Hovudprosjektrapport - Høgskulen i Sogn og Fjordane

hisf.no

Hovudprosjektrapport - Høgskulen i Sogn og Fjordane

BECKHOFF -

KONTROLLSYSTEM FOR KRAFTVERK

Deltakarar:

Martin Book (11)

Kristine Gravdal (15)

Dennik Gnananantham (16)

Avdeling for ingeniør- og naturfag

HO2-300 Hovudprosjekt

http://prosjekt.hisf.no/~13driftstid/


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

1 - REFERANSESIDE

Boks 523, 6803 FØRDE. Tlf: 57 72 25 00, Faks: 57 72 25 01 www.hisf.no

TITTEL

Beckhoff - Kontrollsystem for

kraftverk

PROSJEKTTITTEL

HO2-300 Hovudprosjekt

RAPPORTNR.

03

TILGJENGE

Open

DATO

23.05.2013

TAL SIDER

43

FORFATTARAR

Martin Book

Kristine Gravdal

Dennik Gnananantham

ANSVARLEGE RETTLEIARAR

Joar Sande - prosjektansvarleg

Olav Sande - fagleg rettleiar

OPPDRAGSGJEVAR

Høgskulen i Sogn og Fjordane & Goodtech Projects & Services AS

SAMANDRAG

Målet med dette prosjektet var i hovudsak å undersøkje om kontrollsystemet til

Beckhoff hadde ytinga til å erstatte funksjonaliteten til synkronoskopet,

generatorbrytarvern og turbinregulator. Kontrollsystemet synkroniserer sinuskurvene

frå nett- og generatorspenninga. Dersom desse har ulik frekvens, fase eller

spenning, foretar kontrollsystemet turbin- og spenningsregulering til verdiane er

tilnærma like. Vi har teoretisk dokumentert at dette skal fungere, og vi har vidare

testa at dette fungerer i praksis.

SUMMARY

The main purpose of this project is to evaluate the feasibility of moving some of the

control system component functionality to the control system and solve this

functionality in software. The components are Generator Breaker Synchronisation,

Generator Protection and Prime Mover Speed Control. The control system

synchronizes sine curves from mains and generator side. If the curves have

differences in frequency, phase or voltage, the control system will regulate the

turbine until the values are approximately equivalent. We have theoretically proven

that this will work, and we have tested it.

EMNEORD

HO2-300 Hovudprosjekt, kontrollsystem for kraftverk, Beckhoff, synkronisering, vern,

turbinregulering

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 2 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

2- FØREORD

Dette prosjektet har blitt gjennomført som hovudprosjekt av tre avgangsstudentar frå

Høgskulen i Sogn og Fjordane, avdeling for ingeniør- og naturfag, våren 2013.

Prosjektet skal vere praktisk og/eller teoretisk, helst eit utviklings- eller

utgreiingsprosjekt for industrien/næringslivet[1]. Prosjektet vert normalt gjennomført i

grupper på 2 til 4 kandidatar, og timetalet per kandidat er estimert til 500.

Gjennomført prosjekt skal presenterast og det skal leverast ein skriftleg rapport. Det

skal også opprettast ei nettside som skal haldast oppdatert undervegs i

prosjektarbeidet.

(Link til nettsida: http://prosjekt.hisf.no/~13driftstid/)

Gruppa starta i januar 2013 på eit anna prosjekt. Av ulike grunnar bestemte

høgskulen, ved prosjektansvarleg og rettleiar, at vi måtte avslutte dette prosjektet for

å nå dei milepælane som er satt i prosjektperioden. Det nye prosjektet vi fekk tildelt

er eit forsknings- og utviklingsprosjekt, og går i korte trekk ut på å undersøkje om det

er mogeleg å implementere funksjonaliteten til ulike komponentar i kraftanlegg

direkte i PLS (programmerbar logisk styring).

Prosjektgruppa har bestått av:

Kristine Gravdal

Martin Book

Dennik Gnananantham

Prosjektleiar

Student

Student

I dette prosjektet har Joar Sande fungert som prosjektansvarleg. Ansvarleg rettleiar

har vore Olav Sande, fagsjef hos Goodtech Projects & Services AS. I tillegg vil vi

gjerne rette ein takk til fleire personar vi har fått hjelp av gjennom arbeidet med

prosjektet:

Frank Dubielzyk, Fagskulen i Førde

Geir Grødal, BECKHOFF Automation AS

Synnøve Søreide, Jardøla Kraft

Henning Sørebø, Sogn og Fjordane Energi

Førde 23.05.2013

___________________ ___________________ ____________________

Kristine Gravdal Martin Book Dennik Gnananantham

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 3 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

3 - INNHALDSLISTE

1 - Referanseside .............................................................................................. 2

2 - Føreord ........................................................................................................ 3

3 - Innhaldsliste ................................................................................................. 4

4 - Samandrag .................................................................................................. 6

5 - Innleiing ....................................................................................................... 7

5.1 Problemstilling ................................................................................ 7

5.2 Mål ................................................................................................. 7

5.2.1 Hovudmål ....................................................................... 7

5.2.2 Delmål ............................................................................ 7

6 - Kraftverk ..................................................................................................... 8

6.1 Generelt ......................................................................................... 8

6.2 Synkronisering ............................................................................... 10

6.2.1 Spenning ........................................................................ 12

6.2.2 Frekvens ........................................................................ 12

6.2.3 Fase ............................................................................... 13

6.3 Brytarvern ...................................................................................... 15

6.4 Turbinregulator ............................................................................... 15

7 - Beckhoff ....................................................................................................... 16

7.1 Komponentar/terminalar ................................................................ 16

7.1.1 CX2030 - Basic CPU module ......................................... 16

7.1.2 Power supply (CX2100-0004) ........................................ 17

7.1.3 Power monitoring oversampling terminal (EL3773) ....... 18

7.1.4 Enkel digital utgang (EL2004) ........................................ 19

7.1.5 Kompleks digital utgang (EL2252) ................................. 20

7.2 Beckhoff VS DEIF .......................................................................... 21

7.2.1 Tidsbruk Beckhoff .......................................................... 21

7.2.2 Tidsbruk DEIF ................................................................ 21

8 - Programmering ........................................................................................... 22

8.1 TwinCAT ........................................................................................ 22

8.2 Strukturert tekst .............................................................................. 22

8.3 Inngangar/utgangar ........................................................................ 23

8.4 Programstruktur ............................................................................. 23

9 - Testing av kontrollsystemet ......................................................................... 27

9.1 Fysisk modell ................................................................................. 27

9.2 Testing ........................................................................................... 29

9.3 Utfordringar .................................................................................... 32

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 4 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

10 - Konklusjon ................................................................................................. 33

11 - Forbetringar ............................................................................................... 34

12 - HMS ........................................................................................................... 35

12.1 Risikoanalyse ............................................................................... 35

13 - Prosjektadministrasjon ............................................................................... 36

13.1 Organisering ................................................................................ 36

13.2 Gjennomføring i forhold til plan .................................................... 37

13.3 Økonomi ....................................................................................... 38

13.4 Generell prosjektevaluering ......................................................... 38

13.5 Nettside ........................................................................................ 39

14 - Figur- og tabelliste ..................................................................................... 40

15 - Referanseliste ............................................................................................ 41

16 - Vedleggsliste ............................................................................................. 43

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 5 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

4 - SAMANDRAG

Dette prosjektet har blitt gjennomført som hovudprosjekt av tre avgangsstudentar frå

Høgskulen i Sogn og Fjordane, avdeling for ingeniør- og naturfag, våren 2013.

Prosjektet vart gjennomført i samarbeid med Goodtech Projects & Services AS.

Tidlegare i år introduserte Beckhoff Automation AS nokre nye terminalar i deira

standard PLS som burde gjere det mogeleg å implementere funksjonaliteten til ulike

komponentar i kraftanlegg direkte i PLS. Målet med dette prosjektet var å undersøkje

om utstyret til Beckhoff hadde ytinga til å erstatte funksjonaliteten til synkronoskopet,

generatorbrytarvern og turbinregulator.

