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La sicurezza nel food & beverage passa anche dagli azionamenti

La sicurezza dei macchinari è fondamentale nell’industria alimentare e delle bevande, così come negli zuccherifici, dove vengono impiegati impianti di grandi dimensioni. La sicurezza dei macchinari è fondamentale nell’industria alimentare e delle bevande, così come negli zuccherifici, dove vengono impiegati impianti di grandi dimensioni.

Gli azionamenti a velocità variabile hanno sostituito con successo molte soluzioni di controllo tradizionali nei macchinari utilizzati nel settore alimentare. Oltre al controllo preciso dei processi e al miglioramento dell’efficienza energetica, gli azionamenti offrono un contributo importante in termini di rispetto delle norme di sicurezza e di riduzione della complessità degli impianti. È il caso degli azionamenti ACS880 di ABB.

di Elena Magistretti

Maggio 2016

L’industria del food & beverage impiega una grande varietà di macchinari in processi che vanno dalla movimentazione delle materie prime al pompaggio e trasporto degli ingredienti, dalla lavorazione con miscelazione e cottura al confezionamento e allo stoccaggio. Tutte le applicazioni, per quanto diverse, hanno un elemento in comune: il motore elettrico in bassa tensione (BT) sia a corrente alternata (AC), sia a corrente continua (DC), senza dimenticare i nuovi motori a magneti permanenti e i motori sincroni a riluttanza.
Pompe, ventilatori e persino decantatori possono essere controllati efficacemente azionando i motori in BT alla massima velocità e regolandone l’uscita con sistemi meccanici relativamente grezzi, ad esempio riduttori a ingranaggi o valvole di regolazione. Negli ultimi 30 anni, tuttavia, si è fatto strada un approccio più raffinato ed efficiente sotto il profilo energetico, basato su azionamenti a velocità variabile (Variable Speed Drive, o VSD).
In parole povere, un azionamento è un dispositivo con un’elettronica di potenza che consente di regolare la velocità e/o la coppia di motori AC. In questo modo l’operatore può rallentare o accelerare il motore secondo necessità, ottenendo un notevole risparmio energetico.
Un azionamento a velocità variabile fa sì che un processo possa raggiungere la velocità e la coppia ottimali mantenendo la precisione richiesta. Potendo variare velocità e coppia, l’azionamento contribuisce inoltre a ridurre usura e guasti sui motori e sulle apparecchiature che controlla. Ad esempio, se un processo viene portato a regime lentamente, si evitano carichi improvvisi che a lungo andare possono danneggiare il processo.
Nel complesso gli azionamenti AC offrono vantaggi riconosciuti in termini di notevoli miglioramenti nella produttività ed efficienza degli impianti, risparmio energetico e usura ridotta delle apparecchiature in movimento. Grazie alla loro precisione nel controllo, gli azionamenti possono però svolgere un ruolo altrettanto importante per l’arresto in sicurezza dei macchinari. A questo proposito, è utile analizzare le normative di sicurezza più recenti.

Gli azionamenti in un sistema di sicurezza certificato
In Europa, i costruttori di macchine per alimenti e bevande sono chiamati dalla Direttiva Macchine a valutare il rischio che le loro apparecchiature comportano per gli operatori e a ridurre tale rischio il più possibile.
La Direttiva Macchine 2006/42/CE prescrive che i macchinari siano sicuri e che vengano progettati e costruiti per poter essere utilizzati, configurati e mantenuti lungo tutta la loro vita in modo tale da ridurre al minimo i rischi per persone e ambiente. Ai costruttori viene inoltre richiesto, nella fase di progettazione di una macchina, di effettuare le necessarie valutazioni del rischio. Qualsiasi rischio classificato come “alto” deve essere ridotto a livelli accettabili con modifiche di progetto o misure di sicurezza funzionale.
La sicurezza funzionale fa parte di un regime di sicurezza che dipende dal corretto funzionamento di un sistema, o di un’apparecchiatura, in risposta al suo input.
Per sicurezza funzionale si intende solitamente un sistema che monitora con sicurezza e, se necessario, assume il controllo delle macchine per ripristinarne lo stato di sicurezza o per garantire che venga eseguita l’azione desiderata, ad esempio un arresto sicuro.
Il monitoraggio può riguardare velocità, arresto, senso di marcia e inattività. Quando il sistema di sicurezza esegue una funzione di sicurezza attiva, ad esempio il monitoraggio di una velocità minima, e il comportamento del sistema devia dalla norma (la velocità è eccessiva, ad esempio), il sistema di sicurezza rileva la deviazione e interviene per riportare la macchina in condizioni di sicurezza. Ad esempio potrebbe arrestare la macchina in sicurezza e ridurre la coppia dell’albero motore.

