A cura di: G. Ghezzo - CATE
La sfida
Il rinnovamento e l'ottimizzazione di una linea di produzione di pompe circolatori impiegate in sistemi idraulici, caldaie, condizionatori d'aria, impianti a collettori solari e circuiti di condizionamento chiusi, ha portato alla necessità di realizzare un banco di collaudo di fine linea in grado di sopperire alla grande mole di campioni prodotti, introducendo innovative tecniche di controllo dei difetti produttivi basate su analisi vibrazionali.
La soluzione
Il banco di collaudo è composto da tre postazioni identiche, ciascuna con un proprio circuito idraulico autonomo (ad eccezione della sorgente idrica), in ognuna delle quali può essere collaudata una pompa circolatore. Le tre postazioni permettono di eseguire un collaudo ogni 30 secondi sopperendo così all'elevato numero di circolatori prodotti e aumentare l'efficienza della linea produttiva. Il circuito idraulico è stato progettato e realizzato in modo da simulare le condizioni reali di funzionamento del circolatore: ciascuna postazione, infatti, è dotata di un proprio circuito idraulico ad anello chiuso che consente di eseguire collaudi rapidi e in accordo alle reali condizioni di funzionamento della pompa. La vasta gamma di modelli di pompe circolatori prodotte ha portato alla decisione di realizzare un banco modulare nel quale l'attrezzaggio meccanico (denominato "cubo") può essere facilmente sostituito per poter ospitare diversi modelli di circolatori con diverse dimensioni, caratteristiche meccaniche, idrauliche ed elettriche. La parte di controllo e supervisione è affidata ad un PC sul quale è installato il software Cate, implementato con LabVIEW. Alcune tipologie di circolatori sono dotati di un microcontrollore con interfaccia seriale che gestisce i parametri caratteristici elettrici e funzionali della pompa: l'implementazione del protocollo proprietario e la sua integrazione col software realizzato con LabVIEW consente al sistema, oltre a monitorare le prestazioni idrauliche della pompa, anche di calibrarne l'elettronica interna. L'impiego di NI CompactDAQ con relativi moduli di acquisizione ha permesso di far convivere segnali di diversi dispositivi di acquisizione quali trasduttori e accelerometri dotati del proprio connettore BNC, senza privarsi la possibilità di eventuali espansioni future.
Descrizione del sistema
Il banco di collaudo è composto da una struttura meccanica che ospita i tre "cubi" di test, da un circuito idraulico di riempimento che si dirama nei tre circuiti di test, da due quadri elettrici (uno contenente la parte di potenza e l'altro contenente il PC e l'elettronica di acquisizione).
Cubo
Il "cubo" è la vera e propria zona di test sulla quale vengono posizionati i circolatori da testare. Sono stati progettati diversi "cubi" a seconda del modello di circolatore che deve essere collaudato. Ciascun cubo è costituito da:
- una culla di sostegno del corpo del circolatore;
- due attuatori pneumatici utilizzati per bloccare la pompa e collegarla al circuito idraulico;
- un attuatore pneumatico che porta a contatto l'accelerometro per i test vibrazionali sul corpo pompa. Le utenze elettriche, i collegamenti idraulici e pneumatiche sono stati realizzati in modo da rendere semplice la sostituzione del cubo.
Il cubo è stato progettato per avere il maggior isolamento possibile dal resto del sistema per quanto concerne le vibrazioni: è stata progettata una massa sismica posta alla base del cubo che equilibra la struttura, inoltre, sono stati montati degli appositi antivibranti conici in modo da filtrare le basse frequenze provenienti dal resto del sistema.
Circuito idraulico
Per diminuire i tempi di riempimento dei tre circuiti è stato realizzato un sistema con autoclave. La pressione d'acqua all'interno dell'autoclave è mantenuta costante da una pompa centrifuga. Il riempimento del circuito di ciascuna postazione avviene dal basso verso l'alto per evitare l'accumulo di bolle d'aria che possano causare problemi durante il test. Nel circuito idraulico di ciascuna postazione sono presenti:
- due trasduttori di pressione (uno a valle e uno a monte del circolatore in test) montati ciascuno su una camera di calma appositamente progettata per ottenere delle letture di pressione precise;
- un misuratore di portata;
- una valvola proporzionale per simulare il carico idraulico;
- un trasduttore di pressione piezoelettrico impiegato per effettuare delle analisi in frequenza delle pulsazioni di pressione. Questo strumento viene impiegato per rilevare eventuali difetti sulla girante del circolatore.
Quadri elettrici
Sono presenti due quadri elettrici: il primo contiene la parte di potenza e il secodno l'elettronica di acquisizione e il PC. Il quadro elettrico di potenza contiene:
- tre analizzatori di rete per misurare gli assorbimenti dei circolatori e le varie caratteristiche elettriche;
- un alimentatore programmabile. Permette di erogare differenti tensioni di esercizio a frequenze di 50Hz o 60Hz, in modo da coprire tipologie di motori destinate a mercati differenti da quello italiano come, ad esempio, quello americano; - relé e teleruttori.
Il quadro PC contiene:
- PC con installato il software di controllo del banco;
- Schede di acquisizione dati National Instruments.
Ciclo di collaudo e struttura software
Il software di gestione del sistema, realizzato in ambiente LabVIEW, è basato sulla filosofia delle tabelle di collaudo. Le tabelle, che vengono salvate in un database di tipo PostgreeSQL, contengono i parametri caratteristici che definiscono la procedura di collaudo e le soglie di controllo. Nella sezione di test automatico l'operatore, dopo aver caricato la tabella di collaudo relativa al test da eseguire, legge il codice a barre del circolatore da testare, lo posiziona sulla culla all'interno del "cubo", collega il cavo di alimentazione del circolatore alla presa shuko e preme il pulsante di START sulla pulsantiera relativa alla postazione utilizzata. Dopo queste operazioni il sistema provvederà automaticamente ad eseguire il ciclo di collaudo automatico relativamente alla tabella di collaudo caricata nel sistema. La configurazione delle tabelle di collaudo permette una parametrizzazione completa del test e la possibilità di abilitare o meno le fasi del ciclo. Il ciclo di collaudo prevede una prima analisi delle vibrazioni della pompa a secco (senza acqua) tramite un accelerometro. Dopo un tempo di flussaggio e riempimento, il circuito idraulico viene chiuso e messo in pressione (la pressione statica dell'acqua è di circa 1bar). Il sensore piezoelettrico per la misura delle pulsazioni dell'acqua determina eventuali difetti sulle giranti della pompa. Viene eseguita quindi una rampa di chiusura della valvola proporzionale per rilevare la curva caratteristica idraulica (grafico prevalenza-portata) della pompa. Al termine di ciascun test tutti i dati acquisiti e calcolati vengono salvati all'interno di un database di tipo PostgreeSQL e i valori numerici dei grafici vengono salvati in un file con formato CSV, in modo da poter essere analizzati a posteriori con i più comuni strumenti software di analisi, quali ad esempio Excel. Tutti i dati sono inoltre inviati tramite protocollo TCP/IP ad un gestionale. Una sezione apposita del software Cate permette di gestire lo storico dei dati salvati, mettendo a disposizione funzioni di ricerca avanzate.
