Il controllo in ambito industriale

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1 Il controllo in ambito industriale Controllo di processo La potenza è nulla senza il controllo Processo: insieme di trasformazioni e trasmissioni di energia, materiali, informazione, coordinate ad un obiettivo definito. In pratica i processi produttivi industriali (chimici, alimentari, ecc.) nei quali le grandezze in gioco sono temperature, pressioni, flussi, livelli. Controllo di sistemi meccanici Robot industriali, macchine utensili. Le grandezze in gioco sono posizioni, velocità, coppie.

2 L anello di regolazione y sp e C(s) u d P(s) n y Notazione industriale: y sp SV (Setpoint Value) y PV (Process Value) u MV (Manipulated Variable) e DV (Deviation) Le prestazioni dell anello di regolazione non sono determinate solo dal controllore, ma anche dai sensori e dagli attuatori!

3 Diagrammi P&I (Piping and Instrumentation) Descrivono i componenti principali dell impianto, le loro connessioni, e inoltre riportano i componenti del sistema di controllo specificandone le funzioni. Ogni strumento o funzione che si vuole identificare è contrassegnato da un tag number contrassegnato in generale da due o tre lettere e un numero. La prima lettera denota la variabile controllata o misurata e può essere: A E F I J L P T Z composizione chimica tensione portata (flusso, flow rate) corrente potenza livello pressione temperatura posizione La seconda e la terza lettera identificano la funzione dello strumento: R I V C A S T registratore indicatore valvola controllore (regolatore) generatore di allarme commutatore o interruttore (switch) trasmettitore Il numero identifica l anello di controllo Esempi: TIC-100 controllore di temperatura con indicatore FRC-101 controllore e registratore di portata

4 Esempio di diagramma P&I

5 Sensori Sotto l'etichetta di "sensori" vanno comunemente tutti quei dispositivi in grado di effettuare la misura di una grandezza fisica e quindi di tradurla in un segnale, generalmente elettrico. Alcuni parametri ne caratterizzano funzionalità e prestazioni. Accuratezza. È il massimo scostamento tra la misura fornita dal sensore ed il valore vero della grandezza fisica misurata. In parziale contraddizione con il nome assegnatogli, si tratta quindi di un parametro che implica una misura migliore quanto più esso è basso. Si trova espresso come percentuale del campo di misura (o del fondo scala, se l'altro estremo è lo zero) X ε f =100 X misurato X fondo scala reale oppure come percentuale della misura X ε =100 a misurato X X reale reale si nota che, nel primo caso, il valore è poco significativo quanto più il campo di misura è ampio. La carenza di accuratezza deriva essenzialmente da errori sistematici di misura, riducibili attraverso l'aggiustamento periodico dei parametri del sensore (calibrazione). Precisione. Esprime la ripetibilità (o riproducibilità) delle misure dello stesso valore fisico nelle stesse condizioni operative. Dato che in pratica è indice dell'evenienza di errori casuali, una buona precisione è spesso assai più importante di una accuratezza elevata. Rangeability (turn-down). È il rapporto tra il fondoscala e il minor valore, normalizzato all unità, per il quale sono validi i dati di accuratezza e precisione. Un valore elevato di rangeability è pertanto indice di applicabilità del sensore in un ampio campo di misura. Ad esempio, un sensore di portata con rangeability 20:1, con fondo scala di 100 kg/s e accuratezza dell 1% registra, con tale accuratezza, portate comprese tra 5 e 100 kg/s. Al di fuori di questo range le prestazioni possono essere molto scadenti! Quindi bisogna stare attenti

6 Caratteristica statica. È la relazione (algebrica) che esprime la misura fornita dal sensore in funzione del valore reale della grandezza fisica. Si cerca sempre di operare con strumenti in grado di fornire, nel campo di interesse, una relazione lineare. Sensibilità (sensitività). È il rapporto tra una variazione della misura fornita dal sensore e la corrispondente variazione del valore reale della grandezza fisica. Se la caratteristica statica è lineare tale rapporto è costante mentre varia in funzione della misura se essa è non lineare. Risoluzione massima. È la più piccola variazione della grandezza fisica in grado di produrre una variazione della misura fornita dal sensore. In linea di principio anche questo parametro dipende dal punto di lavoro. Caratteristica dinamica. È la funzione di trasferimento che lega il valore della grandezza fisica alla misura fornita dal sensore. La risposta di quest'ultimo non è infatti istantanea e tale funzione di trasferimento si può approssimare con una semplice costante di tempo, che, talvolta, nell'ambito del progetto del sistema di controllo, non può essere trascurata. È evidente come, a regime, la caratteristica dinamica debba tendere a quella statica.

