Gli attuatori sono un componente vitale in un'ampia gamma di sistemi utilizzati nei settori idrico, energetico e in altri settori. Ma cosa esattamente is un attuatore? I nuovi arrivati ​​​​all'argomento si accontentano spesso di pensare a questo componente semplicemente come una sorta di interruttore, la parte di un sistema basato su valvola che porta la valvola in una posizione aperta o chiusa. Ma il valore di tali parti va sempre più oltre la semplice funzionalità “apri-chiudi” e si estende a un regno in cui diventano possibili tutti i tipi di controllo sofisticato, come Envirotech scoperto in una conversazione con AUMA Actuators UK, la filiale britannica di Gruppo AUMA, che impiega oltre 2,800 persone in 30 sedi in tutto il mondo.

Le valvole hanno un ruolo fondamentale da svolgere nei sistemi in cui è necessario controllare il flusso di fluidi (o gas). Nelle applicazioni in cui l'acqua scorre attraverso le tubazioni, ad esempio, potrebbe essere necessario arrestare, avviare, rallentare il flusso o cambiarne la direzione. In alcuni sistemi, le valvole saranno chiamate a regolare la pressione in luoghi diversi.

L’industria idrica è una destinazione privilegiata per questi componenti, sebbene essi compaiano in una vasta gamma di tecnologie di processo e altri sistemi, inclusa la generazione di energia, sia essa da petrolio, gas, biomassa, energia dai rifiuti o nucleare. Gli attuatori svolgono un ruolo fondamentale nel processo di controllo.

Gli attuatori elettrici di oggi possono essere controllati a distanza e ricevere comandi di apertura o chiusura da sistemi di controllo industriale come SCADA o DCS. Allo stesso modo, quando l'attuatore ha raggiunto una particolare posizione di arresto o intermedia, segnalerà questo stato al sistema di controllo.

Questo tipo di funzionalità rappresenta la base – e sarà sufficiente per molti utenti – ma è possibile un controllo molto più sofisticato e l'offerta di AUMA incorpora sempre più vari tipi di funzionalità “intelligenti”. È qui che l'evoluzione della tecnologia relativa a valvole e attuatori è più visibile, suggerisce Paul Hopkins, MD di AUMA nel Regno Unito, che ha offerto un'idea delle possibilità che si aprono con un sottosistema che, a suo dire, "è in realtà un entusiasmante pezzo di ingegneria" .

Che cosa fa?
Gli attuatori elettrici AUMA sono caratterizzati da una combinazione di motore elettrico e riduttore, sviluppata appositamente per l'automazione delle valvole. Gli attuatori forniscono la coppia necessaria per azionare le parti mobili della valvola, sia essa a saracinesca, a farfalla, a globo o qualsiasi altro tipo di valvola. Come afferma il sito web di AUMA, gli attuatori dell'azienda coprono l'intera gamma di possibilità, da una valvola a sfera da 2 pollici a serrande deviatrici alte molti metri (vedi “Valvole: le basi”, alla fine dell'articolo, per ulteriori informazioni sulle valvole).

La coppia viene trasmessa dall'attuatore allo stelo o all'albero della valvola tramite un'interfaccia meccanica standardizzata. Pertanto, il tipo di valvola determina la scelta dell'attuatore, con attuatori disponibili come dispositivi “part-turn” o “multi-turn”.
Gli attuatori a giro parziale richiedono solo una piccola quantità di movimento rotatorio (meno di 90 gradi) per aprire o chiudere la valvola e tendono ad essere utilizzati per valvole che funzionano in modo rapido. Gli attuatori multigiro applicano rotazioni multiple allo stelo della valvola per aprire o chiudere completamente la valvola e vengono utilizzati laddove il posizionamento della valvola deve essere controllato con precisione, come con valvole a saracinesca, a globo o a stelo saliente.

A volte è importante controllare attentamente la coppia applicata durante l'apertura o la chiusura di una valvola, per evitare di danneggiare la valvola o il processo che controlla, ha spiegato Hopkins. Gli attuatori forniscono anche l'interfaccia tra la valvola e i sistemi di controllo (e l'intelligenza integrata nel sistema più ampio) e questo aspetto sta diventando sempre più importante con tendenze come IIoT e Industria 4.0.

AUMA fornisce il livello di funzionalità di controllo di base nella sua gamma AM di controlli per attuatori e si dice che queste parti siano la scelta perfetta quando si desidera semplicemente essere in grado di segnalare la posizione finale dell'attuatore e i segnali di guasto (che sono anche visualizzati visibilmente da luci sull'unità). Ulteriori funzioni di controllo sono possibili con la gamma di controlli AC dell'azienda, che si ritiene sia una scelta adatta quando è necessaria la registrazione dei dati o funzioni di controllo autoadattative o dove l'attuatore della valvola è integrato all'interno di un sistema attrezzato per cose come la gestione delle risorse e manutenzione remota. Il componente incorpora un controllo tramite microprocessore, fornendo funzionalità molto più complete, afferma Hopkins, oltre alla possibilità di collegarlo all'automazione del processo tramite Fieldbus (è disponibile anche un'interfaccia parallela, come con i controlli AM).

