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Caso di studio

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Impianto di assemblaggio motori Toyota taglia i costi energetici con nuovi sistemi di controllo dei compressori d'aria

Nuovi controlli per risparmiare 1 milione di chilowattora l'anno e sostenere gli obiettivi di zero emissioni di Toyota

Sfida

  • Il sistema di compressione aria rappresentava il 25% dei costi energetici di un impianto di assemblaggio motori

Soluzioni

  • PLC CompactLogix - Apparecchiature e programmi per aumentare l'efficienza dei cinque grandi compressori d'aria dell'impianto
  • PLC ControlLogix - Consentono ai compressori di condividere il carico e prelevare l'aria immagazzinata da un serbatoio
  • FactoryTalk VieSoftware FactoryTalk View SE - Fornisce agli operai dello stabilimento e ai collaboratori a distanza l'accesso alle informazioni del sistema in tempo reale

Risultati

  • Riduzione dei costi energetici - Controlli più efficienti e l'accesso all'aria immagazzinata riducono il consumo di energia di quasi 1 milione di chilowattora (circa 68.000 dollari) all'anno
  • Manutenzione semplificata - I dati in tempo reale forniscono ai lavoratori informazioni sulle prestazioni del sistema e facilitano la risoluzione dei problemi. L'accesso remoto consente agli OEM di intervenire online anziché sul posto

Un freno alle emissioni

Oggi tutti parlano di veicoli a zero emissioni, ma avete mai sentito parlare di produzione di veicoli senza emissioni?

Questa è esattamente l'idea di Toyota, una delle più grandi case automobilistiche del mondo. La Toyota Environmental 2050 Challenge mira infatti ad eliminare le emissioni di CO2 da tutti gli impianti di produzione Toyota entro il 2050.

Per raggiungere questi ambiziosi obiettivi, Toyota sta introducendo delle misure per ridurre i consumi di energia e per passare alle energie rinnovabili. E come testimonia lo stabilimento di Huntsville, in Alabama, questi sforzi stanno aiutando Toyota non solo a ridurre il proprio impatto ambientale, ma anche a migliorare i profitti.

Costi energetici "gonfiati"

Lo stabilimento di Huntsville produce motori per alcuni veicoli Toyota come i modelli Tacoma, Tundra e Highlander. I lavoratori dello stabilimento ricevono i componenti del motore provenienti da altre strutture per lavorarli e montarli nei motori che poi andranno a finire in altri impianti ancora.

Il sistema di compressione dell'aria dell'impianto è fondamentale per il processo di produzione. Composto principalmente da cinque grandi compressori d'aria centrifughi, il sistema fornisce aria compressa ad un impianto di 112 mila metri quadrati per diversi processi.

I sistemi ad aria compressa sono per natura ad alta intensità energetica. Il sistema dello stabilimento di Huntsville non fa eccezione, costituendo il 25% dei costi energetici annuali dell'impianto.

I controlli esistenti hanno reso il sistema ancora più energivoro. I vecchi controlli infatti erano lenti nell'avviare i compressori e non permettevano loro di lavorare insieme come un sistema integrato, e inoltre non avevano abbastanza accumulo di aria compressa da cui attingere durante i picchi di domanda.

A causa di queste limitazioni, era necessario tenere i compressori in funzione più del necessario per la maggior parte della giornata per garantire una capacità d'aria sufficiente durante brevi e occasionali picchi di domanda nell'impianto.

"Abbiamo bisogno di un minimo di 81 PSI per far funzionare le macchine senza interruzioni", ha commentato Eddy Kiggen, un tecnico di impianto della Toyota. "Ma dato che i compressori impiegavano troppo tempo per avviarsi, abbiamo dovuto mantenere 91 PSI per essere sicuri di non scendere sotto 81 PSI di pressione".

Il contratto di fornitura elettrica dell'impianto ha creato altre difficoltà poiché prevedeva un costo maggiore per l'energia consumata durante le ore di picco. Se bisognava avviare uno dei grandi compressori durante questi periodi per mantenere l'impianto alla massima capacità, un singolo avvio della macchina poteva fare aumentare la bolletta dell'energia elettrica dell'impianto del 100% delle spese energetiche di un giorno.                     

Aggiornamenti a livello locale e di impianto

Per contenere i costi e sostenere la sua iniziativa di risparmio energetico, Toyota Motor Manufacturing, Alabama (TMMAL) ha deciso di aggiornare i sistemi di controllo dei compressori d'aria dello stabilimento.