Le principali funzioni di sicurezza degli azionamenti
La norma di prodotto EN 61800-5-2 riguarda le funzioni di sicurezza degli azionamenti in bassa tensione a corrente alternata; i suoi requisiti principali regolamentano l’arresto sicuro dei macchinari, in modalità automatica quando i segnali dei sensori indicano che l’apparecchiatura opera al di fuori dei parametri corretti, o in manuale tramite dispositivi di sicurezza come pulsanti di arresto di emergenza o attivazione di una barriera luminosa. Fra le funzioni di sicurezza segnaliamo Safe Torque Off (STO), che porta la macchina in condizioni di assenza di coppia e/o ne impedisce l’avviamento accidentale. Questa funzione consente di eseguire in sicurezza la pulizia e la manutenzione meccanica delle macchine di lavorazione degli alimenti. In alternativa può consentire all’operatore di riposizionare il prodotto mentre l’azionamento viene messo in modalità standby, pronto a riprendere il funzionamento con un’interruzione minima della produzione. Le funzioni diagnostiche interne dell’azionamento restano operative durante il fermo, rendendo possibile la successiva analisi di tali eventi, una funzione che può essere estremamente vantaggiosa per ottimizzare un processo.
Integrata nell’azionamento, STO offre inoltre una soluzione più economica, poiché la messa in sicurezza della macchina può essere effettuata utilizzando la soluzione software integrata nell’azionamento invece di ricorrere a contattori esterni e cablaggi complessi. A condizione di effettuare una corretta valutazione del rischio, gli operatori possono persino eliminare i contattori dal sistema di sicurezza: poiché contattori e cablaggi occupano molto spazio nell’armadio di comando, si può così ottenere una notevole riduzione degli ingombri.
Una funzione affine è Safe Stop 1 (SS1), che porta la macchina in uno stato di arresto sicuro in presenza di determinate condizioni. Quando viene attivata, questa funzione rallenta il motore e attiva la funzione STO dopo un certo intervallo di tempo.
La funzione Safe Operating Stop (SOS) mantiene il motore in stato di fermo sicuro, senza modificare la coppia del motore, ed è correlata a Safe Stop 2 (SS2), che arresta il motore in sicurezza, attivando SOS al di sotto di una velocità specificata o dopo un limite di tempo definito.
Negli azionamenti possono essere incorporate molte altre funzioni di sicurezza, definite come: Safely-Limited Speed (SLS), che impedisce al motore di superare i limiti di velocità impostati; Safe Direction (SDI), che impedisce all’albero motore di muoversi in una direzione indesiderata; Safe Brake Control (SBC), che fornisce un segnale sicuro in uscita per il controllo del freno meccanico del motore, verificando che l’azione abbia avuto luogo; Safe Speed Monitor (SSM), che fornisce un segnale sicuro in uscita che indica che la velocità è inferiore al limite specificato.

