Capitolo I: Introduzione al Controllo di Processo

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1 Capitolo I: Introduzione al Controllo di Processo I-1: Le problematiche di controllo Un processo industriale è costituito da una serie di unità tra loro integrate in modo razionale con l'obiettivo globale di convertire, più economicamente possibile, certe materie prime in un prodotto finito. Durante il suo funzionamento l'impianto deve soddisfare una serie di condizioni specificate al momento del progetto e imposte dalla situazione generale (economica, sociale, ambientale) nella quale 1'impianto si trova ad operare. Tra queste, in ordine di priorità decrescente, si possono elencare: - Sicurezza: Un processo deve essere gestito in modo da non costituire pericoli per le persone dell'impianto e delle vicinanze; questo implica il mantenimento delle variabili operative (temperature, pressioni, concentrazioni di sostanze chimiche) entro i limiti permessi dalle apparecchiature. - Regolamentazioni ambientali: Le emissioni dall'impianto (gli effluenti liquidi e gassosi, nonché i residui solidi scaricati) devono essere mantenute al di sotto dei limiti previsti dalle normative vigenti nella regione dove l'impianto è installato. - Vincoli operativi: Le apparecchiature, e quindi le principali variabili operative dell'impianto, sono sottoposte a dei limiti oltre i quali il funzionamento non è garantito o non è possibile. - Specifiche di produzione: In uscita dall'impianto si devono ottenere dei prodotti finali aventi quantità e qualità assegnate, fissate dalla potenzialità dell'impianto e dalle specifiche di qualità richieste per il prodotto commerciale. - Economia dell'impianto: L'esistenza dell'impianto è subordinata alla possibilità di ottenere un prodotto da collocare sul mercato; quindi il consumo di materie prime, energia, investimento di capitale e l'impiego di manodopera devono essere in qualche modo ottimizzati. Durante il funzionamento un impianto industriale si trova ad operare in condizioni dinamiche per effetto di ingressi che tendono a spostarlo dalle condizioni di stazionario. Questi sono: - Perturbazioni, non desiderate, ma inevitabili in un ambiente industriale; ad esempio: cambiamento materie prime, invecchiamento o sporcamento delle superfici, oscillazione di pressione e temperatura rete di raffreddamento o riscaldamento, escursioni termiche tra notte e giorno; - cambiamenti di condizioni operative, desiderate e stabilite dall'operatore o dal sistema di supervisione dell'impianto; ad esempio: cambio tipologia di prodotto, ottimizzazione funzionamento (minimizzazione consumi di energia, aumento o diminuzione della produzione). L'obiettivo del sistema di controllo, in senso stretto, è quello di mantenere le variabili di processo sui valori desiderati; in senso più generale, il sistema di automazione dell impianto include le funzioni di: sicurezza, controllo e ottimizzazione, secondo lo schema di Figura I-1. La funzione sicurezza gestisce le condizioni di emergenza; si basa su dispositivi autoazionanti (valvole di sicurezza, di blocco, dischi a rottura); ha la priorità più elevata. La funzione controllo gestisce le condizioni ordinarie; si basa su regolatori, in genere di tipo standard (PID). Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,1

2 La funzione ottimizzazione ha lo scopo di mantenere il processo nelle condizioni operative ottimali; determina i valori di riferimento dei regolatori; si basa su sistemi di calcolo più avanzati; non è prioritaria, ma ha il livello tecnologicamente più elevato. OTTIMIZZAZIONE Gerarchia CONTROLLO SICUREZZA Priorità Fig.I-1: Le funzioni sicurezza, controllo e ottimizzazione I-2: Classificazione delle variabili di processo Una schematizzazione delle variabili di processo è riportata nella Figura I-2; il processo può essere visto come un sistema che sotto l'azione di certe variabili di ingresso (cause), genera certe variabili di uscita (effetti). Tra le variabili di ingresso si possono distinguere le variabili manipolabili, (che sono a