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Una nuova generazione di attuatori con inverter integrale per la regolazione continua

L’automazione nell’industria e nei processi industriali.
Applicazioni degli attuatori per l’intercettazione e regolazione nell’industria di processo.
Attuatori per valvole industriali.
Attuatori pneumatici.
Attuatori oleodinamici.
Attuatori elettrici.
Le „vecchie“ definizioni sulla classe di servizio (IEC 60034-1).
Regolazione continua – UNI EN 15714-2.
Requisiti per la prova di durata – UNI EN 15714-2.
Applicazioni tipiche dell‘attuatore in Classe „D“
Un nuovo e rivoluzionario attuatore elettrico di regolazione.
Alcuni esempi.

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Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
Intervento convegno ANIPLA - SAVE 2013

Pubblicato
da Benedetta Rampini




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Estratto del testo
Verona, 29-30 ottobre 2013! Una nuova generazione di attuatori con inverter integrale per la regolazione continua Maurizio Brancaleoni - Eugenio Wagner AUMA Italiana Convegno ANIPLA "Valvole: Protagoniste del controllo"
SAVE '' VeronaFiere, 30 ottobre 2013
L''automazione nell''industria e nei processi industriali 2 L''industria di processo presenta determinate
caratteristiche che rendono necessari sistemi di
controllo in grado di rispondere in modo adeguato a
tali particolari esigenze.
Grazie agli sviluppi dell''automazione, nell''impiantistica
industriale, anche di medio-piccola taglia, prende
sempre più piede l''architettura basata su sistemi e
sotto-processi distribuiti, con la necessaria presenza
di sensori e attuatori intelligenti.
L''impiego dei PLC, DCS e sistemi SCADA '' anche per
gli impianti non presidiati - rendono anche gli attuatori
elettrici componenti essenziali per la corretta e
completa integrazione dell''automazione, abbinando la
sicurezza delle persone e delle cose all''ottimizzazione
dell''intero processo.
Applicazioni degli attuatori per l''intercettazione e regolazione nell''industria di processo ' Oleodotti & Gasdotti ' Raffinerie, impianti petrolchimici e
chimici in genere
' Impianti off-shore ' Depositi costieri ' Centrali di produzione di energia
elettrica e di co-generazione
' Impianti farmaceutici ' Impianti trattamento fumi ' Impianti di captazione, trasporto e
distribuzione acque industriali e civili
' Impianti di dissalazione ' Acquedotti e impianti di trattamento e
depurazione acque primarie e reflue
' Impianti di bonifica e irrigazione ' Cartiere ' Impianti HVAC ' Impianti anti-incendio ' Impianti di ventilazione e evacuazione
fumi tunnel stradali e ferroviari
' Cantieristica navale (civile, militare) ' Cementifici e impianti siderurgici ' Zuccherifici, impianti alimentari e
bevande in genere
3 Gli attuatori per valvole industriali, definiti anche come
«servomotori per organi finali di intercettazione o
regolazione», si suddividono in:
- Attuatori pneumatici - Attuatori oleodinamici o idraulici - Attuatori elettrici 4 Attuatori per valvole industriali Attuatori pneumatici Attuatori pneumatici La maggior parte degli impianti industriali dispone di aria compressa e aria
strumenti a bassa o media pressione.
Un cilindro a pistone pneumatico rappresenta generalmente la risposta più
economica ed affidabile per l''azionamento delle valvole industriali.
L''aria compressa è infatti una forma conveniente di accumulo di energia, anche
per le manovre di emergenza.
Questi attuatori, con manovre pilotate in apertura e chiusura, si definiscono a
doppio «effetto».
In alternativa, gli attuatori con cilindro o membrana pneumatica, utilizzando una
molla antagonista, permettono, in mancanza della pressione di alimentazione, di
portare il pistone o la membrana - e di conseguenza l''otturatore della valvola -
nella posizione pre-definita di emergenza (Fail Safe
). In questo caso si parla di attuatore a semplice effetto. 5 Attuatori oleodinamici Attuatori oleodinamici Gli attuatori oleodinamici, concettualmente simili a quelli pneumatici, sono
essenzialmente costituiti da un cilindro e da un pistone; viene utilizzato il fluido
idraulico ad alta pressione per ottenere elevate forze con dimensioni contenute.
