µs bis 100 µs (Anwendungsbefehle); Benutzerprogrammspeicher: 16 KB, Systemprogrammspeicher: 8 KB; Anwendungsbefehle: 128 Typen, insgesamt 298; Eingänge: 5 Gruppen à 8, darunter 8 Hochgeschwindigkeits-Zählanschlüsse (X000–X007); Ansprechgeschwindigkeit: ≤ 20 kHz (insgesamt 8 Punkte); Integrierte Stromversorgung: 24 V, 600 mA. Eingangsspannung: AC/DC 170–250 V. Funktionsmodule: 1) Analog-Digital-Wandlermodul FX2N-4AD: Empfängt das 4–20 mA-Stromsignal des Drucksensors und wandelt es in eine vom SPS-Programm verwendbare Dezimalzahl (0–1000) um. Die Leistungskennwerte sind wie folgt: Leistungsaufnahme: DC 5 V, 30 mA; analoger Eingangsbereich: Spannung DC -10 V bis +10 V, maximal -15 V bis +15 V (Eingangsimpedanz 200 kΩ); Strom DC -20 mA bis +20 mA, maximal -32 mA bis +32 mA (Eingangsimpedanz 250 Ω); digitaler Ausgangsbereich: -2047 bis +2047; Auflösung: Spannung 5 mV, Strom 20 µA; Linearität: ±1 % FS; Abtastrate: Normalkanal 15 ms, Hochgeschwindigkeitskanal 6 ms. 3) Digital-Analog-Wandlermodul FX2N-2DA: Wandelt den von der SPS berechneten Steuergrößenwert in ein Spannungssignal für die Proportionalventil-Verstärkerplatine zur Ansteuerung des hydraulischen Proportionalventils um. Die Leistungskennwerte sind wie folgt: DC 5 V, 30 mA, numerischer Eingangsbereich: -2047 bis +2047; analoger Spannungsausgang: -10 V bis +10 V, Linearität: ±1 % FS, Auflösung: Spannung 5 mV (10 V × 1/2000), Wandlungsgeschwindigkeit: Normalkanal 18 ms, Hochgeschwindigkeitskanal 3,5 ms. 3.2.2 Messkomponente: Als Wegsensor wurde der berührungslose Wegsensor MTS Temposonics III (PB/PH) der amerikanischen Firma MTS ausgewählt. Funktionsprinzip: Das Magnetfeld, das durch den Stromimpuls des Abfragesignals (entlang des Wellenleiters) erzeugt wird, überlagert sich mit dem Magnetfeld des Positionsmagneten und erzeugt so ein Dehnungsimpulssignal. Anschließend wird die für die Signalerfassung benötigte Zeit berechnet, woraus sich die genaue Position ermitteln lässt. Leistung und Spezifikationen: Auflösung: 2 µm; Ansprechgeschwindigkeit: 4- bis 20-mal schneller als andere Messmethoden; Netzwerk-Digitalausgänge: SSI, CANBUS, PROFIBUS und DEVICENET; CE-konform. 3.2.3 Betätigungskomponenten: Proportionalventil (inkl. Verstärkerplatine). Dieses Bauteil ist entscheidend für die Verbindung des elektrischen Steuersignals mit dem mechanisch-hydraulischen System und beeinflusst somit direkt die Leistung des Steuerungssystems. Daher wurde das automatische Proportional-Wegeventil REXROTH VT5005 mit Ventilkegel-Positionsrückmeldung ausgewählt. Die technischen Daten des Verstärkerschaltkreises lauten wie folgt: Versorgungsspannung: 24 V DC, Leistung: 50 VA, Steuerspannung: ±9 V, maximaler Ausgangsstrom: 2,2 A. 3.2.4 Bediendisplay: Dieses System verwendet das Touchscreen-Bediendisplay Mitsubishi GOT940. Der Bildschirm kann mithilfe der zugehörigen GT-DESIGE-Software erstellt und über ein spezielles Kommunikationskabel AC30R-9SS zur Datenübertragung und Fehlersuche mit einem PC verbunden werden. Die Installation dieses Anzeigeterminals verbessert die Mensch-Maschine-Schnittstelle, ermöglicht die gleichzeitige Überwachung mehrerer Parameter und erleichtert die Echtzeitanalyse des Öffnungs- und Schließzustands des Ventils. 3.3 Steuerungsstrategie Die Nutzung des umfangreichen Befehlssatzes der Mitsubishi-SPS zur Entwicklung des Steuerungsprogramms ist von großer Bedeutung für die Fehlersuche vor Ort sowie die kontinuierliche Verbesserung und Optimierung des Steuerungsprogramms. Das Flussdiagramm des gesamten Steuerungsprogramms ist in Abbildung 3 dargestellt. 3.3.1 Anpassung des Sollwerts an das Öffnungs- und Schließverhalten Während des Öffnungs- und Schließvorgangs des Kreiszylinderventils ist bekannt, dass die zulässige Abweichung jedes Zylinders aufgrund seiner Einbaustruktur und Position minimal ist, wenn er sich in der Mitte seines vollen Hubs befindet. Um die Einstellgenauigkeit des hydraulischen Stellsystems zu gewährleisten, kann der Sollwert reduziert und somit die Betätigungsgeschwindigkeit des Zylinderventils verringert werden. Während des Absperrvorgangs kann die Schließgeschwindigkeit des Ventils segmentiert eingestellt werden, um den Druckanstieg im Spiralgehäuse zu steuern. Weitere Öffnungs- und Schließmuster lassen sich aus dem praktischen Betrieb des Zylinderventils ableiten und durch die Entwicklung eines Einstellsollwerts mit Öffnungs- und Schließbewegungsgesetzen implementieren. 