Rilevamento a distanza e localizzazione di fughe di gas mediante robot per l’ispezione autonoma di infrastrutture tecniche

Il rilevamento di fughe di gas in impianti industriali non solo può essere pericoloso e oneroso in termini di tempo; è anche suscettibile all’errore umano e di interpretazione. RoboGasInspector è la soluzione di rilevazione sviluppata per condurre ispezioni più sicure, efficienti e affidabili. Questo innovativo sistema robotizzato per il rilevamento a distanza e la localizzazione delle fughe di gas è stato sviluppato da un gruppo di aziende e istituti tedeschi, e utilizza una termocamera per la rilevazione ottica di gas FLIR GF320.

Nell'ambito del programma tecnologico tedesco AUTONOMIK, un consorzio di nove aziende e istituti di ricerca ha sviluppato un prototipo di robot mobile autonomo per il rilevamento e la localizzazione di fughe di gas in grandi impianti industriali. Il consorzio ha messo a punto un sistema in grado di eseguire attività di ispezione in impianti industriali senza dover accedere direttamente alle aree pericolose e senza richiedere la presenza umana. Il robot può essere usato per ispezioni ordinarie di impianti o per ispezioni mirate di parti specifiche del sistema. La mobilità indipendente del sistema è stata sviluppata attraverso vari sensori di navigazione includendo la possibilità di intervento manuale da remoto in qualsiasi momento. Il sistema è inoltre dotato di video e telemetria ottica di gas, che permette di ispezionare le parti del sistema in precedenza difficili da controllare a causa di un’accessibilità limitata.

Lo sviluppo di processi di monitoraggio innovativi che sfruttano le più moderne tecnologie di misurazione e automazione, come anche la robotica, promette miglioramenti in termini di affidabilità, efficienza ed economicità delle ispezioni. Allo stesso tempo, solleva il personale tecnico da compiti monotoni, dispendiosi in termini di tempo e di manodopera.

Questo è stato il punto di partenza per il progetto di ricerca collaborativa, guidato dal Dr. Andreas Kroll e il Dr. Ludger Schmidt del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università di Kassel, sovvenzionato con 2,4 milioni di euro dal Ministero Federale dell'Economia e della Tecnologia.

"L'obiettivo di questo progetto era lo sviluppo e la sperimentazione di un innovativo sistema uomo-macchina con robot di ispezione dotati di tecnologia di misurazione remota dei gas e di intelligenza locale", ha spiegato il Dr. Andreas Kroll del Dipartimento di Tecnologia di Misura e Controllo dell'Università di Kassel. "Il rilevamento e la localizzazione delle fughe di gas dovrebbero essere eseguiti in gran parte in modo indipendente dai robot mobili. Durante questo processo, i robot dovrebbero anche analizzare i dati misurati e documentare le ispezioni".

Sicurezza ed efficienza

I gestori di impianti industriali (ad es. impianti chimici, raffinerie, stazioni di compressione del gas) assegnano massima priorità alla sicurezza del loro personale e degli impianti di produzione.

È assolutamente necessario prestare la massima attenzione ovunque si utilizzino gas tossici o esplosivi. Ecco perché all'industria chimica, agli impianti per la produzione di biogas e ai fornitori di gas si applicano rigorose specifiche di ispezione. In genere i programmi di ispezione preventiva richiedono che il personale esegua quotidianamente le lunghe procedure di ispezione ordinaria.

Durante queste ispezioni, i membri del personale controllano che il sistema funzioni correttamente e quindi di solito si affidano alle percezioni e all'esperienza senza fare uso della tecnologia di misurazione.

Per i professori Andreas Kroll e Ludger Schmitt, un requisito fondamentale del nuovo sistema era che consentisse un'ispezione e un monitoraggio automatizzati e privi di rischi e che fosse in grado di rispondere in modo indipendente ai problemi.
Durante le procedure ordinarie, come le ispezioni ripetute, sussiste sempre il rischio di trascurare inavvertitamente possibili fonti di pericolo per disattenzione.

Pertanto, lo sviluppo di tecnologie di ispezione innovative o il focus sulla flessibilità e sulle prestazioni degli operatori rispetto alla gestione di sistemi tecnologici ha senso non solo per motivi economici, ma anche per sollevare gli operatori da attività quotidiane ripetitive e per migliorare la copertura della vasta gamma di operazioni di ispezione.

