Upgrade degli impianti di piattaforma di una nave militare – implementazione di un sistema di controllo/gestione remoto di una centrale frigorigena dell’impianto di condizionamento

Author(s):
A. Lugli - SITEM

Industry:
Government/Defense

Products:
Compact FieldPoint, LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
Sviluppo, nell’ambito di attività manutentive curate dall’Arsenale della Marina Militare di La Spezia, di un sistema distribuito per il monitoraggio ed il controllo remoto degli elementi costituenti l’impianto di condizionamento della Nave Carabiniere della Marina Militare Italiana. Il sistema deve essere integrato con la gestione a logica cablata già esistente. Il sistema quindi deve essere in grado di fornire informazioni in tempo reale sullo stato operativo dei diversi sottoapparati e deve avere la capacità di controllarne le funzioni dalla centrale operativa in modo intuitivo con quadri sinottici specifici. L’implementazione del software di supervisione deve prevedere logiche specifiche per la ricerca e l’identificazione di guasti o malfunzionamenti, oltre al calcolo ed alla presentazione di dati non direttamente acquisibili dal campo.

The Solution:
Tra le possibili soluzioni perseguibili, è stato utilizzato il sistema distribuito National Instruments NI Compact FieldPoint, in grado di acquisire e gestire tutti i segnali dalla centrale di condizionamento e inviarli via rete Ethernet alla centrale operativa; l’installazione delle unità NI Compact FieldPoint è stata effettuata integrando tutte le sicurezze già esistenti e non precludendo l’eventuale controllo locale in logica cablata. Il Software di Supervisione in Centrale Operativa, sviluppato in ambiente National Instruments NI LabVIEW, è in grado di soddisfare tutte le funzionalità SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) previste dai requisiti di base, fornendo inoltre agli utenti una elevata capacità di manutenzione preventiva e predittiva di tutti gli impianti costituenti il sistema di condizionamento.

Breve riassunto

Il sistema qui descritto è un sistema di acquisizione dati, altamente flessibile, in grado di controllare in remoto, via rete ethernet, i parametri di funzionamento dei diversi impianti costituenti la centrale di condizionamento (frigorigena) di Nave Carabiniere, pur mantenendo tutte le sicurezze ed il controllo locale in logica cablata. Il software di supervisione, oltre a presentare in sinottici specifici i dati acquisiti e tutti i parametri calcolati, è in grado di fornire indicazioni sullo stato di funzionamento del sistema e su eventuali guasti, identificando il sottoapparato in condizioni critiche. Il sistema è stato implementato utilizzando moduli National Instruments Compact FieldPoint, mentre il software di supervisione è stato implementato in ambiente National Instruments LabVIEW. L’utilizzo del sistema a bordo di Nave Carabiniere ha consentito una ottimizzazione nella gestione dell’apparato di condizionamento, consentendo agli operatori di intervenire in modo tempestivo e puntuale sulla sua manutenzione e sul suo utilizzo in modo remoto dalla Centrale Operativa.

L’applicazione

Il Reparto Frigoriferi di MARINARSEN La Spezia è specializzato nell’installazione e nella revisione dei sistemi di condizionamento installati a bordo delle navi della Marina Militare Italiana. Particolarmente sentita è l’esigenza di disporre di uno strumento idoneo per il monitoraggio dei parametri operativi a bordo nave per ottimizzare gli interventi manutentivi, riducendone i tempi ed intervenendo sui sottoapparati critici in modo mirato attraverso l’analisi dello storico acquisito durante la navigazione ed il funzionamento degli impianti.
Alla luce di questa esigenza è stato sviluppato un sistema di monitoraggio e telecomando pilota, specifico per la Nave Carabiniere, e ne è stato valutato il funzionamento durante la normale attività della stessa. Come si potrà dedurre dai paragrafi seguenti, il sistema ha acquisito anche funzionalità avanzate di manutenzione preventiva/predittiva con capacità di ricerca e diagnosi dei guasti particolarmente utile in navigazione, oltre ad una presentazione dell’impianto in centrale operativa attraverso un apposito software di supervisione sviluppato in ambiente NI LabVIEW ed operante su un PC Industriale con sistema operativo Windows XP Professional.

L’Impianto di Condizionamento di Nave Carabiniere
L’impianto condizionamento di Nave Carabiniere consta di due centrali, una prodiera ed una poppiera, ciascuna comprendenti due elettrocompressori, due condensatori e due evaporatori.
In particolare la centrale poppiera (utilizzata per la sperimentazione e visibile in fig. 1) è composta da:
nr. 2 elettrocompressori frigoriferi (nr. 3 e 4) semiermetici da 180.000 frigorie ciascuno
nr. 2 evaporatori
nr. 2 condensatori
nr. 2 gruppi disidratatori
nr. 2 valvole termostatiche
nr. 1 quadro di comando che asserve tutti e due i compressori
nr. 1 elettropompa di circolazione acqua refrigerata
nr. 1 elettropompa di circolazione acqua calda
nr. 1 elettropompa di circolazione acqua mare
nr. 2 quadri elettrici di forza per l’avviamento compressori

L’impianto di condizionamento originale non forniva dati o informazioni utili all’operatore per determinare il corretto funzionamento della centrale, limitandosi solamente alla gestione locale dei due compressori secondo una logica cablata; anche le sicurezze implementate sull’impianto erano di tipo a logica cablata. L’impianto originale inoltre non prevedeva alcuna possibilità di telecomando da altri locali della nave, imponendo così l’intervento dell’operatore sia per necessità ordinarie (verifica ed ispezione del funzionamento) che straordinarie (malfunzionamenti o offline dell’impianto).

