Moderne centraline idrauliche: l'evoluzione dal controllo elettronico all'intelligenza

Vengono esplorati i vantaggi e le caratteristiche delle valvole di sollevamento a controllo elettronico.

Dott.-Ing. E. Goenechea, Bucher Hydraulics AG, Svizzera

Questo articolo è stato presentato a ELEVCON Lucerne 2010, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie del Trasporto Verticale, ed è stato pubblicato per la prima volta nel libro IAEE "Elevator Technology 18", a cura di A. Lustig. Si tratta di una ristampa con il permesso dell'International Association of Elevator Engineers IAEE (sito web: www.elevcon.com). Questo articolo è una ristampa integrale e non è stato curato da ELEVATOR WORLD.

Parole chiave: Valvola idraulica, controllo elettronico, autoapprendimento, monitoraggio delle condizioni

ABSTRACT

Nell'ottobre 2009 Bucher Hydraulics ha presentato la nuova valvola di sollevamento a controllo elettronico "iValve". La lettera "i" sta per "intelligente" perché la valvola non è solo controllata elettronicamente come il suo predecessore LRV-1. La iValve offre anche alcune importanti funzionalità intelligenti come l'autoregolazione e il monitoraggio delle condizioni, realizzate tramite la sua capacità di autoapprendimento denominata "iTeach". Queste funzionalità sono state sviluppate utilizzando strategie, strumenti e capacità di ricerca e sviluppo che soddisfano i più elevati standard per i prodotti meccatronici. Di seguito verranno descritti i vantaggi e le caratteristiche del controllo elettronico, nonché l'influenza delle nuove funzionalità. La potenza degli algoritmi di apprendimento sviluppati è dimostrata dai risultati sperimentali.

PREMESSA

Qualsiasi olio idraulico, così come ogni centralina idraulica, è soggetto a diverse caratteristiche fisiche. Ad esempio, la viscosità dell'olio idraulico diminuisce con l'aumentare della temperatura. Ciò significa che l'olio diventa più fluido man mano che viene riscaldato. Ad esempio, la viscosità di un olio minerale HLP46 comunemente utilizzato può essere di circa 500 cSt a 2 °C e di 20 cSt a 60 °C.

Un altro esempio può essere la pompa di un gruppo elettrogeno. Si tratta tipicamente di una pompa a vite. A causa delle tolleranze geometriche, queste pompe sono soggette a perdite. Ciò significa che la cilindrata della pompa dipende dalla pressione e dalla viscosità sopra menzionate.

Esiste un'enorme quantità di caratteristiche più o meno importanti di un sistema idraulico che dipendono da vari parametri come pressione, temperatura, invecchiamento del mezzo, usura dei componenti, condizioni dei filtri e molti altri.

Purtroppo, queste relazioni vengono spesso definite svantaggi dei sistemi idraulici. Nel caso di semplici valvole meccaniche, lo sono davvero. Di seguito verrà mostrato come, utilizzando una valvola a controllo elettronico intelligente, questi effetti possono essere gestiti facilmente e al cliente non resta altro che i vantaggi di un sistema idraulico che atterra con precisione, guida confortevole e risparmia la massima energia possibile. I vantaggi sono molteplici. Questo articolo si concentrerà su quelli derivanti da una curva di guida compatta, precisa e affidabile: efficienza energetica e atterraggio preciso.

2. LA VALVOLA A CONTROLLO MECCANICO

Supponiamo che un ascensore si sposti tra due piani. Per parametrizzare il sistema, il tecnico guida con una cabina vuota e olio relativamente freddo. La corsa è influenzata dal seguente processo (Figura 1).

Inizialmente, l'ascensore è fermo nella posizione inferiore. Il motore viene acceso e la valvola riceve un segnale per salire a piena velocità. Il pistone di controllo della valvola si muoverà dalla posizione di riposo (circolazione al 100%) alla posizione di guida (circolazione allo 0%). La velocità del pistone di controllo definisce l'accelerazione e lo strappo della cabina. È comunemente influenzata tramite un passa-basso idraulico e regolata forando un orifizio regolabile. La velocità della cabina è ora definita da diversi parametri come pressione, viscosità, perdite della pompa e molti altri, come visto in precedenza.

Figura 1. Curve di guida di una valvola controllata meccanicamente

Quando la cabina supera uno scambio che si trova a una certa distanza dal livello superiore, il segnale cambia da "velocità massima" a "velocità ridotta". Questo fa sì che la valvola deceleri la cabina fino a velocità ridotta, aprendo la circolazione per la maggior parte della portata volumetrica. La decelerazione e l'esatta velocità ridotta dipendono dai parametri indicati. Velocità ridotta significa che la cabina procede, ad esempio, al 10% della sua velocità massima, mentre il 90% della cilindrata della pompa viene erogata contro la pressione del cilindro e ricondotta direttamente al serbatoio.