Før spenninga som blir produsert på eit kraftverk kan koplast til bustader og industri,

må den synkroniserast med den spenninga som allereie er på forsyningsnettet. Dette

må gjerast for å ikkje øydeleggje generator og turbin eller lage forstyrringar på nettet.

Når generatorspenninga skal synkroniserast opp mot nettspenninga må spenninga

vere den same, frekvensen må vere lik og fasane må ha same rekkjefølgje.

Torsdag 21. februar 2013 reiste gruppa til Sandane i Gloppen kommune for å få ei

omvisning på Jardøla kraft. I dette kraftverket hadde dei brukt ein PLS frå

leverandøren DEIF, og det hadde synkroniseringa, turbinregulator og vernfunksjonar

implementert i PLSen. Då vi studerte datablada til PLSen frå DEIF og den frå

Beckhoff, kom vi fram til at kontrollsystemet til Beckhoff er om lag tusen gongar så

hurtig som DEIF sitt. Dersom informasjonen i datablada stemmer, skal utstyret frå

Beckhoff, teoretisk sett, ha ytinga til å kunne implementere komponentane direkte i

PLS med god tidsmargin.

For å fastslå om kontrollsystemet fra Beckhoff hadde ytinga, måtte vi sjølvsagt teste

det i praksis. Vi har programmert eit program som synkroniserer sinuskurvene frå

nett- og generatorspenninga. Dersom desse har ulik frekvens, fase eller spenning,

foretar kontrollsystemet turbin- og spenningsregulering til verdiane er tilnærma like.

Det var sjølvsagt ikkje mogeleg for oss å teste programmet i eit verkeleg kraftverk.

Derfor har vi valt å demonstrere prosessen ved hjelp av lys. Eit lys som indikerer at

turtalet må aukast, eit som indikerer at turtalet må reduserast og eit som indikerer om

generatorbrytaren kan leggjast inn eller ikkje. Då vi testa modellen, kopla vi også opp

tre lamper manuelt, ved hjelp av ein metode kalla roterande innfasing. Dette for å sjå

om tilbakemeldingane frå PLSen frå Beckhoff var riktige.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 6 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

5 - INNLEIING

Denne rapporten er ein hovudprosjektrapport i faget HO2-300 Hovudprosjekt ved

Høgskulen i Sogn og Fjordane, avd. Førde våren 2013. Hovudprosjektet gjev 20

studiepoeng og går over siste semester ved ingeniørutdanninga.

5.1 Problemstilling

Hovudprosjektet vart gjennomført i samarbeid med Goodtech Project & Services AS.

Bakgrunnen for prosjektet var at dei har eit ønskje om å teste ut Beckhoff Automation

AS sitt kontrollsystem for kraftverk. Beckhoff Automation AS har introdusert nokre

nye terminalar i deira standard PLS, som burde gjere det mogeleg å implementere

funksjonaliteten til ulike komponentar i kraftanlegg direkte i PLS. I vårt tilfelle er

komponentane synkronoskopet, brytarvern og turbinregulatoren. Prosjektet går i

hovudsak ut på å undersøkje både teoretisk og praktisk om utstyret frå Beckhoff har

ytinga til å erstatte desse komponentane ved å leggje alt inn i PLS.

5.2 Mål

5.2.1 Hovudmål

Studere/teste/dokumentere om det er mogeleg å implementere

synkroniseringsfunksjon for generatorbrytar, brytarvernfunksjon og turbinregulator i

Beckhoff sitt kontrollsystem for kraftverk.

5.2.2 Delmål

Vi sette opp følgjande delmål:

Setje oss inn i korleis eit minikraftverk fungerer

Informasjonssøk om kor hurtige dei ulike termianlane er

Setje oss inn i programvaren til Beckhoff (TwinCAT3)

Lage framdriftsplan

Finne løysingar for å implementere komponentane direkte i PLS

Lage program

Teste utstyret

Opprette webside til prosjektet

Prosjektrapport

Lage plakat og presentasjon

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 7 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

6 - KRAFTVERK

6.1 Generelt

Eit kraftverk si oppgåve er å omforme ein form for energi til elektrisk energi. Dette

kan gjerast ved å bruke energien i til dømes vatn, vind, sol, kull, gass eller liknande.

Noreg er eit land som er godt eigna for kraftproduksjon ved hjelp av vasskraft. Høg

fjellstruktur og mange dalar gjer det mogeleg å demne opp vassmagasin. Når vatnet

renn ned bratte fjellsider i røyrgater, opparbeidar det seg ein bevegelsesenergi. I

enden av røyrgata er røyret ført inn på ein turbin. I det vatnet treff skovlene på

turbinen, fører energien i vassmengda til at turbinen byrjar å rotere. Turbinen er så

vidare kopla på ein aksling, som vil rotere så sant turbinen roterer. Den andre enden

av akslingen er så kopla inn på ein generator og det er generatoren som gjer jobben

med å omdanne mekanisk energi til elektrisk energi. Dette gjer den ved at den er

oppbygd av magnetar med nord- og sørpolar, som står tett inntil viklingar av leiande

material. Når akslingen gjer at viklingane startar å rotere, vil dette medføre

forandringar på magnetfeltet inne i generatoren[2]. Dette er eit fenomen som på

fagspråket går under namnet elektromagnetisk induksjon[3]. Når desse endringane i

magnetfeltet oppstår, vil det resultere i elektrisk spenning. Denne spenninga blir så

leia ut frå generatoren ved hjelp av tre kraftlinjer.

Eit kraftverk kan i korte trekk beskrivast som vist i figuren under. Figuren viser kun

ein turbin og ein generator. Eit kraftverk i full skala ville sjølvsagt innehalde meir enn

ein turbin[4].

Vatn inn

NETT

Generatorbrytar

Turbin

Generator

Transformator

Vatn ut

Figur 6.1: Turbin og generator i kraftverk

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 8 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Det er kontrollsystemet som avgjør om farten på turbinen skal aukast eller

reduserast, om brytaren mellom generator og nett skal opnast eller lukkast osv. For å

styre eit slikt kraftverk trengst det komponentar og instrumentering som gir

tilbakemelding til kontrollsystemet. Ein grov oversikt over komponentane som er

nødvendige kan sjåast i figuren under.

Figur 6.2: Turbin og generator med kontrollkomponentar i kraftanlegg.

Som nemnt tidlegare er hovudformålet med dette forsknings- og utviklingsprosjektet

å vurdere moglegheita for å implementere funksjonaliteten til ulike komponentar i

kraftanlegg direkte i PLC. Dette er illustrert i figuren under.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 9 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

CX2030

CPU

Synkronoskop Turbinregulator Brytarvern

Figur 6.3: Komponentar implementert i PLS.

6.2 Synkronisering

Før elektrisiteten kan fordelast til bustader og industri må generatorspenninga

synkroniserast med spenninga på nettet. Kontrollsystemet målar spenning og

frekvens på begge sider av generatorbrytaren. Turbinen vert regulert til målingane

stemmer overeins, og kommando vert sendt til brytaren. Sjå figur 6.4 og 6.5 under.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 10 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Figur 6.4: Instrumentering for synkronisering

Figur 6.5: Prosedyre for synkronisering[4].

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 11 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Synkronisering må gjerast for å ikkje øydeleggje generator og turbin eller lage

forstyrringar på nettet. Når generatorspenninga skal synkroniserast opp mot

nettspenninga er det tre kriterier som må oppfyllast[5]:

1. Spenninga må vere den same

2. Frekvensen må vere lik

3. Fasane må ha same rekkjefølgje

6.2.1 Spenning

For det første må spenninga frå generatoren stemme overeins med spenninga frå

nettet. Den kan ha ein avvik på 0-5%[5]. Det er spenningsregulatoren som

stabiliserer spenninga ut frå generator slik at denne blir jamn og stabil sjølv om

belastninga på nettet varierer[6]. Å implementere spenningsreguleringa i PLC ville

vore for avansert for vårt kunnskapsnivå og oppgåva ville vorte for stor, då ein må ta

omsyn til magnetiseringsstraumen i rotor og magnetfelt. Derfor ser vi bort ifrå

spenningsreguleringa i dette prosjektet, og antar at spenninga vil vere lik heile tida.

