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Progettazione ed utilizzo efficiente degli impianti oleodinamici

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Academic year: 2022

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Marco Bison,

Manager Mechatronic Technologies

Progettazione ed utilizzo efficiente degli impianti oleodinamici

Build it in.

Soluzioni per l’ottimizzazione dei consumi e

la raccolta dei dati per una gestione energetica

efficiente

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Introduzione

La riduzione dei consumi di energia è un preciso obiettivo dell’Unione Europea. Nel 2007, gli stati membri dell’UE hanno concordato la riduzione del 20% del consumo di energia primaria entro il 2020. In questo contesto, il miglioramento dell’efficienza energetica costituisce un importante pilastro, poiché consentirebbe di ridurre i costi, contribuendo anche alla tutela ambientale e a una maggiore sicurezza degli approvvigionamenti.

Su scala europea, i potenziali risparmi energetici sono significativi in tutti i settori di consumo. L’industria svolge qui un ruolo essenziale: in Germania quasi il 30% del consumo finale complessivo di energia è attribuibile al settore produttivo. A questo proposito, le iniziative avviate dall’UE comprendono anche la direttiva 2009/125/CE, che fissa i requisiti per la progettazione eco-compatibile dei prodotti che consumano energia.

Tuttavia, la motivazione delle aziende per migliorare la propria efficienza energetica nella produzione non deve essere solo l’adempimento dei requisiti normativi e la salvaguardia dell’ambiente ma anche una sensibile riduzione dei costi con conseguente aumento della competitività.

Questo whitepaper, ad esempio, illustra come nel caso di macchine ad azionamento oleodinamico, si sia ottenuto un sostanziale aumento dell’efficienza energetica dell’impianto grazie alla combinazione di componenti adeguati. A seconda dell’applicazione, è possibile realizzare un risparmio energetico fino al 70% rispetto ad un sistema standard. In questo modo, gli investimenti in macchine appositamente attrezzate risultano vantaggiosi già nel breve periodo. I componenti intelligenti consentono inoltre di acquisire in modo semplice tutti i dati rilevanti e costituiscono la base per una gestione integrata dell’energia.

¹ Umweltbundesamt, Endenergieverbrauch nach Energieträgern und Sektoren, Stand Juni 2015, http://www.umweltbundesamt.de/daten/energiebereitstellung-verbrauch/

energieverbrauch-nach-energietraegern-sektoren

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ISO 50001 – Miglioramento continuativo dell’efficienza ener- getica

L’utilizzo efficiente dell’energia non solo consente alle aziende di risparmiare denaro, ma contribuisce anche a preservare le ri- sorse e a contrastare i cambiamenti climatici. Nel 2011 la norma internazionale ISO 50001 ha stabilito per la prima volta i requisiti validi a livello mondiale per la certificazione dei sistemi di gestio- ne dell’energia. Il modello di gestione, utilizzato anche in altre norme già note, come la ISO 9001 o la ISO 14001, si basa su un miglioramento continuativo (plan, do, check, act). Grazie ai sistemi di gestione dell’energia ISO 50001 le aziende possono realizzare sistemi e processi che consentono di ridurre i consumi in modo continuativo, con prestazioni equivalenti o addirittura superiori, ottimizzando l’efficienza e l’utilizzo dell’energia e riducendo nel contempo i costi.

Elemento essenziale di un sistema di gestione dell’energia di que- sto tipo è l’acquisizione dettagliata dei consumi in tutta l’azienda.

L’analisi dei dati permette di individuare i potenziali risparmi ener- getici all’interno dell’impresa. Il sistema di gestione dell’energia fornisce le informazioni necessarie per stabilire quali investimenti nell’efficienza energetica possano essere ammortizzati più veloce- mente. La conseguente messa in atto di interventi per migliorare l’efficienza riduce i costi operativi e migliora la competitività in modo sostenibile. Pertanto, la gestione dell’energia influisce diret- tamente non solo sui processi organizzativi e tecnici dell’azienda, ma anche sui comportamenti dei collaboratori. L’obiettivo è ridurre in base a principi economici il consumo energetico complessivo dell’impresa, sia per l’infrastruttura generica degli edifici, come il riscaldamento e l’illuminazione, sia per la produzione.