L'unità AC fornisce anche funzioni come il bypass della coppia, per rimuovere la sede delle valvole che sono ben posizionate e funzioni per aiutare a evitare colpi d'ariete nelle tubazioni. Hopkins colloca parti come queste all'interno del paradigma dell'Industria 4.0 e dei tre livelli del sistema di controllo: i sensori (“per dirti cosa sta succedendo”), il controllore del processo (“per dire al sistema cosa dovrebbe fare”) e il livello fisico o i dispositivi di output. Gli attuatori si inseriscono in quest'ultimo livello del sistema.

L'AC fornisce varie funzioni diagnostiche, tra cui un rapporto sugli eventi con timestamp e la registrazione delle caratteristiche di coppia, nonché del numero di avviamenti e dei tempi di funzionamento del motore. Il monitoraggio continuo della temperatura e delle vibrazioni è una funzionalità che può aiutare gli utenti finali a mantenere i propri impianti in funzione in modo affidabile, suggerisce Hopkins, offrendo una risposta alle aspirazioni del moderno settore idrico di "nessuna interruzione" e così via.

Contrastare il colpo d'ariete
Molto discusso attualmente nel settore idrico è il tema delle perdite, e più di 1 trilione di litri di acqua potabile sono andati persi a causa di tubi che perdono in Inghilterra e Galles nel 2021/22, come spiega un recente video dell’AUMA. La stessa presentazione spiega come è possibile programmare attuatori a velocità variabile per contribuire a calmare la rete idrica, evitando i danni causati alle tubazioni da improvvise sovratensioni transitorie. Questo effetto “colpo d’ariete” si verifica quando le valvole si chiudono improvvisamente o ad alta velocità, producendo un’onda ad alta pressione che si propaga attraverso la rete, mettendo sotto stress valvole, guarnizioni e componenti meccanici, e talvolta danneggiando anche le tubazioni.

Una soluzione è variare la velocità con cui queste valvole si aprono o si chiudono, in modo intelligente, tenendo conto dell’effetto complessivo sulla dinamica del cambiamento di pressione in tutta la rete. Gli attuatori a velocità variabile AUMA possono essere programmati e la corsa della valvola (in entrambe le direzioni di apertura e chiusura) può essere divisa in dieci sezioni diverse, con la possibilità di specificare velocità diverse per ciascuna.

Questo tipo di soluzione può essere utilizzata all'interno di una rete idrica attrezzata per il monitoraggio, l'analisi e l'azione sui transitori di pressione, riducendo la probabilità di danni alle risorse.

Mettere insieme le parti
Nel mondo reale, i sistemi valvola-attuatore sembrano rientrare in uno spettro di sofisticazione e complessità e la gamma di prodotti AUMA è costruita utilizzando una filosofia di progettazione modulare, utilmente orientata a soddisfare le esigenze uniche di utenti specifici.

Da un lato, afferma l’azienda, il design modulare del prodotto supporta cose come un facile retrofit e riparazione, e i sistemi possono essere facilmente aggiornati da controlli AM a controlli AC, ad esempio (e viene preservata anche la compatibilità con le versioni precedenti). L'approccio semplifica inoltre la fornitura delle combinazioni ottimali di componenti all'interno dell'attuatore (come riduttori e collegamenti), adattate alla situazione, e dei modi migliori per accoppiarli. Le possibilità includono più vicino
accoppiamento di valvola e attuatore (anziché utilizzare solo giunti universali) e avere parti come la scatola del cambio e il motore posizionate separatamente dai controlli, ad esempio in quota, in una fossa o addirittura sott'acqua. Un esempio di come ciò si sia rivelato utile è stato con un’applicazione di controllo di una turbina idraulica sottomarina presso la centrale idroelettrica di Sauerbrunn vicino a Graz, in Austria, nell’autunno 2022, che ha portato a una soluzione che forniva controllo e feedback migliori a un costo molto inferiore.

Il sistema richiedeva un attuatore in grado di funzionare continuamente sott'acqua, per fornire un posizionamento accurato della turbina, per controllare in modo ottimale la fornitura d'acqua che riceveva. L'unica opzione in precedenza era un attuatore idraulico, ma AUMA è stata in grado di suggerire un attuatore elettrico adatto all'uso subacqueo (AUMA SARV-UW), in combinazione con i comandi dell'attuatore montati sopra l'albero e separatamente dall'attuatore (e sopra l'acqua). .

Ambienti diversi
Una soluzione modulare può scegliere tra parti specificate per far fronte ad ambienti particolari. Sebbene tecnologie sostanzialmente simili siano utilizzate in settori come petrolio e gas, EfW ed energia nucleare – in termini di valvole e attuatori utilizzati con le caldaie, ad esempio – alcuni settori presentano esigenze specifiche. Gli impianti di petrolio, gas naturale o EfW richiederanno che le parti siano a prova di esplosione, ad esempio (i prodotti AM e AC sono disponibili in questa forma).

