Appunti Automazione a fluido

23/09/25

AUTOMAZIONE: PERCHE’ ? CONSEGUENZE:

• Aumento della competitività

• Aumento della produttività • Qualificazione del personale verso mansioni di

• Costanza della qualità più alto livello

• Sicurezza AZIONI NECESSARIE :

• Eliminazione di operazioni manuali • Progetto del prodotto

gravose, ripetitive, pericolose • Scelta del processo di fabbricazione

• Risparmio di risorse • Scelta del sistema di produzione

• Risparmio energetico • Automazione del sistema di produzione

Ordini di &

comando Parte di

Parte di · Unità automatica

comando

potenza musco

Feedback I

Morte "intelligenza" parti

di ben

parte sono

sempre queste

non

~

macchina

della

& distinte integrate

molto

ma

,

Elettrico a contatto di

Motori elettrici comondo

elettrico

(quadro

Comando pneumatico

Pistoni pneumatici Controll. Prog. Senza progettazione numerica

Pistoni oleodinamici Controll. Prog. Con progettazione numerica

Pistoni idrodinamici Schede elettroniche

Valvole ...

... Impianti

Volume -

ESISTENTI

INDUSTRIALI

INDUSTRIA

~ MANUFAttieRA A

INDUSTRIA

· PROCESSO

DI LIVELLO AUTOMAZIONE =>

AUTOMAZIONE: COME?

• Differenti tecnologie: pneumatica, oleo-idraulica, elettrica, elettro-meccanica

• Confronti fra soluzioni operative in relazione all’applicazione concreta

• Esigenza di integrazione fra differenti tecnologie, in una logica meccatronica

• Applicazione di sistemi di controllo elettronico

ALCUNI CRITERI DI COMPARAZIONE FRA DIFFERENTI TECNOLOGIE DI AUTOMAZIONE INDUSTRIALE

• Costo-carico resistente utile

• Costo-precisione di posizionamento

• Costo-frequenza operativa in cicli automatici

caratteristica (n

oleodinamica PRESSIONE

Olio bar)

Alta

ad

nota 200-1100

operare

e con

: • uso aria nei condotti facile da reperire e scaricare (circuiti aperti)

Pneumatica fluido comprimibile

• basse pressioni Comando

Pistoni

avviamento Lavori ausiliari in officina di macchine e

attuatori

pneumatici

motori 2T impianti di trasporto pneumatico 3-4 bar

~ 6-7 bar

8-10 bar

~ 25-30 bar

caso straordinario di complessità costruttivo

del motore, utile per altre motivazioni E Sistemi piu complessi e costosi di installazione

• Grandi carichi

Oleodinamica e manutenzione.

[

• Grandi precisioni Inoltre, il fluido non può essere liberamente

rilasciato (circuito chiuso)

Funzioni principali della pneumatica a bordo

Avviamento dei motori Diesel marini

• I grandi motori a due tempi e quattro tempi non usano motorini elettrici per l’avviamento (troppo

piccoli rispetto all’inerzia del motore).

• Si impiega aria compressa a 25–30 bar accumulata in serbatoi (bottiglie d’aria).

• L’aria viene immessa nei cilindri attraverso valvole di avviamento, spingendo i pistoni e mettendo in

rotazione l’albero motore fino a che il motore si autosostiene con la combustione.

Alimentazione di macchine e sistemi ausiliari

• Attuatori pneumatici per valvole (ad esempio valvole di intercettazione combustibile, vapore o olio).

• Sistemi di comando e automazione (pneumolettici o pneumatico-elettrici).

• Strumenti di misura e controllo (aria strumentale filtrata ed essiccata).

Sicurezza

• L’aria compressa è considerata una fonte di energia affidabile e sicura, soprattutto in ambienti

potenzialmente esplosivi dove l’elettrico potrebbe essere un rischio.

Componenti principali di un impianto pneumatico navale

• Compressori d’aria (generalmente 2 o più, per ridondanza).

• Serbatoi d’aria (uno principale e uno di emergenza). Almeno 2

~

• Essiccatori e filtri (per rimuovere condensa e impurità).

• Rete di distribuzione verso motore e sistemi ausiliari.

• Valvole di sicurezza e non ritorno.

• Pannello di avviamento motore con logica di sicurezza (sequenza aria nei cilindri).

