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Raccogliere i dati energetici richiesti da ISO 50001 in modo più economico e risparmiando spazio

Misurazione dell’energia sulla macchina

Sfida: Ottenere letture precise del consumo di energia per ogni singola macchina di produzione e informazioni aggiuntive per la manutenzione predittiva.

Soluzione: L’interruttore elettronico digitale NZM di Eaton con misurazione dell’energia integrata

Il risultato:Nell’impianto Eaton di Schrems, è possibile misurare con un alto livello di precisione i consumi energetici di ciascuna macchina di produzione e l’energia utilizzata per la realizzazione di ogni singolo prodotto. 

Background

Oggi si parla molto di come ridurre le emissioni di CO2. Allo stesso tempo, da molti anni i governi si impegnano per migliorare l’efficienza energetica. Misure quali tasse sulle emissioni di carbonio o classi energetiche (anche per le macchine) stanno per essere implementate. Di conseguenza, le tasse sul consumo di energia sono ora un fattore di costo crescente per le aziende in un certo numero di paesi - in Germania, ad esempio, le tasse governative rappresentano già più del 50% dei costi legati all'elettricità. Allo stesso tempo, però, molti stati membri dell'UE hanno creato opportunità per i gestori degli impianti volte a ridurre il loro carico fiscale. Per poter beneficiare di queste agevolazioni, le aziende devono per prima cosa implementare un sistema di gestione dell'energia certificato secondo ISO 50001 (o un sistema alternativo). Un sistema di questo tipo necessita, tra le altre cose, dell'installazione di apparecchiature di misurazione. Idealmente, la misurazione dell'energia dovrebbe essere effettuata a livello di ogni macchina o impianto di produzione. Farlo permette di monitorare con precisione il consumo di energia di una fabbrica, di identificare i componenti dell'impianto che consumano più energia e di determinare misure volte a migliorare l'efficienza energetica a livello di una macchina.

Il rilevamento del consumo energetico di ogni singola macchina permette inoltre agli operatori di determinare il consumo di energia e quindi i costi energetici di ogni unità prodotta dalla macchina in questione - e infine quello dell'intera fabbrica. Questo non solo rende più semplice fare calcoli più precisi, ma permette anche di assegnare valori energetici ad ogni prodotto finito. Integrando la misurazione dell'energia direttamente all'interno dei sistemi, i costruttori di macchine sono in grado di offrire ai loro clienti un vero valore aggiunto.

Anche durante il retrofit di un impianto esistente, può essere utile inserire un sistema per la misurazione dell’energia, specialmente nei casi in cui non è possibile misurare i consumi di acqua, aria compressa e soprattutto di energia elettrica. Anche se una macchina è già dotata di contatori di energia convenzionali, può essere utile studiare soluzioni alternative. Questo è illustrato da un progetto pilota che Eaton ha implementato nel suo stabilimento di Schrems, in Austria. 

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Controllo del consumo energetico tramite un sistema per la gestione dell’energia nel sito di Schrems

Progetto pilota presso lo stabilimento Eaton di Schrems

Nello stabilimento di Schrems, 700 dipendenti producono 360.000 pezzi individuali all’ora, assemblati in componenti fondamentali per interruttori automatici miniaturizzati, interruttori automatici per la corrente residua e quadri di distribuzione a bassa tensione. Ogni anno, l’impianto Eaton a Schrems produce circa 3 miliardi di assemblati singoli e componenti di base. Per tenere sotto controllo i 22.000 metri quadrati di superficie e le 170 linee di produzione separate, Eaton ha installato circa 10 anni fa un sistema completo di acquisizione dei dati operativi: "Visto che la maggior parte delle nostre macchine sono parzialmente o completamente automatiche, non è sempre presente un dipendente sul posto, ci affidiamo quindi al sistema di acquisizione dati operativi per monitorare e controllare tutti i nostri processi," spiega Thomas Graf, direttore dello stabilimento di Schrems. 

Misurazione dell'energia a livello di ogni singola macchina

I dati di processo che ogni macchina invia al sistema di acquisizione dei dati operativi attraverso la rete della fabbrica includono anche informazioni sul consumo di acqua, aria compressa ed elettricità. Per misurare il consumo di energia di ogni macchina, lo stabilimento di Schrems si affidava in precedenza a contatori di energia separati con classe di precisione 3. Questo rendeva possibili misurazioni energetiche con un'imprecisione del 3 per cento alla corrente nominale - lungo tutto lo spettro di misurazione: Nel caso di un dispositivo con una corrente nominale di 100 A, questi contatori misuravano quindi anche una corrente di 10 A con un margine di errore di 3 A. Di conseguenza, questa soluzione non solo presentava un alto livello di imprecisione nella misurazione, ma richiedeva anche molto cablaggio. Prendiamo l'esempio di una punzonatrice e piegatrice automatica, che viene utilizzata, tra l'altro, per fabbricare le camere d'arco per gli interruttori automatici: Gli interruttori principali del sistema possono gestire fino a 160 ampere, i contatori di energia sono tuttavia in grado di gestire solo fino a 80 ampere, era quindi necessario collegare in parallelo due contatori con fusibili a questa macchina. Tramite un'interfaccia a contatti ad impulso S0, i contatori trasmettevano i loro dati al PLC della macchina e poi, tramite quest'ultimo, al sistema di acquisizione dati operativo.