6.2.2 Frekvens

Det andre kriteriet som må oppfyllast er at frekvensen må vere den same. Frekvens

er eit omgrep for kor ofte eit periodisk fenomen gjentar seg per tidseining, som til

dømes kor mange gongar ei spenning vekslar i løpet av eit sekund[8]. Eininga for

frekvens er hertz, Hz, som er lik ein svinging per sekund. Frekvensen på

nettspenninga vil vere 50 Hz, det vil då seie at den svingar 50 gongar i sekundet.

Kurva ein får frå spenninga på nettet er illustrert på figur 6.6. Når generatoren

produserer elektrisitet vil frekvensen til spenninga vere eit resultat av turtalet som

turbinen går med[2]. Dersom frekvensen er for lav må ein justere opp turtalet til

turbinen. Er frekvensen for høg må ein redusere turtalet til turbinen.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 12 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Figur 6.6: Kurve for spenninga på nettet, frekvens lik 50Hz.

6.2.3 Fase

Det tredje kriteriet for at vi skal få synkronisering er at fasane stemmer overeins.

Sjølv om frekvensen til spenninga er lik, er det ikkje sikkert fasen er den same. Sjå

figur 6.7.

Figur 6.7: Spenning frå nett og generator, same frekvens, men ulik fase.

Spenninga kan også vere i motfase, det vil seie at den er 180 grader faseforskyvd.

Dersom ein då legg inn generatorbrytaren, kan ein få store øydeleggingar på

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 13 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

generator. Figur 6.8 viser spenningane frå nett og generator med lik frekvens, men i

motfase.

Figur 6.8: Spenningar frå nett og generator med lik frekvens, men i motfase.

Ved framstilling av elektrisk energi i stor skala vert det vanlegvis brukt

trefasegeneratorar, og straumen vert overført over trefase leidningsnett. Ein fleirfasa

vekselspenning er samansett av fleire sinusforma spenningar med same frekvens,

men ulik fase og vert overført over meir enn to leidningar[9]. I Noreg og mange andre

land vert det brukt trefase vekselstrøm med frekvens lik 50 Hz i det offentlege

strømfordelingsnettet[10]. Dette måtte vi ta omsyn til når vi skulle teste utstyret

praktisk. For at vi skal få synkronisering der det er brukt trefase vekselspenning er

det også viktig at dei har same faserekkjefølgje, L1-L2-L3 (sjå figur 6.9).

Figur 6.9: Spenning med tre fasar.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 14 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

6.3 Brytarvern

I eit kraftverk kan ulike feilsituasjonar oppstå, og for å unngå slike situasjonar må ein

ha det vi kallar vern. Vanlege feil som kan oppstå er kortslutning og overbelastning,

og vern mot desse førekomstane er veldig viktig. Dersom ein ikkje har vern kan slike

situasjonar gjere stor skade på generator, og i verste fall personskade. Ein annan

situasjon som kan oppstå er at ein «mista» nettspenninga. Om då ikkje turbinen blir

stoppa umiddelbart, rusar den, og sannsynligheten er då stor for at turbinen vil få

skade. Derfor er det viktig at vernfunksjonane slår ut generatorbrytaren hurtig ved

feilsituasjonar[22]. Dersom kraftverket er lite, og det er overliggandes nett, kan det

føre til lav eller høg frekvens for dei som er tilkopla i nærleiken. Dette kan føre til

øydelagde elektriske komponentar i husstandane.

6.4 Turbinregulering

Vasskraft vert ofte kalla framtidas energisystem. Dette fordi kapasiteten er stor og,

energilagrings- og reguleringseigenskapane er så gode. Elektrisitet kan ikkje lagrast i

større mengder, men i batteri kan mindre mengder lagrast[23]. Derimot kan energien

i vatnet lagrast i naturlige eller kunstige basseng, slik at ein har det tilgjengelig når

det trengs. For å ikkje "sløse" med vatnet, blir berre den mengda som trengs for bruk

til energiproduksjon i kraftstasjonane sleppt ut. Turbinregulatoren har blant anna

dette som si oppgåve[24].

Turbinregulatoren har også som oppgåve å halde frekvensen/omdreiingstalet

konstant, uavhengig av belastninga på generatoren. Til større belastninga på

generatoren blir, di lågare blir turtalet. Dette blir registrert og det vert gitt signal til

turbinregulatoren. Turbinregulatoren sørgjer då for at det blir opna for meir vatn

gjennom turbinen, slik at turtalet vil auke til ønska verdi[25].

I byrjinga var turbinregulatoren ein rein mekanisk anordning, og seinare vart den

mekanisk-hydraulisk. Medan måten den blir styrt på i dag er elektronisk-hydraulisk,

slik vårt system gjer det. Målingane blir gjort elektrisk, som gir ein kommando som

fører til at luker/dyser blir opna/lukka hydraulisk[25].

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 15 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

7 - BECKHOFF

I dette delkapittelet vil ein få informasjon om dei ulike komponentane/terminalane

som var nødvendige for å gjennomføre dette prosjektet.

Beckhoff blei danna i 1980, og var tidleg ute innan automatiseringsteknikk. Dei har eit

verdsomspennande nettverk av dotterselskap og distributørar. Hovudkontoret til

Beckhoff Automation AS ligg i Verl i Tyskland. På verdsbasis har Beckhoff 2200

tilsette. Dei har 30 dotterselskap og 60 distributørar på verdsbasis.

Beckhoff Automation AS i Noreg har kontor i Tønsberg. Dei driv med sal, support og

service av Beckhoff sine produkt[26].

7.1 Komponentar/terminalar

7.1.1 CX2030 - Basic CPU module

Figur 7.1: CX2030 - Basic CPU module[11].

CX 2030 er ein av Beckhoff sine nye CPU/prosessorar. Ein prosessor kan ein sjå på

som sjølve "hjernen" i PLSen[12]. CX2030 har ein "1,5 GHz Intel ® Core i7 dualcore"

prosessor. Dual-core vi seie at den har to prosessorkjerner. CPUen er viftelaus

og har derfor ingen roterande delar, som er ein fordel med tanke på slitasje. Den har

fire USB 2.0-grensesnitt, to uavhengige Gbit Ethernet grensesnitt og DVI-I tilkopling.

CPU modulen har eit hovudminne på 2GB RAM og eit CFast Flash minnekort[11].

Ved hjelp av EtherCAT-standaren (Ethernet for contol automation technology) og

programmeringsverktøyet TwinCAT, kan CX2030 presse tidsbruk på raske

kontrollprosessar ned i mikrosekundområdet. Denne teknologien vert kalla "XFC -

eXtreme Fast Control Technology", og XFC gjer det mogeleg med I/O responstid <

100µs[13].

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 16 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

7.1.2 Power supply (CX 2100-0004)

Figur 7.2: Straumforsyning,CX2100-0004[14].

CX 2100-0004 er straumforsyninga til terminalane i systemet. Denne vert sett inn

mellom det elektriske utstyret vi vil beskytte, og den eksterne straumforsyninga

(24V). Dette er for å forsyne terminalane med straum, men også med tanke på eit

eventuelt straumbrot. I tillegg er det for å få jamn og god kvalitet på straumen til

følsame terminalar og utgangar. CX 2100-0004 har eit LCD-display og

navigeringstastar. Ein kan styre straumforsyningsmodulen anten ved hjelp av desse

tastane eller via TwinCAT(for meir info om TwinCAT sjå kap. 8.1). Denne CX 2100-

0004 straumforsyninga gir ut ein maksimaleffekt på 45W, og ein koplar dei ulike

terminalane på høgre sida av straumforsyninga[14].

