Modulo 1.2 Automazione degli impianti
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1 Corso di Strumentazione e Automazione Industriale Modulo 1.2 Automazione degli impianti Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini Ing. Alessandro Guzzini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
2 Agenda Automazione degli impianti: codice elettrico 2/13
3 Automazione degli impianti: architettura di un sistema di misura e controllo Il controllo e l automazione di un impianto può essere schematizzato nello schema seguente dove sono presenti gli elementi principali. L elemento di misura E deve estrarre la minima potenza possibile dal sistema per non alterarlo e pertanto, E non potrà comandare direttamente un attuatore (il quale necessita di potenze maggiori). Risulta dunque necessario introdurre un regolatore R che si interfaccia tra l elemento sensibile e l attuatore. Per fornire potenza all attuatore, R viene alimentato da un segnale di potenza. E Segnale di potenza I codici di trasmissione del segnale dal regolatore all attuatore possono essere suddivisi in: 1)Codice pneumatico 2)Codice elettrico analogico 3)Codice elettrico digitale 3/13
4 Il codice pneumatico L automazione pneumatica è nata nei paesi anglosassoni ed i segnali trasmessi mediante aria compressa vengono misurati in libbre per pollice quadrato (PSI). I segnali pneumatici trasmessi dal regolatore all attuatore sono solitamente nell intervallo di pressione compreso fra 3 15 PSI corrispondenti a circa 0,21 1 bar. Conseguentemente, il segnale in ingresso al regolatore dovrà avere una pressione superiore (20 PSI); nel caso particolare di presenza di più attuatori che devono attuare in sequenza, le pressioni sono maggiori PSI 4/13
5 Il codice pneumatico Nel caso in cui le distanze fra elemento sensibile e regolatore dovessero aumentare, si deve interporre un altra interfaccia fra elemento sensibile e regolatore, ossia un trasmettitore, che è una sorta di regolatore di pressione che restituisce rapidamente all ingresso del regolatore il segnale presente all uscita dell elemento sensibile. Rispetto all elemento sensibile che preleva potenza dal processo, tuttavia, il trasmettitore è alimentato con aria compressa e dunque è possibile inviare velocemente il segnale senza alterare il sistema in quanto la potenza del segnale di trasmissione è fornita dall esterno. Il segnale dal trasmettitore, inoltre, può essere inviato ad un registratore e ad un manometro che funge da strumento indicatore. 5/13
6 Esempio: spinta necessaria per chiudere l otturatore di una valvola pneumatica Ipotizziamo un otturatore di 6 di diametro (DN 150). Se a valvola chiusa si ha una differenza di pressione tra i due ambienti a monte e valle della stessa pari a 10 bar, il fluido esercita sull otturatore una spinta pari a: F fluido = π d2 4 p = π 0, = N 1800 kg Considerando un coefficiente di sovraccarico dovuto alla molla pari a 1,5 la spinta necessaria per tenere chiuso l otturatore sarà: F pneum = F fluido c = ,5 = 2700 kg La pressione massima fornita dal regolatore, corrispondente al segnale di 15 psi, è di circa 1bar (cioè 1kg/cm 2 di spinta) e pertanto servirebbe una membrana di diametro pari a : A membr = F pneum = 2700 p max 1 d = 4 A membr π = π = 2700 cm 2 = 59 cm linea tratteggiata: installazione autoclavica. Il flusso contribuisce alla chiusura dell otturatore ma si hanno problemi nella fase di regolazione finale. Per evitare un servomotore da 59 cm (ingombrante e costoso), conviene adottare un regolatore che fornisca un segnale maggiore di 15 PSI oppure trim bilanciato, oppure a doppio seggio. 6/13
7 Consumo energetico derivante dalla regolazione di un impianto: aria compressa L aria compressa utilizzata per trasferire il segnale nel codice pneumatico deve essere prodotta da un impianto di aria compressa dedicato (P&ID di figura) che è responsabile di un assorbimento elettrico non trascurabile, funzione del rapporto di compressione e delle portate elaborate. Il calcolo dell energia spesa per la produzione di aria compressa può essere effettuato mediante l equazione energetica del moto dei fluidi. 7/13
8 Agenda Automazione degli impianti: codice elettrico 8/13