Quadro normativo e raccomandazioni

Parallelamente all’introduzione della ISO 50001, che ha carattere volontario, esistono disposizioni obbligatorie. Tra queste, la diretti- va 2009/125/CE ErP (Energy related Products) stabilisce il quadro per la determinazione dei requisiti comunitari di progettazione eco-compatibile per i prodotti connessi all’energia definiti dalla normativa e che deve essere rispettato da tutti coloro che opera- no in Europa. Su questo argomento Eaton ha pubblicato nel 2014 un whitepaper che tratta dettagliatamente i requisiti di legge e le possibilità per sfruttare in modo adeguato i potenziali risparmi nelle tecnologie di movimentazione elettrica (il documento può essere scaricato dal sito: eaton.eu/moem-ee-it).

In relazione alla direttiva ErP, anche la VDMA (associazione tede- sca dei produttori di macchine e impianti) ha pubblicato una norma (VDMA 24580, Fluidtechnik – Anwendungshinweise zur Optimie- rung der Energieeffizienz von Hydraulikanlagen - Tecnica dei fluidi:

Note applicative per l’ottimizzazione dell’efficienza energetica dei sistemi oleodinamici) a supporto di chi utilizza impianti oleodinami- ci, affinché questi possano essere concepiti in modo più efficiente dal punto di vista energetico, e quindi economicamente efficiente, senza vedere in alcun modo compromessa la loro funzionalità.

Inoltre, in futuro potrebbe diventare rilevante anche una direttiva vincolante per i costruttori di macchine e impianti. Infatti, nel 2009 anche le macchine utensili sono state identificate dalla Commis- sione Europea tra i settori che necessitano di regolamentazione nel quadro della direttiva per la progettazione eco-compatibile.

Nel “Gruppo 5” si tratta esplicitamente della rispettiva efficienza energetica. Al momento, per la regolamentazione in questo campo sono state cristallizzate due alternative:

a) autoregolamentazione volontaria del settore, oppure

b) misure vincolanti sulla base di uno schema a punti ancora da elaborare. In questo contesto il produttore sceglie le soluzioni più adatte alla propria macchina da un pool di interventi per la riduzio- ne dei consumi energetici. A ciascun intervento è collegato uno specifico numero di punti, ed è richiesto solo il raggiungimento di un livello minimo. Questo schema è flessibile per tener conto dell’eterogeneità del settore.

Sebbene la discussione sia attualmente sospesa, la Commissione Europea intende agire anche nel campo delle macchine utensili, pur non specificando se nel quadro della direttiva per la progetta- zione eco-compatibile o di altre direttive. Tutto fa pensare che in un futuro non troppo lontano sarà necessario rispettare norme vin- colanti per l’efficienza energetica anche per le macchine utensili.

È pertanto consigliabile invitare i produttori a dedicare già da oggi molta attenzione all’efficienza energetica nello sviluppo di nuovi macchinari e impianti.

Le pompe - in prima linea in fatto di efficienza energetica Le pompe sono tra i principali consumatori industriali di elettricità.

Rispetto al ciclo di vita di una pompa, i costi per l’energia incidono mediamente per il 45% sui costi totali. A questi, inoltre, si devono aggiungere i costi per le riparazioni e la manutenzione. Secondo la Deutschen Energie-Agentur GmbH (dena - Agenzia tedesca per l’energia), nel caso delle pompe gli interventi per migliorare l’efficienza energetica sono redditizi in tempi mediamente rapidi2. Uno studio condotto su industria e artigianato evidenzia che il po- tenziale di riduzione dei costi si assesta in media sul 20-30%. Per un grande produttore di acciaio le misure adottate solo per due sistemi di pompe hanno comportato una riduzione del consumo annuale di corrente pari a 2,7 milioni di kWh, corrispondenti a circa 220.000 Euro. Nel caso di un birrificio di medie dimensioni, grazie all’ottimizzazione di alcuni sistemi di pompaggio è stato possibile ridurre il consumo di corrente del 73%, pari a circa 10.000 Euro all’anno. Nel corso di questa indagine sono state analizzate le più svariate pompe industriali, ma i risultati possono essere estesi an- che ai sistemi oleodinamici.