disposizione dell'operatore per effettuare correzioni nella conduzione del processo), dai disturbi, (i quali dipendono dall'ambiente esterno e sfuggono al controllo dell'operatore). Mentre le variabili manipolabili sono anche misurabili facilmente, soltanto alcuni disturbi potranno essere misurati; la maggior parte è invece da considerare non nota e non misurabile. Tra le variabili di uscita dal processo si possono distinguere essenzialmente due categorie: le variabili di prestazione e le variabili intermedie. Le prime sono le variabili controllate in senso lato, in genere non tutte misurabili direttamente, collegate agli obiettivi dell'ottimizzazione dell'impianto. Le seconde sono le variabili fisiche, misurabili in qualche modo, indice del funzionamento dell'impianto e quindi delle prestazioni attuali. IN = Cause Misurabili V. Disturbo Non Misurabili V. Manipolabili PROCESSO V. Intermedie Fig.I-2: Una classificazione delle variabili di processo V. Prestazione OUT = Effetti Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,2

3 La schematizzazione del problema in questi termini è essenziale ai fini della definizione degli obiettivi, per la scelta delle variabili misurate e manipolate, per la scelta della struttura del sistema di controllo. Nel caso più semplice, ai fini del controllo, un processo può essere schematizzato con una sola variabile controllata in uscita e una sola variabile manipolata in ingresso, oltre ai disturbi (sistema SISO: Single Input Single Ouput). Nella maggior parte dei casi i processi hanno molte variabili in ingresso e in uscita (sistemi MIMO: Multi Input Multi Output) e sono caratterizzati da interazione dei diversi ingressi sulle uscite. In casi particolari è ancora possibile identificare variabili di ingresso aventi effetto predominante su certe uscite e ricondurre il sistema multivariabile ad una serie di sistemi di tipo SISO tra loro non interagenti. I-3: Alcuni esempi di processi controllati Livello di un serbatoio Si vuole controllare il livello (h) del serbatoio (V.Ctrl); sono presenti disturbi sulla portata di ingresso F i (V.Dstr). La variabile controllata h è anche misurabile (V.Msrt); un possibile schema di controllo di livello (LC) è quello di intervenire mediante una valvola sulla portata di uscita F u (V.Mnpl), per mantenere il livello h al valore desiderato h o. L apertura è fatta variare in funzione della differenza tra il valore desiderato (h o ) e il valore attuale (h) del livello. Fig.I-3: Controllo di livello di un serbatoio Temperatura di un serbatoio Si vuole controllare la temperatura (T) del serbatoio (V.Ctrl), dove si ha un riscaldamento del liquido in ingresso dalla temperatura T i alla temperatura T ; sono presenti disturbi sulla portata F i e sulla temperatura di ingresso T i (V.Dstr). La variabile controllata T è anche misurabile (V. Msrt); un possibile schema di controllo di temperatura (TC) è quello di intervenire mediante una valvola sulla portata di vapore W (V.Mnpl), per mantenere la temperatura T al valore desiderato T o. L apertura è fatta variare in funzione della differenza tra il valore desiderato (T o ) e il valore attuale (T) della temperatura. Fig.I-4: Controllo di temperatura di un serbatoio Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,3

4 Concentrazione in un serbatoio Si vuole controllare la concentrazione (C) di uscita dal serbatoio (V.Ctrl) dove avviene una reazione di neutralizzazione tra il reagente A e il reagente B (ad esempio un controllo di ph); sono presenti disturbi sulla portata Q b del reagente B (V.Dstr). La variabile controllata C è anche misurabile (V. Msrt); un possibile schema di controllo di concentrazione (CC) è quello di intervenire mediante una valvola sulla portata Q a di reagente A (V.Mnpl), per mantenere la Concentrazione C al valore desiderato C o. L apertura è fatta variare in funzione della differenza tra il valore desiderato (C o ) e il valore attuale (C) della concentrazione. Fig.I-5: Controllo di concentrazione di un serbatoio I-4: Sistemi SISO e MIMO Livello, Concentrazione e