Upgrade di potenza senza nuove installazioni: il caso Russia

Nel 2012 SEPAM ha realizzato il sistema di gestione e controllo di un impianto frigorifero presso uno stabilimento di macellazione bovina in Russia. La sala macchine è composta da 14 compressori a vite alimentati a gas Freon, per una potenza complessiva superiore a 2 MVA.

Utenze servite dalla centrale frigorifera

L’impianto è operativo al servizio di diverse utenze, tra cui:

• Impianto ad acqua glicolata per celle a temperatura positiva, destinate allo stoccaggio di prodotti freschi

• Tunnel di surgelazione

• Celle di conservazione per prodotto surgelato

• Impianto ad acqua gelida per il condizionamento dei locali di produzione e degli uffici

La sfida: aumentare la potenza, non la quantità

Negli anni, l’aumento della produzione e del volume di prodotto in stoccaggio ha reso necessario un intervento di potenziamento della capacità frigorifera. Tuttavia, da uno studio di fattibilità tecnico-economico sono emerse numerose criticità legate a:

• Logistica

• Infrastruttura esistente

• Tempi di installazione

• Investimenti richiesti

Per questo motivo, la scelta progettuale è ricaduta su una soluzione più efficiente: incrementare la potenza erogata dai compressori esistenti, senza alterarne quantità o tipologia.

La soluzione: inverter Danfoss per compressori esistenti

L’intervento ha coinvolto 5 compressori Bitzer semi-ermetici con potenze comprese tra 45 e 132 kW, originariamente a velocità fissa e avviati in part-winding, una tecnica utilizzata per limitare la corrente di spunto.

Per ogni compressore sono state analizzate:

• La capacità frigorifera fino a 4500 rpm

• Le curve di coppia e potenza elettrica

• I diagrammi di funzionamento dei motori asincroni a frequenze fino a 75 Hz

• I rendimenti in diverse condizioni operative

Il controllo dei motori è stato affidato a inverter Danfoss VLT Drive FC102, scelti per:

• Caratteristiche meccaniche robuste

• Elevato grado di protezione

• Affidabilità in ambienti gravosi (alte temperature, agenti corrosivi)

Grazie a queste caratteristiche, gli inverter sono stati installati in prossimità dei motori, ottenendo numerosi vantaggi:

• Nessuna nuova apparecchiatura in control room

• Nessuna modifica al quadro esistente

• Assenza di interventi meccanici o piping

• Il calore dissipato è gestito direttamente in sala macchine

• Cablaggi minimi tra inverter e motore, con conseguente riduzione del rumore EMC

• Distribuzione equilibrata dell’energia assorbita

• Riduzione dei costi di installazione e modifiche

Integrazione nel sistema esistente

Le nuove funzionalità degli inverter sono state integrate nel PLC Siemens S7-300 esistente, attraverso comunicazione Profinet Industrial Ethernet.

L’ampio range di velocità ottenuto, unito all’elevata disponibilità di compressori modulabili, ha permesso:

• L’ottimizzazione delle sequenze di accensione, spegnimento e modulazione

• L’adattamento continuo della potenza frigorifera alle reali esigenze produttive

• Una riduzione significativa dei consumi energetici

Inoltre, l’intervento è stato scalato nel tempo, garantendo continuità operativa durante tutta la fase di adeguamento.

Sostituzione soft-starter con inverter Parker AC30

Sepam ha recentemente completato un intervento di upgrade su un compressore a vite, nell’ambito di un progetto di ampliamento e riqualificazione di una grande centrale frigorifera. L’impianto si trova in una delle sedi nazionali di un importante produttore di beni alimentari.

La sala macchine è composta da 15 compressori, con potenze comprese tra 132 kW e 560 kW, per una potenza installata complessiva superiore a 6 MW.

Il punto di partenza

Il compressore oggetto dell’intervento era stato installato nel 2010 ed era azionato da un motore asincrono IE1 da 280 kW, con avviamento tramite soft-starter. Questa soluzione permetteva una parziale riduzione della corrente di spunto, ma non consentiva un controllo avanzato delle prestazioni.

A seguito di risultati positivi ottenuti in precedenti applicazioni con inverter, il cliente ha scelto di migliorare efficienza, prestazioni e controllo remoto intervenendo in tre aree principali:

• Sostituzione del motore con un nuovo motore asincrono IE3 da 315 kW

• Installazione di un inverter Parker AC30 da 315 kW in sostituzione del soft-starter

• Aggiornamento delle logiche di controllo per abilitare il funzionamento a velocità variabile

Intervento in sito, senza movimentazioni

Una particolarità di questo progetto è che l’intervento è stato realizzato interamente in loco, senza spostare l’apparecchiatura dalla sala di controllo. Questo ha permesso una rapida esecuzione, evitando i disagi e i costi associati alla movimentazione delle macchine.