Questa situazione si mantiene finché la cabina non supera lo scambio successivo. A questo punto, la centralina segnala "stop" alla valvola. Alcune valvole meccaniche si arrestano bruscamente, altre dispongono di dispositivi meccanici per realizzare un cosiddetto arresto graduale. La distanza tra il segnale di stop e l'arresto finale dipende ancora una volta da parametri ben noti.

Figura 2. iValve

Il tecnico ha parametrizzato la valvola meccanica. Ha regolato 10 o più viti, muovendole più volte verso l'alto e verso il basso. La cabina è ancora vuota. L'olio è relativamente caldo. Deve aver tenuto conto di due fattori. Da un lato, il sollevatore può essere utilizzato a temperature inferiori a quelle regolate. In questo caso, la cilindrata della pompa sarà maggiore e la decelerazione sarà più lunga. Quindi, ci vorrà più tempo per fermarsi. Il tecnico deve regolare un tempo di bassa velocità sufficientemente lungo da compensare questo effetto, altrimenti il ​​sollevatore passerà sopra la posizione di atterraggio e dovrà tornare indietro. D'altro canto, se la cabina è a pieno carico e/o l'olio è caldo, la velocità massima sarà significativamente inferiore. Con la regolazione scelta, la cabina decelera in un tempo molto più breve e dovrà percorrere una lunga distanza a bassa velocità, sprecando molta energia – energia che riscalderà ulteriormente l'olio. Ovviamente, la dipendenza dell'accelerazione e della decelerazione dalla viscosità, così come la semplicità del controllo idraulico, portano a problemi di comfort come strappi e vibrazioni.

3. LA VALVOLA A CONTROLLO ELETTRONICO

Il mezzo più efficace per ridurre al minimo la perdita di energia causata dalle caratteristiche citate delle centraline idrauliche è garantire un avvio rapido, un'elevata accelerazione e decelerazione e una breve fase di bassa velocità, indipendentemente dal carico e dalla temperatura.

Questo può essere ottenuto utilizzando il controllo elettronico. Supponiamo che ci sia una valvola in grado di regolare qualsiasi portata volumetrica verso l'alto e verso il basso. A questo si aggiunga un sensore di portata volumetrica che misura la portata regolata che attraversa la valvola. Con questi componenti è possibile progettare un sistema che controlla il movimento dell'auto in modo molto più sofisticato di quanto possa fare una valvola meccanica. Ad esempio, è possibile progettare una curva di guida che garantisca strappi e vibrazioni minimi alla massima accelerazione e decelerazione. La curva di guida mostra la portata volumetrica (rispettivamente la velocità dell'auto) in funzione del tempo. Mentre punti caratteristici come l'inizio della decelerazione e l'arresto graduale sono attivati ​​dalla posizione dell'auto all'interno del vano.

Il tecnico può impostare il punto di decelerazione molto più vicino alla posizione di arresto, poiché l'ascensore può decelerare molto più rapidamente senza effetti fastidiosi. Inoltre, la cabina manterrà la stessa decelerazione indipendentemente dal carico o dalla temperatura dell'olio. In questo modo, il tecnico può regolare la fase di bassa velocità su un valore molto breve. L'energia sprecata in questa fase della corsa può essere ridotta significativamente. Una volta installato l'interruttore per il segnale di arresto, regola la decelerazione in modo che la cabina raggiunga la bassa velocità poco prima di raggiungere l'interruttore di arresto graduale. Anche la corsa dal segnale di arresto graduale alla posizione di arresto è ampiamente indipendente dal carico e dalla temperatura della cabina. Una volta regolata, varia di circa +/- 3 mm nel caso del Bucher Hydraulics LRV-1.

Figura 3. Curva di guida di una valvola controllata elettronicamente

4. LA VALVOLA INTELLIGENTE

Gli standard qualitativi sopra descritti sono comuni per i clienti più esigenti. La precisione di arresto di +/- 3 mm e una fase di bassa velocità compresa tra 0.5 e 1 secondo possono essere ottenute utilizzando una valvola a controllo elettronico, come quella venduta da diversi decenni.

