Quando un impianto di processo perde l'alimentazione elettrica, un gran numero di valvole deve portarsi in una posizione di sicurezza definita – chiusura per default per interrompere l'alimentazione di un reattore, apertura per default per sfiatare una linea oppure mantenimento dell'ultima posizione per conservare una separazione delicata. Fornire questo movimento senza corrente di rete è il compito di un attuatore a prova di guasto, e il problema ingegneristico è fondamentalmente un problema di accumulo di energia: da dove arriva l'energia per quella corsa decisiva, ed è garantita presente anni dopo la messa in servizio? Esistono tre risposte consolidate – una molla meccanica caricata durante il funzionamento normale, un elemento di accumulo elettrico come un supercondensatore oppure un pacco batteria ricaricabile –, e i prodotti di riferimento illustrano tutte e tre le vie, dalle unità a molla a forza costante qualificate per alti livelli di integrità di sicurezza agli attuatori elettroidraulici e con backup a batteria. Questo primo articolo analizza il profilo di carico necessario a portare una valvola in posizione di sicurezza, quantifica l'energia di coppia e di corsa in gioco, spiega il comportamento a corse multiple seguito da standby dei moderni attuatori fail-safe elettrici e colloca il backup al nichel-metallo idruro (NiMH) sigillato con onestà accanto a molle e supercondensatori nel quadro di sicurezza funzionale IEC 61508 che governa l'intera decisione.
Un attuatore a prova di guasto deve, alla perdita dell'alimentazione normale, fornire una coppia sufficiente e controllata per muovere la valvola per l'intera corsa fino alla posizione di sicurezza, mantenerla o serrarla correttamente – e farlo dopo anni di standby in cui l'energia di riserva potrebbe non essere mai stata utilizzata. L'energia richiesta è l'integrale della coppia lungo la corsa dello stelo – coppia di distacco per liberarla dalla sede, coppia di marcia durante la corsa e coppia di chiusura per serrare contro il processo –, espressa rispetto alla coppia nominale della valvola in newton-metro, cui si aggiungono le perdite del motore e del riduttore.
Fondamentale: la riserva deve essere dimostrata disponibile a fine vita, alla temperatura minima specificata (quando i lubrificanti si addensano e l'impedenza della batteria aumenta) e dopo lunghi periodi di inattività. Questo requisito «sempre pronto, raramente usato» è la sfida caratteristica dell'accumulo fail-safe e il motivo per cui ciascuna delle tre tecnologie occupa una nicchia distinta.
La soluzione classica accumula energia meccanica in una molla caricata dal motore elettrico durante il funzionamento normale; in caso di interruzione, un solenoide o un fermo meccanico si rilascia e la molla porta la valvola in sicurezza in un'unica corsa rapida. Prodotti come le unità fail-safe AUMA FQM/FQMEx usano una molla a forza costante e sono proposti in versioni adatte ad applicazioni ad alta integrità di sicurezza (fino a SIL 3), mentre l'Emerson Bettis RTS FQ compie la sua azione di sicurezza tramite molla meccanica senza dipendere in alcun modo da un condensatore o da una batteria.
I punti di forza della molla sono l'indipendenza dalla chimica di accumulo elettrico e un'azione autonoma relativamente facile da portare a un alto livello di integrità; i suoi costi sono una sola corsa non regolabile, lo sforzo meccanico e l'usura del meccanismo a molla, un ingombro maggiore e la necessità di ricaricarsi elettricamente prima di riprendere il funzionamento. Una molla è eccellente per un movimento di sicurezza decisivo, ma non può eseguire facilmente più riposizionamenti controllati o sequenze prolungate.
I condensatori elettrochimici a doppio strato accumulano l'energia fail-safe in forma elettrica e la restituiscono ad alta potenza, con una vita ciclica pressoché illimitata e funzionamento su un ampio intervallo di temperatura; si caricano rapidamente ogni volta che è presente la rete e tollerano i frequenti cicli di autodiagnosi eseguiti da un attuatore moderno. Sono interessanti quando l'attuatore compie una corsa breve ad alta potenza e quando le prove periodiche di verifica sollecitano spesso la riserva.
