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Cap.X-Schemi di Controllo - DICCISM

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Cap.X-Schemi di Controllo - DICCISM
Dinamica e Controllo dei Processi
Cap.10: Schemi di Controllo
Claudio Scali
Laboratorio di Controllo dei Processi Chimici (CPCLab)
Dipartimento di Ingegneria Chimica (DICCISM)
Università di Pisa
SOMMARIO
•
Simboli per la rappresentazione della strumentazione
•
Controllo delle variabili di base:
- Livello,
- Portata,
- Pressione,
- Temperatura
•
Schemi di controllo in cascata e in avanti
•
Schemi di controllo selettivo e a priorità
•
Analisi di alcuni schemi di controllo di processi industriali
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 2
C. Scali, Università di Pisa
SIMBOLI(*) -1
Simbologia per linee e strumentazioni
• Simbologia per interconnessioni
• Simbologia per alimentazioni
• AS – Alimentazione ad aria
IA (aria strumenti)
PA (aria impianto)
• ES – Alimentazione elettrica
• GS – Alimentazione a gas
• HS – Alimentazione idraulica
• NS – Alimentazione ad azoto
• SS – Alimentazione a vapore
• WS – Alimentazione ad acqua
(*)
Rif. Normativa ISA
(Instruments Society of America)
Normative diverse a livello aziendale
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 3
C. Scali, Università di Pisa
SIMBOLI - 2
Simbologia per identificazione dello strumento
• Identificazione funzionale: 1°lettera
variabile
Lettere succ.
Funzioni
• Variabili più comuni
• Funzioni più comuni
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
C composizione
F portata
I corrente
L livello
P pressione
T temperatura
rF rapporto portate
pH pH
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 4
A allarme
C controllo
I indicazione
R registrazione
S interruzione
C. Scali, Università di Pisa
SIMBOLI -3
Simbologia grafica degli strumenti
• Strumento analogico
• Strumento digitale
• Calcolatore
• Contollore a Logica Programmabile (PLC)
• La barra orizzontale indica strumento a quadro
Esempi
TRC
203
FIC
102
Controllo e registrazione di temperatura del loop 203 montato a quadro (analogico)
Controllo e misura di portata del loop 102 montato a quadro (digitale)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 5
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Base e Ottimizzazione
• Regolazione di Base (sicurezza e gestione ordinaria) richiede controllo:
Pressione (PC), Portata (FC), Livello (LC), Temperatura (TC)
• P, F, L, T: misurabili facilmente
• In genere schemi in retroazione con regolatori PID
• In qualche caso schemi più complessi (cascata, in avanti, selettivi, a priorità)
• Ottimizzazione richiede controllo di variabili di prestazione:
concentrazioni, composizioni, pesi molecolari polimeri, grammatura carta...
• In genere non misurabili facilmente in automatico
• Necessario usare schemi di controllo più complessi (MIMO, inferenziali)
e Regolatori Avanzati, Calcolatori
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 6
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Livello: LC
0
dH
LC
LC:: Bilancio di massa per un liquido (Qi=Qu, ρ=cost)
dt
- In genere il regolatore ha soltanto l’azione Proporzionale (offset tollerato)
- La presenza di rumori sulla misura sconsiglia uso dell’azione Derivativa.
Qi = Qu + A ⋅
• In generale, il controllo di livello non è prioritario, in quanto:
Il serbatoio di per sè ha lo scopo di smorzare variazioni della portata in ingresso
Un controllo di livello perfetto scarica la perturbazione sull’uscita (effetto
indesiderato)
Possibili soluzioni: LC non prioritario;
Qi
Qi
LC
Qu
Qu
(1): Regolatore in
retroazione (tuning
blando su LC, per ridurre
disturbo a valle)
Dinamica e Controllo dei Processi
(2): Regolatore On-Off
agente direttamente
sulla pompa
(livello varia tra min e
max)
X, 7
(3): Portata di uscita
Qu= costante
Eccesso di portata: LC
agisce su Qu’= Qi-Qu
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Livello: LC
Altra soluzione: LC non prioritario
Disturbo su Qi
Qi
qi
LC
qu
FC
(4): Cascata LC
FC,
nel caso di disturbi sulla
pressione di uscita
(tuning diverso LC, FC)
Dinamica e Controllo dei Processi
Per un aumento a gradino di qi
La portata qu aumenta gradualmente
Con regolatore P resta offset su H
X, 8
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Livello: LC
• Il processo è un integratore puro
• Il regolatore è in generale di tipo
proporzionale
Open Loop
y = h ; x = Fi − Fu
Pd = − P = −
• Closed Loop
r
-
d’=Fi
u=Fu
C
V
-
KP
s
d
P
KV
τV s +1
d = Pd ⋅ d ′
V=
• Il disturbo è sulla portata in ingresso
• La variazione di set-point introdotta è
Dinamica e Controllo dei Processi
1
K
→ d = Pd ⋅ d ' = 2P
s
s
1
r=
s
d′ =
X, 9
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Livello LC
E’ un caso in cui r≠d;
E’ un caso in cui l’integratore è contenuto in P(s)
Normalmente il regolatore è proporzionale C=CP=KC (e=0 su y(r); e≠0 su y(d)
y = y r + yd =
Variazione di set-point
(variazione disturbo nulla)
PCV
Pd
r+
d
1 + PCV
1 + PCV
lim y (r ) = lim s ⋅
t →∞
s →0
K P K C KV
1
⋅ = 1 No offset
s(τ V s + 1) + K P K C KV s
KP
1
1
Offset
lim y (d ) = lim s ⋅
⋅ =
t →∞
s →0
s(τ V s + 1) + K P K C KV s K C KV
(variazione set-point nulla)
Variazione del disturbo
Il controllo P è sufficiente perchè permette di cambiare il livello del serbatoio e di
assorbire perturbazioni sulla portata di ingresso con offset limitato (elevato Kc)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 10
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Pressione PC
PC
PC::
Bilancio di massa per un aeriforme
d (Vρ )
, ρ = k ⋅ P (T = cost.)