Tuttavia, tale approccio ha richiesto una progettazione e pianificazione estremamente accurate.

Le fasi del lavoro

Dopo i necessari sopralluoghi, l’ufficio tecnico Sepam ha:

• Progettato le modifiche all’apparecchiatura

• Verificato la componentistica esistente, decidendo cosa mantenere e cosa sostituire

• Analizzato gli spazi interni e il sistema di raffrescamento del quadro

Successivamente si è proceduto a:

• Smontaggio del soft-starter

• Adeguamento meccanico per l’alloggiamento dell’inverter e dei relativi accessori

• Installazione dell’inverter Parker AC30, dotato di interfaccia Profibus per il collegamento al sistema di controllo Siemens S7-300 già in uso

L’integrazione con il PLC

Una volta completata l’installazione fisica, sono state implementate nel PLC Siemens S7-300 le nuove logiche di controllo del compressore. Queste sono state integrate con le sequenze di attivazione delle altre utenze e componenti del circuito frigorifero a bassa temperatura.

I vantaggi ottenuti

I benefici sono stati immediatamente visibili e misurabili:

• Maggiore potenza frigorifera disponibile solo quando realmente necessaria

• Utilizzo del compressore fino a 3600 rpm, per una gestione ottimizzata

• Sequenze di funzionamento più efficienti all’interno del circuito frigorifero

• Riduzione dei consumi energetici

• Maggiore turnover dei compressori, per una distribuzione più equilibrata dei carichi

• Migliore diagnostica online, grazie alla visibilità completa dei parametri motore

​​Da poco abbiamo concluso l’upgrade di un compressore frigorifero. Per ottimizzare le prestazioni abbiamo optato per la sostituzione avviamento stella-triangolo con inverter Nidec Powerdrive e motore sincrono a magneti permanenti.

L’inserzione a tensione ridotta stella-triangolo è il metodo di avviamento dei motori asincroni trifase più frequentemente utilizzato in passato in ragione della sua economicità e della parziale riduzione della corrente di all’avviamento. A discapito di una minore coppia disponibile in fase avviamento e con rilevanti picchi di corrente nel passaggio da stella a triangolo.

Il rapido sviluppo e l’ affidabilità dell’elettronica di potenza, hanno consolidato l’impiego di soft-starter ed inverter che permettono l’avviamento dei motori asincroni con riduzione della corrente di inserzione e, nel solo caso degli inverter, con la possibilità di disporre della coppia nominale erogabile dal motore.

In ragione di queste opportunità, molti interventi di upgrade su installazioni esistenti includono la sostituzione di avviamenti stella-triangolo con soft-starter o inverter.

Lo sviluppo della tecnologia, ha inevitabilmente e contestualmente coinvolto anche i motori. Al classico motore asincrono si stanno affiancando, anche per applicazioni di potenze medio-alte, motori sincroni a magneti permanenti caratterizzati da elevati valori di coppia anche a velocità ridotte, dimensioni inferiori ed elevati rendimenti.

Per compressori installati nelle centrali frigorifere operative in diverse aziende alimentari, SEPAM ha realizzato un nuovo sistema di azionamento e controllo sostituendo il motore asincrono con un motore sincrono a magneti permanenti Leroy Somer Dyneo LSRPM controllato tramite Power Drive MD2S.

Come ottimizzare le prestazioni del tuo impianto?

Tutte le funzionalità e la diagnostica del Power Drive, sono rese totalmente disponibili tramite Profinet Industrial Ethernet al sistema di controllo del compressore (Siemens S7-300). Per questa integrazione – e le opportunità fruibili grazie ad un sistema con portata variabile, ai fini di ottimizzare le prestazioni ed il livello di efficientamento dell’intero impianto, sono state integrate nuove funzionalità ed implementato lo SCADA di supervisione.

Contestualmente, sia la tracciabilità dei parametri di processo che i consumi energetici e lo storico eventi, sono rielaborati con i dati di funzionamento delle linee produttive, allo scopo di fornire ai responsabili di area, una ampia e correlata capacità di analisi.