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 17 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

7.1.3 Power monitoring oversampling terminal (EL3773)

Figur 7.3: EL3773 Power monitoring oversampling terminal[15].

EL3773 terminalen er laga for å overvake 3-fase AC spenningssystem. Terminalen

kan sample spenning opp til 500 V AC 3~ (ULX-N: max 288 V AC), og straum opp til

1A AC. Dersom ein vel likespenning og likestrøm er grensene på 410V DC og 1,5A.

Terminalen samplar på alle inngangane samtidig og konverteringstida er min. 100 µs.

Terminalen tar x antal samplingar (t.d. 100), deretter triggast programmet i CPU for å

behandle målingane. I tillegg støttar terminalen distribuert klokke, noko som gjer at

ein kan måle synkront med andre EtherCAT-einingar. Den kan også operere utan

distribuerte klokker. I dette prosjektet vil vi nytte to slike terminalar. Ein for å

sample/måle spenninga som kjem frå generator, og ein for å sample/måle spenninga

som er på nettet. Sjå datablad i vedlegg 8 for ytterlegare informasjon.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 18 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

7.1.4 Enkel digital utgang (EL2004)

Figur 7.4: Enkel digital utgang (EL2004) [17].

EL 2004 er ein enkel digital utgangsterminal som blir styrt av CPU modulen. Denne

terminalen er utstyrt med fire utgangar som kvar gir ut ei spenning på 24V, med ein

straum på opp til 0,5A. Terminalen er utstyrt med lysdiodar som indikerer at

terminalen har tilført 24V driftsspenning. Den har også lysdiodar som indikerer når

kvar enkel utgang er aktivert. Terminalen har ei switchtid på 60 µs (Off -On) og 300

µs (On-Off). Terminalen har ein isolasjonsklasse som er godkjent for 500V[17]. Sjå

datablad i vedlegg 6 for ytterlegare informasjon.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 19 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

7.1.5 Kompleks digital utgang (EL2252)

Figur 7.5: Kompleks digital utgang (EL2252)[18].

EL2252 er ein to- kanals digital utgangsterminal med tidsstempel, og er berekna for

fire leiarar. Denne terminalen er berekna for 24 V DC (+/- 15%) matespenning, og gir

ut ein straum på 0.5 A per kanal. Det overførte tidsstempelet som blir gitt, har ei

oppløysning på 1 nanosekund og blir presist synkronisert med utgangane som vert

kopla[18]. Dette vil seie at ein har mogelegheit til å spesifisere koplingstidene til

utgangane nøyaktig i systemet. I samanheng med digitale inngangsterminalar, kan

ein bruke distribuerte klokker som referanse mellom desse og EL2252 terminalen.

Tida brytarane i terminalen brukar til switche on-off eller off-on, er < 1µs[19]. Sjå

datablad i vedlegg 7 for ytterlegare informasjon.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 20 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

7.2 Beckhoff VS DEIF

7.2.1Tidsbruk Beckhoff

Skal vi undersøkje om kontrollsystemet til Beckhoff har ytinga til å utføre denne

oppgåva, er det vesentleg å sjå på tida det brukar på å prosessere data. Vi har sett

på EL3773 terminalen, digital utgang (EL2004) og kor lang tid CPU (CX2030) brukar

på å køyre gjennom programmet laga i TwinCAT.

Tabell 1: Total tidsbruk, Beckhoff

Terminal/komponent

Tid

EL3773 Power monitoring oversampling terminal min. 100 µs

CX2030 & Program programmert i TwinCAT ca. 80 µs

EL2004 - Enkel digital utgang 300 µs

TOTAL TIDSBRUK 480 µs

(Total tidsbruk: Tida systemet brukar frå ein samplar til utgangsterminalen har

switcha fra ON til OFF)

Vi nytta ein enkel digital utgang, men dersom ein ønskjer enda mindre

prosesseringstid kan ein nytte den meir komplekse utgangsterminalen (EL2252). Då

kan ein redusere tida på 300 µs som EL2004 brukar, ned til < 1µs[19]. Det er tida

EL2252 brukar på å switche.

7.2.2 Tidsbruk DEIF

Torsdag 21. februar 2013 reiste gruppa til Sandane i Gloppen kommune for å få ei

omvisning på Jardøla kraft. Jardøla kraft er eit middels stort kraftverk, sett i verk i

2008, med to turbinar som til saman produserer i snitt 23 GWh årleg. Henning

Sørebø frå Sogn og Fjordane Energi og Synnøve Søreide, ein av medeigarane, gav

oss ei god innføring i kraftverket si verkemåte. I dette kraftverket hadde dei brukt ein

PLS frå leverandøren DEIF, og det hadde synkroniseringa, turbinregulator og

vernfunksjonar implementert i PLSen. Spenningsregulatoren var ein ekstern

komponent. PLSen på Jardøla Kraft var av typen "DEIF multi-line 2-versjon

24189340265B". Dette er ein PLS som er skreddarsydd for kraftbransjen og dei

oppgåver som medfølgjer.

Ved å ha studert databladet til denne komponenten har vi funne ut at dei raskaste

utgangane på PLS'en som dei kallar "GOV & AVR" opererer med eit tidsinterval på

minimum 10ms. Dette er utgangar som er berekna på å bruke til beskyttelse for det

dei kallar "Fast overcurrent". Heile prosessen, frå setpunktet er nådd og til utganagen

vert aktivert og forsinkinga sett til 0, går det 100-300ms[20].

Samanliknar vi tidene vi kom fram til, ser vi at Beckhoff sitt kontrollsystem er om lag

tusen gongar så hurtig som DEIF sitt. Dersom informasjonen i datablada stemmer,

skal utstyret frå Beckhoff, teoretisk sett, ha ytinga til å kunne implementere

komponentane direkte i PLS med god tidsmargin.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 21 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

8 - PROGRAMMERING

8.1 TwinCAT

TwinCAT PLC er sjølve programmeringsverktøyet

som omformar den standard CX2030 CPU-en, om

til ein kraftig og solid PLS-styring. TwinCAT PLC er

bygd på den internasjonale standaren IEC 61131-3

3. utgåve. Når ein skal programmere i TwinCAT, er

desse programmeringsspråka tilgjengelege[21]:

Ladder diagram (LD)

Strukturert tekst (ST)

Funksjonsblokker (FB)

Instruction list programmering(IL)

Sekvensiell funksjon diagram (SFC)

Figur 8.1: Tc 1200 TwinCAT[21].

Programmeringsverktøyet støtter syklustid ned til 50 µs, og har ei typisk koplingstid

på 1 µs for 1000- kommandoar[21]. Når vi i vårt prosjekt brukte CX 2030 CPUen

med programmeringsverktøyet TC3 PLC, brukte programmet 80 µs på å gå igjennom

heile programmet. TwinCAT tillet modifikasjonar i programmet til ei kvar tid,

uavhengig av størrelse og om PLSen køyrer eller ikkje.

8.2 Strukturert tekst

Vi har programmert programmet i strukturert tekst som er eit tekstbasert språk.

Strukturert tekst er ein grunnleggjande teknikk som er mykje brukt i moderne

programutvikling.

Figur 8.2: Utdrag av program

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 22 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

8.3 Inngangar/utgangar

EL3773

EL3773 terminalen leser verdiar med ein oppløysing på 16 bit. Terminalen kan

sample så fort som 100 verdiar per 100 µs. Verdiane blir sampla på ein skala frå

-32767 til 32767 (sjå tabell nedanfor).

Tabell 2: Format av data.

Desimal Hexadesimal Volt (DC)

32767 0 x 7FFF 410 V

16383 0 x 3FFF 205 V

0 0 x 0000 0 V

-16383 0 x C001 -205 V

-32767 0 x 8000 410 V

Digital utgang (EL2004)

Den digitale utgangen angir to tilstander, 0 og 1 (av og på). Når tilstanden er 1, gir

utgangen ut ei spenning på 24V og ein straum på 0,5A.