Sequenza tipica di avviamento di un motore principale con aria compressa

1. Apertura delle valvole di scarico riduzione resistenza al movimento.

→

2. Iniezione sequenziale dell’aria compressa nei cilindri il motore inizia a girare.

→

3. Attivazione iniezione carburante il motore parte.

→

4. Chiusura automatica delle valvole di avviamento il motore prosegue a regime normale.

→ Tempi che

con

~ dipendono dalla

del

Toglia motore

Comando ad aria compressa per l’avviamento e il controllo di un motore marino Diesel:

I grandi motori Diesel navali (2 tempi o 4 tempi) non possono essere avviati elettricamente perché la potenza

necessaria a vincere l’inerzia è enorme.

Si usa quindi aria compressa ad alta pressione (25–30 bar) immessa direttamente nei cilindri, attraverso valvole

di avviamento comandate ad aria.

Sequenza di avviamento con aria compressa

1. Preparazione

Il serbatoio d’aria (bottiglia) è caricato dai compressori.

Tutti i sistemi ausiliari del motore sono pronti (olio di lubrificazione, circolazione acqua di raffreddamento, ecc.).

2. Comando dal ponte o locale macchine

L’operatore sposta la leva o il selettore di avviamento (Ahead/Astern).

Questo invia un segnale ad aria compressa (a bassa pressione, es. 7 bar) al distributore pneumatico (start air

distributor).

3. Distribuzione dell’aria di avviamento

Il distributore funziona come un “albero a camme pneumatico”: in sincronia con l’albero motore apre e chiude

piccole valvole pilota.

Queste valvole pilota inviano aria di comando alle valvole di avviamento dei singoli cilindri.

4. Apertura delle valvole di avviamento

L’aria pilota (bassa pressione) apre le grandi valvole di avviamento.

L’aria compressa (25–30 bar) entra direttamente nel cilindro, spingendo il pistone.

5. Rotazione del motore

I cilindri ricevono aria compressa in sequenza, così l’albero motore inizia a girare.

Dopo pochi giri, si inietta combustibile inizia la combustione autonoma.

→

6. Chiusura automatica

Una volta che il motore raggiunge la velocità minima di regime, il distributore chiude il circuito di aria compressa.

Le valvole di avviamento si richiudono, isolando i cilindri dall’impianto aria.

L'aria è un miscuglio di vari gas, è invisibile, inodore, incolore e insapore.

Le percentuali in volume dei gas che costituiscono l'aria sono:

Altri gas, quali: il neon, l'elio, il xenon, il krypton, sono contenuti in piccole tracce.

Altro componente dell'aria che si trova in misura diversa, a seconda delle condizioni ambientali, è il vapore

d'acqueo e il pulviscolo.

Nella composizione dell'aria si verificano piccole variazioni in prossimità di zone industriali dove si possono

riscontrare tracce di altri gas come ad esempio: ossido di carbonio, ossido di azoto, ammoniaca, idrocarburi.

Trai componenti dell'aria, solo l'ossigeno e l'azoto sono necessari alla vita.

L'ossigeno è indispensabile per attivare i processi metabolici mediante i quali il nostro corpo trasforma i

carboidrati, le proteine e i grassi contenuti negli alimenti in calore ed energia.

L'azoto che respiriamo serve come gas inerte diluente e mantiene la pressione dei gas in alcune cavità del

nostro corpo (alveoli polmonari, cavità dell'orecchio medio).

Fa

N/m2 Mpa

multipli KPa

Pa usiamo i

p

~

= = :

PREPARAZIONE, TRATTAMENTO E DISTRIBUZIONE DELL’ARIA

COMPRESSA - COMPOSIZIONE DELL’ARIA

Il circuito a cui noi facciamo riferimento è un circuito completamente aperto: preleviamo aria dall'ambiente,

eseguiamo una compressione di aria con un compressore alimentato da un motore (che può essere elettrico o

termico). Una volta che abbiamo a disposizione l'aria compressa, questa subisce dei trattamenti prima di

essere inviata alle utenze vere e proprie. L'utenza trasferirà nuovamente l'aria all'ambiente.

regolazione

pressione

& UTENGA

TRATTAM .

e

↑ filtrazione

M COMPRESSORE al

essicazione

Termico AMBIENTE

elettrico

AMBIENTE

• Circuito pneumatico tipicamente aperto

• Influenza delle condizioni ambientali

• Pre-filtrazione

• Compressione

• Trattamento (limitazione vapor d’acqua, contenimento impurità, controllo

temperatura)

• Distribuzione all’utenza

• Scarico in ambiente

Il prima problema è tenere conto che il valore della pressione atmosferica varia con la quota.