L'installazione di due contatori non solo richiedeva un cablaggio aggiuntivo, ma occupava anche molto spazio all'interno dell’armadio di comando. Inoltre, i contatori misuravano solo i kilowattora consumati. Lo scopo del progetto di retrofit appena completato era quindi duplice: ottenere letture più precise da utilizzare per effettuare calcoli più accurati e raccogliere informazioni aggiuntive sulla salute del sistema, ad esempio nel contesto della manutenzione predittiva. 

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È possibile omettere i moduli di misurazione dell'energia separati, mostrati nell'immagine qui sopra, usando un interruttore automatico digitale come quello nell'immagine qui sotto. Questo riduce i costi e lo spazio richiesto nell'armadio di comando.

NZM con misurazione integrata dell’energia

Per questo motivo, Eaton ha deciso di installare i suoi interruttori digitali NZM con misurazione energetica integrata nell'impianto di Schrems. Mentre le precedenti generazioni di interruttori automatici scatolati rilevano i sovraccarichi e i cortocircuiti tramite sganciatori magnetici, i più recenti interruttori NZM sono dotati di un sistema di sgancio elettronico, che nel caso della versione PXR25, comprende anche una funzione integrata per la misurazione dell'energia. Questi dispositivi rendono così possibile misurare la corrente e la tensione con una precisione dello 0,5%. Questo permette di calcolare la potenza e il consumo di energia con una precisione di classe 1, in conformità alla norma IEC 61557-12 applicabile anche agli amperometri.

Sostituendo gli interruttori scatolati NZM esistenti all'interno della punzonatrice e piegatrice con l'ultimo modello, è stato possibile eliminare completamente i due contatori elettrici e i loro fusibili. I nuovi dispositivi sono inoltre dotati di un’interfaccia Modbus che trasmette le letture direttamente al PLC. 

Benefici multipli

Usare gli interruttori NZM per la misurazione della corrente offre una serie di vantaggi: Da un lato, questo riduce significativamente il numero di componenti necessari per il sistema. Dall’altro, come ha dimostrato il progetto pilota nel sito di Schrems, la nuova soluzione richiede molto meno cablaggio: Mentre prima si dovevano collegare due cavi all'interfaccia ad impulsi S0, i cavi dei contatori elettrici e quelli dei fusibili associati, ora è sufficiente un solo cavo: tra il terminale Modbus e l'NZM.

L'utilizzo degli interruttori NZM con misurazione integrata dell'energia ha anche effetti positivi sull'armadio di comando, in quanto non sono più necessari contatori separati. Le dimensioni dell'ultima generazione di interruttori NZM corrispondono a quelle delle versioni precedenti, la sostituzione dei dispositivi risulta quindi molto semplice. I requisiti di cablaggio ridotti e il risparmio di spazio all'interno dell'armadio di controllo rendono i dispositivi NZM particolarmente interessanti per l'uso in nuove macchine. Nel caso di nuovi macchinari, l'installazione di interruttori NZM con misurazione energetica integrata si traduce in benefici diretti sui costi: Nell'impianto di Schrems, Eaton è stata in grado di ridurre i costi - sia per le attrezzature che per la manodopera - di circa il 27%.

Vantaggi anche per i progetti di retrofit

Al di là del fattore costo, l'installazione di interruttori NZM sulla macchina ha fornito un vero valore aggiunto, il che rende questa soluzione interessante anche per i progetti di retrofit. In questo caso, l'aspetto più importante è decisamente la precisione superiore nella misurazione dell'energia: Questo permette di determinare l'energia necessaria per la produzione delle singole unità e quindi di calcolare con precisione i costi finali dell'articolo - cosa che può portare anche ad un vantaggio di prezzo sul mercato. 

Allo stesso tempo, il dispositivo NZM fornisce molte più informazioni rispetto a un contatore di energia tradizionale. Questo comprende pressoché tutti i dati elettrici del circuito che protegge: Oltre alla corrente reattiva, alla corrente attiva e alla tensione, il dispositivo registra anche i valori di potenza ed energia e altri dati. In questo modo il fattore di potenza non ha più bisogno di essere calcolato separatamente, ma può essere richiamato in tempo reale. Queste informazioni possono essere utilizzate per verificare il corretto funzionamento delle apparecchiature a valle e delle schede di sotto-distribuzione per gli scopi della manutenzione predittiva. Per realizzare tutto questo è sufficiente creare un "modello elettrico" della macchina registrando i valori elettrici durante il normale funzionamento.  