² dena, Große Einsparpotenziale für Unternehmen bei Pumpen, November 2010 http://www.dena.de/presse-medien/pressearchiv/grosse-einsparpotenziale-fuer-unternehmen-bei-pumpen.html

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Componenti di un sistema oleodinamico

Attualmente, i comuni impianti oleodinamici comprendono di solito i seguenti componenti:

Azionamento motori

Motori elettrici

Pompe

Valvole

Cilindri e/o Attuatori

Accessori: Trasduttori, Filtrazione, Tubi

Ciascuno di questi componenti influisce sull’efficienza energetica dell’intero sistema.

Azionamento motori

Nell’impianto di automazione sono utilizzati differenti sistemi per il controllo dei motori elettrici. Soprattutto per le applicazioni a velocità fissa, la partenza motore rappresenta spesso la soluzione più adatta ed efficiente per il controllo dei motori. A seconda dei requisiti, si utilizzano avviatori diretti, stella-triangolo o softstarter.

Tutte le varianti sono caratterizzate dalla semplicità di utilizzo, ma non consentono di regolare la velocità.

L’avviatore a velocità variabile (VSS - Variable Speed Starter) co- stituisce un ponte tra la partenza motore diretta e il convertitore di frequenza. Riunisce i vantaggi dei due comuni metodi per il controllo dei motori elettrici. L’avviatore a velocità variabile è di facile utilizzo, tanto quanto la partenza motore, offrendo però al contempo la possibilità della regolazione della velocità. Pertanto, rappresenta un’interessante alternativa per rendere più efficienti le applicazioni a velocità costante utilizzate finora e per soddisfare i sempre più restrittivi requisiti di legge.

I convertitori di frequenza consentono di avviare il motore in modo graduale e continuo con la coppia nominale e offrono inoltre un controllo fluido della velocità di regime. A seconda delle caratteri- stiche, permettono anche di regolare in modo preciso la velocità di un motore altrimenti asincrono e dipendente dallo scorrimento.

Infine, il servoamplificatore e il servomotore compongono il ser- voazionamento. Questo regola il movimento del motore in base a valori nominali graduabili, come posizione angolare o velocità. Si ottengono così movimenti del motore molto precisi e dinamici.

Motori elettrici

Il motore elettrico di un dispositivo idraulico trasforma l’energia elettrica in energia meccanica, che quindi mette in movimento la pompa.

Il motore asincrono trifase è il più diffuso nel settore. Può essere azionato direttamente dalla rete in corrente alternata senza partico- lare azionamento. È molto resistente alle sollecitazioni elettriche e

meccaniche ed è anche economico in quanto relativamente sem- plice da produrre.

I motori PM sono dotati di magneti permanenti nel rotore, quindi non è necessario fornire energia elettrica dall’esterno per creare il campo magnetico nel motore. In questo modo, rispetto al motore asincrono, il rendimento migliora dell’1-10%.

I servomotori (motori PM con feedback di velocità e posizione) offrono dinamica e densità di potenza elevatissime grazie al cam- po costante e alla ridotta inerzia: con i servomotori si possono controllare i movimenti e posizioni in modo preciso, aumentando l’efficienza energetica tramite l’eliminazione delle perdite nel roto- re e nel sistema. Tuttavia, sono costosi e possono essere azionati sempre solo insieme a un servoamplificatore dedicato.

Un’indicazione circa l’efficienza energetica del motore è fornita dal rendimento, ai sensi della norma IEC 60034-30, che definisce le classi di rendimento (IE = International Efficiency), con valore numerico in crescita parallelamente a una maggiore efficienza. In riferimento ai motori asincroni, la IEC 60034-30-1 stabilisce quanto segue:

IE1 (Standard Efficiency)

IE2 (High Efficiency)

IE3 (Premium Efficiency)

IE4 (Super Premium Efficiency) Pompa

La pompa trasforma l’energia meccanica prodotta dal motore elettrico in energia idraulica (portata volumetrica e pressione). Si distinguono pompe a portata costante e pompe a portata variabile.

A questo ultimo gruppo appartengono dispositivi come le pompe a pistoni assiali, e le pompe a palette.