Temperatura di un serbatoio Gli esempi precedenti rappresentavano sistemi con una sola variabile controllata e una sola variabile manipolata (sistemi SISO); il funzionamento del sistema di controllo è immediato. In molti casi si hanno più variabili di ingresso e di uscita (sistemi MIMO), con possibilità che ogni singolo ingressi influenzi alcune o tutte le uscite; è il caso del serbatoio riportato in Figura I-6: si vuole mantenere sotto controllo il livello h, la temperatura T e la concentrazione C, che possono essere assunte misurabili. Sono previsti disturbi sul flusso B (portata Q b, temperatura T b, Concentrazione C b ); si può intervenire sulle portate del flusso A (Q a ), del vapore (W) e del flusso in uscita (Q). Fig.I-6: Schema del processo con tre V.Ctrl e tre V. Mnpl In questo caso la scelta del sistema di controllo e il funzionamento possono non essere immediati. Si può adottare un sistema di controllo di tipo SISO (FiguraI-7 con accoppiamenti tra singole variabili Mnpl in ingresso e Ctrl di uscita), con problemi di interazione e scelta degli accoppiamenti. Ad esempio, la portata Q a può essere asservita alla concentrazione C (Q a C), la portata di vapore W alla temperatura T (W T), la portata di uscita Q al livello h (Q h), come schematizzato in Figura I-7a a; è evidente che una variazione di portata Q a, oltre che su C (effetto desiderato), influenza anche h (effetto non desiderato interazione); invece, una variazione di portata W ha effetto principalmente sulla temperatura T. Questo non è l unico schema che può funzionare: ad esempio possono essere scambiate tra loro le portate Q e Q a, con accoppiamenti Q a h e Q C. In generale, i processi industriali sono di tipo MIMO, ma in molti casi le relazioni tra le variabili più importanti possono essere ricondotte a schemi di tipo SISO, che vengono Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,4

5 preferiti quando la loro efficacia risulta accettabile, dato che risultano più semplici e immediati, anche se non ottimali. In alternativa, si può adottare un sistema di controllo di tipo MIMO (Figura I-7b), in teoria ottimale, in quanto tutte le controllate sono influenzate da tutte le manipolate; esso presenta maggiori difficoltà di progettazione e di realizzazione. (a) (b) Fig.I-7: Schema di controllo SISO (a) e MIMO (b) del processo con tre V.Ctrl e tre V. Mnpl I-5: Elementi e variabili in un processo controllato Negli esempi precedenti possono essere individuati gli elementi essenziali costituenti il processo controllato, schematizzati in termini di diagramma a blocchi nella Figura 1.8. S: dipende da Y-Y Disturbi Y REGOLATORE S ATTUATORE X PROCESSO Y Ym MISURATORE Figura 1.8: Elementi e variabili in un processo controllato in retroazione (CL) Ciascun blocco rappresenta in modo pittorico il rapporto causa - effetto tra variabili di ingresso e variabili di uscita. Introducendo nel blocco il modello matematico dell'elemento è possibile una valutazione quantitativa dell'evoluzione del sistema nel tempo. Di seguito è riportata una descrizione qualitativa dei diversi elementi e del loro funzionamento nell'anello di regolazione in retroazione. - Il Processo: rappresenta l'operazione (la variabile) che si vuole controllare, ovvero l'effetto e della variabile manipolata m e del disturbo d sull'uscita y; normalmente questi due effetti sono diversi tra loro. - L'Attuatore: rappresenta il dispositivo che trasforma le correzioni s, decise dal regolatore, in variazioni sulla variabile manipolata X. Nella maggior parte dei casi, è una valvola di regolazione che agisce su una portata di fluido. - Il Regolatore: stabilisce l'azione di controllo da effettuare affinché la variabile di uscita y, che è nota attraverso la sua misura Y m, sia uguale al valore desiderato r=y (set-point); la variabile e = Y m - r è definita errore. L azione di controllo dipende dall errore Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,5

