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Come funzionano gli MCC e qual è il loro scopo?

Sebbene un impianto di produzione possa avere apparecchiature di manovra di alta qualità, un sistema di distribuzione correttamente progettato e un trasformatore di dimensioni adeguate, un'importante attrezzatura potrebbe comunque essere fuori servizio a causa dell'incapacità di trovare la fonte di un guasto da sovracorrente che si è verificato a causa di un circuito di controllo del motore malfunzionante su un motore di pompaggio da 30kW (ad esempio). Pertanto, i centri di controllo motore (MCC) sono stati progettati come un mezzo per consolidare più (dozzine/centinaia) di installazioni di motori in un'unica area, con interruttori automatici individuali, rilevamento di sovraccarico e guasti per ciascun motore, richiedendo solo un bus per collegarsi al servizio elettrico. Questa guida spiegherà le funzioni dei centri di controllo motore, le loro capacità e i requisiti contenuti nel Codice Elettrico Nazionale.

In sintesi, il NEC definisce un centro di controllo motore (MCC) come un raggruppamento di più sezioni chiuse che condividono un bus di alimentazione comune, oltre a contenere vari moduli di controllo motore. La funzione principale di un MCC è consentire l'avvio, l'arresto, la protezione e il monitoraggio di molti motori che operano all'interno di un'area comune. Un MCC serve anche a fornire i seguenti vantaggi: cablaggio di campo ridotto; semplificazione della risoluzione dei problemi; maggiore sicurezza (unità estraibili); e maggiore capacità di aggiungere capacità motoria all'impianto (aggiunta di ‘secchi’), rispetto all'acquisto di motori aggiuntivi. Tipicamente, ciascun modulo di controllo motore conterrà un interruttore/fusibile, un contattore e un relè di sovraccarico. In questo momento, gli MCC intelligenti possiedono capacità di comunicazione che sono collegate in rete e quindi forniscono una moltitudine di informazioni al sistema di controllo, mentre controllano il funzionamento dei motori.

Come Funzionano gli MCC e Qual è il Loro Scopo

Cos'è un centro di controllo motore

La definizione secondo l'Articolo 100 del Codice Elettrico Nazionale spiega un MCC come una raccolta di segmenti chiusi con un bus di alimentazione condiviso e principalmente composto da dispositivi di controllo motore. La chiarezza di questa spiegazione è evidente in tre punti diversi all'interno del testo. Il termine segmenti chiusi mostra che il modello è intercambiabile poiché le sezioni possono essere assemblate insieme o ampliate secondo necessità. Bus di alimentazione condiviso indica la presenza di una linea di alimentazione che collega tutte le sezioni insieme piuttosto che una linea separata per ciascuna sezione. La terza parte della definizione menziona specificamente le unità di controllo motore, mostrando che il modello è distinto dal pannello di distribuzione e dalla tavola di manovra, che sono utilizzati solo nella distribuzione elettrica.

Questo design ha reso l'MCC un dispositivo ibrido, poiché ha sia caratteristiche di un sistema di distribuzione che di un apparecchio. Per questo motivo, ha adottato le idee dei quadri elettrici in termini di specifiche costruttive e fornisce anche requisiti aggiuntivi per la costruzione dei dispositivi destinati ai circuiti motore, rendendo quindi necessario avere l'Articolo 430, Parte VIII come un pezzo indipendente di scrittura e non solo come parte degli articoli relativi ai quadri elettrici.

A cosa serve un MCC: gli scopi che giustificano il costo

Un MCC è tipicamente più costoso del valore totale dei suoi avviatori. Questo premio ha sei componenti. Ognuno dei quali è una valida ragione ingegneristica di per sé.