In presenza di motori a giri costanti, le pompe a portata fissa for- niscono sempre la stessa portata di fluido. Di norma la pompa è configurata per fornire in modo continuo l’energia necessaria per il movimento della macchina al massimo carico e alla massima velocità, ma questo comporta un’elevata dissipazione di potenza, soprattutto in condizioni di carico parziale o di standby.

Per contro, le pompe a portata variabile possono modificare la pro- pria cilindrata, fornendo solo la quantità di volta in volta necessaria.

Inoltre, sul mercato sono disponibili pompe ottimizzate per l’im- piego a velocità variabili: un caso particolare è rappresentato dalle pompe a quattro quadranti, in grado di modificare sia il senso di rotazione, sia la direzione della coppia, e ottimizzate per i lavori a velocità variabile. L’unico problema di questa tipologia, tuttavia, è l’elevata usura a cui è soggetta a causa delle continue variazioni di carico e di velocità.

Azionamento

Variable-Speed-Starter Partenza motore 3*400VAC

Motore elettrico

Pompa

Filtrazione

Serbatoio olio Sensori Sensore di Pressione

Energia Oleodinamica

Controllo e Distribuzione

(n-volte)

Processi Processi

(n-volte)

IE2IE3 IE4

Valvole Valvole

kg kg

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Gli impianti oleodinamici necessitano di valvole per controllare la portata verso gli attuatori. Le valvole direzionali permettono di con- trollare l’avvio, l’arresto e le modifiche della direzione della portata.

Le valvole proporzionali, o servovalvole, regolano il flusso verso gli attuatori nei sistemi oleodinamici con pompe a portata costante o variabile, rendendo possibile in tal modo comandare con preci- sione ed accuratezza le varie utenze. Le valvole proporzionali e le servovalvole consentono di controllare la portata e la pressione fornita all’utenza mediante una calibrazione della luce di passaggio del fluido idraulico.

Ai fini dell’efficienza energetica di un impianto oleodinamico è im- portante soprattutto il rendimento di una valvola, che può provoca- re perdite di pressione e, in misura minore, trafilamenti di olio.

Attuatori

Per realizzare movimenti rettilinei, nell’impianto idraulico si utilizza- no cilindri a semplice effetto o a doppio effetto. Le rotazioni sono prodotte dai motori idraulici. Attualmente il settore offre attuatori idraulici che grazie a miglioramenti strutturali assicurano già una sensibile efficienza energetica.

Accessori: trasduttori , filtrazione, tubi

Nel contesto dell’efficienza energetica, anche i trasduttori rappre- sentano un elemento importante dell’impianto. Infatti, i sensori forniscono importanti informazioni relative a temperatura, livello, portata e pressione. Il continuo monitoraggio di questi valori contribuisce in modo sostanziale al funzionamento efficiente del sistema.

I prodotti di filtrazione Eaton sono stati sviluppati al fine di assicu- rare l’efficienza per i segmenti di mercato, le applicazioni e le con- dizioni più esigenti. La gamma di tubi idraulici è adatta per presso- ché qualunque utilizzo, valori di pressione o tipo di fluido.

Tipiche combinazioni in impianti oleodinamici 1) Basic-Solution

„70 per cento di quota di mercato – con una tendenza decrescente“

„molti processi paralleli con una sola pompa (BROADCAST)“

Motore a giri costanti + Pompa a portata costante

bassa media elevati

Efficienza Dinamica Costi

per esempio, una pompa a portata costante che, grazie alla sua struttura semplice, richiede anch’essa investimenti relativamente contenuti. Se correttamente dimensionato, l’intero sistema può supportare in modo parallelo una quantità di attuatori definita.

Il controllo dei singoli processi avviene mediante elettrovalvole.

Complessivamente, per quanto concerne gli investimenti neces- sari, questa soluzione si colloca nella fascia bassa, il che contribu- isce a giustificarne il successo sul mercato. Tuttavia, a questo si contrappone il consumo di energia relativamente elevato, poiché l’impianto oleodinamico è progettato per la pressione e la portata massima richiesta e fornisce queste prestazioni anche quando non servono. Inoltre, il funzionamento continuo della pompa determina un elevato carico termico nel flusso idraulico. Tale calore deve essere dissipato, con ulteriore necessità di refrigerazione. Ulteriori perdite si registrano in corrispondenza delle valvole. Pertanto, l’ef- ficienza energetica complessiva dei sistemi a velocità costante di questo tipo è ridotta.