8.4 Programstruktur

Før ein skal programmere, er det viktig å planleggje kva ein vil programmet skal gjere

og når det skal gjere det. Vi sette opp ein programstruktur før vi byrja å programmere

(sjå under).

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 23 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Synkronisering

Figur 8.3: Programstruktur - synkronisering.

Vi får inn måleverdiar frå begge sider av generatorbrytaren, og verdiane vil danne

sinuskurver. Til saman vil vi få inn seks sinuskurver, ein for kvar fase. I blokka som

heiter synkronisering vil desse kurvene bli samanlikna og ut i frå denne vil

programmet gi kommando til anten turbinen eller brytaren. Etter ønskje frå

oppdragsgivar vil vi ikkje nemne noko om korleis vi løyste synkroniseringsfunksjonen

i PLS.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 24 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Turbinregulering

TURBIN

Kommando til turbin

Måleverdiar generator

SYNC

+

Turbinregulering

Måleverdiar nett

-

Figur 8.4 Programstruktur - turbinregulering

Når det gjeld regulering av turtalet på turbinen, kom vi fram til at det var behov for to

ulike regulerings nivå. Vi såg for oss behovet for grov justering i dei tilfeller der det

var stor skilnad mellom dei målte sinuskurvene ut ifrå generator, i forhold til dei målte

sinuskurvene frå nettet. Her vil ein til dømes auke turtalet på turbinen med 5% kvar

gang ein køyrer igjennom programmet. Når ulikheita på sinuskurvene etter kvart

begynner å minke, vil vi så ha eit behov for muligheita til fin justering. Her vil ein til

dømes auke turtalet på turbinen med 1 % kvar gang ein køyrer igjennom

programmet. Dette på grunn av at vi ikkje vil risikere at vi auka turtalet for mykje, slik

at vi regulerer oss ut av fokus.

Figur 8.5: Signal ved fin- og grovjustering av turtal.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 25 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Sjølv om vårt program sjølvsagt er mykje mindre enn eit som ville vore i eit verkeleg

kraftverk, er systemet frå Beckhoff så hurtig at det nok også ville handtert eit mykje

meir omfattande program.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 26 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

9 - TESTING AV KONTROLLSYSTEMET

9.1 Fysisk modell

For å undersøkje om utstyret frå Beckhoff hadde ytinga til å utføre denne oppgåva,

måtte vi sjølvsagt teste det. Vi monterte opp utstyret i ei testramme. Modellen består

av (sjå figur 8.5):

1. To straumforsyningar.

2. Ein dobbel brytar

3. 3 stk Lys (24V)

4. 1 CPU utstyrt med ulike I/O terminalar.

5. 2 stk Voltmeter (utstyr til å måle spenning)

1

3

5

2

4

Figur 9.1: Den oppkopla modellen.

Dei to straumforsyningane brukte vi til å transformere ned spenning frå 230V (som vi

tok ut av ei vanleg stikkontakt), til ei spenning på 24 V som utstyret vårt trengte for å

fungere. Vi monterte også to voltmeter, som vi brukte til å overvake om

straumforsyningane gav ut riktig spenning. Lysa vart brukt til å demonstrere dei ulike

situasjonane. CPUen utstyrt med I/O utgangar, er sjølve "hjernen" til systemet, og det

er i denne einheita programmet som vi programmerte vart lasta inn. Den doble

brytaren brukte vi på ein slik måte at brytar 1 (til venstre) aktiverer/gir startsignal til

synkroniseringsdelen i programmet vårt. Brytar 2 (til høgre) brukte vi for å illustrere

sjølve generatorbrytaren i eit kraftverk.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 27 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Vi har programmert eit program som skal synkronisere/"fase inn" den elektriske

spenninga som generatoren i kraftverket produserer, slik at den stemmer overeins

med den elektriske spenninga som ligg på forsyningsnettet. Dersom desse ikkje

stemmer overeins, må programmet gi ei tilbakemelding som fortel om systemet skal

auke eller redusere turtalet på turbinen, for å få dei elektriske spennings kurvene til å

stemme overens. PLSen vår vil sende ut tre digitale signal, som kvar har sin

betyding.

Signal 1 - vil bety at turtalet på turbinen må aukast.

Signal 2 - vil bety at turtalet på turbinen må reduserast.

Signal 3 - vil angi om kraftbrytaren kan leggast inn eller ikkje. (Altså om

synkronisering er oppnådd.)

Det er sjølvsagt ikkje mogeleg for oss å teste programmet i eit verkeleg kraftverk.

Derfor har vi valt å demonstrere prosessen ved hjelp av lys. Dersom turtalet på

turbinen må aukast, vil utgang 1 på den digitale utgangen (EL2004) sende ut eit 24V

signal. Resultatet av dette er at lyset merka med ei oransje pil som peikar oppover,

vil starte å lyse. Finn programmet ut at turtalet på turbinen må reduserast, vil den

digitale utgang 2 sende ut eit 24V signal, som fører til at lyset som er merka med ei

oransje pil som peikar nedover, vil lyse. Det siste store oransje lyset har vi brukt til å

indikere om generatorbrytaren kan leggast inn eller ikkje. Dette ved at når systemet

finn ut at spenningskurvene (generator og nett) stemmer overeins, vil digital utgang

nr. 3 sende ut eit 24V signal, som fører til at det store oransje lyset lyser ei gitt tid.

Programmet er oppbygd slik at desse situasjonane ikkje kan inntreffe samtidig. Dette

vil med andre ord seie at det er berre ein utgang som er aktivert omgangen, og berre

ei lampe som lyser omgangen.

Figur 9.2: CPU med I/O terminalar.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 28 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

9.2 Testing

Først testa vi modellen med einfasespenning på høgskulen. Vidare fekk vi tilgang til

utstyr på Fagskulen i Førde. Der hadde dei 3 fase vekselspenning, motor og ein

generator tilgjengelig. Dette var det nærmaste vi kunne komme prosessen i eit ekte

kraftverk. Her hadde vi også mogelegheit til å kople tre nye lamper til systemet, slik

ein gjør innfasing manuelt. Dette kopla vi opp slik som er vist på figur 9.3.

Figur 9.3: Koplingsskjema - roterande innfasing

Her brukte vi koplingsmetoden som vert kalla "roterande innfasing". Lampene koplar

vi slik at lampe nr 1 koplast mellom R og R', lampe nr 2 mellom T og S', og lampe nr

3 mellom S og T'. Fasane på nettsida på figuren merkast med R, S og T, og fasane

på generator sida merkast med R', S' og T'. Her vil lampene lyse/ blinke etter kvart

som sinuskurvene flyt på generatorsida og nettet. Når sinuskurvene frå generatoren

stemmer overens med dei på nettet, vil lampe nr 1 ikkje lyse samtidig som lampe nr 2

og nr 3 lyser like sterkt. Grunnen til vi kopla opp denne metoden i tillegg til modellen

vår, var at vi då kunne kontrollere at tilbakemeldingane vi fekk frå modellen stemte

overeins med det som skjedde i verkelegheita. Ved å gjere det slik, kunne vi og

dokumentere/bevise at modellen virka som den skulle.

Vi starta motoren på eit lavt turtal. Motoren vil i dette tilfelle symbolisere vasshjulet,

og vil ha lik funksjon som eit vasshjul i eit ekte vasskraftverk. Motoren roterer ein

akse som går inn på generatoren, som fører til at generatoren produserer elektrisk

energi. Vi aktiverte brytar nr.1 slik at modellen kunne starte å synkronisere. Lyset

med ei pil som peikar oppover på modellen vår, blinka med lange lyssignal. Dette

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 29 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

indikerer at spenningskurvene frå generator og nett ikkje stemmer overens, og at vi

må auke turtalet på turbinen (motoren i dette tilfellet). Dei lange blinkande lyssignala

fortel oss at spenningskurvene er svært ulike. Vi auka så sakte turtalet på motoren.