6 (retroazione); l entità dell azione correttiva [s=f(e)], dipende dalla legge di controllo (algoritmo del regolatore). - Il Misuratore: trasferisce al sistema di controllo il valore Ym della variabile controllata Y. Il blocco M ingloba l'elemento sensibile, il trasduttore, la linea di trasmissione. In parallelo la variabile misurata è generalmente registrata per avere una traccia del suo andamento nel tempo. I-6: Azione di controllo OL e CL Si distinguono due tipi di azione di controllo fondamentali: in anello aperto (Open Loop, OL) e in anello chiuso (Closed Loop, CL), a seconda che l azione di controllo risenta o meno della variabile di uscita. Nel controllo OL, l azione di controllo è stabilita dall esterno e non dipende dagli effetti sull uscita (Figura I-9). È tipica dei dispositivi temporizzati (costanti nel tempo o con logica programmata); è caratterizzato da maggiore semplicità, bassi costi dei dispositivi, minore accuratezza nelle prestazioni, che dipendono dalla calibrazione. Esempi di controllo OL: cellula fotoelettrica, tostapane, forno, lavatrice); elementi OL si ritrovano in schemi più complessi (controllo in avanti). Disturbi REGOLATORE ATTUATORE X PROCESSO Fig.I-9: Schema di un processo controllato anello aperto (OL) Nel controllo CL, che è il sistema più comune, l azione di controllo dipende dagli effetti sull uscita (Figura I-8). Questo tipo di azione si ritrova nei sistemi naturali (regolazione temperatura corporea), manuali (uomo che guida automobile), automatici (schemi più comuni di controllo processo). La retroazione (Feedback) è la proprietà per la quale l informazione sullo stato del processo viene trasferita al regolatore per mezzo di un misuratore. Come principale caratteristica, è in grado di permettere prestazioni più elevate; la risposta può divenire oscillante, a causa dei continui aggiustamenti dell azione di controllo, con possibilità di portare a instabilità, se non correttamente progettato. I-7: Tipi di strutture di controllo La struttura del sistema di controllo rappresenta il modo con cui le informazioni sul processo, ottenute attraverso le misure, vengono usate per effettuare le correzioni nelle variabili manipolate in ingresso al processo. La struttura più comune, come già illustrato in precedenza, è quella in retroazione, (Figura I- 10a). Sono utilizzate direttamente le misure delle variabili controllate in uscita per intervenire sulle variabili manipolate; l'entità dell'azione correttiva dipende proprio dallo scostamento della variabile di uscita rispetto ai valori desiderati. Un'altra struttura di controllo base è quella in avanti (Feed-Forward), che è in Anello Aperto, (Figura I-10b). In questo caso sono utilizzate le misure di alcune variabili di ingresso Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,6

7 (disturbi misurabili) per effettuare le correzioni sulle variabili manipolate. Al vantaggio di una maggiore velocità di intervento rispetto allo schema in retroazione, corrisponde lo svantaggio della mancanza di una verifica sugli effetti ottenuti sulle variabili in uscita dal processo. Per questa ragione lo schema in avanti si usa raramente da solo; più comunemente, è accoppiato allo schema in retroazione, al fine di avere i vantaggi delle due configurazioni. Nel caso in cui siano disponibili altre misure, oltre che delle variabili di uscita, anche di alcune variabili intermedie che possono risentire degli effetti dei disturbi più prontamente delle uscite, le misure intermedie possono essere usate in schemi di controllo in cascata (Figura I-10c). In questo caso si hanno più regolatori in serie con obiettivi di controllo specifici e stabiliti, dal regolatore più esterno (primario), per ogni regolatore interno (secondario). In tutti gli esempi visti sopra le variabili controllate erano anche considerate direttamente misurabili; in molti casi di rilevante interesse industriale le misure non sono possibili, oppure i sistemi di misura sono costosi o scarsamente affidabili o hanno proprietà dinamiche sfavorevoli (ritardi); ad esempio misure di proprietà finali, richieste nel controllo di qualità (grammatura della carta, resistenza meccanica di una fibra), ma anche