2) Servo-Solution

Una grande maggioranza degli impianti oleodinamici attualmente in uso opera con motore e pompa a velocità costante. Pressione e portata sono quindi controllate da valvole idrauliche. Questa solu- zione di base offre differenti vantaggi: da un lato è possibile usare per il funzionamento motori asincroni economici e controllabili

buona elevata elevati

Efficienza Dinamica Costi

Servo-Motore + Pompa a quattro quadranti

„10 per cento di quota di mercato – con una tendenza costante“

„processo dedicato a una sola pompa (UNICAST)“

Alla semplice struttura dei sistemi a velocità costante si contrap- pone, come soluzione di fascia alta, la trasmissione diretta a quat- tro quadranti (soluzione servoassistita). La velocità viene dettata da un servoazionamento: a una minore velocità corrisponde una minore portata, e viceversa. Tramite i sensori il servoamplificatore riceve il feedback della posizione di un cilindro e/o della pressio- ne del sistema. Il servoazionamento regola la velocità e quindi la pressione o la portata con un’accuratezza tale da permettere il preciso mantenimento della posizione e controllare le forze con elevata precisione. In tal modo, si rende superfluo l’uso di valvole e punti di ostruzione per il controllo degli attuatori. L’azionamento produce solo la potenza effettivamente necessaria al sistema. In base all’applicazione (asse verticale o orizzontale) anche da fermo il sistema può necessitare di un minimo apporto di energia, che viene dissipata nell’olio idraulico sotto forma di calore. In questo caso la refrigerazione dell’ olio è necessaria solo in misura ridotta.

Nel complesso, tale impianto oleodinamico è molto più efficiente in termini energetici di un sistema a velocità costante, ma una trasmissione diretta può alimentare sempre e soltanto un proces- so. Se occorre mettere a disposizione l’energia idraulica per più processi diversi, si rende necessario un corrispondente numero di servo-motori e relative pompe. In generale, l’azionamento diretto a quattro quadranti con servomotori è una soluzione che, dal punto di vista dei requisiti di investimento, si colloca nella fascia alta del- la gamma. Pertanto, l’utilizzo di impianti oleodinamici configurati in tal modo si limita alle applicazioni che richiedono un’autentica soluzione High-end-Motion-Control.

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Un azionamento di questo tipo può essere realizzato con un comu- ne motore asincrono, con la sola necessità di utilizzare motori del- le classi di efficienza da IE2 a IE4, in funzione dei cicli di esercizio e dei tempi di funzionamento. Un ulteriore miglioramento in ter- mini di efficienza si ottiene grazie all’impiego di motori a magneti permanenti, che tuttavia comportano maggiori costi di investimen- to. Il regime può essere controllato da un avviatore a velocità va- riabile o da un convertitore di frequenza. Quest’ultimo consente di realizzare funzionalità più complesse, mentre l’avviatore a velocità variabile è più economico e più semplice da mettere in funzione.

L’azionamento riceve i dati relativi alla pressione nel sistema idrau- lico da un apposito sensore e adatta di conseguenza la velocità del motore al fabbisogno di portata delle utenze oleodinamiche.

Questa configurazione permette anche di alimentare più processi paralleli aventi un fabbisogno di portata e di pressione simile, men- tre il controllo dei vari attuatori può avvenire tramite elettrovalvole direzionali, proporzionali o servovalvole.

Possibilità di utilizzo di azionamenti pompa a velocità variabile Gli azionamenti con pompa a velocità variabile sono adatti per molte applicazioni, dalle macchine utensili e per pressofusione alle presse, fino alle tecnologie di fusione e alla lavorazione dell’accia- io. In tutte queste applicazioni gli utilizzatori possono contare su una lunga durata della macchina grazie alla ridotta produzione di calore, nonché su una maggiore sicurezza di funzionamento e un migliore comfort ottenuti con la riduzione della rumorosità. Pertan- to gli azionamenti a velocità variabile consentono nelle rispettive applicazioni di ottenere elevati potenziali di risparmio, sia dal punto di vista del consumo di energia, sia grazie alla possibilità di impie- gare una trasmissione oleodinamica compatta e intelligente. Inol- tre, è possibile realizzare effetti positivi sul costo totale di proprietà (Total Cost of Ownership, TCO).