3.3.2 Auswahl des Referenzzylinders: Der Zylinder mit dem geringsten Hub nach jedem Öffnungs- und Schließvorgang dient als Referenzzylinder für den nächsten Vorgang. Da dieser Zylinder am schwächsten auf die Einstellwerte reagiert, erhält er einen festen Sollwert als Ausgangssignal. Die Ausgänge der anderen Zylinder werden entsprechend angepasst. 3.3.3 Hydraulikdruckregelung: Überschreitet der Hydraulikdruck in einem Zylinder den Sollwert, ist dessen Bewegung behindert. In diesem Fall sollte der Sollwert des Referenzzylinders reduziert werden, um die Systemregelung zu optimieren und einen reibungslosen Öffnungs- und Schließvorgang zu gewährleisten. 3.3.4 Schutz- und Signaleinstellungen: Überschreitet der Hydraulikdruck eines Zylinders oder die Differenz der Hydraulikdrücke von vier Zylindern einen bestimmten Sollwert, wird der Hydraulikdruckschutz aktiviert. Der Kettenspannungsüberlastschutz wird über Endschalterkontakte eingestellt. Die Endlagen „vollständig geöffnet“ und „vollständig geschlossen“ werden ebenfalls durch Endschalter an den entsprechenden Positionen realisiert. Um ein Absinken des Öls im Hydrauliksystem zu verhindern, wird die Öffnung des Proportionalventils beim Annähern an die Positionen „vollständig geöffnet“ und „vollständig geschlossen“ reduziert, und die Zwischenrelais kehren verzögert in ihre Öffnungs- bzw. Schließpositionen zurück. Der Feldsteuerschrank ist mit folgenden Signalen ausgestattet: vollständig geöffnet, vollständig geschlossen, Zwischenlage und Kettenspannungsüberlastung (1#-6#). 3.3.5 Anzeige relevanter Parameter: Da der Feldsteuerschrank mit einem Bediendisplay ausgestattet ist, können über SPS-Befehle verschiedene Parameter für den Betrieb des Zylinderventils ermittelt und auf einem Bildschirm angezeigt werden. Diese Parameter umfassen den Hub jedes Zylinders, die Rückkopplungsspannung der Proportionalventil-Schieberposition jedes Zylinders, die Proportionalventil-Schieberposition (prozentualer Öffnungsgrad jedes Ventils), den Öldruck, die Betriebsdrehzahl, den Ventilweg des Zylinders, die Schaltzeiten sowie verschiedene Fehlersignale, Signale für vollständig geöffnet/geschlossen, Zwischenpositionssignale, Wegsignale und die Kennlinien zwischen Öldruck, Stellgröße, Proportionalventil-Öffnungsgrad und Hub für jeden Zylinder. Abbildung 3: Ablaufdiagramm des Steuerungsprogramms IV. Manuelle Einstellfunktion zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit des Steuerungssystems Bei Überlastung der Kette und Blockierung des Zylinderventils in der Zwischenposition oder bei einer Fehlfunktion der SPS-Steuerung kann der Schalter „Manuell/Automatisch“ auf „Manuell“ gestellt werden. Die Proportionalventile jedes Zylinders können dann direkt über den Potentiometereingang des Leistungsverstärkers eingestellt werden. V. Kommunikation mit dem Computerüberwachungssystem zur Bereitstellung erweiterter Vor-Ort-Informationen: Zur Kommunikation mit dem industriellen Steuerungsrechner der einzelnen LCUs im Computerüberwachungssystem werden innerhalb der SPS ein kontinuierliches Datenregister und ein Zwischenspeicherbereich für Relais bereitgestellt. Diese speichern die zu ladenden Daten und Statusvariablen gemeinsam, um ein schnelles Auslesen durch den industriellen Steuerungsrechner zu ermöglichen. Das Kommunikationsprotokoll zwischen dem industriellen Steuerungsrechner und der SPS ist das MITSUBISHI-SPS-Kommunikationsprotokoll. Datenübertragungsformat: asynchrones RS422; Übertragungsrate: 9600 bps; übertragene Zeichen: ASCII-Zeichen, bestehend aus 1 Startbit, 7 Datenbits, 1 Paritätsbit und 1 Stoppbit; Zeichenparität: gerade Parität, gerade Daten; Überprüfungsmethode für das Datenübertragungsergebnis: Summenprüfung. VI. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz der SPS-Steuerungstechnik zur Ansteuerung von Zylinderventilen das Synchronisationsproblem mehrerer Zylinder in Zylinderventilen effektiv löst, die Systemzuverlässigkeit verbessert, die Anzahl der Zylinder reduziert, Investitionen spart, die vielfältigen Vorteile von Zylinderventilen in Turbinenanwendungen voll ausschöpft und die Kommunikation mit dem Computer ermöglicht, wodurch eine voll funktionsfähige Feldeinheit für die Fernüberwachung per Computer bereitgestellt wird.