  • Controllo centralizzato. Tutti i motori in un certo area possono essere accesi e spenti da remoto, rendendo molto più facile risolvere eventuali guasti. In caso di un nastro trasportatore offline, l'operatore sa esattamente dove trovare l'avviatore: nel compartimento etichettato di un MCC piuttosto che nella scatola di giunzione della macchina.
  • Coordinazione e selettività. Un'impostazione del dispositivo di interruzione, applicata all'intero sistema di bus, consente la coordinazione tra tutti i motori elettrici per l'eliminazione efficace dei guasti elettrici: quando un motore viene spento, tutti gli altri motori possono continuare a funzionare.
  • Meno cavi. I cavi di distribuzione e controllo sono forniti già cablati e testati; tutto ciò che è necessario in loco è installare un cavo di alimentazione principale, cavi speciali per ogni motore e un cavo di connessione di controllo.
  • Manutenzione sicura. Le unità sostituibili possono essere riparate o sostituite senza interrompere l'alimentazione all'intero MCC; questa caratteristica è la più importante per gli impianti di processo.
  • Scalabilità. Possono essere aggiunti più motori collegando nuove schede relè al MCC.
  • Limitazione dei guasti e protezione del personale. Con la struttura chiusa, separatori e design resistenti agli archi in atto, le conseguenze del guasto possono essere limitate a un compartimento piuttosto che estendersi all'intera stanza.

La giustificazione commerciale di tutti questi vantaggi è raramente espressa in termini di risparmio sui costi, ma piuttosto come costo calcolato dei tempi di inattività. L'officina che subisce arresti imprevisti che costano decine di migliaia all'ora ripagherà il costo di un MCC intelligente semplicemente spendendo meno tempo per effettuare riparazioni.

Come funziona un MCC: bus orizzontale, bus verticale e secchi

Come funziona un MCC: bus orizzontale, bus verticale e secchi

In termini di elettricità, un MCC non è complesso e in termini di ingegneria, il design ingegneristico lo rende funzionale. L'energia fluisce nell'unità e viene distribuita tra due livelli di barra di distribuzione. Il bus orizzontale rappresenta la barra di distribuzione sotto forma di una barra dritta che collega l'alimentazione elettrica a tutte le sezioni verticali dell'unità. All'interno delle sezioni, il bus verticale fornisce energia ai controllori di motore che sono collocati in questa sezione.

Le specifiche di costruzione si basano sui codici di costruzione e sono importanti da conoscere perché sono indicate nei disegni e nei documenti normativi.

  • Il rinforzo del bus non deve essere confuso con la classificazione del bus. La classificazione del bus significa la capacità di corrente del bus. Mentre il rinforzo del bus significa la massima forza meccanica che il bus può sopportare durante una situazione di cortocircuito ed è espressa in corrente (ad esempio, 65 kA o 100 kA). Un bus che ha una classificazione sufficiente e un rinforzo insufficiente può essere distrutto sotto corrente di guasto.
  • La disposizione delle fasi è costante. In un sistema trifase, le barre orizzontali e verticali devono essere disposte secondo la sequenza A, B, C dalla vista frontale — ciò significa dalla parte anteriore verso il retro, dall'alto verso il basso, o da sinistra a destra. Per un circuito delta trifase a quattro fili, la fase con la tensione più alta rispetto a terra è chiamata B.
  • La distanza è definita dal codice. Negli impianti fino a 600 V, la tabella delle distanze richiede un minimo di 25,4 mm tra la barra attiva e terra, 25,4 mm tra i fili di fase opposti attraverso l'aria e 50,8 mm sulla superficie.
  • Lo spazio per la curvatura dei cavi è obbligatorio. Lo spazio minimo di curvatura ai terminali e nello spazio di gronda è lo stesso di quello per i quadri elettrici; il motivo di questa raccomandazione è che se il conduttore viene piegato al di fuori del raggio di curvatura specificato anche solo una volta durante l'installazione, la sua isolamento può essere danneggiato permanentemente.
  • Le barriere separano le barre di servizio da altri dispositivi in qualsiasi MCC di ingresso servizio per proteggere il personale che lavora nelle sezioni adiacenti da situazioni pericolose.

Un'unità che occupa il posto di una sezione verticale nell'MCC è chiamata bucket e qui avviene il lavoro elettrico. L'interfaccia dell'unità con la barra indica quale tipo di MCC viene utilizzato: un'unità fissa o una ritirabile. Fissa significa che l'unità è fissata in posizione e scollegata dall'alimentazione durante i lavori di manutenzione, mentre quella ritirabile può essere estratta dal compartimento senza disattivare la barra.

Cosa c'è all'interno di un bucket: dai starter DOL ai VFD

Lo starter combinato primario è composto da tre componenti: un dispositivo di protezione da cortocircuito (interruttore o fusibile), un contattore per controllare il motore e un relè di sovraccarico per proteggere contro il sovracorrente continuo. Tutto il resto in uno starter combinato è solo una versione diversa di quel tema.

