A colpo d’occhio:

• Impara com’è il design delle centraline idrauliche intelligenti.
• La maggior parte dei circuiti idraulici non è un sistema continuamente operativo – il consumo di energia durante i periodi di inattività è sostanziale.
• L’uso dei VFD e di alcuni strumenti aggiuntivi può aiutare a risparmiare energia e ridurre i tempi di inattività.

Le centraline idrauliche (HPU) pressurizzano l’olio per alimentare le attrezzature idrauliche. L’attrezzatura idraulica fornisce una maggiore quantità di forza rispetto ai tradizionali motori elettrici e meccanici e può essere controllata con maggiore precisione. Le prestazioni richieste a questi sistemi idraulici sono più elevate, specialmente quando si opera in un’industria di processo 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Pertanto, il funzionamento e i costi di manutenzione – insieme ai tempi di inattività dovuti ai guasti – sono una preoccupazione per gli impianti e le operazioni che funzionano 24/7.

Che cos’è una centralina idraulica?

Le centraline idrauliche sono unità autonome che consistono in un motore, un serbatoio, una valvola di scarico della pressione, un filtro, un manometro, un misuratore di flusso, uno scambiatore di calore, un pressostato, un interruttore a galleggiante/di livello, un sensore di temperatura e una pompa idraulica. Questa centralina idraulica è utilizzata per trasferire la potenza da una posizione all’altra utilizzando motori idraulici o attuatori idraulici.

Come sono simili la potenza elettrica e la potenza idraulica?

Per fare un’analogia, la centralina idraulica aiuta a sviluppare la pressione in modo simile a come la tensione elettrica viene generata da un generatore. In altre parole, una centralina idraulica è un generatore di potenza per un sistema idraulico nello stesso modo in cui un generatore elettrico produce potenziale per trasferire l’energia dalla stazione di generazione alle sottostazioni per l’ulteriore distribuzione alle nostre case.

Schema unifilare tipico della centralina.

Come funziona e consuma energia una tipica centralina idraulica?

Le centraline idrauliche sono utilizzate in innumerevoli applicazioni, dalle acciaierie, agli impianti di zincatura e ai vari impianti di finitura dell’acciaio, ai parchi di divertimento e alle locomotive. La centralina idraulica è utilizzata per trasferire la potenza da una posizione all’altra utilizzando motori idraulici. Un riscaldatore (o uno scambiatore di calore) collegato alla centralina aiuta a mantenere l’olio alla viscosità progettata.

Un motore elettrico a induzione funziona a velocità costante per fornire l’olio idraulico a una pressione costante al circuito idraulico. Il flussometro nella linea indica il flusso quando il lavoro viene fatto dall’olio idraulico sotto pressione. Quando il lavoro viene fatto, l’olio scorre e la pressione scende (vedi il grafico qui sotto).

Mostra la portata contro la pressione.

Quando il lavoro viene completato o non viene fatto dal circuito idraulico, l’olio non scorre nel sistema idraulico in quel momento. La pressione nella linea aumenta e, quindi, la valvola limitatrice di pressione si apre per bypassare l’olio di nuovo al serbatoio. Il manometro, il flussometro e il flussostato sono tutti parte di un’importante strumentazione che indica all’operatore che la pompa idraulica sta mantenendo abbastanza pressione, in modo da raggiungere il flusso richiesto nel sistema idraulico.

I sistemi che funzionano 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in luoghi come impianti di lavorazione, ospedali e aeroporti, con motori HPU AC su tutta la linea, consumano energia continuamente, anche quando il sistema idraulico sta semplicemente spingendo l’olio attraverso la valvola di scarico piuttosto che fare il vero lavoro. In questo caso, aggiunge un costo di funzionamento alle bollette dell’energia per nessun lavoro. Con i VFD che controllano la pressione e il flusso nella linea, la velocità del motore può essere ridotta, riducendo così la pressione per incidere direttamente sul consumo di energia.

L’idea è di ridurre la pressione riducendo la velocità della pompa a un livello tale che l’olio non abbia abbastanza pressione da essere inutilmente spinto attraverso la valvola di scarico quando il sistema è al minimo, piuttosto che mantenere la pressione a livelli così bassi da mantenere le linee piene, per iniziare a pompare quando necessario. Riducendo la velocità del motore con un azionamento a frequenza variabile (VFD), non solo risparmiamo energia, ma evitiamo anche sprechi inutili.