misure di variabili intermedie (pesi molecolari o loro distribuzione, viscosità, composizione di una miscela a molti componenti). In questi casi è necessario ricorrere a schemi più complessi nei quali la grandezza non misurabile direttamente viene ricostruita per mezzo di uno stimatore, il quale si basa sui misurati delle variabili intermedie disponibili e su un modello del processo. Queste stime sono usate in uno schema di controllo inferenziale (Figura I-10d), per effettuare le correzioni sulle variabili di ingresso al processo. Fig.I-10a: controllo in retroazione Fig. I-10b: controllo in avanti Fig.I-10c: controllo in cascata Fig.I-10d: controllo inferenziale (con stimatori) Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,7

8 I-8: Evoluzione dei sistemi di controllo Il sistema di controllo svolge la funzione più evoluta tra gli elementi che costituiscono la catena di regolazione, dato che valuta l entità dell azione correttiva da apportare sulle variabili di ingresso per mantenere il sistema nelle condizioni di funzionamento desiderato. Questo ruolo può essere svolto dall uomo (controllo manuale), con riferimento alla propria esperienza oppure sulla base di procedure codificate. È questo il caso di tutti i sistemi di guida (automobile, treno, aereo, anche se in molti casi il sistema di controllo è misto, avvalendosi anche di dispositivi automatici). Questo è anche la situazione di processi industriali relativamente semplici, o della prima fase della industrializzazione (specifiche di controllo meno restrittive, controllo limitato alle variabili più importanti). Attualmente il controllo manuale è riservato a operazioni particolari, non troppo complesse, o difficili da inquadrare in una procedura (ad esempio operazioni discontinue, formulazione di composti, procedure particolari di stagionatura o invecchiamento di prodotti alimentari); in ogni caso la tendenza è verso l automazione anche di questi processi. Il controllo automatico è quello più diffuso oggi e ha rappresentato la naturale evoluzione nel controllo di processo, motivata dal passaggio da processi discontinui a continui di crescente complessità, dalla necessità di mantenere specifiche più ristrette sui prodotti, dall esigenza di affrancare l uomo da operazioni ripetitive. Il compito dell operatore manuale è quello di impostare i valori desiderati delle principali variabili sul sistema di controllo che poi provvede a mantenerli. Il regolatore all inizio era di tipo analogico (pneumatico, elettrico); attualmente i regolatori più diffusi sono di tipo digitale, con possibilità di realizzare algoritmi di controllo più sofisticati e svariate funzionalità accessorie. In ogni caso, a livello di controllo di base, i regolatori più diffusi sono ancora quelli di tipo standard (convenzionale o PID), per i quali la relazione tra azione di controllo ed errore [s=f(e)] è di tipo Proporzionale Integrale Derivativo. Controllo con Calcolatore. Il grande sviluppo tecnologico degli ultimi anni, rendendo disponibili calcolatori di potenzialità crescente a prezzi sempre più bassi, ha avuto un impatto profondo nel controllo dei processi. Le possibili applicazioni sono molto diversificate, ma i due modi base di impiego sono: Controllo Digitale Diretto (DDC, Figura I-11a): in questo caso il calcolatore sostituisce il regolatore, nel senso che riceve direttamente le misure dal processo e calcola l'azione di controllo. In principale vantaggio è che possono essere realizzate leggi di controllo più sofisticate di quelle possibili con i tradizionali regolatori di tipo standard. Non è molto diffuso nel controllo dei processi industriali, mentre le principali applicazioni sono nel campo delle tecnologie meccaniche (macchine a controllo numerico). Controllo con Calcolatore in Supervisione (DCS, Figura 1-11b): in questo caso il calcolatore acquisisce i dati dall'impianto, li elabora in modo da perseguire una strategia di ottimizzazione e stabilisce i valori di set-point per i regolatori che agiscono sulle singole unità del processo. Questi possono essere