Risparmio energetico nei processi logistici di un magazzino automatico

20 giu 2017

L’energia elettrica è indispensabile per il funzionamento dei magazzini manuali o automatici ed è grazie ad essa che le aziende possono fornire i loro beni e servizi alla società. Attualmente si applicano procedure, misure tecniche e organizzative con l’obiettivo di diminuire tale consumo energetico e allo stesso tempo ottimizzare il rendimento degli impianti.

Alcuni paesi sovvenzionano gli investimenti delle aziende per l’acquisto di apparecchiature più efficienti per i loro centri produttivi. Lo scopo di queste politiche è ridurre il consumo energetico a livello globale.

Per minimizzare i loro costi di produzione, le aziende tendono ad automatizzare sempre più i processi ripetitivi della loro catena produttiva. In realtà si tratta di una contraddizione, poiché i processi automatici implicano un maggiore consumo elettrico (se l’automazione è maggiore, viene richiesta più energia). È necessario quindi trovare un equilibrio e una soluzione conveniente ed efficiente a livello energetico.

Nei magazzini, l’automazione è anche una delle soluzioni più avanzate per ottenere l’efficacia dei processi. Sicuramente dal punto di vista economico presuppone un costo iniziale maggiore rispetto ai magazzini tradizionali, tuttavia il ritorno sugli investimenti avviene molto prima, per la diminuzione dei costi di gestione e i vantaggi che l’automazione offre rispetto ad altri sistemi.

I magazzini automatici sfruttano lo spazio di costruzione per aumentare la capacità di stoccaggio. Tra i vantaggi di questa soluzione, si annoverano il perfetto controllo della merce, la maggiore produttività e l’alta disponibilità, poiché tali magazzini possono funzionare ininterrottamente 24 ore su 24. Riducono i costi di personale, eliminano la dipendenza dai mezzi di sollevamento tradizionali e non richiedono illuminazione per il corretto funzionamento; la luce può essere sempre spenta, tranne nelle aree in cui lavorano gli operatori.

Il consumo energetico può essere ridotto se le società orientano i loro sforzi in due direzioni in particolare:

Efficienza energetica dei dispositivi installati.
Una soluzione logistica idonea.

Efficienza energetica

Comprende tutte le prassi mirate a ottimizzare il consumo energetico dei mezzi di sollevamento del magazzino, senza influire sulla produttività né mettere a rischio la sicurezza e la qualità dei prodotti.

In questo senso, i mezzi di sollevamento progettati dai reparti di ricerca, sviluppo e innovazione di Mecalux sono preparati per ottimizzare il consumo di energia. Le pratiche applicate per ottenere l’efficienza energetica appartengono a tre campi diversi:

Progettazione meccanica
Progettazione elettrica
Sviluppo software

Progettazione meccanica

La funzionalità è il requisito principale nella progettazione e scelta dei mezzi di sollevamento di un magazzino. Sebbene il consumo di energia debba essere efficiente, è prioritario che i dispositivi effettuino il numero di movimentazioni e cicli previsti per soddisfare i requisiti proposti.

Una delle principali premesse nella progettazione meccanica delle macchine è che la struttura sia il più leggera possibile, ossia la necessità di ridurne il peso totale. Ciò ha un’incidenza diretta sulle dimensioni e sulla potenza dei motori.

Il motore delle macchine è un elemento essenziale nella progettazione di un magazzino. L’Unione europea promuove la fabbricazione di prodotti ecologici con il proposito di ridurre il consumo energetico e ridurre al minimo le emissioni di CO2 nell’ambiente. Con questo obiettivo, promulga leggi sulla progettazione, produzione e commercializzazione di questi prodotti.

Dal luglio 2009, le normative europee 640/2009 e 641/2009 prevedono i requisiti per la progettazione dei motori elettrici. Un motore più efficiente consuma meno energia per produrre la stessa potenza meccanica. È vero che il costo di acquisto è più elevato, ma il tempo di ammortamento è inferiore.

Le macchine hanno un rendimento quantificabile, che è quello caratteristico di ogni sistema. È necessario trovare il meccanismo necessario per garantire il buon funzionamento delle macchine, oltre al massimo rendimento possibile, facendo anche in modo che il suo costo sia concorrenziale.