Anche il fluido idraulico, come l''aria compressa, può essere raccolto in
accumulatori, permettendo così di garantire le necessarie manovre di emergenza.
Il fluido, una volta scaricato il suo potenziale, deve poter ritornare al serbatoio di
raccolta/alimentazione, con conseguente raddoppio delle tubazioni idrauliche.
Il costo di installazione, di gestione e di manutenzione è evidentemente più elevato
rispetto al sistema pneumatico in quanto non sempre è possibile montare tutta la
componentistica del sistema (motore elettrico, pompa, cassetto di distribuzione,
elettrovalvole, accumulatori, ecc.) nelle immediate vicinanze della valvola, con
conseguente aumento degli oneri e dei disagi.
Anche questi attuatori sono disponibili nelle due versioni, a semplice o a doppio
effetto, e sono fortemente utilizzati in campo petrolchimico e petrolifero, negli
oleodotti e nei gasdotti, sia su installazioni on-shore che off-shore.
Una versione particolare, definita «gas-over-oil», utilizza come fluido primario di
alimentazione lo stesso gas della rete: in questo caso la manovra di emergenza
avviene con la versione a semplice effetto.
6 Attuatori elettrici (1) Attuatori elettrici Gli attuatori convenzionali, di tipo elettrico, possono presentare elevate velocità
di rotazione con conseguente elevata energia cinetica.
Per ridurre la velocità, aumentando nel contempo la potenza utile, il motore
viene abbinato a gruppi intermedi di riduzione (vite senza fine, ingranaggi
epicicloidali, ecc.).
Il motore elettrico è bi-direzionale per poter manovrare la valvola nei due sensi
di marcia (apertura e chiusura) e richiede quindi, nei casi più comuni, idonee
unità di teleinversione o di comando che, a loro volta, devono essere collegate
alla sensoristica di bordo quali: fine corsa, limitatori di coppia, protezioni
aggiuntive (es. rilievi anomalie, intervento comando manuale, termostati o
termistori salva-motore o rilievo temperature, ecc.).
L''attuatore elettrico, quando meccanicamente irreversibile, in caso di mancanza
di energia, rimane bloccato nell''ultima posizione raggiunta e, per sua
caratteristica intrinseca, dissipa energia solo quando elettricamente attivo.
Il mercato offre oggi anche versioni particolari di attuatori elettrici, con sistema
di accumulo di energia (meccanica od elettrica) che vengono utilizzati per
applicazioni particolari quando la manovra, in condizioni di emergenza e/o
mancanza di energia primaria, è essenziale ai fini della sicurezza degli impianti.
7 Attuatori elettrici (2) Gli attuatori elettrici sono stati per lungo tempo utilizzati quasi esclusivamente per il
comando di valvole impiegate su servizi di intercettazione o di tasteggio.
Con il crescente grado di automazione dei processi industriali, è sempre più vivo
l''interesse per l''applicazione di tali attuatori anche su servizi di regolazione e la loro
diffusione è estesa ad una vastità di processi industriali.
La costruzione degli attuatori per servizi on-off e regolanti può non differire molto da
un punto di vista meccanico, mentre sensibili differenze esistono per quanto riguarda i
motori e le apparecchiature elettriche ed elettroniche di comando.
Una versione particolare di attuatori elettrici per regolazione continua viene oggi offerta
da un numero ristretto di costruttori, per le peculiarità che questo prodotto richiede.
Un importante passo in avanti, in campo normativo a livello internazionale, è stato
realizzato recentemente in Europa dal CEN con la serie di norme EN 15714, ratificata in
Italia dall''UNI nell''Aprile 2011. Per gli attuatori elettrici si può ora fare riferimento
esclusivo alle Norme UNI EN 15714-1 (Terminologia) e UNI EN 15714-2 (Attuatori
elettrici).
8 Le ''vecchie'' definizioni sulla classe di servizio (IEC 60034-1) 9 ' Fino a fine 2009 nell''impiantistica di processo, la classificazione del servizio (motor duty rating)
per gli attuatori elettrici - in assenza di una normativa specifica - si basava sulla raccomandazione
IEC 60034-1.