Possiamo analizzare la gestione dell’energia e i componenti della strumentazione in questo tipico sistema idraulico, insieme alle opportunità di risparmiare sull’energia e sui costi di manutenzione, ridurre i tempi di fermo delle attrezzature e implementare la manutenzione predittiva. Può essere visto come un approccio alternativo all’integrazione di un tipico sistema di alimentazione idraulica.

Tradizionalmente, i componenti di gestione dell’alimentazione come i motori a induzione per le pompe idrauliche e gli scambiatori di calore vengono avviati attraverso la linea, causando molta usura per il motore e le attrezzature.

Perché questi motori a induzione non sono controllati proporzionalmente al flusso, alla pressione o alla temperatura richiesta, una volta avviati, i motori AC funzionano a una velocità costante che porta a un consumo energetico indesiderato durante il periodo di inattività. Sapendo che la maggior parte dei circuiti idraulici non è un sistema a funzionamento continuo, il consumo di energia durante i periodi di inattività è notevole. Tutta l’energia consumata dal motore della pompa e dal motore dello scambiatore di calore durante il periodo di inattività può essere conservata usando un VFD per questi motori AC.

Infine, la strumentazione che si trova sulle centraline idrauliche è tradizionalmente utilizzata o per la visualizzazione della pressione e del flusso da parte dell’operatore o per un arresto di emergenza dell’unità. Questo viene fatto nel caso in cui l’unità accumuli un’alta pressione a causa di un intasamento della linea, piuttosto che usare questa strumentazione per un controllo ad anello chiuso dei motori AC.

Collegando la strumentazione esistente direttamente agli ingressi digitali del VFD, aggiungendo ulteriori trasduttori analogici al sistema idraulico e integrando il tutto al VFD, si genererà un controllo più efficiente della centralina, con un costo inferiore e una manutenzione minima.

Negli ultimi anni, i VFD sono stati abilitati all’IoT. Con la strumentazione che va direttamente nel VFD, l’utente acquisisce il vantaggio della manutenzione predittiva per ridurre i tempi di fermo indesiderati.

Come sarebbe il design di una centralina idraulica intelligente?

1. Installare un VFD per un motore della pompa idraulica e un altro per un motore della pompa di raffreddamento sullo scambiatore di calore. Nelle centraline idrauliche mission-critical ci sono motori ridondanti per ciascuno. In questo caso è necessario installare VFD separati per i motori ridondanti.
2. Chiudere tutte le valvole nella linea di bypass. La valvola di scarico di emergenza dovrebbe essere impostata in modo che entri in scena solo quando l’azionamento non riesce a regolare la pressione.
3. Installare un sensore di pressione differenziale tra i collettori di mandata e di ritorno al carico di processo (situato alla massima distanza dalla centralina). Determinare la caduta di pressione necessaria per mantenere un flusso sufficiente attraverso il punto di carico di processo più lontano nella rete idraulica. Controllare la velocità della pompa idraulica VFD usando il PID interno per mantenere una pressione differenziale sufficiente.
4. Installare un trasduttore di temperatura sulla centralina idraulica per riportare la temperatura dell’olio al VFD dello scambiatore di calore e controllare il flusso di acqua di raffreddamento attraverso lo scambiatore di calore.
5. Abilitare l’IoT sui VFD per inviare periodicamente le informazioni intelligenti a uno smartphone, confrontando le informazioni al fine di avvisare un utente per prendere misure di manutenzione proattive quando necessario.

Collegare il tutto: Come funzionerebbe una centralina idraulica intelligente in modo efficiente con tempi di fermo prevedibili?

Il motore a induzione della pompa idraulica dovrebbe essere controllato da un VFD piuttosto che da uno starter di linea. Il riferimento alla velocità del VFD può essere controllato dal regolatore PID interno dell’unità che riceve un feedback da un trasduttore di pressione differenziale aggiunto al sistema idraulico. Il set point per il PID sarà quello di mantenere una pressione dP sufficiente nel punto più lontano della rete idraulica.

Questo significa che, seguendo le regole di affinità, il VFD farà funzionare il motore di una pompa idraulica a una velocità necessaria per mantenere il setpoint di pressione, piuttosto che funzionare sempre a piena velocità quando corre attraverso lo starter di linea, consumando energia mentre è al minimo.