Tipo di unità Cosa fa Dove viene utilizzato
Starter diretto (DOL) Avviamento a piena tensione; interruttore, contattore, sovraccarico Motori e carichi piccoli che tollerano l'avviamento a piena tensione
Starter inversore Due contattori che forniscono rotazione in avanti e indietro Nastri trasportatori, paranchi, qualsiasi processo che richiede cambiamento di direzione
Starter stella-triangolo Riduce la corrente di avviamento avviando in stella e passando a triangolo Motori più grandi dove la capacità di alimentazione limita la corrente di avviamento
Avviatore morbido Ramp di tensione basata su tiristori per controllare la coppia e la corrente di avviamento Pompe, ventilatori e nastri trasportatori dove lo shock meccanico è importante
Inverter a frequenza variabile (VFD) Controllo continuo della velocità e ottimizzazione energetica Controllo di processo, HVAC, qualsiasi cosa con domanda di flusso variabile
Bucket di alimentazione Solo protezione e commutazione, nessun controllo del motore Fornitura di quadri, trasformatori o attrezzature altrove
Unità intelligente Starter in rete con diagnostica e misurazione a bordo Impianti che integrano i dati del motore in un sistema di controllo o manutenzione

Questo strato contiene due funzioni di protezione che non possono essere trovate all'ingresso. La prima funzione è la protezione da sovraccarico, progettata approssimativamente in base alle prestazioni del motore e al fattore di manutenibilità. Un motore che funziona sotto sovraccarico severo per un lungo periodo può guastarsi prima che un dispositivo di cortocircuito svolga il suo compito. La seconda funzione è la protezione da guasto a terra, responsabile della rilevazione delle correnti che viaggiano attraverso un percorso imprevisto. In un impianto con molti motori su un unico bus, il design di quella protezione deve essere selettivo, e i principi alla base sono esposti nei fondamenti di protezione da guasto a terra, che si applica in modo identico sia che il guasto venga rilevato all'ingresso o all'interno di un singolo contenitore.

Tipi, involucri e il MCC intelligente

Oltre a essere classificati in base al fatto che siano fissi o estraibili, i MCC sono classificati in base all'involucro che utilizzano e allo standard a cui si conformano. Sebbene le valutazioni elettriche siano fattori importanti, i tipi di involucro NEMA utilizzati giocano anche un ruolo importante nelle operazioni degli impianti che possono comportare lavaggi, polvere e umidità. Questo perché il guasto in un'assemblaggio inadeguatamente racchiuso si verifica a causa della rottura dell'isolamento risultante dalla contaminazione piuttosto che a causa di un guasto elettrico pulito.

In termini di standard, il Nord America ha i propri standard UL 845 e NEMA ICS 18. Inoltre, le prestazioni dei motor starter sono definite nello standard NEMA ICS 2. I progetti internazionali devono conformarsi ai tipi soggetti ai test IEC 61439-1 e IEC 61439-2 per verificare l'aumento di temperatura, i parametri di resistenza ai cortocircuiti e i limiti di distanza e di creep. Questo dimostra che un MCC conforme non è una qualifica generica poiché deve soddisfare uno standard particolare; pertanto, se un'offerta non indica quale standard deve essere rispettato, non può essere considerata legittima.

I MCC intelligenti rappresentano il risultato più significativo degli ultimi due decenni. Il cablaggio di ogni contatto ausiliario al PLC nel pannello di smistamento è stato sostituito dalla pratica in cui ogni bucket ha un modulo di comunicazione e diventa parte della rete dell'impianto. Prima di tutto, consente di ridurre significativamente il cablaggio di controllo; in secondo luogo, consente di ottenere il consumo energetico per ogni motore e i dati delle ore di funzionamento senza dispositivi aggiuntivi; in terzo luogo, consente di ottenere dati sulle condizioni per la manutenzione predittiva invece di quella reattiva. Tuttavia, porta anche a nuove sfide nel garantire che un MCC intelligente funzioni come parte del sistema di rete, mentre la manutenzione elettrica include nel contempo responsabilità per la cybersicurezza, la gestione degli indirizzi, le versioni dei pezzi di ricambio, ecc.