Per il progetto si sono rivolti a IZ Systems e Case Engineering, un costruttore di macchine della rete PartnerNetwork di Rockwell Automation. L'azienda ha fornito una soluzione in due fasi che riguardava i controlli locali e quelli a livello di impianto.

A livello locale, Case ha migrato i controllori dei cinque grandi compressori alla sua soluzione di controllo AirLogix. La soluzione si basa sulla piattaforma di controllo CompactLogix e include un'interfaccia operatore PanelView Plus 7 che fornisce agli operatori informazioni sulle prestazioni e i dati diagnostici di ogni compressore.

A livello di impianto, Case ha utilizzato la soluzione di condivisione del carico AirMaster per creare un sistema di controllo generale dell'aria compressa. Questa soluzione si basa sulla piattaforma ControlLogix e utilizza il software FactoryTalk View SE per la raccolta e la visualizzazione dei dati. Case ha lavorato con IZ Systems che ha anche installato un serbatoio di stoccaggio da 5.000 galloni di aria compressa a 500 PSI per consentire il tempo di recupero del sistema senza interruzioni.

Una valvola modulante eroga aria durante i periodi di massima richiesta. L’aria immagazzinata garantisce una transizione uniforme quando è necessaria una macchina centrifuga aggiuntiva per soddisfare la richiesta d'aria dell'impianto.

Grandi risparmi

I nuovi e più efficienti controlli dei compressori d'aria hanno aiutato l'impianto di Huntsville a ridurre il consumo annuo di energia di quasi 1 milione di chilowattora. E questo senza contare i risparmi realizzati evitando gli avvii durante le ore di punta.

Di conseguenza, l'impianto ha recuperato l'investimento nei nuovi controlli più velocemente dei due anni previsti.

"Siamo stati in grado di ridurre il setpoint del sistema da 91 a 85 PSI", ha spiegato Kiggen. "Ecco da dove derivano gran parte dei risparmi di questo progetto".

I controlli locali aggiornati aiutano i compressori a funzionare in modo più efficiente rispetto a prima, aumentando la capacità di modulazione di ogni macchina. Il nuovo controllore master monitora la pressione e il flusso d'aria per avviare o arrestare i compressori in base alla domanda. Attinge aria compressa dal serbatoio di stoccaggio ad alta pressione quando un compressore si attiva, gestisce i picchi di domanda ed evita i potenziali problemi.

"Nel modo in cui è impostato ora, abbiamo sempre abbastanza pressione nel serbatoio di stoccaggio per eventuali cali o guasti al compressore", ha detto Kiggen. "Anche se un compressore non dovesse funzionare, possiamo avviarne un altro senza che gli addetti all'impianto si accorgano di nulla".

Il nuovo sistema fornisce ai lavoratori informazioni sui trend di pressione e portata dell'aria, il consumo di energia e i dati critici di ogni macchina, incluse le vibrazioni. E poiché queste informazioni sono disponibili quasi in tempo reale – a differenza che in passato – essi adesso possono monitorare il sistema dell’aria compressa e rendere più semplice la ricerca guasti.

I tecnici possono visualizzare le informazioni a livello locale in ogni macchina come parte del loro monitoraggio delle operazioni di routine. Toyota e Case Engineering possono visualizzarle da qualsiasi luogo utilizzando l'accesso remoto.

"Dopo l'elettricità, l'aria è la risorsa più importante che abbiamo, quindi la usiamo con attenzione", ha detto Kiggen. “Guardo i dati ogni giorno per vedere come funziona il sistema e per verificarne l'efficienza. Se abbiamo un problema, come una caduta di pressione o il serbatoio di stoccaggio che scende al di sotto di un certo livello, ricevo un messaggio di testo. Ci piace anche avere Case collegata e segnalare loro un inconveniente in modo che possano risolvere subito il problema online.”

Toyota sta cercando di replicare questo progetto negli altri stabilimenti per ottenere risparmi energetici simili, continuando a puntare verso l'azzeramento delle emissioni di CO2.

“Creare processi produttivi a zero emissioni per la costruzione di veicoli è un compito molto importante", ha detto Kiggen. "In questo momento stiamo cercando di risparmiare quanta più energia possibile prima di passare alle energie rinnovabili. E per questo impianto, l’aggiornamento dei controlli rappresenta uno dei progetti energetici di maggior successo che abbiamo realizzato da molto tempo a questa parte".

I risultati di cui sopra sono specifici per l'utilizzo da parte di Toyota dei prodotti e servizi Rockwell Automation in combinazione con altri prodotti. I risultati specifici possono variare per altri clienti.

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