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Anche nelle macchine esistenti, la misurazione dell'energia può essere implementata senza occupare spazio aggiuntivo.

Durante il funzionamento, il modello elettrico verrà regolarmente confrontato con i dati in tempo reale forniti dal dispositivo NZM. Se verranno identificate anomalie o deviazioni dal modello campione, sarà possibile dedurre informazioni sull’attuale processo di invecchiamento del sistema.

Se dovesse comunque verificarsi un guasto, l'interruttore NZM offre una serie di opzioni di analisi per ridurre al minimo i tempi di inattività. Gli interruttori automatici digitali permettono quindi agli operatori di monitorare le loro applicazioni: Il dispositivo è scattato a causa di un cortocircuito o di un sovraccarico? Qual era il valore massimo del flusso di corrente? Questi dati vengono memorizzati all’interno dell’interruttore e possono essere consultati in remoto. Le funzioni di analisi integrate dell'interruttore NZM possono anche essere utilizzate per identificare i problemi della rete di alimentazione della macchina. Questo permette di rilevare i guasti che colpiscono l'intero impianto, come ad esempio le distorsioni armoniche. 

Migliorata disponibilità del sistema

Oltre ai vantaggi offerti dai dati in tempo reale, l'interruttore automatico digitale offre anche altri benefici che contribuiscono a migliorare la disponibilità del sistema. Ad esempio, l'interruttore è in grado di determinare il suo restante ciclo di vita in qualsiasi momento. Questo significa che dopo ogni guasto, indipendentemente che sia stato causato da un sovraccarico o da un cortocircuito, gli operatori possono decidere rapidamente se l'interruttore deve essere sostituito o meno. Mentre in passato gli interruttori automatici venivano spesso sostituiti immediatamente in via precauzionale, ora possono rimanere in funzione molto più a lungo. 

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I dati sull'energia e le prestazioni dell'interruttore possono essere richiamati localmente e da remoto
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L'impiego dell'interruttore automatico digitale NZM offre numerosi vantaggi anche nella pianificazione e nell'esecuzione dei lavori di manutenzione

Manutenzione sicura e semplice

Il meccanismo di commutazione elettronica dell'ultima generazione NZM è inoltre in grado di migliorare la sicurezza del personale di manutenzione dello stabilimento Eaton di Schrems. Per effettuare numerose operazioni non è più necessario accedere al quadro di distribuzione: "Tramite l'interfaccia USB nell'involucro del quadro di distribuzione, possiamo comunicare direttamente con lo sgancio elettronico senza dover aprire la porta," spiega Wolfgang Strondl, division manager per la produzione di parti metalliche nello stabilimento Eaton di Schrems. Per mezzo di un computer portatile e del software Power Xpert Protection Manager, i tecnici possono accedere facilmente alle informazioni del quadro elettrico e regolare le impostazioni di conseguenza. Eaton sta continuando a migliorare l'interruttore automatico digitale NZM in modo che in futuro sia anche possibile testare le funzioni di protezione tramite l'interfaccia USB. Anche senza adoperare una costosa attrezzatura esterna per i test sarà possibile controllare i parametri di protezione selezionati dall’utente, il funzionamento dei convertitori interni o il corretto collegamento del dispositivo all’unità di sgancio. Inoltre, il software consente agli operatori di simulare qualsiasi corrente e di confrontare automaticamente i tempi di intervento, in base alla curva di intervento selezionata. 

Valore aggiunto per le nuove macchine e per i progetti di retrofit

"Il nostro progetto pilota ha dimostrato che l'installazione dell'interruttore NZM con misurazione energetica integrata offre vantaggi in diversi modi," conclude Wolfgang Strondl. Anche nel caso di un progetto di retrofit, l'interruttore NZM non solo fornisce dati molto accurati, ma le sue caratteristiche aggiuntive migliorano anche il funzionamento della macchina in termini di manutenzione e disponibilità. Nelle nuove macchine, il dispositivo NZM con misurazione dell'energia integrata dimostra i vantaggi offerti rispetto ad una soluzione convenzionale con contatori di energia: Oltre ai costi complessivi significativamente più bassi per l'approvvigionamento e l'installazione, esso facilita anche la progettazione di macchine e pannelli di controllo molto più compatti. Thomas Graf: "Questo progetto ha confermato la nostra scelta di utilizzare gli interruttori NZM con misurazione dell'energia integrata in tutte le future macchine dello stabilimento di Schrems."