E se fossimo in condizioni

Condizione normale MPa

atmosferica 0 1013

pressione , diverse ci sarebbero da

temperatura °

15 C considerare alcune correzioni.

N scritto in maiuscolo

volte

a

↑3 Neuron)

Cron sono

m3-

Volume aria normale nm

quando di parla di volumi o portate si parla di normal metri cubi o normal metri cubi al secondo

Se parliamo di dimensionamenti di comportamenti bisogna riferirci a qualcosa di normalizzato.

Tabella che mostra come al variare della

temperatura variano i grammi di vapor d'acqua

Vapor d’acqua: la quantità aumenta

all’aumentare della temperatura

Arrivo a zero alla temperatura di zero assoluto (-273)

C

La tabella ci dice che è sempre presente una certa quantità di acqua nell'aria, sottoforma di vapore.

Ogni volta che cambia la temperatura dell'aria ci possono essere pericoli di condensazione!

Nota: l'acqua è fortemente deleteria per i componenti pneumatici.

Una delle operazioni da tener conto sarà quella dell'essiccazione dell'aria: ridurre vapore d'acqua in un

volume di riferimento d'aria

Trattamento vuol dire anche eliminazione degli inquinanti dell'aria: filtrazione.

Un'altra fase del trattamento è quella di garantire uno stato di pressione all'utenza che sia adeguata:

regolazione pressione.

FASI DI TRATTAMENTO

• Pre-filtrazione: si attua con filtri di capacità filtrante medio-bassa in aspirazione al compressore

• Compressione: con differenti modalità in funzione del tipo di compressore

↳.

• Essicazione Possiamo vederla come una maglia "ampia",

• Accumulo in serbatoio nel senso che trattiene le impurità ma quelle

• Filtrazione piu grandi come dimensioni

• Lubrificazione (eventuale)

• Regolazione della pressione verso l’utenza

• Distribuzione

• Eventuali trattamenti locali REGOLAZIONE

Accumulo FILTRAZIONE

ESSICAZIONE PRESSIONE

D'ARIA I

Lubrificazione

COMPRESSORE UTENZA

FILTRO AMBIENTE

AMBIENTE

Il problema principale è che qualunque filtro è visto dal circuito come una resistenza localizzata, tanto più

importante quanto maggiore è il grado di filtrazione del filtro (quanto piu "stretta" è la maglia).

Se fossimo in presenza di acqua, l'equivalente del compressore sarebbe la pompa e la presenza del filtro

potrebbe creare fenomeni di cavitazione. Noi possiamo mettere pre-filtrazioni ma non possiamo "spingere"

molto il grado di filtrazione, per non creare problemi al compressore stesso.

Sicuramente poi abbiamo una fase di essicazione e per ragioni di esercizio dobbiamo fare un accumulo d'aria

(serbatoi). Poi dobbiamo ripulire aria dagli inquinanti e quindi eseguire una filtrazione. Poi dobbiamo prevedere

una regolazione della pressione per garantire il livello di pressione vada bene per l'utenza, e eventualmente

anche una lubrificazione dell'aria.

Tipi di compressori Noi useremo compressori volumetrici: ovvero il

componente, durante la fase di compressione, non modifica

sensibilmente la velocità del fluido in compressione (non

modifica sensibilmente l'energia cinetica del fluido in uscita).

Compressione

Fra le tipologie di compressori maggiormente utilizzati in pneumatica si ricordano:

alternativi ( a semplice o a doppio effetto), rotativi a palette, a membrana, a vite

2

.

il pistone rispetto il cilindro puo avere una

camera utile di compressione o due opposte FASI

PRINCIPAli

Principio di funzionamento:

ho volumi variabili perché il rotore è eccentrico rispetto lo statore. Ho

volumi crescenti, l'aria tende ad essere leggermente in depressione e

quindi l'aria viene richiamata all'interno.

Nella fase di compressione il fluido trova dei volumi che via via sono

piu piccoli radialmente (fluido viene compresso). Poi abbiamo la bocca

di scarica e viene trasferita nella zona di mandata.

Compressore a vite: Abbiamo una vite aspiratrice e una o piu viti condotte.

Il fluido viene aspirato ad una estremità della vite e viene trasferito, comprimendono, in

senso assiale e reso poi disponibile ad una pressione maggiore nell'estremità opposta.

Compressori a singolo stadio (vedere seide animata

Compressore a due stadi abbinato ad un

raffreddamento -

circuito che le

aumenta

di - utile

lavoro

Sempre una soluzione a doppio stadio: Il motore primo del

compressore è

sempre lo stesso.

abbiamo una

Sincronizzazione

i

Tra pistoni

due

r

Slide animata

Teoricamente il numero di stadi puo essere aumentato a piacere, poi ovviamente ci sono dei limiti.

