Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici I : Introduzione ai Sistemi di Controllo

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1 Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici I : Introduzione ai Sistemi di Controllo Claudio Scali Laboratorio di Controllo dei Processi Chimici (CPCLab) Dipartimento di Ingegneria Chimica (DICCISM) Università di Pisa

2 Sommario I parte(*): Sistemi di Controllo - Obiettivi del Corso - Ruolo dell automazione dei processi - Elementi che costituiscono il sistema di controllo - Processo, Regolatore, Attuatore, Misuratore - Dinamica e modelli dei processi - Strutture di controllo e tipi di regolatori - Risposte caratteristiche con diversi tipi di regolatori (*) Riferimenti: testo Word e Presentazione PPT I, 2

3 INTRODUZIONE Gestione di un Processo Industriale = Controllo del Processo: Ragioni di sicurezza Rispetto delle regolamentazioni ambientali Rispetto dei vincoli operativi Mantenimento delle specifiche di produzione Ottimizzazione del funzionamento dell impianto Controllo Automatico: Per garantire specifiche sempre più stringenti Per affrancare l uomo da operazioni ripetitive Evoluzione nel tempo dei sistemi di controllo: da manuale fi automatico calcolatore fi Esempi I, 3

4 INTRODUZIONE Diversi Livelli dell Automazione di un Processo: Gerarchia OTTIMIZZAZIONE CONTROLLO Ottimizzazione: Migliora le condizioni di funzionamento Controllo: Gestisce condizioni ordinarie Priorità SICUREZZA Sicurezza: è prioritario; si basa su dispositivi autoazionanti (valvole di sicurezza, di blocco, dischi a rottura) Ottimizzazione: non prioritaria, ma livello tecnologicamente più elevato (Calcolatore) I, 4 Sicurezza: Gestisce condizioni emergenza

5 INTRODUZIONE Impianto Industriale opera in regime dinamico: Perturbazioni (disturbi); non desiderate, dipendono dal mondo esterno Esempi: cambiamento materie prime, invecchiamento / sporcamento delle superfici; oscillazione di pressione e temperatura rete di raffreddamento o riscaldamento; escursioni notte / giorno Cambiamento di Condizioni Operative; desiderato Scopo: cambio tipologia di prodotto, ottimizzazione funzionamento (minima energia, aumento/diminuzione produzione) Obiettivo del sistema di controllo: Mantenere il processo sui valori desiderati - Abbattere i disturbi - Gestire i cambiamenti di condizioni operative Ottimizzare le prestazioni I, 5

6 INTRODUZIONE Classificazioni delle variabili: Ingresso = Cause Misurabili Disturbi Non misurabili V. Manipolabili V. prestazione (Non misurabili) PROCESSO Osservazioni: - Importanza delle Misure: - Misurabilità di disturbi e di variabili di uscita: permettono schemi di controllo diversi - V. prestazione: controllate (in senso lato) - V. Intermedie: V. controllate vere e proprie I, 6 V. Intermedie (Misurabili) Uscita = Effetti

7 INTRODUZIONE SISO: Riscaldatore a vapore Sistemi SISO e MIMO - V. CTRLT: Temperatura uscita (T) - V. DSTRB: Temperatura ingresso (Ti) - V. MNPL: Portata vapore (V) Il funzionamento del sistema di controllo è immediato I, 7

8 INTRODUZIONE MIMO 3x3 - V. CTRLT: Temperatura e Concentrazione Uscita (T, C), Livello (H) - V. DSTRB: Temperatura, concentrazione, portata n.2 ingresso (T2, C2, F2) - V. MNPL: Portata vapore (V), Flusso n.1 (F1), Flusso uscita (F) più complesso: quali accoppiamenti?, interazione tra le diverse variabili? I, 8

9 INTRODUZIONE Fasi della Progettazione del Sistema di Controllo Definizione Obiettivi di Controllo - Quali variabili?; Priorità? Individuazione delle perturbazioni - Quali disturbi più frequenti? Misurabili? Eliminabili con interventi a monte? Scelta variabili misurabili - Variabili da controllare tutte misurabili? Variabili intermedie? Scelta variabili manipolate - Disponibilità? Efficacia? Scelta configurazione di controllo - Schema SISO o MIMO? Quali accoppiamenti? Scelta legge di controllo - Algoritmo del regolatore? I, 9

10 AZIONE di CONTROLLO Due tipi fondamentali: Anello Aperto (OL) e Anello Chiuso (CL) Anello Aperto (OL) - L azione di controllo è stabilita dall esterno e non dipende dagli effetti sull uscita - E tipica dei dispositivi temporizzati (costanti o con logica programmata) - Esempi: cellula fotoelettrica, tostapane, forno, lavatrice) - Caratteristiche: Semplicità, Bassi costi, Prestazioni non elevate, efficienza dipende dalla calibrazione, - Elementi OL si ritrovano in schemi più complessi Disturbi REGOLATORE S ATTUATORE X PROCESSO Y Azione fissata dall esterno S: segnale all attuatore X: Ingresso al processo Y: Uscita dal processo I, 10