„10 per cento di quota di mercato – con una tendenza crescente“

„alcuni processi paralleli con una sola pompa (MULTICAST)“

Efficienza Dinamica Costi

ottima alta bassi

Motore a giri variabili + Pompa a portata costante

Minore consumo di energia

POWER ON DEMAND

Elevata robustezza

30–80 % Minore rumorosità

Azionamento oleodinamico intelligente

Minore dispendio per la refrigerazione Design

compatto

Configurazioni di azionamento per una maggiore efficienza Per aumentare l’efficienza energetica di un impianto oleodinamico, la movimentazione elettrica rappresenta una tecnologia chiave e offre la possibilità di potenziare gli effetti sinergici dell’azionamento elettrico e oleodinamico. Il concetto di base consiste nell’azionare la pompa prin- cipale dell’impianto idraulico non in modo costante, bensì in funzione del processo e della potenza effettivamente necessaria. L’energia viene consumata solo nel momento in cui il sistema eroga realmente potenza (Power on Demand). Con un azionamento a velocità variabile è possibile semplicemente adattare la portata al fabbisogno corrente, ottenendo un’efficace e sensibile riduzione delle dispersioni.

3) Power-On-Demand Solution

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Unità di controllo con tre gruppi oleodinamici (o centraline) in funzionamento parallelo

Unità di elaborazione dei processi

Esempio di applicazione: macchina per il sollevamento

Per poter mostrare all’interno di un’applicazione tutti gli impianti oleodinamici sopra descritti, Eaton ha collaborato con il Solution Partner ATP Hydraulik AG nello sviluppo di un modello di macchina presentato in occasione della Fiera SPS IPC Drives 2015 di No- rimberga e della Fiera SPS IPC Drives di Parma 2016. Il sistema è composto da tre unità macchina intelligenti attivate in parallelo. Si tratta di dispositivi che, con l’ausilio dell’energia oleodinamica, mo- vimentano cilindri con diametro di 22 mm e corsa massima di 200 mm. Le unità macchina sono azionate da diverse versioni di con- trollo e azionamento, che eseguono movimenti di sollevamento verticale definiti, con un carico costante di 600 kg. In questo modo è possibile confrontare direttamente le unità in termini di dinamica, consumo energetico e costo totale di proprietà. Con l’ausilio del modello è inoltre possibile riprodurre varie fasi del processo, come tempi di fermo prolungati, fasi di mantenimento sotto pressione o funzionamento a carico parziale, comuni nelle macchine per mate- rie plastiche, per pressofusione, formatrici e macchine utensili.

I tre gruppi indipendenti possono comunicare tra loro e sono di- retti da un’unità di controllo centrale. I dati digitalizzati di ciascuna unità (come pressione, temperatura, livello dell’olio e stato del filtro dell’olio) sono trasmessi ai dispositivi di comunicazione fissi e mobili tramite rete o servizi cloud, rimanendo quindi sempre disponibili.

Oltre all’engineering meccanico e oleodinamico innovativo, il si- stema evidenzia nuovi approcci per quanto concerne filosofia di utilizzo, cablaggio intelligente, produzione di energia scalabile e distribuzione/gestione dell’energia.

Per quanto riguarda il controllo del motore elettrico, il primo grup- po rappresenta la soluzione base con azionamento tramite una partenza motore. Il secondo gruppo è costituto dalla soluzione con servoazionamento, mentre il terzo consente all’avviatore a velocità variabile di controllare la pompa principale in funzione della poten- za oleodinamica effettivamente necessaria, Power-on-Demand.

Dopo alcune ore di funzionamento, nel corso delle quali i tre gruppi sono sottoposti a processi di movimen- tazione paragonabile, si ottiene la suddivisione percentuale dei valori di consumo dell’energia rappresentata nel grafico, con la corrispondente temperature dell’olio.

Il confronto diretto delle tre versioni evidenzia in modo chiaro i vantaggi della centralina Power-on-Demand.

Questa configurazione, paragonata alla soluzione di base, permette un risparmio energetico di circa il 60%.