Dimensionamento di un compressore d’aria

Dati che servono (input)

• Portata richiesta (Q) = L/min o m³/h (somma dei consumi degli utensili o del processo, considerare il

consumo reale, non la targa). normalmente

• Pressione di lavoro desiderata (gauge) = bar(g) (es. 7 bar, 8 bar…). intermittenti

sono

• Duty cycle / tipo di uso = intermittente (es. saltuario) o continuo/industriale (es. >50% su 8 h).

• Eventuali picchi di consumo o perdita d’aria da compensare (es. 10–30% di margine per perdite e futuri

aumenti).

Per stabilire qual è la portata da richiedere ad un compressore, dobbiamo avere chiaro quali sono i

componenti che dobbiamo alimentare. Dobbiamo considerare i componenti che contemporaneamente

operano nelle varie fasi temporali di funzionamento. (Dobbiamo considerare la portata come somma dei

consumi che contemporaneamente operano nei vari istanti di funzionamento del circuito. Di solito è una

distribuzione variabile nel tempo. Se non li considerassimo contemporaneamente sarebbe un errore.)

margine

se

Obiettivo del dimensionamento ↳ de

• Scegliere un compressore la cui portata reale (deliverable) sia ≥ portata richiesta * 1.2–1.3 (margine).

• Calcolare potenza utile richiesta (kW) e quindi la potenza elettrica del motore.

• Definire volume serbatoio per limitare cadute di pressione in caso di picchi.

Conversioni utili

• 1 m³/min = 1000 L/min.

• Da L/min a m³/s: L/min ÷ 1000 ÷ 60.

• Pressioni assolute: p_abs (bar) = p_atm + p_gauge (p_atm ≈ 1.013 bar).

↳ pressione

Sull'impianto 30/09/25

MODALITA’ DI REGOLAZIONE del funzionamento del compressore

Il problema è generale, al fine di correlare le esigenze *

dell’utenza U (tipicamente discontinua) con le caratteristiche S

or

C

del gruppo di compressione C.

La presenza di un serbatoio S di accumulo a valle del · R

compressore è essenziale per gestire le esigenze del circuito

Il problema è che se non ci sono interventi particolari di regolazione, il compressore opera con continuità

in funzione del comando elettrico. Le utenze pneumatiche sono tipicamente utenze intermittenti, ovvero

all'interno non ci sono componenti che operano con continuità ma hanno fasi di sosta e fasi di sosta (es.

Utensili pneumatici per manutenzione)

Il compressore eroga aria compressa con continuità. Bisogna trovare un compromesso tra il funzionamento del

compressore e le caratteristiche dell'utenza. Il primo aspetto da analizzare è che l'aria che viene compressa dal

compressore non viene inviata direttamente all'utenza ma viene interposto un serbatoio. L'idea è quella di

creare una sorta di volano pneumatico quindi un recipiente che sia in grado di mantenere un certo quantitativo

di aria compressa e alla pressione di erogazione del compressore. Il serbatoio è anche un dispositivo di

sicurezza perché se il compressore è in avaria, il serbatoio da una riserva energetica (e quindi rende disponibile

aria compressa per un certo tempo).

Il problema delle perdite d'aria riguarda principalmente le linee di distribuzione piuttosto che il compressore

stesso, ed è stato a lungo sottovalutato sia in ambito industriale che negli impianti climatici. In passato, si è

giunti al controsenso energetico di installare compressori ausiliari dedicati esclusivamente a compensare tali

perdite. Comprimere aria per poi disperderla in ambiente senza utilizzarla rappresenta un grave spreco di

energia. Oggi, fortunatamente, la sensibilità verso il risparmio energetico è maggiore e si presta molta

attenzione anche alle micro-perdite, frequenti in pneumatica a causa dell'usura di raccorderie e attacchi rapidi

su tubazioni rigide o flessibili.

Tra il compressore e il serbatoio è necessario ci sia un ciclo di regolazione.

SERBATOIO INTERMITENTI

↓

TRATTAMENTO UTENZE

A AMB

COMPR .

AMBIENTE

SERBATOIO L'azione del compressione non puo prescindere

dalle caratteristiche del compressore e viceversa.

Ci deve essere un regolazione.

A REGOLAZIONE

Piu è ampio il volume del serbatoio di accumulo, maggiore è il volano che abbiamo. Una soluzione ideale

sarebbe avere serbatoi di accumulo infinitamente grandi (no per spazio e pesi).

TECNICHE DI REGOLAZIONE

• On-off sul motore di comando

• Regolazione della velocità angolare

• Uso di valvola ausiliaria abbinata alla valvola