11 Sistemi in Anello Aperto (OL) Tostapane Forno con profilo di Temperatura OL: l azione di controllo NON dipende dal suo effetto sull uscita Lavatrice I, 11

12 Anello Chiuso (CL) AZIONE di CONTROLLO - L azione di controllo dipende dagli effetti sull uscita - E l azione di controllo più comune - Si ritrova nei sistemi naturali (regolazione temperatura corporea), manuali (uomo che guida automobile), automatici (controllo in Retroazione - - -) - Caratteristiche: Prestazioni più elevate, Risposta diviene oscillante (in genere) - Retroazione: l informazione sullo stato dl processo viene trasferita al regolatore per mezzo di un misuratore S: dipende da Y-Y Disturbi Y REGOLATORE S X Y ATTUATORE PROCESSO Y =valore desiderato di Y set-point Ym: Misura di Y Ym MISURATORE I, 12 Y: Uscita dal processo

13 Sistemi (Manuali) in Anello Chiuso Uomo che posiziona oggetti Uomo che guida un Automobile Regolazione Temperatura Doccia CL: l azione di controllo dipende dal suo effetto sull uscita I, 13

14 Sistemi (Automatici) in Anello Chiuso Sistemi di Controllo in Anello Chiuso (CL): l azione di controllo dipende dal suo effetto sull uscita CC LC TC TC Controllo di Temperatura Controllo di Livello, Temperatura, Concentrazione I, 14

15 Strutture di Controllo - Retroazione (FeedBack) In Avanti (FeedForward) In Cascata Inferenziale Importanza delle misure..! I, 15

16 Elementi in uno Schema di Controllo in Retroazione Y E E= Y - Y= Errore REG Disturbi S X Y ATT PROC - Ym MIS 4 Elementi: Regolatore, Attuatore, processo Misuratore Il segnale di controllo S= f(e) dipende dalla differenza Y - Ym La legge di controllo f(e) dipende dall algoritmo del regolatore La risposta del sistema controllato dipende dalle caratteristiche di tutti gli elementi che lo compongono Importanza delle misure..! I, 16

17 Il Calcolatore nel Controllo dei Processi Controllo Digitale Diretto (DDC) (meno usato) - Il Calcolatore sostituisce il regolatore; - Possibilità di leggi di controllo più sofisticate I, 17

18 Il Calcolatore nel Controllo dei Processi Controllo con Calcolatore in Supervisione (SCC) - Il Calcolatore opera in supervisione di più anelli di regolazione controllati con regolatori tradizionali - I valori registrati delle variabili di processo vengono registrati per archivio e trasferiti in sala controllo (Controllo Distribuito DCS) - Il valore di set-point dei regolatori può essere stabilito dal calcolatore esterno (ottimizzazione) I, 18

19 Controllo e Supervisione di Processi Industriali L impianto La sala controllo Registrazione Dati I, 19

20 DINAMICA del PROCESSO e MODELLAZIONE - Per il Progetto del regolatore è necessario conoscere le caratteristiche statiche e dinamiche di tutti gli elementi che lo compongono Il Modello è la rappresentazione quantitativa delle relazioni IN / OUT Modello: può ottenersi dalle equazioni di conservazione in regime dinamico (metodo analitico) Modello: può ottenersi dall analisi delle risposte del sistema a ingressi noti (metodo sperimentale) La risposta del sistema permette di evidenziare transitorio e stazionario I, 20

21 Risposte Dinamiche di sistemi Primo Ordine: - Parametro: costante di tempo t: Y(t)= Y( ) - All aumentare di t la risposta diviene più lenta - t indice della capacità (inerzia) del sistema Esempi: Reattore Miscelato: C(Ci) Termocoppia: fem(t) Riscaldatore: T(Ti, Vap) Sistemi diversi: stessa dinamica I, 21

22 Risposte Dinamiche di sistemi Secondo Ordine: Parametri: sovrasm: costanti di tempo τ1, τ2 sottosm: τ, ξ (fattore di smorzamento) Esempi: Sistema viscoelastico Termocoppia con guaina 2 serbatoi q h 1 q 1 h 2 q 2 I, 22

23 Risposte Dinamiche di sistemi Ordine Superiore (n): - Parametri: costanti di tempo τ i - Risposte tipiche di sistemi in serie Esempi: N miscelatori o serbatoi in serie I, 23

24 Risposte Dinamiche di sistemi Ritardo Puro: - Parametro: ritardo (tempo morto) θ: Y(t)= 0, t< θ - Tipica di variazioni con velocità finita attraverso distanze non nulle Tubazione: variazione associata ad una portata Misura di composizione con gascromatografo (GC) I, 24

25 Risposte Dinamiche di sistemi Primo Ordine + Ritardo: - Parametri: guadagno K=B/A, ritardo θ, costante di tempo τ: Primo Ordine + Ritardo per approssimare sistemi di ordine n: I, 25

