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La digitalizzazione sostiene la ricerca sul clima nel Regno Unito

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Circa 200 anni fa, in questa foresta dello Staffordshire furono piantate delle querce per fornire legname alla flotta britannica di navi in legno. Poi è arrivata la rivoluzione industriale. L'acciaio ha sostituito il legno e la foresta è stata dimenticata. Lasciato crescere indisturbato, ora ha uno scopo molto diverso: come sito di ricerca per il Birmingham Institute of Forest Research, esperimento Free Air Carbon Dioxide Enrichment, o BiFor FACE. Qui, gli scienziati espongono gli alberi maturi a livelli elevati di CO2 per studiare come le foreste potrebbero rispondere a un clima che cambia.

Il dottor Kris Hart, che ha conseguito un dottorato in biogeochimica del suolo e ora è responsabile delle operazioni presso BiFor FACE, spiega: «Vogliamo capire come l'aumento relativamente improvviso della CO2 atmosferica, causato dalle emissioni di combustibili fossili, stia influenzando la struttura e la funzione dell'ecosistema forestale. Per farlo, stiamo esponendo sezioni campione della foresta ai livelli di CO2 previsti entro il 2050 e studiando tutto, dalla fisiologia e dalle malattie degli alberi alle piante del sottobosco, al suolo e agli insetti, praticamente a tutti i livelli a cui si possa pensare».

Questo approccio completo si basa su un controllo preciso e sull'erogazione costante di CO2, insieme alla raccolta di dati di alta qualità. Al centro di entrambi sono il nostro hardware e software di automazione industriale.

Un aggiornamento a prova di futuro

All'interno della foresta, gli alberi sono raggruppati in sei cosiddette schiere, ciascuna circondata da torri aperte che consentono al vento, alla pioggia e agli insetti di muoversi liberamente nel sito. Tre degli array sono regolarmente esposti a livelli elevati di CO2 in forma altamente pura, che proviene come sottoprodotto della digestione anaerobica dei rifiuti alimentari. In ognuno di questi array, circa 30 punti di consegna posizionati a diverse altezze rilasciano CO2. I tre array rimanenti fungono da grafici di controllo per il confronto.

Quando il progetto è stato lanciato nel 2017, è stato scelto un linguaggio di programmazione basato su testo operante su PC per controllare gli strumenti responsabili del rilascio di CO2 negli array. Col tempo, il sistema ha iniziato a mostrare la sua età e i suoi limiti, spingendo il team di BiFor FACE a cercare un'alternativa più robusta e flessibile, il che lo ha portato all'integratore di sistemi Transicon.

«Abbiamo iniziato ascoltando attentamente le esigenze dei ricercatori», afferma Jennifer Hughes, direttore generale di Transicon. «È diventato subito chiaro che la soluzione più efficace e a prova di futuro sarebbe stato un sistema di controllo industriale basato sulle tecnologie Siemens».

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È diventato subito chiaro che la soluzione più efficace e a prova di futuro sarebbe stato un sistema di controllo industriale basato sulle tecnologie Siemens.
Jennifer Hughes, Direttore generale, Transicon

Facile integrazione, messa in servizio rapida

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Gli ingegneri di Transicon hanno assemblato un pacchetto completo di tecnologie Siemens per gestire la rete di valvole, analizzatori di gas, sensori del vento e altri strumenti nel sito BiFor FACE e per raccogliere dati vitali. Al centro c'è Simatic S7-1200 controllore logico programmabile (PLC). In quanto cervello del sistema, elabora dati in tempo reale, come l'andamento del vento, le precipitazioni e l'esposizione al sole per determinare la quantità di CO2 da rilasciare per mantenere i livelli specificati. I blocchi funzionali PLC di simulazione sono stati sviluppati anche nel portale TIA (Totally Integrated Automation) di Siemens per replicare le condizioni operative del mondo reale a supporto dei test di sistema.

Sensori e attuatori in tutto il sito sono collegati al PLC tramite Simatic ET 200SP, un sistema I/O modulare che consente una raccolta affidabile dei dati e l'esecuzione dei comandi sul campo. Grazie alla sua commutazione a stato solido, il sistema è esposto a una minore usura meccanica, il che lo rende più robusto e meno soggetto a guasti. Inoltre, i moduli possono essere sostituiti a caldo senza interrompere le operazioni.

Siemens WinCC, una piattaforma SCADA, supervisiona l'intero processo, fornendo ai ricercatori di BiFor FACE una visione chiara e in tempo reale dello stato del sistema. Le esigenze di manutenzione sono ora più facili da identificare e consentono una risoluzione dei problemi più rapida e mirata. Un'innovazione chiave è stata lo sviluppo di un motore di visualizzazione 3D, che consente ai ricercatori di vedere le altezze relative di tutti i sensori e visualizzare gli array da più angolazioni, un miglioramento significativo rispetto all'interfaccia di base del sistema precedente.

Grazie al Digital Twin funzionalità integrate in Portale TIA, gli ingegneri di Transicon sono stati in grado di simulare e testare il sistema prima dell'installazione. Ciò ha semplificato il processo di integrazione e ridotto i tempi di messa in servizio riducendo la necessità di regolazioni in loco. E se avessero bisogno di assistenza lungo il percorso, potrebbero rivolgersi agli ingegneri di Siemens per ricevere assistenza.

Un modello per altri istituti di ricerca

La nuova configurazione è proprio ciò di cui avevano bisogno il dottor Kris Hart e il suo team. «L'esperienza di Transicon ci ha permesso di migliorare significativamente la precisione e l'affidabilità del nostro sistema di erogazione di anidride carbonica, che è assolutamente vitale per l'integrità della nostra ricerca a lungo termine sui cambiamenti climatici», afferma. Inoltre, l'installazione può essere replicata in altri siti in tutto il mondo studiando l'impatto delle maggiori concentrazioni di CO2 nell'atmosfera.

È stato progettato, afferma Jennifer Hughes: «La soluzione che abbiamo sviluppato fornisce un modello per sistemi di controllo sperimentali affidabili e coerenti che potrebbero essere implementati a livello globale se gli esperimenti FACE venissero estesi ad altre sedi in futuro». Perché se i risultati di BiFor FACE devono dare forma alla politica climatica globale, dovranno essere supportati dai dati provenienti da altre foreste mature in tutto il mondo.

Profili aziendali

BiFor VISO

Dal 2017, il Birmingham Institute of Forest Research, Free Air Carbon Dioxide Enrichment, o BiFor FACE, simula l'atmosfera prevista per il 2050 pompando CO₂ intorno a querce mature. Imitando l'ambiente futuro, i ricercatori possono capire come ci si può aspettare che i boschi rispondano a un ambiente che cambia. BiFor FACE è una delle sole tre strutture di questo tipo a livello globale ed è stata celebre per il suo design ecologico.

BiFor FACE - Università di Birmingham

Transicon

Fondata nel 1967 e con sede al Queensway Business Park di Telford, Regno Unito, Transicon si è costruita una solida reputazione nella progettazione e produzione di sistemi di controllo su misura. L'esperienza dell'azienda riguarda i servoazionamenti AC, DC e i servoazionamenti, nonché i sistemi PLC e SCADA. Transicon serve una vasta gamma di clienti industriali, che lavorano in tutto il Regno Unito e a livello internazionale.

Specialisti in System Integration e Automazione Industriale | Transicon