2020: un anno di cambiamenti

Il 2020 verrà ricordato nella storia per la pandemia di Coronavirus, che in pochi mesi ha colpito l’intero pianeta, mettendo in ginocchio l’economia globale.

Le restrizioni introdotte nei diversi Paesi hanno reso complessa – e in alcuni casi impossibile – l’organizzazione di trasferte all’estero per attività di assistenza tecnica e commissioning.

Virtual commissioning: la nostra esperienza

In questo scenario, Sepam ha accelerato lo sviluppo di un progetto strategico: il potenziamento dei sistemi di simulazione e virtual commissioning, indipendentemente dalla disponibilità o presenza on-site del personale tecnico.

Tra le azioni attivate, spicca l’installazione di un nuovo server dedicato esclusivamente all’assistenza remota. Questo è stato equipaggiato con soluzioni informatiche avanzate e strumenti di progettazione specifici per ogni applicazione. Di fatto, si è creata una vera e propria Virtual Engineering Station remota per ciascun impianto.

Il progetto: ampliamento da remoto in Bielorussia

Il commissioning da remoto ha riguardato l’ampliamento di una centrale frigorifera installata presso un’importante industria lattiero-casearia in Bielorussia. Le installazioni meccaniche, il piping e l’equipaggiamento elettrico erano già stati completati a marzo. Tuttavia, le necessità produttive e l’arrivo dell’estate non consentivano ulteriori ritardi.

Il sistema di controllo originale, progettato da Sepam nel 2012, comprendeva:

• 4 compressori

• condensatori

• vasche di accumulo per acqua gelida

• scambiatore per glicole

• separatore

• utenze varie

A gestire l’intero impianto: un PLC Siemens S7-300 e un’interfaccia operatore dedicata.

L’intervento di ampliamento

L’ampliamento ha previsto:

• Installazione di un nuovo compressore frigorifero a vite con motore asincrono da 250 kW, azionato da inverter

• Nuova vasca di accumulo di acqua gelida e relative utenze (pompe ammoniaca, pompe acqua, soffianti, ghiacciostati, sensori)

• Nuovo separatore

• Nuovo serbatoio di ammoniaca

L’impianto opera in regime continuo H24: non erano ammesse interruzioni della produzione. Tutte le operazioni dovevano essere condotte garantendo la piena operatività.

La soluzione tecnica adottata

Per questo motivo è stato implementato un sistema di connessione remota ridondante. In particolare:

• Una VPN configurata direttamente dal cliente

• Un router VPN industriale, fornito da Sepam, integrato nell’apparecchiatura

Tutti i componenti del sistema di controllo – sia dell’impianto esistente sia dell’ampliamento (CPU Siemens S7, moduli periferici, HMI, SCADA WinCC, Servosistemi Siemens G120) – sono stati collegati in rete e resi accessibili da remoto.

Elemento chiave è stata anche la cooperazione di un tecnico on-site, costantemente supportato da Sepam durante l’intero processo, fino al raggiungimento degli obiettivi.

Le fasi del commissioning

La prima fase, di pre-commissioning, ha incluso:

• Verifica dei cablaggi

• Test I/O

• Linearizzazione dei sensori

• Autotuning dei motori

• Verifica delle grandezze fisiche

• Cold test

Tutte queste prove sono state eseguite con una CPU dedicata esclusivamente ai test. Successivamente, è stata avviata una simulazione completa del sistema, utilizzando i parametri definiti in fase di progettazione. Questo ha permesso di agganciare l’ampliamento all’impianto esistente senza interrompere l’attività.

Dopo l’aggiornamento completo del software e il rilascio della nuova revisione, il commissioning è proseguito con il test automatico delle nuove utenze, ora perfettamente integrate.

Sono stati inoltre aggiornati:

• I sistemi HMI (interfaccia uomo-macchina)

• Il sistema di supervisione SCADA

• Alcuni pannelli operatore dislocati in più aree

Infine, è partita la fase di analisi delle performance: tracking dei valori, miglioramento dell’efficienza, analisi dei flussi energetici e del rendimento complessivo dell’impianto.

Un progetto di successo

Al termine delle attività, il Direttore Generale del cliente ha espresso piena soddisfazione per la puntualità, l’efficienza e la continuità operativa garantita da Sepam.

Soddisfazione doppia anche dal punto di vista tecnico: l’impianto, ampliato e aggiornato secondo le nuove esigenze produttive, ha raggiunto un livello di efficienza superiore rispetto alla configurazione originale.

Le sfide continuano… e noi siamo pronti!