Il Sistema di Monitoraggio e Telecomando
Durante l’ultimo ciclo di revisione dell’impianto di condizionamento di Nave Carabiniere si è quindi provveduto all’installazione di tutti i sensori di temperatura, pressione e portata necessari per la caratterizzazione del funzionamento dei due gruppi di condizionamento costituenti la centrale poppiera e della relativa centralina locale di acquisizione e remotizzazione dati, sviluppata attorno ad un sistema NI Compact FieldPoint. La struttura e la conformazione di NI Compact FieldPoint hanno semplificato l’installazione della centralina nella centrale poppiera, ottimizzando così il passaggio dei cavi provenienti dai diversi sensori installati e l’interfacciamento alla logica cablata per la gestione locale dell’impianto e delle relative sicurezze. I segnali così acquisiti sono trasferiti via rete Ethernet al PC Supervisore (PC industriale con S.O. Windows XP), che ne gestisce la memorizzazione e la visualizzazione all’operatore, oltre alla loro elaborazione secondo le logiche di manutenzione predittiva e di ricerca guasti implementate dal reparto frigoriferi. Il software di supervisione è stato sviluppato in ambiente NI LabVIEW, sfruttandone le potenzialità di interfacciamento al campo e di presentazione dei dati su sinottici il più possibili intuitivi per l’operatore.
Nella configurazione installata, il sistema gestisce un totale di 72 segnali, di cui:
nr. 21 Sensori di temperatura
nr. 14 Sensori di pressione
nr. 4 Misuratori di portata
nr. 4 Amperometri
nr. 13 Ingressi Digitali
nr. 16 Uscite a Relè
Lo schematico complessivo del sistema implementato è riportato in fig, 2.

Il programma di supervisione, oltre alla visulaizzazione e alla presentazione dei dati tipici di un Software SCADA è inoltre dotato delle seguenti funzionalità:
- Comando remoto in Centrale Operativa di : pompa acqua mare, pompe acqua refrigerata.
- Visualizzazione in Centrale Operativa dei dati: pressione (mandata e aspirazione gas frigorigeno) dei compressori e delle pompe acqua mare e refrigerata , temperatura carter dei compressori e temperature degli scambiatori di calore (gas frigorigeno, acqua mare ed acqua refrigerata).
- Registrazione e visualizzazione (tramite diagramma cartesiano) dei dati di pressione di aspirazione, mandata, olio di tutti i compressori.
- Possibilità di utilizzo in caso di emergenza del circuito acqua mare incendio della nave (che esclude alcune sicurezze tramite password) anziché della pompa acqua mare dedicata.
- Storico interventi delle sicurezze.
- Controllo di funzionalità dei sensori di temperatura e indicazione/individuazione di eventuali sensori danneggiati .
- Controllo efficienza filtri inseriti sul circuito freon.
- Memorizzazione ore di lavoro dei compressori.
- Arresto della centrale di Condizionamento in caso di avarie del sistema informatico o danneggiamento dei cavi di collegamento tra elaboratore dati e centrale di condizionamento.
- Visualizzazione delle potenze termiche scambiate dalla centrale.
- Grado di efficienza degli scambiatori, (utile per la manutenzione programmata).
- Regolazione della temperatura acqua refrigerata dalla Centrale Operativa .
- Possibilità di funzionamento della centrale utilizzando il vecchio sistema di controllo in caso di guasto del sistema informatico o per scelta operativa.
- Indicazione sui tipi di interventi da eseguire in caso di problemi ai circuiti elettrici e ai circuiti freon.
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Conclusioni e Futuri Sviluppi
L’implementazione del sistema di controllo/gestione remoto della Centrale di Condizionamento poppiera di Nave Carabiniere ha fornito un esito del tutto soddisfacente sia in termini di rapporto diretto costo/efficacia, sia in termini di affidabilità; quest’ultimo è il parametro critico ed irrinunciabile che caratterizza il contesto (Naviglio Militare) di applicazione del nuovo sistema.
Nel futuro a breve/medio termine, si può ragionevolmente prevedere una replica di questo sistema su altra Unità Navale non prototipica e, contestualmente, ne sarà valutata l’estensione alla gestione/controllo remoto di singoli condizionatori periferici asserviti ad utenti vitali di una Nave Militare.

Ringraziamenti

SITEM desidera ringraziare il Reparto Frigoriferi dell’Arsenale Militare di La Spezia ed in particolare i Signori Cesare Mori e Giacomo Cozzani per la stesura del presente articolo.

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A. Lugli
SITEM
Tel: 010 6591757
alessandro.lugli@sitemnet.it

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