Tipi, involucri e il MCC intelligente

Attrezzature di servizio, messa a terra e requisiti del codice

Ai sensi dell'Articolo 430 Parte VIII, diverse condizioni devono essere soddisfatte fin dal primo incontro di progettazione. Nel caso in cui il MCC agisca come attrezzatura di servizio, deve avere un dispositivo di disconnessione principale per tutti i conduttori di servizio non messi a terra. Deve esserci anche un dispositivo di collegamento principale di dimensioni adeguate secondo le regole di collegamento nel caso in cui sia presente un conduttore messo a terra, oltre a barriere che stabiliscano un'isolamento tra le barre di distribuzione di servizio e altre parti del MCC.

La messa a terra è solitamente considerata una questione di ultima istanza e risulta essere la più pericolosa quando vengono commessi errori in questo rispetto. Tutti i componenti dell'MCC dovrebbero essere uniti in un tutto unico con un conduttore di messa a terra o un bus che rientra nella tabella dei conduttori di messa a terra fornita per l'attrezzatura. È anche necessario assicurarsi che tutti i cavi di messa a terra soddisfino i requisiti stabiliti per questo bus e il punto corrispondente. In una situazione in cui le sezioni non sono collegate correttamente, si verifica una situazione in cui i telai MCC adiacenti vengono influenzati l'uno dall'altro avendo una certa differenza di tensione. I principi sono gli stessi che governano ogni sistema messo a terra, e vale la pena rivederli nella fase di progettazione piuttosto che durante l'ispezione: la disposizione di messa a terra del trasformatore e del sistema determina a cosa è effettivamente riferito il bus di messa a terra dell'MCC, e uno schema di messa a terra adeguato a monte può comunque lasciare un telaio del motore a un potenziale inaspettato se il collegamento interno è incompleto.

Ci sono due requisiti aggiuntivi per la targhetta e i disegni. Innanzitutto, c'è un requisito affinché la corrente nominale del bus di potenza e la corrente di cortocircuito dell'MCC siano chiaramente contrassegnate dopo che il sistema è stato installato. C'è un requisito che la corrente di guasto dell'MCC debba essere documentata e disponibile per chiunque sia autorizzato a ispezionare, installare e manutenere l'oggetto, insieme alla data in cui è stato calcolato il cortocircuito.

Cosa alimenta un MCC: attrezzature a monte e controlli di valutazione

Non è possibile definire un MCC separatamente, poiché la sua valutazione non ha significato a meno che non venga valutata in relazione ai parametri a monte. Di norma, la fonte di alimentazione potrebbe essere un trasformatore di distribuzione, un quadro elettrico principale o un alimentatore da una sottostazione a tensione più alta. Tre valori devono essere acquisiti prima di determinare una valutazione, che includono la tensione di alimentazione e la configurazione, il consumo di corrente da parte dell'utente e la corrente di cortocircuito prospettica nel sito di connessione.

Tuttavia, è l'ultimo valore che crea problemi per i progetti. Un MCC costruito nel sito esistente dove il trasformatore è già stato cambiato può affrontare un livello di guasto molto maggiore rispetto a quello progettato; l'esempio più comune è una ristrutturazione dell'utility che porta più potenza di guasto senza modifiche significative al processo produttivo. Questa è la ragione per cui è richiesta la documentazione sulla corrente di guasto e perché ogni operazione di riparazione significativa dovrebbe contenere la verifica della valutazione. Comprendere cosa contribuisce l'alimentazione — la sua impedenza, la sua configurazione e la sua capacità nominale — è il punto di partenza per quel calcolo, poiché l'impedenza del trasformatore è solitamente il termine dominante nella corrente di guasto disponibile ai terminali dell'MCC. trasformatore di distribuzione Protezione, misurazione e il ruolo dei trasformatori di corrente.

Protezione, misurazione e il ruolo dei trasformatori di corrente

Tutte le apparecchiature MCC e numerosi grandi motori dipendono dai trasformatori di corrente per la rilevazione della corrente elettrica effettiva in transito. Il trasformatore di corrente riduce l'alta corrente primaria a un livello della sua corrente secondaria standard, normalmente 5 A o 1 A, che può essere gestito da relè di protezione e misuratori. Ci sono tre luoghi in un MCC dove vengono applicati i CT: sulla barra collettore in ingresso per la protezione da sovracorrente e guasto a terra; sugli avviatori di grandi motori per protezione differenziale o termica; e nei pannelli di misurazione dove vengono raccolte le informazioni sull'energia consumata e sulla domanda di energia.