Questa norma, tuttora in vigore, si applica genericamente a tutte le macchine elettriche ma non
espressamente agli attuatori per valvole industriali, per le peculiari caratteristiche loro richieste.
' Le definizioni usate '' fino al 2009 '' per classificare i motori degli attuatori elettrici erano le seguenti: S2 Servizio di durata limitata Funzionamento a carico costante per un periodo determinato, 
inferiore a quello richiesto per raggiungere l''equilibrio termico, 
seguito da un periodo di riposo di durata sufficiente per ristabilire
l''eguaglianza termica tra il motore e il fluido di raffreddamento. S4 Servizio intermittente
periodico
Sequenza di cicli di funzionamento identici, ciascuno con una fase
significativa di avviamenti, un funzionamento a carico costante e un 
periodo di riposo. S5 Servizio intermittente
priodico con frenatura
elettrica
Sequenza di cicli di funzionamento identici, ciascuno comprendente
una fase di avviamento, un periodo di funzionamento a carico
costante, una fase di frenatura e una fase di riposo. S9 Servizio con variazioni
non periodiche di carico e 
velocità
Servizio in cui il carico e la velocità variano in modo non periodico
nel campo di funzionamenrto ammissibile. Questo servizio include  
sovraccarichi frequentemente applicati che possono essere
largamente superiori ai valori di pieno carico. Attuatori elettrici '' Nuove e corrette definizioni 10 NUOVA CLASSIFICAZIONE UNI EN 15714-2:2011) (EN 15714-2:2009 ' Classe A: Intercettazione
' Classe B: Tasteggio
' Classe C: Regolazione
' Classe D: Regolazione continua 11 Classe A - Intercettazione All''attuatore è richiesto di essere in grado di fare effettuare alla valvola l''intera sua corsa, dalla posizione di completa apertura a quella di completa chiusura o viceversa  Valvole a saracinesca  Valvole a globo o a flusso
avviato  Valvole a lama  Valvole a farfalla  Valvole a maschio  Valvole a sfera  Serrande  Paratoie Attuatori elettrici '' Definizione Classe ''A'' EN 15714-2 12 Attuatori elettrici '' Definizione Classe ''B'' EN 15714-2 Classe B: Tasteggio All''attuatore è richiesto di essere in grado di effettuare, elettricamente, corse parziali (portando l''otturatore della valvola in posizione di completa apertura, in completa chiusura oppure in posizioni intermedie).  Valvole a saracinesca  Valvole a globo o a
flusso avviato  Valvole a lama  Valvole a farfalla  Valvole a maschio  Valvole a sfera  Serrande  Paratoie 13 Attuatori elettrici '' Definizione Classe ''C'' EN 15714-2  Valvole a fuso  Valvole a globo o a
flusso avviato  Valvole a farfalla  Valvole a settore sferico  Serrande  Paratoie  Pompe dosatrici Classe C: Regolazione All''attuatore è richiesto di essere in grado di azionare frequentemente la valvola, portando l''otturatore in qualsiasi posizione tra la completa apertura e la completa chiusura o viceversa. I tecnici definiscono questa azione come «regolazione a tre-punti» 14 Attuatori elettrici '' Definizione Classe ''D'' EN 15714-2  Valvole a fuso  Valvole a globo o a
flusso avviato  Valvole a farfalla  Valvole a settore
sferico  Serrande  Paratoie  Pompe dosatrici Classe D: Regolazione continua All''attuatore è richiesto di essere in grado di azionare in maniera continua la valvola, portando l''otturatore in qualsiasi posizione tra la completa apertura e la completa chiusura o viceversa. SIPOS HiMod:
3600
1800
1200
avviamenti/ora