Inoltre, è indispensabile controllare l’incremento variabile, che consiste nelle perdite di efficienza derivanti dalle condizioni di esercizio (sporcizia, umidità ecc.), mancanza di manutenzione (ingrassaggio, tensione insufficiente dei cingoli e delle catene ecc.) e per sovraccarico (flessioni, deformazioni, fughe di carica ecc.) Ciò si traduce in una perdita considerevole di energia nel magazzino.

I materiali sono fondamentali per migliorare l’efficienza energetica dei dispositivi. Ad esempio, quando si lavora con meccanismi di frizione, si sceglie il materiale idoneo che permetta di diminuire la potenza richiesta nell’applicazione

Progettazione elettronica

Gli ingegneri studiano e sviluppano soluzioni per ridurre il costo elettrico dei magazzini. Per questo motivo, si utilizzano dispositivi che possono ottenere un miglior rendimento energetico, evitare squilibri nella rete e ridurre la spesa di elettricità.

Variatori di frequenza
Sono in grado di modificare la velocità di rotazione dei motori, agendo sulla frequenza della corrente elettrica. In linea generale, gli apparecchi azionati mediante questo dispositivo utilizzano meno energia di quella necessaria se fossero attivati a una velocità fissa costante.

Tali dispositivi forniscono numerosi vantaggi:

Migliore controllo della velocità.
Correzione del fattore di potenza del motore.
Eliminazione dell’energia reattiva.
Avviamento graduale dei motori. Non è necessario un avviamento “stella-triangolo” nei motori con un consumo elevato.
Minore manutenzione.
Eliminazione dei rumori da vibrazioni.

Tuttavia tali apparecchi producono distorsione armonica

Filtraggio della distorsione armonica
Nei sistemi elettronici a corrente alternata (a uso domestico e industriale), si denominano armoniche le variazioni della frequenza fondamentale di esercizio. Nei sistemi alimentati dalla rete a 50 Hz, possono prodursi armoniche da 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz ecc.

In qualsiasi impianto industriale vi possono essere diversi dispositivi che generano armoniche, tra cui:

Fonti di alimentazione a funzionamento commutato (quadri elettrici, casse di comando di rulliere, PC ecc.)
Stabilizzatori elettronici dei dispositivi di illuminazione (neon del magazzino).
Piccole unità di sistemi ad alimentazione ininterrotta (SAI), che forniscono energia elettrica per un tempo limitato nel caso si verifichi un blackout.
In cariche trifasiche, i motori a velocità variabile (variatori di rulliere e trasloelevatori).

Le armoniche di corrente generano non pochi problemi, poiché hanno effetti negativi sugli impianti, come il sovraccarico dei conduttori, sovraccarico dei trasformatori, attivazione intempestiva degli interruttori automatici, sovraccarico dei condensatori di correzione del fattore di potenza e perturbazioni nei dispositivi di misurazione (sonde, sensori ecc.).

Tutto ciò presuppone un maggiore consumo elettrico e una prematura degradazione dei componenti elettrici che si trovano nel magazzino.

A tale scopo, si utilizzano tre metodi per contrastare la distorsione armonica:

Induttanze di linea (riduzione a valori tra 35 e 40%).
Filtri passivi (riduzione a valori tra 8 e 10%).
Filtri attivi (riduzione a valori inferiori al 2%).

Rigeneratori di energia
Sono dispositivi elettronici che si collegano al variatore dell’asse di elevazione dei trasloelevatori.

Durante le manovre di discesa, il peso della culla (e del carico trasportato) provoca giri nel motore, che inizia ad agire come generatore di energia. Lo stesso accade durante la decelerazione di tale asse.

Questa energia rigenerata deve essere centralizzata per consentire il corretto funzionamento del sistema e non danneggiare i suoi dispositivi elettrici ed elettronici.

I trasloelevatori senza rigeneratori dissipano questa energia sotto forma di calore, sprecandola e causando quindi una perdita energetica.

La quantità di energia rigenerata dipenderà dal peso spostato e dall’altezza del trasloelevatore. Si stima un risparmio medio dal 15% al 20% nel consumo energetico totale di una macchina

I rigeneratori di energia consentono di restituire alla rete elettrica l’energia generata dai trasloelevatori durante le manovre di discesa e decelerazione dell’asse

Sviluppo di software

Una pratica di efficienza energetica molto diffusa nei magazzini automatici si basa sul software, non tanto sugli elementi fisici dell’impianto. Il sistema di gestione magazzini, insieme al software di controllo, coordina le movimentazioni dei mezzi di sollevamento.