26 Risposte Dinamiche di sistemi Sistemi con Risposta Inversa : - Def: Il segno della risposta allo stazionario è diverso dal transitorio - Dipende da effetti in parallelo: il più rapido (prevale nel transitorio) ha entità minore del più lento (prevale allo stazionario) Evaporatore: a un aumento della portata di alimentazione fredda (F), a regime corrisponde un aumento di livello (H); nel transitorio, a causa delle bolle, si può avere diminuzione. I, 26

27 Risposte Dinamiche di sistemi Sistemi Instabili: - Def: Una piccola perturbazione da una condizione di equilibrio causa una grossa variazione nell uscita oscillante monotono Reattore: Punto di lavoro M instabile se Qgen > Qscam Serbatoio: Se Fi Fu fi serbatoio si svuota o trabocca I, 27

28 Caratteristiche dei Regolatori Schema Y - E Ym REG S S = f(e) la legge di controllo dipende dall algoritmo del regolatore Due tipi fondamentali: - Regolatori ad algoritmo standard (PID: Proporzionale Integrale Derivativo): più usati nei processi industriali; prestazioni accettabili per il controllo delle variabili base (L,P,F,T); nelle risposte: compromesso tra velocità di risposta e oscillazione; algoritmi: P, PI, PID - Regolatori ad algoritmo avanzato (basati su modello); in teoria prestazioni superiori, in pratica limitati dall accuratezza del modello; riservati ad applicazioni particolari I, 28

29 Regolatori Standard (PID) t K Algoritmo PID: c s( t) = Kc e( t) + Kc e( t) dt + Kc τ τ - Presenta tre componenti Componente P: sp( t) = K e( t) c i 0 d de( t) dt - Componente base; problema errore allo stazionario non nullo (offset 0) t = c Componente I: si( t) e( t) dt τi 0 - Elimina errore allo stazionario (offset 0); risposta oscillante Componente D: - Maggiore prontezza nella risposta; aumenta sensibilità ai rumori K sd( t) = K τ c d de( t) dt I, 29

30 Risposte di sistemi controllati con Regolatori Diversi Schema controllo in Retroazione D: R: Disturbi Set-Point E S X Y REG ATT PROC - Ym MIS Due tipi di funzionamento 1) Cambiamento di Condizioni Operative: (R 0; D= 0) 2) Neutralizzazione di Disturbi: (R= 0; D 0) Si esaminano risposte per ingressi di tipo a gradino I, 30

31 Risposta Y(R) con regolatori diversi Obiettivo: Si vuole passare dalla condizione 0 alla 1 nel più breve tempo possibile Osservazioni: Sistema con ritardo: fino al tempo θ non si risente dell azione di controllo Regolatore P non è in grado di raggiungere il nuovo valore (Y=R=1; Offset 0) Regolatore PI elimina offset; ma in genere la risposta diviene oscillante Regolatore PID risposta più veloce I, 31

32 Risposta Y(D) con regolatori diversi Obiettivo: Si vuole neutralizzare l effetto di una perturbazione che senza controllo allontanerebbe il sistema dalla condizione di funzionamento desiderata Osservazioni: Sistema con ritardo: fino al tempo θ non si risente del disturbo; fino a 2 θ dell azione di controllo Regolatore P non è in grado di riportare il sistema alle condizioni desiderate (Y=R=0; Offset 0) Regolatore PI elimina offset; risposta oscillante Regolatore PID risposta più veloce I, 32

33 Risposta Y(R) con regolatore PI, all aumentare dell azione di controllo (Guadagno) Osservazioni: Un aumento dell azione di controllo (ottenuto, ad esempio, aumentando il guadagno del regolatore Kc) determina: - una risposta più veloce, ma più oscillante - oltre certi valori di Kc possono insorgere instabilità.. fi Esempi nel corso delle esercitazioni I, 33

34 Progetto del sistema di controllo Formulazione del Problema: - Noto il processo (un modello) - Note le caratteristiche di attuatori e misuratori - Noto il tipo di ingressi Variazioni di condizioni operative (R) o disturbi (D) - Assegnate certe specifiche di prestazione Scegliere la struttura di regolazione e la legge di controllo Diversi livelli di progettazione: - Tuning (sintonizzazione): determinare i valori dei parametri Kc, τi, τd di un regolatore PID, in grado di dare prestazioni accettabili - Progetto vero e proprio (Analitico): calcolare la legge di controllo ottimale - Adozione di schemi di controllo più complessi I, 34

35 Tuning di Regolatori PID Specifiche di Prestazione: - Riferimento alla risposta nel tempo per una variazione a gradino - Allo stazionario si vuole raggiungere senza errore il nuovo valore (offset= 0) componente I nel regolatore - Nel transitorio: compromesso tra velocità di risposta e oscillazione velocità tempo di risalita (tr< tr*) oscillazione sovraelongazione (Se< Se*) oscillazione tempo di assestamento (ta< ta*) determinazione dei parametri Kc, ti, td del regolatore I, 35