Digital twin geometrico di un impianto e suo utilizzo per manutenzioni complesse

Implementare tecnologie all’avanguardia in impianti esistenti è una missione imprescindibile

  • Novembre 18, 2022
  • 12 views
  • Figura 1: sulla sinistra - nuvola di punti; sulla destra -  modellazione 3D
    Figura 1: sulla sinistra - nuvola di punti; sulla destra - modellazione 3D
  • Figura 2: sulla sinistra - simulazione in ambiente immersivo; sulla destra - valutazione dell'ergonomia
    Figura 2: sulla sinistra - simulazione in ambiente immersivo; sulla destra - valutazione dell'ergonomia
  • Figura 3: Confronto tra esecuzione lavori e simulazione
    Figura 3: Confronto tra esecuzione lavori e simulazione
  • Figura 4: Visualizzazione delle informazioni di una sonda di vibrazione su geometrical digital twin
    Figura 4: Visualizzazione delle informazioni di una sonda di vibrazione su geometrical digital twin

Un impianto, per operare continuativamente per decenni, ha bisogno di una costante manutenzione ordinaria, di un’efficace manutenzione straordinaria quando necessaria, e di ripetuti interventi di upgrade dei macchinari per mantenerlo al passo con gli sviluppi tecnologici. Con gli ambiziosi, e necessari, obiettivi di riduzione degli inquinanti che questi anni ci prospettano, riuscire ad implementare tecnologie sempre all’avanguardia in impianti esistenti è diventata una missione imprescindibile.

Un impianto industriale può essere visto come un organismo complesso, in cui troviamo molti sistemi diversi che si interfacciano e funzionano assieme. Va da sé che per realizzare un grande intervento di miglioria o manutenzione, come può essere la sostituzione del modulo di una turbina a gas in una piattaforma offshore, bisogna conoscere perfettamente com’è fatto l’impianto e avere un team di specialisti che si occupi di sviluppare delle soluzioni dedicate e specifiche per riuscire ad installare le nuove tecnologie in quello specifico impianto, con tutte le sue peculiarità e criticità. Definiamo questo tipo di attività come upgrade o manutenzione straordinaria complessa, proprio perché non la si può intendere come un’attività né standard, né “a catalogo”, ma ogni volta è necessario un esercizio di analisi dell’impianto esistente e lo sviluppo di soluzioni specifiche per riuscire a manutenere o installare un macchinario, un sistema o più in generale un prodotto tecnologico.

Il team di Maintenance and Installation Engineering, all’interno della divisione Service Engineering di Nuovo Pignone (che dal 2019 fa parte di Baker Hughes), si occupa di queste attività di upgrade e manutenzioni straordinarie complesse. Uno dei compiti del team è quello di produrre documenti a carattere manualistico chiamati “Field Modification Instructions”. Si tratta di procedure operative che descrivono le attività di smontaggio e modifica che devono essere realizzate sull’impianto, fino ad arrivare all’installazione e messa in servizio della nuova tecnologia. Quando una procedura non è sufficiente, il team progetta anche degli “Smart Tools”: attrezzature speciali sviluppate specificatamente per installare un preciso prodotto nel dato impianto, o per effettuare specifici interventi di manutenzione.

Per realizzare le Field Modification Instructions e Smart Tools, è prima di tutto necessario conoscere l’impianto nel dettaglio. Questo può essere decisamente complicato in caso di impianti molto datati, in cui è difficile reperire la documentazione o di terze parti. Dal 2015 il team ha iniziato a fare uso della Scansione Laser per creare una copia digitale (Geometrical Digital Twin) dell’impianto.

La scansione laser è una metodologia di rilevamento di oggetti tridimensionali di qualsiasi tipo (edifici, macchine, impianti industriali…). Lo strumento di scannerizzazione emette impulsi laser in successione, a raggiera partendo dal centro dello scanner, e acquisisce le coordinate spaziali dei punti su cui raggi laser si riflettono, l’insieme di queste coordinate georiferite si chiama nuvola di punti.

È chiaro che se un oggetto non è visibile all’ottica dello scanner, questo non sarà acquisito; per eseguire la scansione completa di un’oggetto o di una porzione di un impianto, lo scanner dovrà essere piazzato in varie posizioni, razionali e strategiche in funzione della geometria che si vuole acquisire, per evitare di avere angoli ciechi.

Tutte le nuvole di punti acquisite durante le varie scansioni devono poi essere unite e allineate tramite software specifici, andando a creare una nuvola di punti complessiva, sommatoria delle singole, che non presenta angoli ciechi e che rappresenti integralmente la geometria che vogliamo acquisire.

In caso di geometrie molto complesse, come gli impianti, per essere certi di allineare correttamente le nuvole è opportuno applicare fisicamente all’interno dell’impianto dei “target”; questi non sono altro che marker fisici che funzionano da punti di riferimento assoluti per le nuvole. Questi target devono essere acquisiti in fase di scansione. Per allineare perfettamente due nuvole, queste devono condividere almeno tre target.

In termini di tempo, per eseguire una singola scansione servono tra i 10 ed i 30 minuti, a seconda del tipo dello strumento, della risoluzione della scansione e dell’ambiente di lavoro. Come riferimento, per effettuare la scansione piano turbomacchine di un impianto LNG, in cui si trovano turbine a gas e compressori centrifughi con relativi ausiliari, sono necessarie dalle 90 alle 100 scansioni impostando un’accuratezza di 1.9mm a 10m con un errore di misura minore o uguale a 1mm.