Etter kvart byrja lyset med pila som peikar oppover å blinke med kjappare

tidsintervall. Dette indikerer at spenningskurvene frå generator og nett endå ikkje

stemmer overens, men at ulikheita mellom spenningskurvene er lita. Vi må altså

finjustere turtalet på motoren endå litt høgare, så vi auka turtalet på motoren sakte.

Figur 9.4: Pil opp indikerer at turtalet må aukast.

Lyset med pil som peikar oppover stoppar å blinke, og lys nr 3 byrja å lyse. Dette

betyr at spenningskurvene frå generatoren stemmer overeins med dei som ligg på

nettet. Dette stemte også med lysene frå den manuelle metoden (roterande

innfasing). Kurvene er med andre ord synkronisert og vi kunne no aktivere brytar

nr.2, som illustrerer at vi legg inn generatorbrytaren. I ein slik situasjon i eit ekte

vasskraftverk, kan ein produsere elektrisk energi og starte å overføre det til

forsyningsnettet.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 30 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Figur 9.5: Indikerer at ein kan leggje inn generatorbrytar.

Vi slo så ut att effektbrytaren, køyrde turtalet på motoren endå høgare. Vi slo av

brytar 1 og aktiverte den igjen, slik at modellen kunne starte å synkronisere. Dette

gjorde vi for å teste modellen vår ytterlegare. Ved lange lysblink reduserte vi turtalet

relativt hurtig, ved korte blink reduserte vi sakte inntil lys 3 byrjar og lyse. Det

indikerer at vi kan leggje inn generatorbrytaren.

Figur 9.6: Pil ned indikerer at turtalet må reduserast.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 31 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

9.3 Utfordringar

I starten av prosjektet var kontrollsystem for kraftverk og kraftverk generelt, noko vi i

prosjektgruppa hadde lite kunnskap om. Derfor gjekk det mykje tid med til å setje seg

inn i nytt stoff.

Dei nye terminalane til Beckhoff som vi skulle bruke, var så nye på marknaden at det

vart ikkje lett å få tak i god info om dei ulike terminalane. Dette omhandla spesielt

terminalen EL2252 og programmeringsverktøyet TC3 PLC. Sidan ein del av

prosjektet gjekk ut på å dokumentere at Beckhoff sine komponentar hadde den

kvalitet og hurtigheit som gjorde at det kunne brukast til å erstatte komponentar i

kraftanlegg, var vi avhengig av å få tak utdjupande datablad. Vi fekk god hjelp frå

Beckhoff i Noreg, og vi fekk tilgang til den informasjonen vi trong. Etter mykje

undersøking i diverse datablad, fant vi ut at det var ein anna terminal som passa

betre til vårt prosjekt. Dette var terminalen EL2004 og den hadde fleire utgangar enn

EL2252 terminalen. EL2004 terminalen var noko tregare enn EL2252 terminalen,

men var likevel innafor µs området. Den var derfor hurtig nok til at vi kunne bruke den

på den fysiske modellen vår.

Høgskulen hadde ikkje tilgjengeleg alt utstyr vi trong til den fysiske modellen vår.

Derfor fekk vi tilgang til diverse utsyrt på Fagskulen i Førde og Bravida sponsa oss

med diverse materiell.

Den eine fasen på nettet til fagskulen var litt låg. Då vi testa på høgskulen hadde 10V

avvik, som er 4% på 230V. Fagskulen hadde 6-7% avvik, så vi sette 10% avvik på

spenning for å få det til.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 32 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

10 - KONKLUSJON

Målet med dette prosjektet var i hovudsak å undersøkje om kontrollsystemet til

Beckhoff hadde ytinga til å erstatte funksjonaliteten til synkronoskopet,

generatorbrytarvern og turbinregulator. Etter å ha undersøkt dette og testa i praksis,

kom i fram til at kontrollsystemet til Beckhoff har ytinga som skal til.

Minikraftverket Jardøla Kraft hadde allereie desse eksterne komponentane

implementert i ein PLS av merket DEIF. Då vi studerte datablad og liknande til denne

PLSen, fann vi ut at utstyret frå Beckhoff er om lag tusen gongar raskare enn DEIF.

PLSen dei hadde på Jardøla Kraft opererte med ein hastigheit i millisekundområdet,

medan PLSen til Beckhoff opererer i mikrosekundområdet. Ut i frå dette skal utstyret

frå Beckhoff, teoretisk sett ha ytinga til å kunne implementere komponentane i PLS

med god tidsmargin.

For å fastslå om kontrollsystemet fra Beckhoff hadde ytinga, måtte vi sjølvsagt teste

det i praksis. Vi har programmert eit program som synkroniserer sinuskurvene frå

nett- og generatorspenninga. Dersom desse har ulik frekvens, fase og spenning,

foretar kontrollsystemet turbin- og spenningsregulering til verdiane er tilnærma like.

Det var sjølvsagt ikkje mogeleg for oss å teste programmet i eit verkeleg kraftverk.

Derfor har vi valt å demonstrere prosessen ved hjelp av lys. Eit lys som indikerer at

turtalet må aukast, eit som indikerer at turtalet må reduserast og eit som indikerer om

generatorbrytaren kan leggjast inn eller ikkje. Då vi testa modellen vår på Fagskulen i

Førde, kopla vi også opp tre lamper manuelt, ved hjelp av ein metode kalla roterande

innfasing. Dette for å sjå om tilbakemeldingane frå PLSen frå Beckhoff var riktige.

Vi testa modellen vår og alt fungerte som det skulle. Med bakgrunn frå studien og

testane vi har gjort, kan vi då konkludere med at kontrollsystemet til Beckhoff har

ytinga som skal til.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 33 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

11 - FORBETRINGAR

Krava til elektriske kraftsystem blir berre strengare og strengare. Om eit kraftverk får

eit avbrot eller driftstans kan det skape store økonomiske konsekvensar, i tillegg til

dårleg rykte. For at eit kraftverk skal kunne fungere driftssikkert og stabilt er

vernsystem viktige. Det finns mange ulike vern som er viktige både i og utanfor

kraftverket. Til dømes: differensialvern, generatorvern, distansevern,

distribusjonsvern og overspenningsvern. For å avgrense oppgåva vår har vi valt og

sjå vekk frå desse. Andre ting vi burde tatt omsyn til i programmet er fasefølgjefeil,

fasespenningsdifferanse, dysestyring, dødbus på nett, spenningsregulering og

symmetri på spenninga. Den funksjonsblokka vi har laga til turbinregulering, kan med

enkle grep gjerast om og brukast til spenningsregulering.

For å få fram viktigheita med vern, vil vi nemne litt om eit svært viktig vern. Dette

vernet kallast differensialvern. Dette er eit hurtig vern som koplar ut feil momentant

innanfor sitt dekningsområde. Blir brukt på transformatorar, generatorar, kabelnett og

korte overføringslinjer[28].

Differensialvernet i vårt tilfelle ville virka slik at enn måler forskjellen mellom

straumane på primær og sekundærsida, og summen av straumane i alle tre fasane.

Viss summen av straumane i tre fasen ikkje er lik 0, eller straumen i ein fase ikkje er

lik på kvar side, har vernet detektert ein feil. Ein isolasjonsfeil, jordfeil eller

kortslutning er då tilfelle, og då blir generatorbrytaren momentant slått ut[28].

Fordelen med Beckhoff sitt system er at implementering av ulike vernfunksjonar kan

gjerast forholdsvis enkelt. Til dømes ved implementering av differensialvern, gjer

EL3773 terminalane til at ein får direkte ut dei ulike verdiane på dei ulike fasane. Slik

at ein kan samanlikne verdiane direkte.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 34 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

12 - HMS

Vi har hatt fokus på sikkerhet gjennom heile prosjektet. Sidan vi har arbeidd med

spenning på 230V, er det kun Martin som har kopla. Han har fagbrev som elektrikar.

12.1 Risikoanalyse

Kommunikasjon

Gruppa arbeider mykje på skulen og har tett kontakt via telefon og sosiale medier.

