Specificare le soluzioni di illuminazione a LED per gli ambienti industriali

L'illuminazione è un elemento critico nella progettazione di ambienti industriali sicuri, efficienti ed economici in varie attività, tra cui la logistica, il funzionamento delle macchine, gli armadi di controllo, le stazioni di lavoro e le linee di produzione. In un numero crescente di casi, i LED possono essere soluzioni di illuminazione superiori. Rispetto ai tradizionali apparecchi fluorescenti, agli alogenuri metallici, al sodio ad alta pressione e ad altre tecnologie di illuminazione, i LED sono più efficienti dal punto di vista energetico, riducendo i costi operativi, nonché più duraturi, riducendo i costi di manutenzione. Gli apparecchi di illuminazione industriale sono spesso utilizzati in ambienti difficili e può essere necessario includere la protezione dalle infiltrazioni e livelli specifici di qualità dell'alimentazione, oltre a supportare la sicurezza sul lavoro e l'igiene. Bilanciare queste diverse esigenze complica il processo di selezione degli apparecchi.

Questo articolo esamina le metriche delle prestazioni tra cui lumen, potenza, efficacia, lux, distribuzione zonale dei lumen, temperatura di colore prossimale, indice di resa cromatica, vita utile nominale e costi associati agli apparecchi di illuminazione industriale, con particolare attenzione ai LED. Fornisce poi considerazioni ambientali, compresi i requisiti di protezione dalle infiltrazioni, la distorsione armonica totale e la qualità dell'alimentazione, oltre che l'illuminazione per gli ambienti pericolosi. L'articolo si chiude presentando soluzioni specifiche di Banner Engineering per l'illuminazione nei sistemi pick-to-light, la guida di carrelli elevatori e l'illuminazione generale nelle stazioni di lavoro, l'illuminazione delle macchine e gli armadi di controllo (Figura 1).

Figura 1: Gli apparecchi a LED sono disponibili in una gamma di formati ottimizzati per un'ampia varietà di applicazioni. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Metriche di prestazioni

Specificare il livello di illuminazione è la base per selezionare l'apparecchio ottimale per una data applicazione. Ci sono numerose metriche da considerare che vanno dall'efficienza operativa dell'apparecchio a quanto bene imita la luce bianca standard. Si inizia con una candela (Cd). Il Cd è un'unità SI di base che misura l'intensità luminosa della luce visibile emessa da una fonte specifica (candela standard) in una direzione specifica. Basandosi sul concetto di Cd, le metriche importanti per confrontare gli apparecchi di illuminazione includono:

• Lumen (lm) - Flusso luminoso uguale alla luce emessa in un angolo solido unitario da una sorgente puntiforme uniforme di un Cd, tenendo conto dell'emissione luminosa in tutte le direzioni.
• Watt (W) - Consumo di energia elettrica: per i circuiti c.c., W = V_c.c. x A; per i circuiti c.a., W = V_RMS x A.
• Efficacia (lm/W) - Quanto efficiente è una sorgente luminosa a produrre luce visibile.
• Lux (lm/m²) - Intensità della luce che colpisce una superficie, percepita dall'occhio umano.
• Distribuzione zonale dei lumen - Distribuzione dei lumen emessi da un apparecchio in zone in piani verticali discreti. Utilizzato per determinare i requisiti di distanza di un apparecchio di illuminazione.
• Temperatura di colore prossimale (CCT) - Temperatura, in gradi Kelvin (K), di un radiatore a corpo nero con una cromaticità uguale alla sorgente luminosa. Il CCT della luce bianca varia da 2700 K a 6500 K.
• Indice di resa cromatica (CRI) - Capacità di una sorgente luminosa di rivelare fedelmente i colori di vari oggetti rispetto a una sorgente luminosa ideale o naturale. L'intervallo di CRI va da 0 a 100. Le lampadine a incandescenza hanno un CRI di 100, i LED hanno CRI da 80 a oltre 90.

Con l'evoluzione delle tecnologie di illuminazione, il processo di specificazione della soluzione ottimale si è fatto più complesso. Ad esempio, l'efficacia dei LED è sostanzialmente superiore a quella delle lampade fluorescenti e a scarica di alta intensità (HID). Mentre quelle fluorescenti e HID emettono luce in tutte le direzioni, i LED sono direzionali. In sostanza, le metriche sono più utili per confrontare i LED con altri LED, le lampade fluorescenti con altre dello stesso tipo e così via. Per confrontare le diverse tecnologie di illuminazione, gli utenti spesso devono valutare i campioni fianco a fianco per determinare il migliore.