Una volta acquisita la nuvola di punti che raffigura l’impianto al momento della scansione, questa viene processata e tradotta in superfici fino a realizzare un unico modello 3D, gestibile dai più comuni software CAD, che rappresenta il Digital Twin geometrico dell’impianto. Il modello 3D elaborato da questa nuvola arriva a pesare alcuni GB (Fig. 1).

Avere un duplicato digitale della geometria dell’impianto permette prima di tutto di poterlo studiare approfonditamente, inoltre ci dà l’opportunità di utilizzare applicativi software per simulare in le varie attività di modifica, smontaggi e movimentazioni che devono essere realizzate. Quest’ultimo aspetto simulativo è di fondamentale importanza, permette di cogliere in anticipo eventuali non conformità, problemi di accessibilità o sicurezza e refusi di progetto così da correggerli in tempo per poi avere un’esecuzione lavori senza imprevisti.

Prendiamo ad esempio un progetto reale: la sostituzione di un modulo turbina PGT5/2 (7MW, 11 Ton circa) installata in una piattaforma offshore in servizio dal 1987. Per acquisire la nuvola di punti relativa al piano macchine sono stati necessari 5 giorni di lavoro di un singolo operatore supportato dal personale del cliente; per la successiva modellazione 3D è servito un ulteriore mese di lavoro. Il modello 3D raffigurante il Geometrical Digital twin dell’impianto pesa circa 600MB.

Tutte le fasi di smontaggio e movimentazione sono state simulate usando software CAD 3D, alcuni montaggi particolarmente complessi sono stati ricreati in ambiente virtuale immersivo e di quest’ultimi è stata fatta anche la valutazione dell’ergonomia per gli operatori. Dopo ogni iterazione simulativa veniva aggiornato il design degli Smart Tools in sviluppo (Fig. 2).

Avere la possibilità di simulare tutte le attività e di validare le attrezzature speciali in ambiente virtuale ha ci ha permesso di fornire al cliente una Field Modification Instruction e un set di Smart Outage Tools realizzati specificamente per il suo impianto. A corredo della documentazione è stato prodotto anche una video che rappresenta fedelmente i passaggi particolarmente critici.

Grazie a tutti questi studi, il cliente con la supervisione di un tecnico Nuovo Pignone in loco, ha completato il cambio del modulo in 30 giorni, senza imprevisti. In precedenza, per la manutenzione ordinaria dello stesso modulo, erano stati necessari fino a 180 giorni (Fig. 3).

Avere a disposizione un Digital Twin geometrico dell’impianto, apre le porte anche ad altre applicazioni. Tramite software dedicati è possibile collegare alla geometria 3D la documentazione specifica di qualsiasi  parte di impianto: P&ID, video-procedure, manuali di istruzione, documenti di progetto... Ad esempio, dovendo spiegare ad un collega come effettuare un intervento di manutenzione ordinaria, come il cambio di una tenuta su un compressore, potremmo aprire il Geometrical Digital Twin dell’impianto per far vedere come e dove è posizionata la tenuta, cosa deve fare l’operatore per accedervi e, una volta visibile la sede della tenuta, visualizzarne nello stesso ambiente virtuale la procedura che spiega come smontare, rimontare e allineare la tenuta. Questa procedura potrebbe essere un semplice file .pdf o un video interattivo (Fig. 4).

Il Geometrical Digital Twin non è utile solo per scopi simulativi e per collegare in modo intuitivo le procedure manutentive ai componenti interessati. Al modello possono essere associate anche le letture dei sensori installati sulle macchine: per conoscere la lettura di uno strumento basta “muoversi” nel modello 3D fino ad individuarlo e visualizzarne la lettura. Questi sono solo alcuni esempi. Di fatto al Geometrical Digital Twin può essere associato e georiferito qualsiasi tipo di dato e informazione digitale.

Concludendo, poter tradurre un impianto reale in una sua copia digitalizzata apre le porte a varie opportunità e ci permette di fruire di vantaggi del mondo virtuale. Può essere usato come strumento di progettazione e simulativo per realizzare soluzioni “sartoriali” personalizzate sulle specifiche necessità del cliente, come strumento informativo per una più rapida e amichevole fruizione dei dettagli funzionali dell’impianto, come strumento di training o per ogni altra applicazione che tragga vantaggio dall’avere a disposizione una raffigurazione fedele e digitale dell’impianto.

Al link è possibile leggere e scaricare la versione inglese dell'articolo, dal titolo "Plant geometrical digital twin and its application to complex maintenance activity"

Andrea Righeschi, Principal Engineer - Maintainability, Service Engineering Turbomachinery & Process Solutions, Baker Hughes

Giacomo Braglia, Senior Engineer Service Engineering,Turbomachinery & Process Solutions, Baker Hughes

Rossana Saullo si laurea prima in Lettere Moderne presso l’Università della Calabria di Cosenza, successivamente consegue la laurea magistrale in Letteratura, Filologia e Linguistica Italiana presso l’Università degli Studi di Torino. Nel 2020 consegue il Master Professione Editoria Cartacea e Digitale presso l’Università Cattolica di Milano. Da settembre 2020 lavora in TIMGlobal Media.

Altri articoli Contatto