Monitoraggio e manutenzione predittiva del ponte Chaban-Delmas

“Permettere l'attraversamento del fiume Garonne a vetture, pedoni, biciclette e, in un secondo momento ad una linea tram, mantenendo la navigabilità del fiume a barche, incluse navi di grandi dimensioni" - nel 2003, questi erano i requisiti del progetto per un nuovo ponte per attraversare il fiume nel centro della città di Bordeaux in Francia.

Il risultato del progetto è il ponte Pont Jacques Chaban-Delmas, il ponte verticale più lungo d'Europa - la sua campata principale è di 110 metri (361 piedi). La costruzione è avvenuta dal 2009 al 2012 ed il ponte è stato inaugurato nel marzo 2013.

Bordeaux - situata nella Francia sudoccidentale - con quasi 1.2 milioni di abitanti è una città portuale sul fiume Garonne, cuore della famosa regione vinicola. Il Garonne ha una lunghezza di 602 chilometri (374 miglia) e sfocia nell'Oceano Atlantico.

Il ponte è stato nominato in onore di Jacques Chaban-Delmas (1915-2000), ex primo ministro francese e sindaco di Bordeaux dal 1947 al 1995. Durante la seconda guerra mondiale, il suo nome in codice come generale nella resistenza clandestina fu Chaban, e dopo la guerra, cambiò formalmente il suo cognome in Chaban-Delmas.

Oggi, questo è il quinto ponte sul Garonne all'interno della città e collega la parte orientale e occidentale di Bordeaux. Il centro della città sulla riva sinistra con i suoi moli e la parte destra con i distretti Bastide e Bacalan. Ecco perchè il ponte è stato soprannominato anche "Le Pont Ba-Ba"

I ponti a sollevamento verticale sono una soluzione insolita per attraversare un fiume percorso da navi grandi ma, consentire il loro passaggio, dà la possibilità alla città di trarre profitto dallo sviluppo del settore delle crociere. La struttura, con un'altezza identica al ponte d'Aquitania, doveva essere in grado di sollevarsi in 12 minuti.

Lo studio di architettura che ha preso in carico la realizzazione dell'opera è lo SARL Architecture et Ouvrages d'art. La progettazione del lavoro e la gestione del progetto all'interno del consorzio guidato dalla società GTM sono realizzate da Egis JMI, dagli architetti Thomas Lavigne e Christophe Cheron, Hardesty & Hannover e dall'ingegnere progettista Michel Virlogeux.

Il ponte è lungo complessivamente 575 metri (1421 piedi): il ponte principale misura 433 metri e la porta dell'ascensore centrale 117 metri (387 piedi). La sezione centrale del ponte è realizzata in pezzo unico ma si solleva verticalmente fino a 58 m (190 piedi) per consentire il transito delle navi. L'altezza delle quattro torri indipendenti, i piloni, è di 77 m (262 piedi) e distano tra loro 110 metri (361 piedi).

Il peso della parte sollevata del ponte è di circa 2.600 tonnellate. Quaranta corde da 69 metri ciascuna collegano la parte mobile del ponte a pulegge poste sulla sommità dei pilastri azionate da contrappesi.

La larghezza del ponte è diversa per le varie sezioni: dai 32 metri (115 piedi) dei monconi ai 45 metri (148 piedi) dell'arco di sollevamento. La larghezza utile è di 27 metri con 15 metri dedicati esclusivamente a mezzi pubblici, pedoni e due ruote e 12 metri per veicoli leggeri e camion. Le piste ciclabili e pedonali a sbalzo e separate dal traffico automobilistico.

Il ponte è pensato per un traffico veicolare massimo di 43.000 passaggi al giorno e si alza in media sessanta volte l'anno, fermando il traffico per circa un'ora per consentire il transito delle navi più grandi. Il ponte impiega solo 11 minuti per sollevarsi o abbassarsi completamente.