La certificazione è della massima importanza nel settore nucleare, ha affermato Hopkins, e le parti si distinguono per fattori come il livello di certificazione, l'approvvigionamento dei materiali e i macchinari o gli alloggiamenti utilizzati con il prodotto.

AUMA è interessata sia al campo emergente dei piccoli reattori modulari (SMR) che a progetti più grandi come Hinkley Point C. La protezione dalla corrosione è importante in settori come l'acqua, dove le apparecchiature potrebbero dover restare all'esterno, in presenza di acqua salina e costiera. aria. AUMA ha sviluppato qui la propria soluzione, che viene fornita di serie, ad esempio, sui suoi attuatori PROFOX, utilizzati recentemente insieme alle valvole a farfalla presso lo stabilimento di trattamento dell'acqua di Penybont, sulla costa centrale del Galles. La protezione dalla corrosione soddisfa i più elevati requisiti C5-M/C5-I della norma EN ISO 12944-6.

Alleggerire il carico
La filosofia del design modulare sembra essere la chiave alla base di numerose cose che possono rendere la vita più facile all'utente finale. Ad esempio, in situazioni in cui ha molto più senso adottare una soluzione prevalentemente prefabbricata per un sito, piuttosto che assemblarla tutta in situ. Svolgere lavori in loco aiuta anche a mantenere le cose al sicuro, afferma Hopkins, quindi i lavori elettrici possono essere eseguiti separatamente e in un momento diverso, ad esempio, dal resto di un'installazione.

È disponibile molta flessibilità per individuare opportunità di miglioramento o aggiornamento delle apparecchiature di un utente finale, suggerisce. Uno dei maggiori punti di fallimento nel settore idrico, secondo la sua analisi, deriva dal fatto che l'albero di una valvola forzata non è adeguatamente lubrificato.

Ha detto che gli ingegneri di AUMA si sono concentrati su questo punto con un cliente di un servizio idrico, fornendo un ingrassatore automatico che non solo ingrassa i cuscinetti ma alimenta anche la base di trasmissione e ingrassa l'albero. Un cambiamento come questo, dice Hopkins, “è semplice, ma potenzialmente fa risparmiare centinaia di migliaia di sterline sulla condotta forzata” e diminuisce notevolmente il numero di volte in cui dovrà essere sottoposta a manutenzione.

Questo tipo di “vendita consultiva” sembra fondamentale per il modo in cui lavora l’azienda e si basa sulla competenza ingegneristica. La società madre AUMA sviluppa e costruisce attuatori elettrici e riduttori per valvole da 60 anni. L'ampia rete di uffici in tutto il mondo fa sì che gli ingegneri nel Regno Unito possano avvalersi dell'esperienza di altri, che potrebbero avere esperienza nella risoluzione di un particolare tipo di problema.

Gli ultimi anni hanno visto anche molte turbolenze legate ai materiali, alla produzione e ai problemi della catena di fornitura, afferma Hopkins, e la navigazione in questo territorio è stata aiutata dal fatto che AUMA è "molto integrata verticalmente", con siti come l'ufficio di Clevedon di AUMA Actuators Limited che esegue la propria lavorazione, assemblaggio, test e riparazione.

Le parti stesse sono prodotte in Germania, con fabbriche che operano in un sistema “kanban”, soddisfacendo la domanda anziché immagazzinando scorte. Per quanto riguarda la capacità, Hopkins afferma che l'azienda costruisce più di 500 attuatori elettrici su ordinazione ogni giorno.

[ PANNELLO LATERALE ]
Valvole: le basi
Le valvole sono disponibili in tutte le forme e dimensioni, con diversi approcci disponibili per soddisfare esigenze specifiche, in termini di costi, velocità, affidabilità e così via. Alcune applicazioni richiedono che la valvola venga semplicemente aperta o chiusa, mentre in altre potresti voler tenerla in varie posizioni intermedie, per regolare il flusso del fluido.

Una pratica comune è quella di dividere il mondo delle valvole di controllo in parti basate sul movimento lineare (valvole a saracinesca, a globo e a membrana), rispetto a quelle basate sul movimento rotatorio (valvole a sfera, a otturatore e a farfalla, ad esempio). Le valvole a saracinesca sono le più comuni oggi in uso, data la loro relativa semplicità e il basso costo. Questi possono essere utilizzati per avviare e arrestare il flusso del fluido, ma non per strozzarlo. Le valvole a saracinesca non sono adatte alla strozzatura del flusso e possono essere soggette a vibrazioni se lasciate in posizione parzialmente aperta. Hanno anche maggiori probabilità di usura della sede e del disco e di perdite rispetto, ad esempio, alle valvole a globo.
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