Dette opnar for god kommunikasjon mellom gruppemedlemma. Gruppa har valt å

bruke Dropbox som også gjer det mogeleg for medlemma å jobbe sjølvstendig.

Rapport/dokumentasjon

Her er det ein risiko i form av datatap som følgje av til dømes harddiskkrasj. Derfor

har vi valt å bruke Dropbox for å unngå tap av viktige dokument. Dropbox er eit

filarkiv som visast på datamaskina, men som også ligger på Internett. På denne

måten eliminerer vi denne risikoen. Her er det viktig at gruppemedlemma har god

rutine i å lagre dokumenta i Dropbox.

Sjukdom

Sjukdom innad i gruppa kan vere ein risiko, men sidan vi alle har god tilgang på

kommunikasjonsmidler ser vi på risikoen som liten.

Ukjent teknologi

Som ingeniørstudentar utan mykje arbeidserfaring er vi forberedt på å setje oss inn i

nye ting.

Arbeidskonflikt

Arbeidskonflikt i gruppa kan oppstå. No kjenner gruppemedlemma kvarandre så godt

at dersom vi står ovanfor ein utfordring, løyser vi problemet på eit rettferdig og

demokratisk måte.

Problem

Dersom vi står fast, kan vi nytte oss av rettleiarar.

Leveranseproblem

Leveranseforsinkingar kan førekomme, men dette vil ikkje påverke gruppa i stor grad

Overarbeid

Planlegging og jamn arbeidsfordeling er viktig for å unngå overarbeid.

For lite tid

Prosjektet er omfattande og emnet er ganske nytt for alle i gruppa, derfor er god

planlegging og å arbeide jamt gjennom heile prosjektperioden viktig for å komme i

mål.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 35 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

13 - PROSJEKTADMINISTRASJON

13.1 Organisering

OPPDRAGSGJEVAR

Høgskulen i Sogn og Fjordane

&

Goodtech Projects & Services AS

STYRINGSGRUPPE

Joar Sande - HiSF (Prosjektansvarleg)

Olav Sande - Goodtech Projects &

Services AS (Rettleiar)

PROSJEKTGRUPPE

Kristine Gravdal (Prosjektleiar)

Martin Book

Dennik Gnananantham

Figur 13.1: Organisasjonskart

Prosjektgruppa

Prosjektgruppa har bestått av tre avgangsstudentar ved Høgskulen i Sogn og

Fjordane, som har gjennomført eit avsluttande prosjekt våren 2013. Kvar av

medlemma har hatt ansvar for kvart sitt område.

Kristine Gravdal har vore prosjektleiar og har hatt som hovudoppgåve å fordele

oppgåver og følgje opp framdrifta i prosjektgruppa. Prosjektleiar har også hatt

ansvaret for prosjektperm og prosjektdagbok, for å setje opp planar, dele opp

prosjekttida i passe lange periodar og kalle inn til møte. Dennik Gnananantham har

hatt hovudansvaret for å designe nettsida og halde den oppdatert. Martin Book har

hatt hovudansvaret for programmeringa.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 36 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Kontaktinformasjon:

E-post:

Telefon:

Kristine Gravdal kristine.gravdal@gmail.com 920 10 751

Martin Book martinbo88@gmail.com 478 05 126

Dennik Gnananantham ggdennik@gmail.com 450 06 422

Styringsgruppa

Styringsgruppa er øverst ansvarlege for prosjektet og skal ivareta dei overordna

oppgåvene med å sjå til at formål og måla til prosjektet vert nådd[27]. Styringsgruppa

består av Joar Sande, prosjektansvarleg ved HiSF, og rettleiar Olav Sande, fagsjef

hos Goodtech Projects & Services AS. Olav Sande er også kontaktperson frå

oppdragsgjevar.

Kontaktinformasjon:

E-post:

Telefon:

Joar Sande joar.sande@hisf.no 57 72 26 29/414 40 591

Olav Sande olav.sande@goodtech.no 55 40 67 50/408 26 444

13.2 Gjennomføring i forhold til plan

Framdriftsplan

I forprosjektet vart det sett opp ein framdriftsplan, sjå vedlegg 2. Framdriftsplanen

vart oppdatert undervegs i prosjektperioden, men vi hadde ingen store avvik.

Ganttskjema for det utførte prosjektarbeidet vart då det same som det planlagde.

Timelister vart også ført, dei kan sjåast i vedlegg 3.

Milepælar

Høgskulen sette opp milepælar alle måtte følgje. Sidan vår gruppe starta på eit nytt

prosjekt 11. februar 2013, vart våre milepælar forskyvd ei tid.

Tabell 3: Milepælar i prosjektet

18.02.2013 Innlevering av prosjektbeskrivelse

06.03.2013 Innlevering av forprosjekt

03.04.2013 Midtvegspresentasjon

23.05.2013 Innlevering av sluttrapport

27.05.2013 Presentasjon m/plakat

05.06.2013 Nettsida ferdigstilt

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 37 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

Møter

I forprosjektet vart det sett opp sju planlagde styringsmøter med 14. dagars

mellomrom. Kun to av desse møta vart gjennomførte fordi det ikkje var behov for

fleire. Statusrapportar, møteinnkalling og referat kan lesast i vedlegg 4. Vi sette og

opp faste gruppemøter kvar onsdag, men som oftast valte gruppa å møtast fleire

gongar i veka. Statusmøter for gruppa vår vart:

1. Mandag 11.02.2013 kl. 12.00

2. Onsdag 13.03.2013 kl. 12.00

13.3 Økonomi

Under finn du ein oversikt over kva dei ulike delane kosta.

Tabell 4: Økonomi

Artikkel

Pris

CX2030 - Basic CPU module 10762,5

CX2100-0004 - Power supply unit 1398,6

EL3773 - Power monitoring oversampling terminal (2.stk) 1690,8

EL4122 - Analog output 892,2

EL2252 - Kompleks digital output 480

EL2004 - Enkel digital inngang 480

EL1252 - Digital input 480

EL9011 - Bus end cap 17,4

TOTAL 16201,5

13.4 Generell prosjektevaluering

Etter å ha gjennomført fleire prosjekt i løpet av den treårige ingeniørutdanninga, er

prosjektarbeid ei arbeidsform gruppa har fått god kontroll på. Gruppa har arbeidd

saman på alle prosjekta, noko som gjer at vi kjenner kvarandre godt. På den måten

kan ein fokusere på dei sterke sidene til kvar enkelt, slik at vi kan arbeide bra og

effektivt.

Som nemnt tidlegare starta gruppa i januar 2013 på eit anna prosjekt, men av ulike

grunnar måtte vi avbryte dette. Dette er sjølvsagt ikkje optimalt med tanke på

gjennomføringa av prosjektet, men vi meiner vi løyste det bra i forhold til dei

utfordringane vi stod ovanfor. Dette nye prosjektet vart starta 11. februar 2013.

Ingen av medlemma i gruppa hadde tidlegare erfaring frå kraftverk. Derfor gjekk det

mykje tid i å setje seg inn i nytt stoff. I ettertid ser vi at vi kunne vert endå flinkare til å

fordele oppgåver.

Skriving av sluttrapport har gått fortløpande gjennom heile prosjektperioden og vi har

nådd dei måla vi sette opp. Om vi ser tilbake på utført prosjekt, ser vi igjen at god

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 38 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

planlegging er viktig for å komme i mål med prosjektet. Eit gantt skjema er eit godt

hjelpemiddel for å gjere prosjektet oversiktleg og lettare å gjennomføre.

13.5 Nettside

Gjennom hovudprosjektet er det eit krav at alle gruppene lagar ei nettside knytta til

prosjektet og held den oppdatert gjennom perioden. Her ligg det informasjon om

prosjektet og kontaktinformasjon til gruppemedlemma. For å lage og designe nettsida

har vi brukt WordPress. WordPress er eit publiseringsverktøy som både er gratis og

lett å bruke.

