- Automazione portuale
- Gru portuale intelligente grazie a controller per macchine mobili
Controller per macchine mobili trasformano le gru in macchine intelligenti
Figura 1: Indusign costruisce da 10 a 14 gru di trasbordo all’anno, vendute in tutto il mondo con il marchio E-Crane.
Caricare e scaricare più rapidamente le navi sta diventando sempre più importante a causa della crescente domanda e del crescente numero di navi da carico. E questo significa che servono gru di trasbordo più grandi per la movimentazione delle merci. Ma i caricatori fanno fatica a trovare gruisti esperti. È per questo che il settore cerca gru più performanti che siano il più possibile semplici da usare.
Negli ultimi anni queste tendenze hanno indotto Indusign, un produttore belga di gru di carico con sede ad Adegem, ad un’evoluzione. La società è nata nel 1990 come studio di ingegneria, ma dopo alcuni anni e dietro richiesta di diversi clienti si è convertita alla produzione. Oggi costruisce da 10 a 14 gru all’anno che vengono vendute in tutto il mondo con il marchio E-Crane.
Alcune cifre impressionanti: la gru più grande è alta 25 m, ha una portata di 45 m, può movimentare 45 tonnellate per ogni ciclo ed ha un motore di trazione di 600 kW. Da tempo è normale fare ricorso a questi giganti. Solo 10 anni fa le gru di carico avevano una portata media da 5 a 10 tonnellate; oggi va da 10 a 30 tonnellate. Si tratta dell’unica possibilità per accelerare i processi logistici nei porti. Queste gru non sono paragonabili alle gru di sollevamento, che vengono effettivamente progettate per un numero limitato di movimenti al giorno; le gru di carico possono essere utilizzate continuamente. Inoltre, ci si aspetta che queste macchine siano particolarmente flessibili, in quanto le gru devono essere in grado di movimentare container, sollevare un miniescavatore a bordo ecc.
Con E-Crane, Indusign ha integrato negli ultimi anni un sistema di controllo elettronico nelle gru. Il primo motivo è stato quello di sostituire i joystick iniziali dotati di valvole idrauliche con una variante elettronica, in quanto la versione idraulica viene utilizzata sempre meno. Un controller assicura la conversione del sistema di controllo elettronico per il monitoraggio delle valvole idrauliche installate sulla gru. Una volta installato il controller sono state aggiunte sempre più funzioni. Pertanto oggi è una macchina intelligente che ha un controller, una visualizzazione e moderne possibilità di diagnosi.
Un progetto equilibrato
La lettera “E” di E-Crane sta per “equilibrium” (= equilibro) e si riferisce al concetto di bilanciamento specifico della gru. Il braccio (braccio principale) è un parallelogramma. Il suo secondo braccio è una biella che unisce il braccio anteriore al contrappeso della gru. Il movimento del braccio anteriore si ottiene facendo oscillare il contrappeso per mezzo di un cilindro idraulico, che viene trasmesso al braccio anteriore attraverso la biella. Risultato: il contrappeso oscilla indietro nel momento in cui il braccio anteriore si muove in avanti, in modo che il centro di gravità dell’intera struttura rimanga al suo posto.
Grazie a questo equilibrio, si risparmia energia, in quanto la forza del motore viene utilizzata soltanto per sollevare il carico effettivo e, naturalmente, per muovere la gru, ma non per compensare lo squilibrio. Contrariamente alle gru a cavo, questa struttura ha anche un altro vantaggio: il carico non può oscillare, quindi è possibile lavorare in modo più veloce e indipendentemente dall’esperienza del gruista. Le gru vengono comandate con due joystick. Oltre al movimento del braccio e del braccio anteriore, offrono la possibilità di girare la gru e di aprire, chiudere o ruotare la benna. Tutti questi movimenti sono ad azione idraulica, è per questo che la gru ha un motore elettrico e una pompa idraulica a bordo.
Il passaggio al sistema di controllo elettrico è motivato dal fatto che non sono più disponibili i precedenti joystick con valvole idrauliche. Andavano sostituiti con joystick elettronici e da un nuovo controller per convertire i segnali elettrici in ingresso per il controllo delle valvole idrauliche. Ben presto risultò evidente che il sistema di controllo elettronico offriva tante possibilità in più, come il controllo dell’accelerazione e del rallentamento alla fine dell’area di lavoro. Questo comportamento della gru è meno improvviso, quindi ha un effetto positivo sulla sicurezza e sulla durata.
Allo stesso tempo, è stato possibile collegare tutti i tipi di sensori al controller per adeguare la velocità al peso del carico e inserire la protezione da sovraccarico del controller.
Un altro sviluppo logico è stato il fatto che ora il gruista ha un’interfaccia grafica con indicazione numerica dello stato della gru. Il carico della gru è il parametro più importante per il gruista, ma sull’interfaccia vengono visualizzate graficamente anche intere serie di messaggi di errore. L’interfaccia offre tra l’altro numerosi schermi di diagnostica che consentono l’accesso a una serie di dati di stato della gru. Una scheda di memoria Compact Flash nell’interfaccia grafica memorizza ogni due secondi i valori di circa 60 variabili.