7 Sensori per processi Sensori di temperatura. - Termocoppie (TC). Si tratta in genere di sensori dalla elevata sensibilità e rapida dinamica ma dalla modesta accuratezza. - Termoresistenze (RTD). Si tratta in genere di sensori applicabili in un range più limitato, dalla modesta sensibilità ma dalla elevata accuratezza; la caratteristica dinamica è più lenta di quella delle termocoppie. - Termistori. Hanno un campo di applicazione assai limitato (dispositivi piccoli e fragili e con range limitato) ma una elevata accuratezza (fino al decimo di grado). La caratteristica dinamica è molto rapida ma quella statica è assai poco lineare. Sensori di pressione. I principi di misura sono svariati ed i più comuni sono: - la rilevazione dell'altezza di una colonna di liquido necessaria a controbilanciare la pressione da misurare (manometri a colonna o ad U): misure (differenziali) accurate ma su range limitati; - la misura della deformazione di tubi curvi di sezione non circolare (tubi Bourdon) o di quella di soffietti contrastati da molle; - la rilevazione della variazione di capacità elettrica indotta dall'avvicinamento dell'armatura del condensatore sottoposta alla pressione da misurare (diaframmi); - la misura della variazione di resistenza elettrica associata alla deformazione di conduttori (estensimetri) o cristalli di silicio (trasduttori piezoresistivi) - la misura della variazione di induttanza di un avvolgimento dovuta allo spostamento di un nucleo di ferrite posto su un diaframma metallico sottoposto alla pressione da rilevare. In ogni caso poi la grandezza rilevata viene convertita in segnale elettrico, tipicamente attraverso un circuito basato su di un ponte di Wheatstone. Precisione, accuratezza e rangeability possono variare sensibilmente a secondo della tecnologia impiegata ma generalmente, agli effetti del controllo, i sensori di pressione sono in grado di fornire caratteristiche statiche piuttosto lineari e caratteristiche dinamiche molto rapide.

8 Sensori di portata. Anche in questo caso i principi di funzionamento sono molteplici. - Dispositivi a strozzamento (dischi forati, venturimetri). Data la loro morfologia, provocano l'aumento di velocità del fluido ed una caduta di pressione a valle dello strozzamento. Misurando quest'ultima si risale alla portata del fluido che risulta essere sostanzialmente proporzionale alla radice della caduta di pressione (per questo motivo i misuratori sono provvisti di estrattore di radice prima di inviare il segnale). A dispetto della loro modesta accuratezza e rangeability tali sensori risultano tuttora molto diffusi. - Flussometri a sezione variabile. Traducono la portata in misura dello spostamento di un otturatore allocato all interno di una sezione verticale troncoconica di un tubo (graduato e trasparente) che può essere posto all interno del condotto nel quale passa il fluido oppure (se la pressione è ivi tropo elevata) in una tubazione ricavata in parallelo. La relazione che si trova è questa volta di semplice proporzionalità. Si caratterizzano per la loro economicità. - Misuratori a vortici (vortex). Inserendo un corpo non smussato nella corrente fluida si induce la formazione di vortici che da esso si staccano in regolare successione (come accade per l asta delle bandiere) con una frequenza che risulta proporzionale alla velocità del fluido. Svariate sono le tecniche adottate dai costruttori per misurare tale frequenza. Accuratezza e rangeability (purché il fluido sia pulito e poco viscoso) sono migliori ma occorre seguire precise prescrizioni di montaggio e garantire che il moto sia sempre sufficientemente turbolento. - Sensori elettromagnetici. Essendo il principio di misura basato sulla legge di induzione elettromagnetica, sono adatti solo per fluidi dalla sufficiente conduttività. La sezione di passaggio viene sottoposta ad un campo magnetico trasversale B; essendo il fluido conduttivo, esso genera una forza elettromotrice e=vdb (con v la velocità del moto e d il diametro del tubo), facilmente rilevabile con un paio di elettrodi. Accuratezza (pur di mantenere sufficientemente uniforme la velocità del fluido) e soprattutto rangeability sono molto elevate ed inoltre tali misuratori consentono di non introdurre perdite di carico e risultano particolarmente robusti ed affidabili.