(Link til nettsida: http://prosjekt.hisf.no/~13driftstid/ )

Figur 13.2: Framsida på nettsida.

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 39 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

14 - FIGUR- OG TABELLISTE

Figur 6.1 Turbin og generator i kraftverk ................................................................ 8

Figur 6.2 Turbin og generator med kontrollkomponentar i kraftanlegg .................. 9

Figur 6.3 Komponentar implementert i PLS ........................................................... 10

Figur 6.4 Instrumentering for synkronisering .......................................................... 11

Figur 6.5 Prosedyre for synkronisering .................................................................. 11

Figur 6.6 Kurve for spenninga på nettet, frekvens lik 50Hz ................................. 13

Figur 6.7 Spenning frå nett og generator, same frekvens, men ulik fase ............... 13

Figur 6.8 Spenningar frå nett og generator med lik frekvens, men i motfase ......... 14

Figur 6.9 Spenning med tre fasar ........................................................................... 14

Figur 7.1 CX2030 - Basic CPU module .................................................................. 16

Figur 7.2 Straumforsyning, CX2100-0004 .............................................................. 17

Figur 7.3 EL3773 Power monitoring oversampling terminal ................................... 18

Figur 7.4 Enkel digital utgang (EL2004) ................................................................. 19

Figur 7.5 Kompleks digital utgang (EL2252) .......................................................... 20

Figur 8.1 TC 1200, TwinCAT .................................................................................. 22

Figur 8.2 Utdrag frå program .................................................................................. 22

Figur 8.3 Programstruktur - synkronisering ............................................................ 24

Figur 8.4 Programstruktur - turbinregulator ............................................................ 25

Figur 8.5 Signal ved fin- og grovjustering ............................................................... 25

Figur 9.1 Den oppkopla modellen .......................................................................... 27

Figur 9.2 CPU med I/O terminalar .......................................................................... 28

Figur 9.3 Koplingsskjema - roterande innfasing ..................................................... 29

Figur 9.4 Pil opp indikerer at turtalet må aukast .................................................... 30

Figur 9.5 Indikerer at ein kan leggje inn generatorbrytar ....................................... 31

Figur 9.6 Pil ned indikerer at turtalet må reduserast .............................................. 31

Figur 13.1 Organisasjonskart ................................................................................... 36

Figur 13.2 Framsida på nettsida ............................................................................... 39

Tabell 1 Totalt tidsbruk, Beckhoff .......................................................................... 21

Tabell 2 Format av data ........................................................................................ 23

Tabell 3 Milepælar ................................................................................................. 37

Tabell 4 Økonomi .................................................................................................. 38

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 40 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

15 - REFERANSELISTE

[1] Nummedal, Eli (19.02.12) HO2-300 Bacheloroppgåve

http://studiehandbok.hisf.no/no/content/view/full/10510 (sist nedlasta 08.05.2013)

[2] Produksjon av elektrisk kraft.

http://vvi.no/interactive/index.php?module=ContentExpress&func=display&ceid=209

(sist nedlasta 21.04.2013)

[3] Generator. http://no.wikipedia.org/wiki/Generator (sist nedlasta 21.04.2013)

[4] Sande, Olav (2013) Beckhoff Power Station Control System.

[5] Thompson, Michael J.(2010) Fundamentals and Advancements in generator

Sychronizing Systems. Schweitzer Engineering Laboratories.

[6] Rosvold, Knut A. (25.10.09) Spenningsregulator http://snl.no/spenningsregulator

(sist nedlasta 08.05.2013)

[7]

http://vvi.no/interactive/index.php?module=ContentExpress&func=display&ceid=282

[8] Store norske leksikon (2009) frekvens - teknikk, fysikk.

http://snl.no/frekvens/teknikk,_fysikk (sist nedlasta 08.05.2013)

[9] Sandstad, Jakob. Fase - fysikk. http://snl.no/fase/fysikk (sist nedlasta 08.05.2013)

[10] Sandstad, Jakob. Vekselstrøm. http://snl.no/vekselstr%C3%B8m (sist nedlasta

08.05.2013)

[11] Beckhoff. CX2030 Basic CPU module. http://www.beckhoff.no/CX2030/ (sist

nedlasta

05.05.2013)

[12] Blaker, Magnus (15.06.2004) Grunnleggende begrepsguide.

http://www.hardware.no/artikler/grunnleggende_begrepsguide/3025/2 (sist nedlasta

05.05.2013)

[13] Beckhoff. XFC|eXtreme Fast Control Technology.

http://www.beckhoff.com/english.asp?highlights/xfc/default.htm (sist nedlasta

05.05.2013)

[14] Beckhoff. CX2100-0xxx | Power supply units and UPS modules for CX2000.

http://www.beckhoff.no/CX2100-0004/ (sist nedlasta 05.05.2013)

[15] Beckhoff. EL3773 | Power monitoring oversampling terminal.

http://www.beckhoff.no/El3773/ (sist nedlasta 11.05.2013)

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 41 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

[16] Beckhoff sin hovudkatalog "Main Catalog 2013" s.384 under avsnitt "Analog

input - Power measurement

[17] Beckhoff. EL2004 | |4-channel digital output terminal 24 V DC, 0.5 A

http://www.beckhoff.com/english.asp?ethercat/el2004.htm (sist nedlasta 11.05.2013)

[18] Beckhoff. EL2252 | 2-channel digital output terminal with time stamp, tri-state.

http://www.beckhoff.no/el2252/ (sist nedlasta 11.05.2013)

[19] Beckhoff sin hovudkatalog "Main Catalog 2013" s 351. Under komponenten EL

2252.

[20] DEIF AS. multi-line 2 - version 2 (avsnitt 10.1, "General data").

http://www.scribd.com/doc/50264606/deif-operating-manual (sist nedlasta

20.05.2013)

[21] Beckhoff. TC1200 | TC3 PLC. http://www.beckhoff.no/TC1200/ (sist nedlasta

20.05.2013)

[22] Borgen, Carl Erik og Lian, Torkel. Elektriske vern i vannkraftverk

http://www.hekta.org/~hpe1015/index-filer/fagartikkel.pdf (sist nedlasta 20.05.2013)

[23] Åril, Bjørn (2011). Regulering og utfordringer. http://tm-info.no/getfile.php/tminfo.no/Presentasjoner/TM12052011/04_Bjorn%20Aril%20Rainpower.pdf

(sist

nedlasta 20.05.2013)

[24] Øgaard, Eirik og Haugen, Stein. Magasin.

http://www.vasskrafta.no/regulering/magasin-article133-157.html (sist nedlasta

20.05.2013)

[25] Rosvold, Knut A. (2010) Turbinregulator. http://snl.no/turbinregulator (sist

nedlasta 20.05.2013)

[26] Beckhoff. Beckhoff Norge.

http://www.beckhoff.no/no/default.htm?beckhoff/default.htm (sist nedlasta

20.05.2013)

[27] Åmo, Trond. Prosjekt som arbeidsform. (PowerPoint-presentasjon frå

http://www.fnf-nett.no/nordland/)

[28] Rosvold, Knut A. (2011) Differensialvern.

http://snl.no/.versions/list/differensialvern (sist nedlasta 20.05.2013)

[29] Strukturert programmering.

http://no.wikipedia.org/wiki/Strukturert_programmering (sist nedlasta 22.05.2013)

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 42 av 43

Hovudprosjekt V2013


HO2-300 Hovudprosjekt

Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk

16 - VEDLEGGSLISTE

1. Forprosjektrapport

2. Framdriftsplan

3. Timelister

4. Møteinnkalling, referat og statusrapport

5. Datablad Beckhoff (EL2004)

6. Datablad Beckhoff (EL2252)

7. Datablad Beckhoff (EL3773)

8. Koplingsskjema - PLS

9. Plakat

Utskriftsdato: 22.05.2013 Side 43 av 43

Hovudprosjekt V2013

More magazines by this user
Similar magazines