Ad esempio, il sistema di controllo sviluppato da Mecalux è preparato per razionalizzare l’uso di energia elettrica da parte dei mezzi di sollevamento, adeguando in ogni momento il consumo all’intensità delle attività svolte.

Gestore degli avviamenti
La potenza elettrica richiesta da un elemento mobile (trasloelevatore, navetta, elevatore ecc.) varia durante le differenti fasi di movimento:

Accelerazione: si deve vincere l’attrito statico e accelerare la massa dell’oggetto in questione fino a raggiungere la velocità nominale. Si tratta della fase di movimento che richiede maggiore apporto di potenza.
Velocità nominale: la macchina si sposta a velocità costante. Una volta fornita l’energia necessaria per accelerare l’oggetto, il motore dovrà solo vincere le forze di attrito dinamico e, nel caso dell’elevazione, compensare la forza di gravità.
Decelerazione: non crea consumo energetico e il motore si comporta come un generatore.

Il gestore degli avviamenti è un sequenziatore che, in base a queste tre fasi, anticipa la potenza richiesta dalle macchine che compongono il magazzino e permette di avviare il movimento se vi è la capacità di potenza sufficiente.

Questo gestore è generico, ossia organizza l’avviamento di tutti i dispositivi installati nel magazzino (indipendentemente dal tipo di macchine) e può gestire le richieste di macchine diverse.

Inoltre, dispone di un file di configurazione nel quale è indicata la quantità di macchine da controllare e il servizio elettrico fornito.

Gestore degli assi
Effettua una gestione ottimale dell’accelerazione e della velocità delle macchine multiasse di movimento simultaneo, come i trasloelevatori.

Inizialmente, il gestore degli assi esegue un calcolo del tempo stimato dei movimenti di traslazione ed elevazione considerando il 100% di accelerazione e velocità. Successivamente, stabilisce una riduzione di accelerazione e di velocità per l’asse con il tempo di movimento inferiore. Tale riduzione non potrà mai superare il tempo di movimento dell’altro asse poiché, in caso contrario, penalizzerebbe i cicli di lavoro.

La riduzione dell’accelerazione avviene in modo graduale, verificando a ogni ripetizione il nuovo tempo di movimento previsto e confrontandolo con l’altro asse.

Una volta giunti al valore minimo di accelerazione configurato, si ripete lo stesso processo riducendo gradualmente il valore della velocità, fino a raggiungere il rapporto ottimale nel movimento di entrambi gli assi.

Si cerca in questo modo di evitare avviamenti bruschi e, di conseguenza, di aumentare la durata degli elementi meccanici, elettrici ed elettronici.

Inoltre, si cerca di diminuire eventuali picchi dell’avviamento non necessari e ridurre quanto più possibile la domanda di potenza elettrica.

Soluzione logistica idonea

Sebbene le prassi di efficienza energetica nella progettazione dei mezzi di sollevamento siano fondamentali per ridurre il consumo di energia, è possibile ottenere questo obiettivo anche adottando una soluzione logistica appropriata. Una soluzione semplice e che permetta di ridurre, se non eliminare del tutto, i movimenti ridondanti è un obiettivo a cui gli ingegneri e i tecnici devono tendere quando progettano un magazzino. Quanto più complessa e automatizzata è la soluzione, maggiore sarà il consumo di energia necessario per il suo funzionamento.

Oltre a un maggiore consumo, un’automazione eccessiva richiede un investimento più sostanzioso ed è possibile che il ROI non avvenga in tempi brevi. Inoltre può influire direttamente sui costi di gestione.

L’ideale è trovare un equilibrio: devono essere automatizzati solo i processi necessari e nei quali ciò possa essere fatto a breve termine, senza perdere di vista l’ottimizzazione nel consumo energetico della soluzione prevista

Il sistema di stoccaggio più adeguato è quello che soddisfa le esigenze in quanto a capacità, sistema operativo e cicli previsti.Al momento di effettuare la scelta, è opportuno tenere conto anche di altri fattori, ad esempio l’investimento iniziale e i consumi energetici.