9 - Misuratori massici. Basati sulla rilevazione dell accelerazione di Coriolis che si instaura in un corpo di massa m in moto con velocità v rispetto ad un sistema di riferimento a sua volta in moto con velocità angolare ω, sono in grado di fornire direttamente la portata massica. Accuratezza e rangeability sono piuttosto elevate, pur rimanendo nella fascia dei fluidi moderatamente densi e con portate mediobasse. Sono molto costosi. Sensori di livello. Svariati sono i dispositivi per la misura del livello di liquido in un serbatoio anche se, spesso interessa una visualizzazione locale (dispositivi a scala graduata e galleggiante) o, più della misura, importa il semplice superamento di una paio di quote di minimo e di massimo (interruttori di livello). Nel caso il livello sia effettivamente una variabile da controllare in un loop di regolazione, esso si può ricavare in uno dei seguenti modi: - Misuratori a principio idrostatico. In base alla differenza di pressione tra il pelo libero e il fondo del serbatoio ovvero come P livello = fondo P sup erficie g densità - Misuratori a principio capacitivo. In base alla capacità dielettrica che si instaura tra la parete del serbatoio e quella di una sonda metallica immersa nel fluido; essa risulta infatti proporzionale alla quantità di fluido presente. - Misuratori ad ultrasuoni. In base al tempo impiegato dall onda ultrasonica a percorrere (due volte) la distanza tra l emettitore (sospeso al di sopra del pelo libero) e la superficie riflettente del fluido. Anche in questo caso la relazione è di semplice proporzionalità. Misure analitiche. Tipiche di processi chimici. - Misuratori di acidità. Il ph di una soluzione si ricava misurando la tensione elettrica che, sulla base della legge di Nernst V=0.1983T ph+v 0, si instaura tra due elettrodi immersi nella soluzione a temperatura (assoluta) T. - Misuratori di conducibilità. La conducibilità k, indice della presenza di ioni in una soluzione, si ricava a partire dalla resistenza elettrica R=L/kA che si misura tra due elettrodi di superficie A affacciati a distanza L tra loro.

10 - Sensori per sistemi meccanici Sensori di posizione. - encoder assoluto - encoder incrementale - resolver Sensori di velocità. - dinamo tachimetrica Sensori di coppia. - misura della corrente che scorre nell avvolgimento

11 Dispositivi di comando (attuatori) per processi Valvole. Figura di una valvola Realizzate con le più svariate tecnologie costruttive, le valvole consentono di modulare la portata di un fluido sostanzialmente attraverso la posizione (h) di un otturatore che ne ostruisce il passaggio. Il parametro caratteristico di una valvola risulta essere il coefficiente di efflusso (C v ), definito come la portata volumetrica di acqua a temperatura ambiente che transita attraverso la valvola quando la caduta di pressione statica su di essa (tra monte e valle) è di 1 psi. A secondo della tecnologia costruttiva adottata tale coefficiente può essere funzione lineare, parabolica o esponenziale della corsa dell otturatore. La portata di fluido uscente risulta poi essere funzione anche della caduta di pressione sulla valvola e, più precisamente, della sua radice quadrata; pertanto la caratteristica della valvola può essere espressa, limitatamente alla zona di normale efflusso, come w = k Cv h) p (. Poiché il salto di pressione dipende a sua volta dalla posizione dell otturatore, attraverso una opportuna scelta (dimensionamento) della valvola è possibile controbilanciare la dipendenza non lineare dal salto di pressione attraverso la dipendenza del coefficiente di efflusso dalla corsa dell otturatore, in modo da avere un comportamento il più possibile lineare dell organo di comando.

12 Se la caduta di pressione sulla valvola, al variare di h, rimane trascurabile rispetto a quelli presenti sul circuito è bene scegliere una valvola con caratteristica lineare mentre la caratteristica esponenziale è più indicata se tale caduta diventa importante al crescere di h. Nell ambito del problema di controllo è bene tenere comunque presente che nella valvola si instaurano complessi fenomeni fluidodinamici (quali cavitazione e flashing) e che, a parità di corsa dell otturatore, la vera dipendenza della portata uscente dalla radice della caduta di pressione è lineare solo fino ad un certo valore di quest ultimo. La non linearità della relazione tra la corsa dell otturatore e la portata è responsabile, insieme a tipiche frizioni ed isteresi nella movimentazione, del degrado di molte prestazioni dei loop di regolazione, spesso erroneamente imputati a cattive tarature dell algoritmo PID. w P c P max P f Pompe. Sono usate anche per modulare una pressione. Nelle pompe centrifughe (che, attraverso pale opportunamente sagomate, aumentano la velocità di un fluido che le attraversa) il salto di pressione monte-valle della pompa risulta essere funzione quadratica sia del numero di giri che della portata. Nel caso invece delle pompe volumetriche (che, attraverso stantuffi mobili, aumentano la pressione dei un certo volume di fluido in esse contenuto) la portata (volumetrica) in uscita risulta essere funzione pressoché lineare della velocità di rotazione dell albero motore che aziona la pompa.