Oltre alla qualità della luce prodotta, gli utenti devono essere consapevoli della distorsione armonica totale (THD) e del fattore di potenza (PF) del ballast o del driver che alimenta l'apparecchio. Il THD è una misura della distorsione della corrente elettrica diretta a un convertitore di potenza elettronico. Un THD più basso si traduce in correnti di picco più basse e una maggiore efficienza nella rete di distribuzione dell'elettricità in un edificio e una domanda ridotta sulle utenze pubbliche locali. IEEE 519-2014 è un utile riferimento per comprendere le armoniche e applicare i limiti delle armoniche nei sistemi di alimentazione. Di solito sono richiesti valori di THD pari o inferiori al 20%. La PF è un parametro altrettanto importante. Un carico (ballast o driver) con una bassa PF assorbe più corrente di un carico con una PF elevata a parità della potenza di uscita. La PF è un numero adimensionale tra 0 e 1. I ballast e i driver dovrebbero avere una PF di almeno 0,9.

Considerazioni sulla vita utile e sui costi

I LED hanno generalmente una vita utile superiore alle 25.000 ore, ma la loro efficacia e luminosità diminuiscono con l'età. La vita utile degli apparecchi a LED si basa sul numero di ore necessarie per scendere al 70% dell'emissione luminosa iniziale ed è detto parametro L70. Le tecnologie di illuminazione non LED soffrono del potenziale di guasti catastrofici; la loro vita utile è definita come il numero di ore di funzionamento in cui si prevede che il 50% delle unità si siano guastate. Anche le tecnologie non LED subiscono un declino dei valori di lumen con l'invecchiamento. Chiamato deprezzamento dei lumen della lampada (LLD), questo effetto varia tra le tecnologie di illuminazione (Tabella 1).

Tabella 1: Confronto tra il deprezzamento dei lumen della lampada e la vita utile nominale. (Tabella per gentile concessione di Banner Engineering)

Per confrontare il costo delle tecnologie di illuminazione, si devono considerare il costo iniziale della manodopera e delle attrezzature, più i costi dell'energia, della manodopera di manutenzione e delle attrezzature durante la vita dell'apparecchio (Figura 2). I costi iniziali della manodopera e delle attrezzature possono essere superati da una maggiore efficienza energetica e da minori esigenze di manutenzione; i LED più duraturi ed efficienti possono tradursi in risparmi significativi nel corso della vita.

Figura 2: Confronto dei costi di illuminazione basato su un ciclo di vita di 15 anni. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Requisiti ambientali

Gli apparecchi utilizzati negli impianti industriali devono essere progettati per resistere a condizioni pericolose. Il National Electrical Code USA definisce tre tipi di aree pericolose:

• Classe I - gas o vapori infiammabili
• Classe II - polvere combustibile
• Classe III - fibre facilmente infiammabili

I regolamenti federali statunitensi richiedono che: "l'apparecchiatura sia contrassegnata con l'indicazione della classe, del gruppo e della temperatura di funzionamento o intervallo di temperatura, basato sul funzionamento in una temperatura ambiente di 40 °C per cui è approvata"

I gradi di protezione (IP) sono importanti e sono indicati da due cifre. La prima descrive la resistenza dell'attrezzatura ai corpi estranei solidi, come la polvere, la seconda descrive il grado di protezione dall'ingresso di liquidi come l'acqua. Le lampade classificate IP67 sono resistenti alla polvere e all'acqua, il che le rende adatte a molti ambienti industriali, e possono sopportare un'immersione di breve durata in acqua. Gli apparecchi classificati IP68g forniscono una protezione aggiuntiva e sono più resistenti alla penetrazione di olio e acqua.

Vibrazioni e temperature estreme sono tipiche degli ambienti industriali. I filamenti sottili, i componenti delicati e gli involucri di vetro utilizzati con alcune tecnologie di illuminazione possono essere particolarmente vulnerabili ai danni causati dalle vibrazioni. I LED non hanno componenti delicati e sono molto più resistenti alle vibrazioni e agli urti. Anche se sono meccanicamente robusti, le alte temperature ambientali tendono a ridurre l'efficacia e la vita utile dei LED. Per contro, rispetto ad altre tecnologie di illuminazione, i LED sono più adatti alle celle frigorifere e ad altre strutture con temperature fino a -40 °C.

Apparecchi per il pick-to-light

I sistemi pick-to-light possono ridurre i costi delle operazioni di un magazzino attraverso una maggiore efficienza, produttività e precisione. Per le installazioni pick-to-light, Banner offre la serie EZ-LIGHT® K50L, compreso il modello K50LGRASXPQ (Figura 3). Gli apparecchi K50L sono offerti con un LED (verde), due LED (verde e rosso) o tre LED (verde, rosso e giallo), a seconda del modello; tutti sono resistenti alle vibrazioni. K50LGRASXPQ offre un'illuminazione a LED verde e rossa più un allarme acustico multitonale. Le caratteristiche della serie K50L includono:

• Facile da installare con indicatori LED luminosi e allarme acustico
• Robusto e completamente sigillato Grado di protezione IP67 o IP69K ai sensi DIN 40050-9, a seconda del modello
• Nessun controller esterno richiesto per questi apparecchi di illuminazione
• Immunità alle interferenze in radiofrequenza (RFI) e a quelle elettromagnetiche (EMI)
• L'allarme acustico sui modelli IP67 ha un'intensità regolabile che può essere continua o intermittente
• Installazione flessibile con ingressi da 12 V_c.c. a 30 V_c.c. e protezione contro l'inversione di polarità

Figura 3: Gli apparecchi pick-to-light serie K50 di Banner Engineering sono azionati in corrente continua con indicazione sonora continua o intermittente e una scelta di 1, 2 o 3 indicatori LED colorati, a seconda del modello. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Apparecchi e sensori di guida per carrelli elevatori

I conducenti di carrelli elevatori possono avere una visibilità ostruita, il che li obbliga a scendere più volte a terra per posizionare i carichi difficili. L'efficienza delle operazioni di movimentazione dei materiali può beneficiare dall'uso di apparecchi di guida e sensori per carrelli elevatori. Ad esempio, il modello WLS27PXRGBW285DSQ di Banner fa parte della serie WLS27 Pro ed è lungo 285 mm, ha un grado di protezione ambientale IP66, IP67 e IP69K e comprende LED rossi, verdi, blu e bianchi (Figura 4).

Figura 4: Questo apparecchio lungo 285 mm include LED rossi, verdi, blu e bianchi e può essere usato per la guida dei carrelli elevatori. Ha un grado di protezione ambientale IP66, IP67 e IP69K. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Tutti gli apparecchi serie WLS27 Pro possono visualizzare animazioni multicolori a velocità e modelli variabili ed essere segmentati, il che li rende adatti ai sistemi di guida dei carrelli elevatori. Con alloggiamenti in copoliestere infrangibili in telai di alluminio, le unità WLS27 Pro sono resistenti alla rottura e all'impatto. Il grado di protezione IP69K ne permette il funzionamento in situazioni di lavaggio e negli ambienti esterni. Le funzioni integrate di timer e contatore permettono di visualizzare informazioni sul tempo o sulla quantità, compresa la distanza e la posizione, utilizzando la segnalazione a impulsi.

Gli apparecchi WLS27 Pro possono essere combinati con il sensore laser multifunzione Q5X per realizzare sistemi di guida completi per carrelli elevatori (Figura 5). Il modello Q5X ha un campo operativo da 50 mm a 5 m. Le altre caratteristiche includono:

• Rilevamento affidabile di oggetti chiari e riflettenti, obiettivi multicolore, obiettivi neri su sfondo metallico lucido, obiettivi neri su sfondo nero e oggetti scuri (<0,1% di obiettivi neri riflettenti)
• La modalità dual-teach misura sia l'intensità della luce che la distanza
• 270 gradi di rotazione per soddisfare una varietà di vincoli di montaggio
• Programmabile tramite IO-Link, apprendimento remoto, interfaccia utente su scheda o display remoto opzionale

Figura 5: I sensori laser multifunzione come Q5X di Banner Engineering possono essere usati per implementare sistemi di guida per carrelli elevatori. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Opzioni di illuminazione generale

Il modello WLB32ZC285PBQMB di Banner è un apparecchio a LED ultraluminoso lungo 285 mm con un'emissione luminosa uniforme di 750 lm senza abbagliamento (Figura 6). Fa parte della famiglia WLB32, che comprende apparecchi da 285 a 1130 mm di lunghezza con valori di irradiamento luminoso da 750 a 3000 lm. Questi apparecchi sono progettati per postazioni di lavoro, illuminazione di macchine, armadi di controllo e linee di produzione.

Figura 6: Il modello WLB32ZC285PBQMB di Banner è una barra luminosa a LED di luce molto forte lunga 285 mm per esigenze di illuminazione generale. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Sono disponibili barre luminose WLB32 che possono formare strisce di illuminazione continua in serie con un minimo di cablaggio, ciascuna con funzionamento indipendente. Le altre caratteristiche includono:

• Interruttore alto/basso/spento
• Finestra infrangibile e alloggiamento metallico
• Installazione flessibile con staffe magnetiche o angolari o clip a scatto
• Il paraluce blocca l'abbagliamento laterale su alcuni modelli
• Rilevamento del movimento su alcuni modelli

Riepilogo

Esiste una vasta gamma di prestazioni, costi e fattori ambientali da considerare quando si specificano le soluzioni di illuminazione industriale. In un numero crescente di casi, gli apparecchi a LED sono un'opzione interessante. Rispetto alle tecnologie di illuminazione tradizionali, gli apparecchi a LED offrono una maggiore flessibilità di illuminazione e affidabilità, nonché una maggiore efficienza energetica, una vita utile superiore e minori esigenze di manutenzione. Di conseguenza, mentre i costi di installazione iniziale dei LED possono essere maggiori rispetto ad altre tecnologie di illuminazione, i LED offrono costi inferiori rispetto alla vita utile, oltre ad essere soluzioni di illuminazione superiori.