On-Demand Servo Basic

Consumo energetico [°C] Temperatura olio [%]

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Esempio di applicazione: Retrofit di una macchina per pressofusione

Nel quadro di un progetto di miglioramento dell’efficienza energeti- ca di un processo di produzione, sono state analizzate le macchine per pressofusione di un’azienda. Il potenziale medio di riduzione dei consumi di energia dipende da diversi fattori. I valori coinvolti sono, tra gli altri, il ciclo di lavoro, la stazza e la complessità del sistema idraulico. Il ciclo di lavoro rappresenta l’elemento decisivo in quanto i cicli più lunghi offrono maggiori possibilità di risparmio rispetto a quelli brevi.

L’esempio qui illustrato si basa su una macchina per pressofusione degli anni ‘90 da 50 tonnellate, azionata da un motore asincrono convenzionale da 15 kW che controlla un’unità idraulica a velocità costante a 1.500 giri al minuto. In questo caso il ciclo di lavoro è breve (13 secondi), come spesso accade per la produzione di pezzi piccoli. È utilizzato un setup tradizionale con pompa a portata variabile (Load Sensing Pump), pertanto la portata della pompa è controllata meccanicamente e, anche a valori ridotti di portata, vie- ne sempre consumata energia dal motore che funziona a velocità costante. Il consumo di energia misurato è di 20 Wh per un ciclo di lavoro di 13 secondi.

L’azionamento è stato modernizzato grazie a un convertitore di frequenza (Eaton PowerXL DA1), un motore a magneti permanenti e una pompa a pistoni assiali (Eaton 425). Il microcontrollore dell’a- zionamento comanda, variando la velocità del motore, contempo- raneamente anche la pressione e la portata. Per la pressione si utilizza un regolatore PID, mentre la portata è determinata dalla rapporto flusso/velocità della pompa. Regolando il motore in fun- zione del carico e fornendo energia solo quando il processo lo ri-

chiede (Power on Demand) è possibile ridurre i consumi. In questo esempio sono risultati i seguenti valori orari:

Soluzione base con pompa a portata variabile: 5,6 kWh Soluzione Power-on-Demand con azionamento

a velocità variabile: 2,8 kWh

Ipotizzando che la macchina funzioni 300 giorni l’anno su due turni da otto ore, il risparmio annuale ammonta a 2.016 euro per mac- china. Il periodo di ammortamento è in questo caso di 2,2 anni.

L’esempio mostra che l’introduzione di un azionamento oleodi- namico a velocità variabile permette una riduzione dei consumi dell’energia di circa il 50%, a seconda della durata del ciclo di lavo- ro. Nel caso di cicli di durata maggiore, sono possibili valori ancora superiori. Questi risparmi si accompagnano a ulteriori vantaggi, come la riduzione della rumorosità e l’aumento della produttività.

IMM power consumption reduction

Mold close Mold securingMold pressure generationInjection Pressure holding Cooling Plasticization and Cooling Mold open Eject part

Load sense Pumpe VSPD

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Consumo di energia in evidenza

La riduzione del consumo di energia dell’impianto oleodinamico è il primo passo per ottenere un dispositivo energeticamente efficiente. Il passo successivo consiste nella creazione delle pre- messe per un sistema di gestione. In questo contesto, la parola d’ordine è acquisizione dei dati: solo attraverso la registrazione e l’analisi completa dei dati della macchina e dell’energia è possibile controllare il consumo di energia, identificare le possibilità di otti- mizzazione e verificare gli effetti degli interventi messi in atto.

Collegamento di numerosi componenti

Questo presuppone l’impiego di svariati sensori, ad esempio per misurare pressioni, posizioni o temperature, nonché per rilevare informazioni relative agli stati di esercizio dei singoli componenti.

Nelle comuni architetture di sistema questo significa un ulteriore dispiego di cavi e linee, per trasmettere le informazioni dai rispet- tivi componenti al controllore. In caso di cablaggio singolo tradizio- nale, questo comporta non solo notevoli spese di installazione, ma anche un maggiore pericolo di errori.