controllati ancora da calcolatori più piccoli, ma nei casi più comuni regolatori che agiscono sul processo sono ancora di tipo convenzionale. I dati d'impianto vengono registrati, presentati in grafici e quadri sinottici dell'impianto ed elaborati a fini statistici e di confronto. L operatore supervisiona il funzionamento di più unità dell impianto dalla sala controllo, ha indicazioni immediate delle variabili fuori specifica e delle eventuali emergenze e può effettuare valutazioni storiche sull andamento del controllo (monitoraggio delle prestazioni, in gran parte automatizzato). Le modifiche da effettuare sulle variabili di processo, possono essere attuate automaticamente, oppure dopo consenso da parte dell operatore (Figura I-12). Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,8

9 Fig.I-11a: controllo digitale diretto Fig.I-11b: controllo con calcolatore in supevisione Fig.I-12a: Registrazioni di variabili controllate Fig.I-12b: supervisione da sala controllo I-9: Fasi della progettazione del sistema di controllo Per progettare il sistema di controllo è necessario conoscere le caratteristiche del processo e dei diversi elementi che costituiscono la catena di regolazione. Uno stesso sistema di controllo non può essere ottimale per tutte le situazione: processo continuo o discontinuo, fasi di avviamento o fermata, neutralizzazione dei disturbi o cambiamento delle condizioni operative. Le fasi della progettazione del sistema di controllo possono essere schematizzate nelle seguenti: - Definizione degli obiettivi di controllo (quali e quante variabili?, a quali sono assegnate le priorità?). - Individuazione delle fonti di perturbazioni (quali disturbi sono più frequenti?, quali misurabili e quali no?, quali possono essere eliminati con interventi di progetto o di controllo a monte?). - Scelta delle variabili misurate (le variabili controllate sono misurabili direttamente? ci sono variabili intermedie? quali sono le caratteristiche (precisione, affidabilità) delle misure possibili?). - Scelta delle variabili manipolate (quali sono a disposizione e quali sono fissate da vincoli a monte? quale efficacia sulle variabili controllate?). - scelta della configurazione di controllo (il processo è MIMO o SISO? se è MIMO, come devono essere accoppiate tra loro variabili manipolate e controllate? è sufficiente un semplice controllo in retroazione o serve uno schema più complesso (in avanti in cascata?). - Scelta della legge di controllo, cioè entità dell'azione correttiva, in funzione delle deviazioni rispetto al valore desiderato per le uscite (controllo SISO o MIMO? algoritmo di controllo: regolatore standard o avanzato?). Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,9

10 I-10: Rilevanza del controllo di processo L incidenza della parte Strumentazione e Controllo, che include strumenti di misura, trasmettitori, sistemi di controllo e attuatori (valvole di regolazione), sul costo totale di un impianto può essere stimata intorno al 30%, ma può essere anche molto superiore, dipendendo fortemente dal grado di automazione dello stesso. Inoltre negli ultimi decenni, in molti casi si è assistito ad interventi di innovazione su impianti di antica progettazione, per permettere l adeguamento alle nuove esigenze produttive, di rispetto delle normative di sicurezza ed ambientale, interventi che hanno riguardato essenzialmente la parte relativa all automazione. Anche nel caso di progettazione di impianti nuovi, una esigenza che si è affermata è quella della interazione tra le fasi di progettazione dell impianto e del sistema di controllo, per far sì che la possibilità di garantire certe specifiche (controllabilità dell impianto) sia affrontata direttamente fin dalle prime fasi e non lasciate alla fase finale. In tal modo, si cerca di limitare i rischi dovuti alla impossibilità (o estrema difficoltà) di controllare un impianto la cui progettazione, ottimale dal punto di vista di processo, non ha tenuto conto delle caratteristiche del sistema di controllo. Prof. Claudio Scali Università di Pisa I,10