Il PMX come sistema centralizzato di misura ed automazione

Banco prova erosione pluviale altamente realistico per Impianti di Energia Eolica - con la piattaforma di misura e controllo PMX

Più veloce di un'auto  da corsa di Formula 1: il nuovo banco prova per erosione pluviale dell'Istituto Fraunhofer per l'Energia Eolica e Tecnologia dei Sistemi Energetici (IWES) accelera la pala di un modello di rotore fino a 550 km/h per provare l'effetto abrasivo delle gocce di pioggia su una superficie.

Le pale dei rotori sono esposte a forti influenze ambientali: pioggia, grandine, sabbia, acqua, salsedine ed inquinamento agiscono sulle superfici provocando l'accumulo di sporcizia e zone irruvidite sulle parti verniciate e rivestite, specialmente sui bordi di attacco delle pale. Le variazioni di temperatura ed i raggi UV intensificano ulteriormente questi effetti. 

Incremento dei requisiti climatici ed ambientali

Bordo d'attacco della pala (segmento)

Il risultato è l'asportazione di materiale e la formazione di cricche causati dall'erosione pluviale, con conseguente aumento del deterioramento delle proprietà aerodinamiche delle pale. Queste variazioni hanno non solo un impatto negativo sull'efficienza degli impianti di energia eolica (WPP), ma possono causare anche l'emissione di forti rumori.

Il problema non può essere che esacerbato in futuro, poiché i rotori dovranno girare più velocemente per migliorare il rendimento degli impianti WPP in mare aperto (offshore). All'aumento della velocità, le gocce di pioggia impattano con maggior energia sui rivestimenti, anticipando ulteriormente il verificarsi di danni. 

Le zone irruvidite ed i danni a vernice e rivestimenti sono particolarmente comuni sul bordo di attacco delle pale, specialmente sulla cima, ed hanno effetto negativo sulle proprietà aerodinamiche degli Impianti di Energia Eolica, diminuendone le prestazioni.

Banco prova erosione pluviale con clima controllato

Insieme all'Istituto Fraunhofer per l'Energia Eolica e la Tecnologia dei Sistemi Energetici (IWES) di Bremerhaven, Germania, partecipe al progetto "Erosione Pluviale delle Pale dei Rotori" sponsorizzato dal Ministero Federale Tedesco per l'Ambiente, la Conservazione della Natura e la Sicurezza Nucleare (BMU), le aziende del settore industriale svilupparono un banco prova con bracci rotanti utilizzabile per esaminare i modelli di pale con velocità di picco fino a 600 km/h.

Esso consente di monitorare e valutare la resistenza alla pioggia del rivestimento delle pale dei rotori con un completo controllo climatico (effetti degli UVA, dimensione variabile delle gocce, temperatura, ambiente salino). L'ottimizzazione dei sistemi di rivestimento delle pale del rotore dovrebbe prevenire i danni ed estendere gli intervalli di manutenzione, riducendo così i costi.

Nella cabina di prova si può verificare la formazione di ghiaccio sui bracci rotanti contemporaneamente all'erosione pluviale oppure effettuare una prova dopo l'altra. I  provini possono essere esposti alle radiazioni UVA per simulare l'invecchiamento dei polimeri dovuto ai raggi solari. 

Schema della cabina del banco prova col braccio rotante per gli oggetti in prova

Strumentazione integrata e sistema di controllo

Per impiegare con efficienza il banco prova era necessario un sistema di misura e controllo non solo in grado di essere configurato rapidamente, ma che possedesse anche l'opportuna accuratezza di misura e resistenza alle interferenze. Dati questi criteri, venne utilizzata la piattaforma di misura e controllo PMX della Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. Il PMX possiede svariati moduli di misura e di uscita dei segnali che furono usati per conformarsi ai segnali d'ingresso e di uscita nello strumento base. 

Sistema di strumenti e controllo PMX nel pulpito di controllo del banco prova

Acquisizione dei dati di misura

Tutti i segnali furono acquisiti individualmente e sincronicamente con risoluzione di 24 bit ed alla cadenza di 19.200 al secondo. Ciò rese possibile la gestione ed elaborazione dei valori misurati in tempo reale. L'uso della interfaccia Ethernet integrata garantisce che tutti i valori di misura rilevanti vengano salvati nel PC del banco prova. La susseguente analisi dei dati grezzi salvati venne effettuata dal software DAQ catman della HBM.

Automazione

Il CODESYS-Soft PLC integrato e la diagnostica nel PMX migliorano significativamente l'efficienza. Il PMX opera secondo la norma industriale 61131 diffusa in tutto il mondo e consente processi di controllo deterministici in tempo reale - proprietà molto importante in questo progetto per il sincronismo dei controlli del braccio nel banco prova e della pioggia e climatizzazione. Il codice venne creato nell'ambiente di sviluppo del CODESYS e, verificata l'assenza di errori con un compilatore,  infine caricato nel PMX come codice macchina. L'applicazione gira ora indipendentemente nel PMX.

I segnali dei sensori addizionali possono essere letti mediante l'interfaccia CANopen integrata nel PMX ed i segnali di controllo possono essere inviati al sistema di azionamento. Gli altri compiti di controllo sono effettuati dagli I/O digitali e dalle uscite analogiche del PMX.

Visualizzazione ed esercizio

Visualizzazione Web CODESYS del banco prova

Un altro criterio decisivo per la scelta del PMX fu la possibilità di usarlo tramite il web server integrato con tutti i più comuni web browser. Ciò elimina la necessità di installare ulteriore software nel PC, offrendo inoltre l'opportunità della manutenzione remota e delle operazioni remote mediante l'esistente tecnologia di rete.

Il CODESYS Soft PLC integrato è dotato anche di visualizzazione web, perfettamente accordata all'applicazione. Ciò rende disponibili tutti i segnali e gli elementi di controllo rilevanti per pilotare il banco prova, compresi i comandi per l'operatore.

Benjamin Buchholz dello IWES coordina tale ambito quale parte del progetto congiunto "Erosione Pluviale sulle Pale dei Rotori": "Le condizioni di prova sono variabili – le velocità rotazionali e le condizioni climatiche possono essere regolate individualmente in accordo alle rilevanti condizioni correnti delle pale del rotore", spiega Buchholz.
"Il tempo meteorologico registrato ed i dati operativi ci forniscono le basi necessarie.

In questo modo vorremmo garantire sia la qualità del banco prova che la validità dei risultati finali. Con il sistema integrato di misura e controllo PMX della Hottinger Baldwin Messtechnik, fummo in grado di implementare tutti i necessari compiti di misura e controllo efficientemente ed a costi contenuti."

Conclusioni e prospettive

La valutazione del meccanismo di formazione dei danni fornisce le basi per ottimizzare i materiali di rivestimento, quali le pellicole e la pittura, e per adottare misure addizionali, per esempio cambiare la guida operativa del WPP o variare gli intervalli di manutenzione. Il  banco prova ha consentito agli scienziati di approfondire la loro comprensione del processo di formazione dei danni e, su tali basi, sviluppare validi concetti di protezione.

Con un preventivo totale di 1,4 milioni di Euro, il progetto "Erosione Pluviale sulle Pale dei Rotori" è sponsorizzato dal Ministero Federale Tedesco per l'Ambiente, Conservazione della Natura e Sicurezza Nucleare (BMU) (numero indice 41V6477). Esso si concluderà nel Settembre del 2016.

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