Prima dimostrazione

Il RoboGasInspector è stato dimostrato per la prima volta in una sala dell'Università di Kassel. Il robot ha completato in modo indipendente un percorso di ispezione, superando con successo gli ostacoli e una rampa.

Nei siti preposti ha ispezionato diversi gasdotti riscontrando una fuga di metano. Nei mesi a seguire, questo successo è stato esteso a diversi chilometri quadrati di grandi impianti industriali in condizioni di test, in cui sono stati inclusi fattori ambientali come vento e sole e fattori disorientanti derivanti dal funzionamento del sistema.

Sistema di azionamento e navigazione di RoboGasInspector

RoboGasInspector si compone di tre moduli: una piattaforma mobile a cingoli, un modulo di navigazione e un modulo di ispezione, che incorpora la termocamera per la rilevazione ottica di gas FLIR GF320. La piattaforma è dotata di un motore elettrico e di batterie convenzionali.

Il modulo di navigazione è costituito da due laser scanner 2D (frontale e posteriore, particolarmente importanti per la navigazione all'interno degli edifici) e da un GPS per l'orientamento in esterni. Il confronto continuo dell'area da ispezionare con una mappa digitale consente al RoboGasInspector di determinare la propria posizione in qualsiasi momento; sulla mappa è possibile annotare ostacoli e aree interdette (ad es. zone esplosive). "Grazie agli scannar laser 2D, il RoboGasInspector evita anche oggetti inaspettati come auto parcheggiate, pallet, barili, ecc.", ha spiegato il professor Kroll. "Sono comprese anche le persone. Se il RoboGasInspector incontra un ostacolo, lo aggira o si ferma fino a quando il percorso torna libero”.

Il modulo di ispezione

Il modulo di ispezione combina vari strumenti metrologici su un'unità pan-tilt, incluso un rilevatore remoto di fughe di metano (RMLD), basato su uno strumento attivo per spettroscopia ad assorbimento di diodi accordabili (TDLAS - Tunable Diode Absorption Spectroscopy). Funziona per mezzo di un laser a infrarosso: quando il fascio laser colpisce una superficie, viene riflesso e viene misurata la sua intensità residua. Inoltre, sul modulo di ispezione è montata una termocamera FLIR GF320 per la visualizzazione dei gas.

Per garantire che il RoboGasInspector stesso non rappresenti un rischio, è stato dotato di un sensore di gas integrato che arresta l'intero sistema al superamento del 10% del limite inferiore di esplosione (LEL), al fine di prevenire potenziali pericoli in atmosfere infiammabili.

Misurazione indipendente

L'elaborazione dei dati misurati e il riconoscimento del modello vengono eseguiti dal robot. Il RoboGasInspector esegue anche in modo autonomo il controllo dei percorsi specificati e le misurazioni. Ciononostante, rimane costantemente in contatto con la sala di controllo e, se necessario, può essere comandato a distanza. A tale scopo nel modulo di misurazione pan-tilt è incorporata anche una videocamera. Tuttavia, in modalità di funzionamento normale, il RoboGasInspector funziona in maniera indipendente e si limita a trasmettere tutti i dati di misura alla sala di controllo tramite WLAN.

RoboGasInspector oggi e domani

Nel frattempo, il prototipo del sistema ha dimostrato chiaramente la sua utilità e capacità in un'ampia serie di test. L'unità di azionamento, il sistema di navigazione e i sistemi di sensori complementari hanno dato ottimi risultati durante la prove. Il RoboGasInspector facilita il rilevamento autonomo di gas e la localizzazione di fughe in siti altrimenti di difficile accesso. Inoltre, contribuisce ad evitare l'uso di ispettori umani in ambienti potenzialmente pericolosi. Tuttavia, prima dell'impiego in ambienti industriali, è necessario un ulteriore sviluppo (ad esempio, protezione contro le esplosioni, sviluppo di software, ecc) e, naturalmente, devono essere chiariti gli aspetti giuridici prima dell'impiego in ambito commerciale. In ogni caso, è certo che un robot autonomo e mobile per il rilevamento di gas e la localizzazione delle fughe è oggi possibile e può migliorare in modo significativo la sicurezza.

La FLIR Systems GF320 è una componente vitale del RoboGasInspector. Aiuta il sistema a rilevare eventuali fughe di gas a distanza di sicurezza.