Sistema con cablaggio intelligente

Un sistema di cablaggio intelligente a livello di dispositivo, come lo SmartWire-DT di Eaton, offre a questo proposito sostanziali vantaggi, permettendo di collegare tra loro componenti come com- mutatori, interruttori automatici, apparecchi di comando e segnala- zione, sensori ed attuatori con un solo singolo cavo al posto di una dispendiosa connessione punto a punto con l’unità di controllo.

Al contempo, con l’ausilio di moduli ASIC, i componenti standard vengono trasformati in unità intelligenti e in grado di comunicare. Il cavo alimenta a corrente gli apparecchi collegati, supportando allo stesso tempo la comunicazione dati.

Con approcci che prevedano anche la possibilità di collegare non solo i componenti all’interno del quadro elettrico, ma anche moduli I/O con classe di protezione IP67 per impiego a bordo macchina, come nel caso di SmartWire-DT, i costruttori hanno a disposizione un nuovo grado di libertà in materia di architettura del sistema. In questo modo è possibile integrare facilmente sensori e attuatori, ad esempio per il monitoraggio del movimento verticale dei cilin- dri, della temperatura o della pressione del sistema di pompaggio.

È possibile sia costruire nuovi impianti, sia convertire macchine esistenti in modo economico con un impiego contenuto di cablag- gio e materiale. Oltre al risparmio sui consumi, si abbreviano quindi anche i tempi di ammortamento degli interventi finalizzati all’efficienza energetica.

IoT “readiness” integrata

Tramite moduli Gateway, un impianto idraulico adeguatamente configurato offre la possibilità di connessione a tutti i comuni tipi di unità di controllo e di sistemi di bus di campo, come Profibus, Profinet, CANopen, Modbus-TCP, Ethernet/IP, Powerlink o Ether- cat, oltre che a Internet. Se si utilizzano unità di controllo con inter- faccia OPC-UA, è possibile mettere a disposizione tutti i dati, fino a livello di apparecchio, ad esempio per un software di gestione dell’energia basato su cloud. Questo rende il sistema “IoT rea- dy“. Il costruttore della macchina e/o il cliente finale possono così disporre dell’intera panoramica dettagliata e aggiornata dei dati, come temperatura e pressione, indipendentemente dal luogo in cui si trovano. Mediante appositi dispositivi mobili come smartpho- ne o tablet, gli utenti autorizzati possono controllare il consumo di energia e identificare rapidamente eventuali guasti. Inoltre, è possibile attuare manutenzione preventiva e diagnostica della mac- china, oltre a implementare funzionalità di comando.

Conclusione

Gli azionamenti elettroidraulici a velocità variabile e regolata sono sistemi intelligenti che offrono una soluzione di sistema ottimale, per soddisfare i requisiti di norme o disposizioni internazionali, co- me la direttiva per la progettazione eco-compatibile e per ridurre il consumo di energia in numerose applicazioni. Contribuiscono così non solo alla protezione dell’ambiente e al risparmio di energia, ma anche alla riduzione dei costi totale di proprietà (TCO).

I maggiori costi di investimento rispetto alle soluzioni idrauliche tradizionali sono compensati dai bassi costi per l’energia e dai mi- nori tempi di ammortamento. La modalità di funzionamento adatta- ta al fabbisogno (Power on Demand) ha il vantaggio di consentire la realizzazione di sistemi più compatti, caratterizzati da meno dispendio per la refrigerazione e minore rumorosità.

I motori per pompe a velocità variabile consentono, con investi- menti relativamente contenuti, di realizzare in modo rapido elevati risparmi energetici con gli impianti idraulici. Nella pratica è stata raggiunta una riduzione del consumo energetico fino al 70%. In generale il Return-on-Investment (ritorno sugli investimenti) è di circa due anni. Inoltre, mediante l’impiego di soluzioni di connes- sione intelligenti a livello di apparecchio, è possibile ridurre ulte- riormente il tempo di ammortamento. Già oggi il sistema oleodina- mico può collegarsi a Internet e al Cloud consentendo di accedere in qualsiasi momento e da qualsiasi luogo ai dati energetici e di esercizio, mettendo quindi a disposizione nuovi modelli commer- ciali per i costruttori di macchine e impiantisti.

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Eaton Industries GmbH Hein-Moeller-Str. 7–11 D-53115 Bonn / Germany

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