Regolazione continua '' UNI EN 15714-2 15 Il minimo numero di avviamenti stabilito dalla UNI EN 15714-2 si basa su una temperatura ambiente pari a +40°C. L''attuatore HiMod garantisce queste prestazioni fino ad una temperatura ambiente pari a +60''°C. Requisiti per la prova di durata '' UNI EN 15714-2 16 Applicazioni tipiche dell''attuatore in Classe ''D'' ' Valvole di regolazione ' Valvole avviamento caldaia ' Serrande e dapò ' IGV (Inlet Guide Vanes) di compressori e turbine ' Valvole by-pass turbina ' Desurriscaldatori ' Sistema controllo pompe alimento ' Pompe dosatrici 17 '.. e per tutte quelle applicazioni con requisiti di elevata precisione e risposta dinamica. Un nuovo e rivoluzionario attuatore elettrico di regolazione 18 Principali caratteristiche: ' Attuatore a velocità variabile: inverter incorporato
' Funzioni soft-start: a vantaggio di precisi posizionamenti senza pendolamenti ' Curve coppia/tempi di manovra: configurabili
' Precisione: tolleranza max. 0,003%
' Servizio continuo: In pieno accordo con i requisiti indicati per la Classe D della Norma UNI EN 15714-2 ' Affidabilità e robustezza: 5 anni di garanzia sul motore e sulla catena cinematica. ' Doppia tenuta IP68: per un''elevata protezione dall''ambiente ' Taratura: semplice e ''non intrusiva'', senza necessità di dispositivi ausiliari ' Funzioni S/W omnicomprensive ad alto HMI: a vantaggio di una semplice e agevole operabilità e con
azionamenti realmente 'smart' HiMod '' Massima precisione nella regolazione continua L''attuatore a velocità variabile con inverter integrale 19 Attuatore elettrico convenzionale HiMod Caratteristiche standard attuatore SIPOS HiMod: ' Taratura semplice e ''non intrusiva'', senza necessità di dispositivi ausiliari ' Software di regolazione evoluto ' Elevata accuratezza nel controllo e nel posizionamento ' Indicazione della posizione con due cifre decimali sul display ' Posizionatore adattativo ' Funzione regolatore PID integrale 20 L''inverter e la velocità variabile sull''attuatore HiMod Schema tipico dell''inverter SIPOS integrale e alimentato - con tensione 1-fase o 3-fase - per azionare, a velocità variabile e programmabile, la velocità dell''attuatore 21 La ''ristorazione'' vista da SIPOS 22 FORNITURA ELABORAZIONE ALIMENTAZIONE DATI UTILIZZO Attuatore convenzionale L''inverter integrale SIPOS e la sua semplificazione circuitale SIPOS HiMod 23 SIPOS HiMod '' cosa ricordare..' Velocità di manovra e coppia di taratura sono regolabili e modificabili in qualsiasi momento. Assenza di stress meccanici sugli organi della valvola, anche nelle posizioni di estremità, grazie alla riduzione
della velocità e alla funzione ''soft-start'. Assenza di sensori elettro-meccanici per il rilievo della posizione e la misura della coppia. Assenza di collegamento diretto tra la rete di alimentazione e il motore, con enormi vantaggi in
presenza di variazioni ed oscillazioni ! La misura del motore viene costantemente misurata e monitorata. La coppia viene rilevata elettronicamente tramite l''inverter. Assenza totale di ritardi nel rilevamento della coppia con evidenti vantaggi di durata ed affidabilità 24 HiMod e un suo schema tipico 25 I/O ' 4 ingressi binari APRE-STOP-CHIUDE & ESD ' 8 uscite binarie programmabili (5 uscite ulteriori tramite scheda relé
opzionale) ' 1 uscita analogica
' 2 ingressi analogici (E1 e E2)
' Interfaccia al bus di campo opzionale (singolo o ridondato) Manutenzione predittiva '' un tool aggiuntivo Curve riferimento coppie manovra ' Le caratteristiche di coppia della valvola possono
essere misurate e memorizzate anche per tratti
minimi dell''1% della corsa totale.
' L''attuatore permette di effettuare fino a tre misure
di riferimento e confrontarle con la curva
caratteristica originariamente salvata, agevolando
le operazioni di manutenzione predittiva.
' In questo modo la lettura di questo parametro
fondamentale può essere anche scaricata e
trasferita su un PC o palmare via cavo RS 232 o via
collegamento
' Questi dati possono eventualmente essere
disponibili anche tramite il protocollo Profibus DP-
V1.