4.1 iTeach

Una valvola intelligente dovrebbe migliorare al massimo le caratteristiche di sistema di una valvola elettronica. Confrontando la Figura 1 con la Figura 3, si nota che la valvola elettronica consente di risparmiare fino al 30% dell'energia necessaria per una corsa media di un ascensore idraulico, riducendo significativamente la corsa media a bassa velocità. In questa fase si verifica la maggior parte delle perdite di energia evitabili. Per ottenere ciò, l'alta velocità viene mantenuta costante per tutti i punti di funzionamento. Come visto in precedenza, la cilindrata volumetrica dell'unità è funzione di parametri come il carico della cabina e la viscosità dell'olio. Pertanto, la velocità scelta deve essere la più bassa possibile per la cabina carica e la più bassa viscosità. Ciò significa che, salendo con cabina vuota e/o olio freddo, una certa percentuale della cilindrata volumetrica della pompa viene sprecata. Questa situazione viene risolta con la valvola intelligente. Essa controlla la velocità ad alta velocità al massimo della cilindrata volumetrica della pompa in tutti i punti di funzionamento del sistema idraulico. Tuttavia, la cabina deve comunque decelerare lungo una curva di guida che riduce al minimo il consumo energetico della fase a bassa velocità. Ciò è reso possibile da uno degli aspetti della sua funzione "iTeach": le capacità. iTeach è un insieme di algoritmi di autoapprendimento che consentono all'iValve di conoscere il sistema idraulico collegato e di adattarsi al suo comportamento. Nel caso della velocità ad alta velocità del sistema, iTeach è in grado di calcolare la velocità massima quando la velocità dell'auto in accelerazione raggiunge il suo massimo, che dipende da parametri come la viscosità dell'olio, il carico dell'auto, la velocità di rotazione del motore e molti altri. L'algoritmo apprende la velocità raggiunta in funzione della temperatura e della pressione del sistema. Dopo alcune corse, è in grado di raggiungere direttamente la velocità massima del sistema con una precisione crescente. Utilizzando questo algoritmo, l'iValve è in grado di utilizzare tutta la potenza idraulica generata da motore e pompa. Tuttavia, la velocità massima in salita sarà ora funzione dei parametri indicati. Se l'auto decelera da velocità diverse utilizzando la stessa parametrizzazione della curva di guida, coprirà distanze diverse. Per evitare ciò e realizzare una fase minima di bassa velocità per tutti i punti operativi, è necessario adattare la curva di guida alla velocità effettiva.

Figura 4. Curve di guida di una valvola intelligente

Per rendere possibile tutto ciò, è necessaria una seconda funzionalità iTeach. Se un'auto viaggia a una certa velocità elevata, esiste una corsa di decelerazione minima nota ai tecnici e indicata nel manuale. La valvola è impostata in fabbrica su questa decelerazione per evitare che venga superata. Se l'albero non è progettato al massimo, l'auto decelera troppo rapidamente e dovrà procedere a bassa velocità più a lungo del necessario. A questo punto, iTeach apprenderà la distanza geometrica reale tra l'interruttore di decelerazione e l'interruttore di arresto graduale.

La prossima volta che l'auto viaggia ad alta velocità e viene fornito il segnale di decelerazione, iTeach calcolerà in tempo reale la curva di decelerazione necessaria per raggiungere la posizione di soft-stop con una fase di bassa velocità minima. A tal fine, utilizzerà la distanza appresa tra l'interruttore di decelerazione e l'interruttore di soft-stop, nonché la velocità effettiva derivante dall'ottimizzazione dell'alta velocità.

Grazie a queste funzioni intelligenti, la valvola farà sì che la cabina proceda alla massima velocità possibile consentita dal motore e dalla pompa, inoltre decelererà seguendo la curva di guida ottimale con una fase di bassa velocità minima e si fermerà al livello del pavimento con una distanza minima, indipendentemente dal carico della cabina, dalla temperatura dell'olio e della stanza o da altri parametri come l'età del sistema e molti altri (Figura 4).

4.2 Monitoraggio delle condizioni

L'integrazione dell'intelligenza in una valvola a controllo elettronico consente di liberare il tecnico da compiti come la parametrizzazione, la regolazione, la ricalibrazione o l'ottimizzazione. Ma l'intelligenza integrata può offrire molto di più. Attraverso i metodi di Condition Monitoring è possibile osservare e analizzare lo stato del sistema idraulico e valutare o addirittura prevedere le condizioni di singoli elementi come filtri, fluido e molti altri.

Queste funzionalità saranno sviluppate in una seconda fase del lancio di iValve. In collaborazione con partner selezionati, verranno raccolti dati dalle unità di sollevamento idrauliche azionate da iValve per realizzare quanto descritto di seguito.

Per realizzare le funzionalità intelligenti degli algoritmi iTeach, la valvola a controllo elettronico è già dotata di un sensore di spostamento volumetrico, un sensore di pressione e un sensore termico sul lato idraulico. A ciò si aggiunge la sensibilità sul lato elettronico, in quanto controlla, ad esempio, la corrente elettrica al magnete proporzionale.