Applicando il primo principio, una combinazione di pompa idraulica e motore elettrico su una potenza idraulica controllerà il flusso di olio per azionare un pistone o ruotare un motore idraulico. Il flusso (gpm) è una funzione dello spostamento dell’olio per giro * velocità di rotazione. Pertanto, un VFD può essere utilizzato per ridurre la velocità della pompa per controllare il flusso quando il flusso minimo è richiesto durante i tempi in cui il sistema idraulico è inattivo.

Durante il lavoro eseguito dal sistema idraulico, viene mantenuto un certo flusso che è legato a dP nel punto più lontano, tenendo conto del lavoro svolto dall’attuatore o di eventuali perdite. Questo flusso costante dà luogo a una differenza di pressione dovuta alla resistenza offerta dal carico.

Quindi, utilizzando il PID VFD in un circuito chiuso si controllano le velocità del motore; la sovrapressurizzazione del sistema non si verifica durante i tempi morti, e il flusso necessario per mantenere la pressione richiesta viene fornito durante il tempo di lavoro svolto dal sistema idraulico.

In generale, si può vedere che riducendo la velocità della pompa quando il sistema è inattivo e facendo funzionare la pompa solo alla velocità richiesta per mantenere un flusso sufficiente durante la fase di non inattività si può risparmiare energia e costi di gestione su un sistema che è in funzione 24 ore su 24, 7 giorni su 7 in qualsiasi applicazione. Se la velocità non viene ridotta e l’olio viene ancora pompato senza fare alcun lavoro, prenderà il percorso di minor resistenza e tornerà al serbatoio attraverso la valvola di scarico della pressione, costando all’utente un inutile consumo di energia.

In secondo luogo, su un sistema in cui è ben definito il dP che deve essere mantenuto, il sistema conosce già la normale velocità operativa del motore. Pertanto, un evento di perdita nell’impianto farà sì che la pompa funzioni ad una velocità superiore al normale nel tempo. Questo indica che la pompa ha bisogno di una messa a punto o che c’è una perdita nel sistema. Questo è il vantaggio della diagnostica predittiva dell’uso di un VFD per la pompa idraulica.

Inoltre, cablando il flussostato esistente e il pressostato agli ingressi digitali sull’unità, l’unità si spegnerà automaticamente se programmata per scattare quando uno di questi interruttori scatta. Fornendo ulteriore sicurezza intelligente e un’unità abilitata all’IoT, fornisce agli utenti una notifica tempestiva di un’azione richiesta dal team di manutenzione.

La viscosità dell’olio è una funzione importante per prevenire qualsiasi cavitazione della pompa e raggiungere il flusso richiesto alla pressione di progetto. Il mantenimento della temperatura dell’olio è la chiave per mantenere la viscosità dell’olio. A seconda delle dimensioni del sistema idraulico, le unità hanno una sorta di unità di scambio di calore per mantenere la temperatura dell’olio. Se il motore dello scambiatore di calore è controllato con il VFD, l’uso di un controller PID per regolare il flusso dell’acqua di raffreddamento in base alla temperatura dell’olio farà risparmiare costi energetici, poiché la potenza è P (Potenza) α Ƭ (Coppia del motore) * N (Velocità).

Perché i componenti della centralina idraulica sono stati progettati e commissionati con parametri operativi come la corrente del motore, la velocità del motore e la pressione, qualsiasi cambiamento in questi parametri nel tempo è una buona indicazione per l’utente come parte della funzione di manutenzione predittiva. Avverte l’utente che qualcosa è cambiato nel sistema, come perdite, perdita del cuscinetto o linee intasate (quindi il motore funziona a una velocità superiore al normale per raggiungere la pressione richiesta). Con i VFD abilitati all’IoT, tutti questi parametri sono disponibili agli utenti a portata di mano per migliorare la facilità d’uso e l’esperienza di gestione dei dati.

In sintesi, l’uso dei VFD e di alcuni strumenti aggiuntivi sulle centraline idrauliche può fornire all’utente risparmi energetici, tempi di fermo ridotti e costi di manutenzione ridotti grazie alla manutenzione predittiva.

Ranbir (Ron) Ghotra è un ingegnere applicativo della linea di prodotti presso Eaton. Ghotra ha 20 anni di esperienza globale nella progettazione e gestione di progetti di controllo e automazione, risolvendo problemi per vari settori che vanno dal residenziale all’aerospaziale. È un professionista della gestione dei progetti con una laurea in ingegneria elettrica e un MBA della Katz Business School.