Rumore impatto e Click

Il funzionamento e la manutenzione della struttura sono sotto la responsabilità della società Eiffage Energie Systemes - Clemessy, una filiale di una delle cinque maggiori società di costruzione e concessione in Europa, Eiffage. Clemessy è specializzata nella progettazione e realizzazione di impianti tecnici industriali.

Il ponte Chaban-Delmas è una struttura in grado di sollevare una campata centrale di 2.750 tonnellate ad un'altezza di 53 metri in 11 minuti permettendo il passaggio di yacht, traghetti o barche a vela che attraccheranno al porto di Bordeaux.

Il meccanismo di sollevamento funziona come un ascensore gigante e richiede la supervisione di una squadra di dieci operatori. Da una torre di controllo, due tecnici gestiscono la manovra mentre il resto della squadra è distribuita sui vari punti strategici alla base del ponte. Inoltre, il team gestisce la manutenzione dei macchinari fondamentali:

• motori 

• alberi

• cavi 

• pulegge

Dopo mesi di attività e molte movimentazioni, il team di manutenzione ha rilevato rumori e click di impatto. Per studiare la fonte del rumore e aumentare la qualità generale nella manutenzione predittiva, Clemessy ha deciso di installare sensori di rumore e vibrazioni per monitorare la catena cinematica - i macchinari - nonché le pulegge principali su ciascun lato del ponte.

L'investimento della strumentazione per l'acquisizione dei dati del funzionamento meccanico del ponte è stato a carico della città di Bordeaux, mentre Clemessy era responsabile del progetto. Il ponte è stato strumentato principalmente con sensori IEPE: accelerometri e microfoni, mentre altri sensori di corrente e i tachimetri sono stati utilizzati solo nella strumentazione dei macchinari.

Setup di Misura

Le vibrazioni meccaniche sono solitamente contenute entro i 10 kHz e dunque richiedono una frequenza di campionamento di 20 kHz che si sposa perfettamente con quanto offerto dagli acquisitori KRYPTON, DAQ robusti e distribuibili con interfaccia EtherCAT per misure sul campo anche in condizioni ambientali critiche.

I KRYPTON DAQ offrono un elevato grado di protezione ambientale IP67 e possono operare con range di temperatura esteso da -40 a +85°C.

La strumentazione si compone di 82 ingressi analogici suddivisi ai due lati dei ponti ed includono:

• 1 x sistema di acquisizione dati KRYPTON-8xACC

• 6 x Accelerometri con banda utile 5kHz (SR=10kS/s)

• 2 x Microfoni con banda utile 10kHz (SR=20kS/s)

Per la parte di Manutenzione preventiva ad ogni lato del ponte trovano posto:

• 3 x sistema di acquisizione dati KRYPTON-8xACC

• 1 x sistema di acquisizione dati KRYPTON-3xSTG

• 1 x sistema di acquisizione dati KRYPTON-1xCNT

• Software DewesoftX con opzione OPT-NET + OPC UA server + DSA upgrade

• 1 x computer rugged SBOX

Questa applicazione vede impiegati gli strumenti di analisi real-time del software Dewesoft X per il calcolo dei parametri di vibrazione su ogni sensore. Il cliente finale necessita di visualizzare non solo le storie temporali ma anche degli indicatori statistici da tener monitorati nel tempo e confrontarli con delle soglie di allarme. Per questo progetto è stato implementato anche un contatore di allarmi ad-hoc.

Shortlist of indicators

La sfida di questo progetto era in primo luogo l'individuazione della tecnologia ottimale, visto che era necessaria la distribuzione dei DAQ e dei sensori a centinaia di metri. Alcuni di essi dovevano essere posizionati in sommità dei pilastri alti più di 110m senza possibilità di portare l'alimentazione in prossimità.