Un'enorme quantità di informazioni viene raccolta da questo pacchetto di sensori e immessa in un modello virtuale situato
nella valvola. Il modello rappresenta la valvola e il sistema idraulico ad essa collegato. Può essere rappresentato in modo simile a un modello di simulazione del sistema monitorato e rileva eventuali deviazioni o variazioni dei parametri del sistema.

Infine, dal modello si possono trarre conclusioni sullo stato dei singoli elementi della valvola o del sistema. Si possono fornire avvertenze e raccomandazioni quando è necessario pulire i filtri o sostituire l'olio.

5. RISULTATI SPERIMENTALI

The algorithms described in chapter 4 where examined using a test lift at Bucher Hydraulics in Neuheim. A prototype of the iValve 250L was connected to the hydraulic system of a 2:1 plunger cylinder driven lift powered by a 250 l/min screw pump and an adequate asynchronous motor. The controller of the valve was replaced by a LabVIEW controlled DAQ-Board. Tests have been executed in the operation parameter field between of the iValve. Temperature: 2°C - 60°C Static Pressure: 12 bar – 60 bar.

Grazie a un sistema di misurazione della posizione, tutti i punti di commutazione possono essere impostati digitalmente e la posizione della cabina può essere controllata in millimetri.

Di seguito sono illustrati due processi di apprendimento a titolo esemplificativo. Nel primo esempio, l'ascensore si muoveva verso l'alto a una velocità massima di 250 l/min (0.6 m/sec) a una pressione statica di 30 bar. La distanza di decelerazione era impostata a 0.8 m. La velocità lenta è di 20 l/min e la distanza di arresto graduale è stata scelta a 20 mm. Questa distanza di arresto graduale è relativamente lunga ed è stata scelta per analizzare il caso peggiore. Spesso la distanza di arresto graduale è impostata a 10 mm. Nella Figura 5, l'errore della posizione di atterraggio è rappresentato graficamente in funzione del numero di corse eseguite. L'impostazione di fabbrica prevede un arresto molto rapido. Pertanto, l'ascensore si arresterà troppo presto e si fermerà 8 mm prima della posizione di arresto corretta. Dopo la terza corsa, l'algoritmo di apprendimento scende al di sotto dell'errore target di +/- 3 mm.

Figura 5. Apprendimento della precisione di atterraggio a distanza di arresto morbido di 20 mm

Un altro esempio è riportato nella Figura 6. In questo caso, la cabina viaggiava in salita. Il carico statico era di 12 bar. L'alta velocità era di 250 l/min, la bassa velocità di 20 l/min. La distanza di decelerazione era di 0.8 m. La preimpostazione della decelerazione era molto alta. Pertanto, durante la prima corsa, l'ascensore decelerava troppo rapidamente e doveva viaggiare a bassa velocità per un po' fino a raggiungere l'interruttore di arresto graduale. Dopo la prima corsa, l'algoritmo ha appreso la distanza di decelerazione e nella seconda corsa ha già raggiunto l'impostazione target di 0.7 secondi di corsa a bassa velocità.

Figura 6. Impostazione del tempo di viaggio a bassa velocità su 0.7 sec

6. CONCLUSIONE

Un ascensore idraulico viene attivato da diversi segnali forniti dal quadro elettrico. Questi segnali sono definiti dalla posizione geometrica dei punti di commutazione nel vano. Tra questi punti la cabina deve accelerare, decelerare, muoversi e fermarsi con determinate velocità, accelerazioni e piccoli strappi. In una valvola meccanica, queste caratteristiche dipendono dalla temperatura, dal carico della cabina e da molti altri fattori. Pertanto, una valvola meccanica deve essere regolata su una fase di bassa velocità lunga e dispendiosa in termini di energia, pur mantenendo una bassa precisione di atterraggio.

Una valvola a controllo elettronico è molto indipendente dai punti di funzionamento. Pertanto, può essere regolata molto più vicino alla curva di guida ottimale, risparmiando energia, ottenendo atterraggi molto precisi e una guida confortevole. Tuttavia, queste regolazioni devono essere eseguite anche se l'interfaccia utente di una valvola a controllo elettronico è molto più intuitiva rispetto alle viti astratte di una valvola meccanica.

Una valvola intelligente è in grado di analizzare il sistema idraulico di un ascensore e di autoregolarsi. Dopo l'installazione meccanica dell'ascensore, la valvola intelligente si azionerà con un'impostazione di fabbrica sicura. Dopo alcune corse, apprenderà le reali caratteristiche del sistema di sollevamento collegato e si adatterà alla curva di guida ottimale.