Visualizzazione tramite S/W COM-SIPOS Visualizzazione tramite foglio Excel L''encoder assoluto Il gruppo di controllo elettro-meccanico convenzionale è stato sostituito da
un innovativo encoder assoluto ad elevata risoluzione per permettere il
continuo rilevamento della posizione con la massima precisione ed
affidabilità. 27 Sensoristica innovativa negli attuatori HiMod 1) Dato basato su: velocità = 40 giri/1'', tempo manovra = 30 s, nr. giri / corsa totale = 20 Accuratezza nella misura La sensoristica di posizione nel SIPOS 5 HiMod: ' Accuratezza tramite un encoder di posizione multigiro: ' 0,3 % (0,8 giri/corsa)
' 0,02 % (36 giri/corsa) ' risoluzione a 12 bit per giro, praticamente senza giochi meccanici: ' fino a 0.004 % della corsa totale1) ' Il gioco tra la vite senza fine e l''encoder è trascurabile, grazie
all''elevato rapporto di riduzione e all''accuratezza e precisione
delle lavorazioni meccaniche
28 La sensoristica di posizione nel SIPOS HiMod: Regolazione continua Per il servizio di regolazione continua, un
avviamento consiste in almeno ¼ di giro, con
un carico minimo pari almeno al 30% della
coppia nominale
29 Definizione della Classe ''D' secondo UNI EN 15714-2 Misura
posizione
1 giro 36 giri Accuratezza 0.07% 0.002% Risoluzione 0.01% 0.0005% Dati tecnici - encoder assoluto niP Nr. giri albero Max corsa misurabile: 353.000 giri dell'' albero Corsa minima misurabile: 0.5 giri dell''albero 30 Applicazione
con
by-pass
Attuatore
valvola di
by-pass Attuatore valvola
Principale Azione ''split-range' Per applicazioni particolari con ampie variazioni di flusso,
i limiti nella regolazione continua, nel caso di singolo
organo finale di controllo, possono essere facilmente
raggiunti e l''accuratezza richiesta dal processo può non
essere garantita.
In questi casi la soluzione con azione ''split-range' può
essere usata, con effetti positivi grazie alla distribuzione
del segnale di controllo (set) su due '' o più '' valvole
motorizzate.
Questa funzione può anche essere selezionata per
normalizzare l''effettivo campo di regolazione di una
valvola (es. 20-80%) in base al segnale analogico inviato.
31 Opzione Attuatore e Regolatore ''combinato'' L''attuatore può essere dotato di una funzione opzionale che
permette di collegare il sensore di misura direttamente
all''organo finale di regolazione, senza necessità di avere un
regolatore separato.
' Soluzione convenzionale:
Il setpoint viene inviato all''attuatore con un segnale analogico
(E1), es. 4'20 mA.
' Soluzione via BUS:
Il segnale del setpoint viaggia con il bus di campo
' Setpoint pre-fissato:
Il valore del setpoint viene configurato internamente,
fissando un valore compreso tra lo 0 e il 100%, variabile in
qualsiasi momento
32 Valocità variabile - Alcuni esempi (1) 33 Cambio velocità a 1 punto L''attuatore muove la valvola con una velocità programmata (es. 80 giri/1'')
dal 100% (totale apertura) al 30% (parziale apertura). La velocità si riduce quindi, in corrispondenza del punto di intervento
(es. 30%), passando automaticamente da 80 giri/1'' a 20 giri/1'' fino al
raggiungimento della totale chiusura (0%. Valocità variabile - Alcuni esempi (2) 34 Cambio velocità a 2 punti L''attuatore muove la valvola con una velocità programmata (es. 80 giri/1'')
dal 100% (totale apertura) al 30% (parziale apertura). La velocità si riduce quindi, in corrispondenza del primo punto di intervento
(es. 30%), passando automaticamente da 80 giri/1'' a 10 giri/1'' , per riportarsi
infine '' nell''ultimo tratto di corsa del 5% - al raggiungimento della totale
chiusura (0%). Valocità variabile - Alcuni esempi (2) 35 Cambio velocità a 7 punti L''attuatore viene programmato per azionare la valvola con rampe di
manovra a 7 punti nelle due direzioni di marcia. Le velocità possono variare tra i 5 giri/1'' e 40 giri/1. Grazie per la Vostra attenzione! 36


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