Due aspetti del design influenzano il funzionamento dell' strumentazione. Il primo aspetto è che il rapporto deve essere scelto in modo appropriato: il CT deve essere superiore alla corrente primaria massima, mentre la corrente secondaria deve essere mantenuta a un livello sufficiente a carico normale per letture affidabili. Ecco perché i grandi motori di solito hanno un CT destinato alla protezione piuttosto che alle misurazioni. Il secondo aspetto è il totale del carico secondario: questo è il totale della resistenza di tutti i relè, misuratori e cavi collegati al CT. Selezionare un dispositivo per questo compito è una questione di classe di accuratezza documentata, carico e valutazione termica a breve termine piuttosto che di dimensioni fisiche, e un rappresentante gamma di trasformatori di corrente mostra come quei parametri siano pubblicati per un'unità specifica. I trasformatori di corrente introducono anche una regola che nessun tecnico di manutenzione dovrebbe mai dimenticare: il circuito secondario non deve mai essere aperto sotto carico, perché senza carico il CT sviluppa una tensione pericolosa sui propri terminali.

Problemi comuni e pratiche di manutenzione

Problemi comuni e pratiche di manutenzione

I guasti MCC sono raramente esotici. Si raggruppano in un numero ristretto di cause ricorrenti, e la maggior parte di esse è visibile su un programma.

Problema Causa principale Mitigazione
Surriscaldamento alle connessioni della barra Giunti bullonati allentati, cicli termici, contaminazione Controlli di coppia su un programma; termografia infrarossa sotto carico
Guasto del contattore o dell'avviatore Usura dei contatti da alta frequenza operativa Contatori di funzionamento su unità intelligenti; sostituzione pianificata dei contatti
Scatti indesiderati Impostazioni di sovraccarico errate per il motore effettivo; armoniche da VFD Verificare le impostazioni rispetto alla corrente di carico nominale e al fattore di servizio
Guasto dell'isolamento Polvere, umidità, ingresso di lavaggio, detriti allentati Classe di involucro corretta, guarnizioni mantenute, programmi di pulizia
Modifiche non documentate Modifiche sul campo senza aggiornamenti dei disegni Revisione controllata dei disegni; verificare rispetto al costruito ad ogni audit
Flash arc e esposizione del personale Lavorare su apparecchiature energizzate senza valutazione o DPI Studio di energia incidente pubblicato, confini, DPI e procedura

Infatti, la routine di manutenzione che raggiunge la maggior parte di questo è uno dei tipi di manutenzione più semplici, che include attività come la coppia e la termografia sul bus, l'ispezione dei contatti e il conteggio delle avviamenti per i motori, il monitoraggio ambientale dell'involucro e il controllo che i disegni corrispondano all'installazione. In un impianto dove l'MCC è il punto unico attraverso il quale la maggior parte del processo è alimentata, quel programma appartiene allo stesso calendario della manutenzione del trasformatore e dell'apparecchiatura di manovra piuttosto che in un silo separato — un completo lista di controllo per la manutenzione del trasformatore e un programma di ispezione dell'MCC condividono la stessa logica di interventi programmati che catturano la lenta degradazione prima che diventi un'interruzione forzata.

MCC confrontato con apparecchiature di manovra, quadri elettrici e VFD

Le riunioni tendono a confondere quattro terminologie che significano cose diverse causando un alto potenziale per problemi di specifica.

  • Quadro elettrico. Distribuisce energia a una combinazione di circuiti con adeguata protezione da sovracorrente. Non è presente qui l'avviamento del motore, né la protezione da sovraccarico.
  • Quadro di manovra o apparecchiatura di manovra. Questo assemblaggio è destinato alla distribuzione e protezione dell'energia su scala più ampia e aiuta con la distribuzione e la protezione dell'energia.
  • MCC. Questa attrezzatura è costruita attorno ai sistemi di controllo motore. Forniscono protezione, commutazione e protezione da sovraccarico in un bus su sezioni modulari dell'assemblaggio.
  • VFD. Questa è solo un'unità che controlla una funzione del motore, che può essere situata sia nell'MCC che separatamente. Il principio di funzionamento del VFD non è identico a quello dell'MCC.