9 Automazione degli impianti: codice elettrico Il codice elettrico analogico Con la comunicazione mediante codice elettrico, all uscita dei regolatori si utilizza un codice in corrente o un codice in tensione: nel caso di codice in tensione l intervallo di segnali che arriva all attuatore è 0-10 V, mentre nel caso di codice in corrente è 4-20 ma. Comunicazione in tensione: 0-10V Quando la natura del segnale proveniente dallo strumento di misura è in tensione, il regolatore utilizza un codice elettrico in tensione, per evitare di introdurre errori a seguito di passaggi di conversione V R Doppino È importante osservare che nel caso di comunicazione in tensione si induce un errore sistematico (ineliminabile perché è l architettura del sistema che lo impone) variabile ΔV. La caduta di tensione lungo i cavi è variabile perché dipende dalla corrente che circola. Questa, a sua volta è funzione della differenza di tensione ai capi del circuito che è funzione del segnale ricevuto al regolatore dall elemento sensibile. 0 ± V 10 ± V 9/13
10 Automazione degli impianti: codice elettrico Il codice elettrico analogico Comunicazione in corrente: 4-20 ma Nel caso di comunicazione in corrente, il regolatore trasmette all attuatore un segnale in corrente il cui valore è determinato dal segnale in ingresso al regolatore ed è controllato da un amperometro di misura all interno del regolatore. Per ottenere questa corrente si dovrà spendere una certa potenza elettrica. La scelta del valore minimo pari a 4 ma piuttosto che quello di 0 ma consente di non confondere l assenza di segnale (per esempio un danneggiamento) con il segnale di minimo. R 4-20 ma s Doppino 10/13
11 Automazione degli impianti: codice elettrico Il codice elettrico digitale. A differenza del codice elettrico analogico, in cui il segnale assume un qualsiasi valore all interno dell intervallo definito (in corrente o in tensione), il segnale digitale è un segnale in tensione discreto che assume due valori, per esempio 0V e 5V. La strumentazione analogica deve avere un convertitore A/D per le comunicazioni con un PLC o un PC. Viceversa un PC o un PLC per comunicare con un attuatore analogico deve disporre di un convertitore D/A. I convertitori A/D e D/A sono caratterizzati da due parametri: Numero di campionamenti nell unità di tempo. Definisce ogni quanto tempo vado a campionare il segnale. Numero di bit. Rappresenta in quanti intervalli si va a suddividere il campo di variazione massima della variabile. Andando a campionare un segnale analogico si ottiene un segnale digitale caratterizzato da un unico valore per ogni intervallo di campionamento. Più frequentemente vado a campionare l onda analogica, tanto maggiore è il numero di bit utilizzato e tanto migliore sarà l approssimazione dell onda analogica con un onda quadra. 11/13
12 Automazione degli impianti: codice elettrico Il codice elettrico digitale La scelta della comunicazione digitale rispetto alla comunicazione analogica comporta alcuni vantaggi fra cui: Non è influenzata dal rumore elettrico che nel caso analogico obbliga l utilizzo di cavi armati con conseguente aumento dei costi. Si può comunicare più di un informazione dal singolo strumento; nel caso analogico è necessario utilizzare un doppino diverso per ogni informazione ricevuta e inviata dallo strumento alla sala comandi. In questo caso si ha una riduzione dei costi di cablatura. Un singolo doppino può trasferire più di un informazione da più di uno strumento fra cui anche lo stato dello strumento derivante da diagnostica. È una comunicazione bidirezionale. Posso ricevere informazioni dallo strumento, ma posso anche inviare comandi allo strumento. Questa proprietà è di fondamentale importanza laddove l impianto si trovi in ambienti difficilmente raggiungibili o ad elevato rischio per l operatore. Nonostante questi indubbi vantaggi, la comunicazione analogica è ancora molto utilizzata a causa del costo maggiore degli strumenti digitali rispetto agli strumenti analogici. 12/13
13 Corso di Strumentazione e Automazione Industriale Modulo 1.2 Automazione degli impianti Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini Ing. Alessandro Guzzini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
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