Gli acquisitori della famiglia KRYPTON DAQ, basati sulla tecnologia EtherCAT,  permettono cavi di inter-connessione fino a 100 metri. Un unico cavo per la trasmissione dei dati, della sincronizzazione e dell'alimentazione. Grazie a queste caratteristiche si sono rivelati la scelta ottimale anche per la collocazione in cima ai piloni.

The source measure unit (SMU) is capable of both sourcing and measuring at the same time. It can precisely force voltage or current and simultaneously measure precise voltage and/or current.

Collegamento del sistema DAQ con il database esistente - OPC UA

Un'ulteriore sfida - ma non l'ultima - era rappresentata dal dover connettere il sistema di acquisizione Dewesoft al database del cliente esistente via OPC UA per poter entrare a pieno titolo nel mondo dell'Internet of Things (IoT). Per far ciò è stato sviluppato un plug-in OPC UA server. OPC Unified Architecture (OPC UA) è un protocollo di comunicazione macchina-macchina per automazioni industriali sviluppato dalla OPC Foundation. Tale protocollo è utilizzato molto spesso per la comunicazione tra i vari dispositivi nell'Industria 4.0.  

Nel software DewesoftX il supporto al protocollo OPC UA è implementato come:

• OPC UA client: per la postazione client in grado di collegarsi e prelevare dati da ogni altro OPC UA server.

• OPC UA server: per il server che può rendere disponibili i dati misurati in Dewesoft X ad ogni altro OPC UA client.

Durante l'operazione di sollevamento del ponte, i responsabili delle operazioni non sono davanti alla postazione con il software DewesoftX ma sono in remoto ed accedono ad un'interfaccia web con i soli dati statistici di sintesi specifici per questa fase. Il database di CLEMESSY raccoglie tutte le informazioni dalla postazione di misura grazie all'OPC UA quali: allarmi, numero di allarmi, contatore di urti, livelli statistici per accelerometri e microfoni, stato dei DAQ.

Il database Clemessy è chiamato Smart Forest. Si tratta non solo di un semplice database, ma di una soluzione globale che include:

• Una piattaforma software "Big Data"

• Un collettore multi-DAQ che supporta ogni interfaccia

• Un algoritmo di Intelligenza Artificiale

• Un'interfaccia utente personalizzata e di immediata lettura

• A modular and user-friendly HMI

Conclusioni

Dewesoft si è mostrata in grado di offrire la soluzione completa hardware e software per l'acquisizione, analisi e monitoraggio del ponte completo. Per queste ragioni siamo stati selezionati da Clemessy France.

Per ottimizzare le scadenze del progetto, i sistemi sono stati ottimizzati ancor prima della spedizione. A consegna effettuata i sistemi sono stati messi a punto per le condizioni specifiche sul campo.

Nonostante la semplicità d'uso del software Dewesoft X, impostare 82 canali analogici in ingresso, aggiungere 800 matematiche, 800 allarmi e creare dei grafici funzionali, richiede del tempo., however, to set up properly 82 AI channels, add 800 math calculations, set up 800 alarms and create a nice display without errors, it does take some time.

Un supporto tecnico proattivo ed una buona comunicazione tra le parti coinvolte, ha permesso di far procedere velocemente la messa a punto del progetto e prevenire le potenziali criticità intrinseche in un sistema a componenti distribuiti a centinaia di metri di distanza. Durante il primo azionamento del ponte la soluzione Dewesoft si è dimostrata un successo.

Dewesoft offre un'ampia gamma di soluzioni DAQ, combinando hardware innovativo e soluzioni software come il pieno supporto al protocollo OPC UA che possono essere impiegate per installazioni complesse come monitoraggio ponti, tunnel, edifici, ecc...  

Per la realizzazione di questo ambizioso progetto è stato fondamentale poter disporre sotto un'unica interfaccia software di: l'acquisizione dei dati analogici, calcoli matematici in tempo reale, controllo degli allarmi e la trasmissione di tutti i dati tramite i protocolli più utilizzati nell'IoT. Il risultato? Dati affidabili presentati nel modo più semplice possibile.