FAQ

Qual è lo scopo principale di un MCC?

L'obiettivo è essere in grado di gestire, proteggere e monitorare diversi motori da un'unica posizione centrale. In pratica, ciò significa collegare tutti i dispositivi di avviamento e le alimentazioni di un settore produttivo su un bus di potenza comune in costruzioni modulari. I sistemi sono costruiti in modo tale che i motori possano essere avviati, fermati e protetti dal surriscaldamento e dai cortocircuiti molto più facilmente rispetto a quando sono cablati separatamente in loco. Il secondo scopo – scalabilità: invece di ricostruire l'intero sistema, la capacità necessaria può essere ottenuta aggiungendo nuovi segmenti o collegando sezioni.

Come funziona un MCC?

L'elettricità viene fornita tramite un dispositivo principale (come un interruttore, un morsetto o un interruttore fusibile) da dove viene distribuita tramite un bus di potenza comune che attraversa l'assemblaggio. In ciascuna sezione, barre verticali prelevano da questo bus comune e forniscono alimentazione a ciascun'unità di controllo motore impilata separatamente. Ogni unità (chiamata bucket) è dotata di dispositivi di protezione del circuito, contattori o un azionamento, così come un pannello per la protezione da sovraccarico. Il cablaggio di controllo fornisce la connessione delle unità sia a pulsanti che a una rete di impianto (nel caso di un MCC intelligente).

Quali sono i problemi comuni con i pannelli MCC?

I problemi ripetitivi sono quelli dovuti a bus mal collegati che causano punti caldi, usura dei contattori negli interruttori azionati frequentemente, impostazioni errate dei sovraccarichi che causano interruzioni indesiderate, deterioramento dell'isolamento per sporco e umidità, armoniche dei motori collegati a VFD che influenzano altri carichi, e modifiche non documentate effettuate dai tecnici che rendono inutilizzabili i disegni dell'attrezzatura. La maggior parte dei problemi viene identificata tramite test programmati di coppia, ispezione termografica, conteggio dei contattori utilizzati e controlli ambientali invece di aspettare che si verifichi un guasto.

Qual è la differenza tra un VFD e un MCC?

Funzionano a livelli diversi. Un MCC agisce come una raccolta di attrezzature che forniscono energia e offrono alcune protezioni e capacità di avvio per gli azionamenti dei motori. Nel frattempo, un VFD si riferisce a un singolo dispositivo che modifica la velocità di un motore variando frequenza e tensione. Poiché gli azionamenti sono comunemente montati nei bucket MCC, le persone tendono a confondere i due concetti; tuttavia, l'MCC è l'involucro, il bus e il dispositivo di protezione per l'insieme completo di azionamenti, mentre il VFD è responsabile del controllo di un motore. Se si sostituisce completamente l'MCC con VFD, non ci sarà una protezione adeguata degli azionamenti elettrici insieme.

Riferimenti

Conclusione

Un Centro di Controllo Motori (MCC) è dove termina la distribuzione comune di energia elettrica per il sistema di alimentazione. Il bus è l'attrezzatura utilizzata per la distribuzione, mentre i contenitori sono utilizzati per proteggere, commutare e monitorare la distribuzione di energia. I grandi involucri metallici e le protezioni sono stati progettati specificamente per mantenere l'attrezzatura al riparo dall'esposizione, mentre le moderne reti di fabbrica consentono all'intero MCC di fungere da operatore di raccolta dell'energia. Ogni produttore avrà sviluppato un codice che include requisiti per il rinforzo del bus, l'ordine delle fasi, lo spazio di curvatura e di distanza, il collegamento ai punti di intersezione, la marcatura della targhetta e la documentazione della corrente di guasto. La maggior parte dei produttori deve prendere tre decisioni fondamentali per tutti gli MCC. In primo luogo, i produttori dovrebbero rendere disponibile il componente MCC rimovibile se i costi di inattività sono troppo elevati; in secondo luogo, i produttori dovrebbero verificare che la valutazione della corrente di guasto per ogni MCC sia uguale o superiore alle correnti di guasto ai terminali; e infine, i produttori dovrebbero fornire un monitoraggio continuo della documentazione ingegneristica mentre il loro cliente sta costruendo un impianto.