Tutto questo ha modificato notevolmente i metodi di lavoro dei gruisti e del personale di manutenzione del fornitore. In passato, per esempio, il cavo di collegamento del sensore dinamometrico (cella di carico) del braccio della gru si deteriorava portando fermi della gru per motivi di sicurezza, e il sistema di sicurezza veniva bypassato nel quadro elettrico a relè.
Oggi questo viene fatto a livello di software, il che significa che si può decidere insieme al fornitore di collegare temporaneamente il sistema di sicurezza. Questo procedimento viene registrato, può fare scattare un allarme ecc. e permette quindi di ridurre temporaneamente la velocità e programmare un intervento di manutenzione. Questa implementazione migliora l'efficienza, l'affidabilità e la vita utile della macchina.
Un controller per macchine mobili in condizioni estreme
Dopo approfondite riflessioni, i sistemi di controllo R360 di ifm electronic per macchine mobili sono stati scelti per questa applicazione. Un vantaggio tipico dei PLC per macchine mobili rispetto ai controller “industriali” è la maggiore robustezza. In questo caso, i controller hanno una resistenza agli urti con certificato 1; funzionano in un campo di temperatura da -40 a +60 °C, hanno il grado di protezione IP 67 e sono estremamente resistenti alle interferenze elettromagnetiche. Un altro aspetto interessante di questa applicazione è la bassa tensione di alimentazione che consente un’alimentazione tramite batterie. Per questo motivo, la gru può lavorare in modo autonomo.
Un altro criterio importante per il costruttore di gru è stato il carattere aperto del sistema. Indusign possiede il know-how tecnico e intende sviluppare e padroneggiare la tecnologia delle sue macchine. I controller di ifm vengono programmati con CodeSys, uno standard aperto, per il quale esiste un’intera libreria di moduli software per i vari componenti dell’impianto. Così l’azienda non dipende da un solo fornitore di sistemi per quanto riguarda sensori, valvole e altri componenti. In relazione a questo know-how, ha applicato un metodo piuttosto spontaneo, ma efficace, per coinvolgere tutti i dipendenti nel passaggio ai sistemi di controllo elettronici. Un’installazione di prova con PLC, “Human Machine Interface” e la simulazione di tutti gli ingressi / tutte le uscite applicabili è stata messa a disposizione nella mensa. Ciascun gruista ha avuto la possibilità di esercitarsi nel tempo libero. Inoltre, il reparto tecnico aveva a disposizione un’installazione simile a scopo di test e implementazione delle richieste dei clienti.
L’automazione della gru è basata sul CAN-bus per il quale il PLC per macchine mobili ha un’interfaccia standard. Il bus è dotato di cinque isole I/O: due nell’azionamento con motore e pompa idraulica, due nella cabina di guida e un’ultima nel telaio della gru vicino alle valvole. Anche il display, sempre sviluppato da ifm, viene collegato al CAN-bus e consente l’accesso a tutti i parametri del sistema. A livello di interfaccia, anche tutte le variabili vengono salvate periodicamente su una scheda di memoria. Questa cronologia è utile quando si tratta di riprogrammare a livello di display la diagnostica e la manutenzione per specifiche interfacce.
Diagnosi da remoto
L’automazione delle gru ha portato con sé un’altra possibilità: la diagnosi da remoto. A tale scopo uno speciale modem GSM è stato integrato nel sistema sul CAN-bus. Questo modem consente di chiamare ogni gru, ovunque si trovi nel mondo, dallo stabilimento di Adegem. Si tratta di un modem Tri-band che si adatta automaticamente alla rete dell’ubicazione. Dal punto di vista tecnico i collegamenti da remoto non sono difficili. L’impianto ha accesso alle variabili sul bus proprio come il display sulla gru. Se si utilizza un software simile, è possibile visualizzare in tempo reale le stesse gru che vede il gruista. Il problema di cui sopra con un cavo del sensore difettoso si può risolvere attraverso il modem insieme all’utente e al fornitore. Diversi livelli utente definiscono chi può partecipare a quale intervento. I dati ricevuti tramite il modem possono essere trasferiti anche all’impianto di prova del reparto tecnico.
Un problema legato a un sistema di questo genere con CAN-bus è quello del PLC che avrà un ruolo centrale, ma anche determinante per il funzionamento della gru. Mentre in passato il personale esperto addetto alla manutenzione doveva effettuare numerose regolazioni individuali, oggi tutte le modifiche vengono avviate con il software. Per questi giganti è una situazione piuttosto singolare, poiché questo PLC per macchine mobili sembra a prima vista un elemento trascurabile dell’intero sistema per quanto riguarda le dimensioni e gli investimenti. Per questo problema, Indusign applica lo stesso approccio aperto della selezione del controller. In altre parole, ogni cliente che vuole effettuare modifiche al controller riceve il codice sorgente dal fornitore. Nella pratica, non è finora pervenuta una tale richiesta. Le gru sono una parte del mercato che il produttore conosce appieno e in cui tutte le funzioni del sistema sono sviluppate in modo da soddisfare le esigenze del settore. Un ultimo sbocco: dalla cabina di guida l’operatore può configurare un’interfaccia con altri sistemi software.