Il loro limite è l'energia: i supercondensatori contengono molta meno energia per unità di volume e per euro di una batteria, e la loro autoscarica impone di mantenerli continuamente in carica; sono quindi adatti ad azioni di sicurezza da pochi secondi a un minuto, non a sequenze di molti minuti o a più corse complete. Richiedono inoltre la gestione del bilanciamento della tensione delle celle su una lunga vita utile. Per un singolo intervento rapido sono eccellenti; per un comportamento fail-safe più ricco restano a corto di energia.
La terza via mantiene una batteria ricaricabile in carica di mantenimento durante il funzionamento normale e la usa per alimentare il motore e i controlli dell'attuatore quando viene a mancare la rete. Prodotti reali mostrano il comportamento che ciò consente: alcuni attuatori elettrici con backup possono posizionare la valvola più volte – compiendo non un solo intervento ma una sequenza di movimenti – per poi passare a una modalità di risparmio energetico, tornando automaticamente al funzionamento normale al ripristino dell'alimentazione; l'alimentazione ausiliaria che mantiene operativa una di queste unità fail-safe elettroidrauliche è a sua volta strettamente limitata (un limite documentato intorno a 7,5 W in una gamma leader).
È qui che il NiMH sigillato è un candidato solido: rispetto a una molla, consente corse multiple e controllabili e una meccanica più semplice a minor costo; rispetto a un supercondensatore, accumula molta più energia in un pacco compatto per sequenze prolungate; e rispetto al litio, tollera meglio il freddo per la carica, è più semplice da gestire e non è classificato come litio per il trasporto. La prima figura animata confronta il carattere energia-rispetto-a-potenza delle tre vie; la seconda traccia la corrente di un attuatore con backup a batteria attraverso carica, perdita di rete, corse multiple e standby.
La pratica della sicurezza funzionale secondo la IEC 61508 richiede che una funzione di sicurezza sia periodicamente sottoposta a una prova di verifica per rivelare guasti pericolosi latenti, e la riserva di un attuatore fail-safe è esattamente un elemento del genere – può guastarsi silenziosamente durante lo standby. Gli attuatori intelligenti eseguono perciò prove automatiche di corsa parziale e monitorano lo stato di salute della propria riserva, segnalando un avviso diagnostico se l'energia accumulata scende al di sotto del necessario per l'intervento.
La tecnologia di riserva modella questo carico: per una molla si monitora la meccanica a livello di coppia e stato del fermo; un supercondensatore segnala la propria capacità e resistenza equivalente; un pacco batteria segnala tensione, resistenza interna e andamento della capacità. Il calo di capacità prevedibile del NiMH e la sua scarica piatta rendono l'andamento del suo stato di salute relativamente facile da seguire, e la sua tolleranza ai rabbocchi frequenti sostiene il regime di disponibilità continua e autodiagnosi senza le restrizioni di carica a freddo del litio. Una buona diagnostica trasforma la riserva da incognita a elemento di sicurezza monitorato – punto centrale per poter dichiarare un livello di integrità.
L'analisi produce una specifica a livelli: l'energia di corsa misurata (coppie di distacco, marcia e chiusura attraverso il riduttore), il numero e la natura delle corse richieste al guasto (intervento singolo vs sequenza controllata in più fasi), il tempo di mantenimento e il comportamento in standby richiesti, la disponibilità garantita a fine vita e alla temperatura minima, un regime di carica a disponibilità continua, la diagnostica dello stato di salute a supporto dell'intervallo di prova IEC 61508, e il grado di protezione dell'involucro (gli attuatori per valvole raggiungono comunemente IP68).
L'articolo successivo trasforma questi requisiti in un progetto concreto di backup NiMH – dimensionamento delle celle in base all'energia di corsa e al numero di corse, l'architettura di carica e monitoraggio, la combinazione ibrida con un piccolo condensatore per la corrente di spunto del motore e il confronto onesto con le soluzioni a molla e a supercondensatore. Il terzo articolo mappa poi la IEC 61508 e la norma di prodotto per attuatori EN 15714, la qualificazione dell'involucro e ambientale e le evidenze batteria IEC 61951-2, IEC 62133-2 e UN 38.3 che trasformano una riserva a batteria in una funzione di sicurezza certificabile.
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