Le applicazioni tipiche dei nuovi azionamenti di sicurezza
Integrando la funzione STO di serie, il nuovo azionamento ACS880 di ABB può essere fornito con le funzioni di sicurezza certificate più comuni integrate nel modulo opzionale di sicurezza. Poiché l’azionamento ha già il compito di controllare il motore, è logico affidargli anche la gestione delle funzioni di sicurezza.
Le funzioni tipiche di questi tipi di azionamenti di sicurezza sono SS1, SBC e SLS. SS1 è particolarmente importante per applicazioni come le grandi centrifughe per zuccherifici. Se un operatore resta intrappolato nel meccanismo, con la sola STO la centrifuga potrebbe continuare a ruotare anche per un’ora a causa della grande inerzia. SS1 arresta invece la centrifuga in modo controllato, tipicamente impiegando la frenatura attiva di un azionamento rigenerativo. La funzione STO viene attivata successivamente per eliminare la coppia e mettere in sicurezza la centrifuga.
Safe Brake Control (SBC) può essere impiegata su un pallettizzatore o un trasportatore verticale. Il freno meccanico può essere usato per arrestare in sicurezza il movimento nei casi in cui il motore non riesca a fornire una coppia sufficiente a sollevare il carico, oppure il carico si muova o acceleri in maniera incontrollata. Il freno viene attivato con una funzione di arresto o quando il movimento del motore non è quello previsto dal monitoraggio di sicurezza. La funzione SLS garantisce che una macchina non superi una velocità preimpostata, assicurando, ad esempio, che una centrifuga per decantazione di olio liquido non venga danneggiata da forze di rotazione eccessive.
Tuttavia, con azionamenti semplici non è conveniente incorporare tutte le funzioni di sicurezza possibili specificate dalla normativa; inoltre, considerando le esigenze di feedback per assicurarsi che un’azione sia stata effettuata, anche lo spazio diventa un problema. In questi casi potrebbe essere necessario un controllo esterno della funzione di sicurezza attraverso un dispositivo più intelligente come un PLC di sicurezza o un relè di sicurezza programmabile; questa funzionalità aggiuntiva può essere integrata negli azionamenti in armadio, che dispongono dello spazio necessario per queste funzioni extra.

Un esempio pratico di funzione di arresto in sicurezza
In molte applicazioni per alimenti e bevande, una centrifuga per decantazione genera forze centrifughe molto elevate per separare i solidi dai liquidi. Un esempio tipico è la produzione di olio d’oliva, dove la pasta d’olive viene immessa nella centrifuga che separa olio, acqua e noccioli dalla polpa. L’elemento chiave per la separazione è l’elevata forza centrifuga. Se da un lato si ha il vantaggio di aumentare la produttività del processo, risparmiando tempo e denaro, dall’altro si introducono alcuni problemi di sicurezza che devono essere gestiti.
Utilizzando il motore M3AA di ABB, progettato per potenze fino a 90 kW, le forze g sono 2000 volte superiori alla normale forza gravitazionale. In virtù del peso considerevole e dell’alta velocità, il decantatore genera un’energia cinetica elevatissima.
In queste condizioni, qualsiasi malfunzionamento o problema meccanico può presentare un serio pericolo per la sicurezza. Ad esempio, una piccola vibrazione causata dal superamento di una determinata soglia di velocità del decantatore può provocare in breve tempo gravi problemi di sicurezza, non solo per la macchina, ma anche per il personale e la produzione.
Gli azionamenti a velocità variabile possono aiutare i costruttori di centrifughe per decantazione a rispettare le norme di sicurezza, implementando le funzioni di sicurezza più idonee per ridurre il numero totale di componenti e la complessità dell’impianto.
L’azionamento industriale ACS880 di ABB, ad esempio, è dotato di funzione STO integrata che elimina la coppia dal motore, consentendo l’arresto graduale della centrifuga per decantazione. Nel drive si può inoltre aggiungere il modulo di sicurezza funzionale integrato opzionale per la funzione SLS (Safety Limited Speed), che monitora e limita la velocità della centrifuga, impedendo il raggiungimento di velocità eccessive che potrebbero derivare da errori di input o segnali di riferimento errati.
In conclusione si può affermare che i moderni azionamenti, grazie alla loro affidabilità, sono parte integrante ed essenziale di un impianto di sicurezza. Con funzioni di sicurezza dedicate, rappresentano, infatti, un elemento sempre più importante per migliorare le statistiche di sicurezza nell’industria alimentare, massimizzando al tempo stesso la produttività e quindi la redditività.

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