dt
dP
dV
→ Gi = Gu + k ⋅V
+k⋅P
dt V0
dt P0
Gi = Gu +
• Operando a volume costante, PC realizza il bilancio di massa
• In genere, il regolatore è proporzionale, un piccolo offset è tollerato
• Dinamica del processo è molto veloce
Un controllo perfetto scarica la
perturbazione sull’uscita (effetto
indesiderato in molti casi)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 11
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Pressione PC
• In molte applicazioni, la portata in ingresso (Gi) è diversa dalla portata prelevata
(Gu); ad esempio: distribuzione di gas metano, generazione di gas nell’impianto
(cokeria, biogas)
Prioritario: possibilità di accumulare gas
1. Serbatoio a Pressione variabile: es. centrale di distribuzione di gas metano
2. Serbatoio a Volume variabile (gasometri): es. generazione di gas nell’impianto
1. Il serbatoio deve avere la capacità
sufficiente per aasorbire le fluttuazioni
di portata (Gi≠ Gu) nel range di
pressione ammesso
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 12
C. Scali, Università di Pisa
2. Gasometri
• Tetto mobile realizza il volume variabile
• La pressione interna Pi è di poco superiore alla
Pressione atmosferica P0
• Facile da costruire, elevati valori (200x103 m3)
• Problemi: tenuta (usura della guarnizione)
• A secco
• La tenuta è assicurata dal battente di liquido (acqua)
• Inconvenienti, per il caso (a): elevato volume di liquido
(non utilizzato); elevata superficie di contatto
contaminazione del gas si utilizza la (b)
• A umido
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 13
C. Scali, Università di Pisa
2. Gasometri
• A telescopio
• Particolare tipo di gasometro ad umido: gasometro a telescopio
Il volume utile è tutto il volume disponibile
Tenuta con battente di liquido
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 14
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Pressione PC: Vapore
• Operazione a P=P0 (atmosferica)
• Colonna di distillazione
• PC agisce sulla portata di refrigerante
• Eventuali incondensabili sono scaricati
(valvola di sfiato)
• Analoghe considerazioni per un generico
condensatore
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 15
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Pressione PC: Vapore
• Operazione a P< P0 (sotto vuoto)
• PC, TC, LC, in un concentratore sotto vuoto; condensatore a superficie; scarico
discontinuo
• PC agisce
sulla portata di
incondensabili
(by-pass pompa
di estrazione)
• TC agisce
sulla portata di
refrigerante
• LC agisce sul
motore della
pompa
(discontinuo)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 16
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Pressione PC: Vapore
• Operazione a P< P0 (sotto vuoto)
• PC, TC in un concentratore sotto vuoto; condensatore a miscela; scarico
barometrico (continuo)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 17
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Portata di Liquido o Gas
• Portata costante: requisito necessario per il funzionamento in moltissimi casi
• Processo con dinamica veloce; Regolatore P o PI
• FC è spesso l’anello interno di un controllo in cascata
• Schema generico FC
•Schema cascata TC(YC)FC:
Disturbi sulla linea del riflusso in colonna
sono eliminati da FC prima che si risentono
sulla variabile di processo T
(in generale per una qualsiasi variabile Y)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 18
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di una portata di liquido: Pompa Centrifuga
CClinea
CCpompa
Schema
Curva caratteristica della
pompa e del circuito
• La valvola è installata sulla mandata della pompa
• Curva Caratteristica della pompa: H(Q) decresce
• Circuito: H(Q)∝ Q2
A valvola tutta aperta (Qmax): tutta la prevalenza è data esclusivamente dalle
perdite di carico sulla linea
Con controllo di portata Q<Qmax: la valvola introduce una ∆Pv
Alternativa: variare il numero di giri del motore a corrente continua (uso di
Inverter:più efficiente, poco usato)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 19
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di una portata di liquido: Pompa Volumetrica
Curva
caratteristica
a) Valvola di
regolazione
sulla mandata
b) Valvola di
regolazione su bypass
• La portata è costante
necessità di by-pass
Schema b) è preferito,
perchè ∆Pv bilanciano ∆PL
(in a) ∆Pv si sommano a ∆PL
• La portata è controllata agendo sul
numero di giri del motore (sincrono)
- (Poco) usato
- Per piccole portate (pompe dosatrici)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 20
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di portata di un gas: Compressore Volumetrico
Valvola sull’aspirazione
Valvola sul bypass
Valvola sullo scarico in mandata
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 21
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di portata di un gas: Compressore Centrifugo
• Problema: curva caratteristica P(Q)
presenta instabilità
• 2 punti di lavoro operare a Q>Qmin
• QL>Qmin opera su V1, Vb rimane
chiusa
• QL<Qmin si apre Vb V1 resta
aperta; la portata Q>Qmin
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 22
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Portata di Solido - 1
Nastro trasportatore
(G= P·v)
• La portata G [kg/s] è data dalla massa per unità di lunghezza P [kg/m] e
dalla velocità v [m/s] (G= P·v)
• P si misura con una cella di carico
• La portata G può essere controllata variando la velocità del motore in C.C.
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 23
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Portata di Solido - 2
Coclea
π
(
2
2
)ω
G = ⋅ De − Di ⋅ ⋅ p⋅ f
4
2π
• La portata G dipende dalla geometria: diametro esterno ed interno (De e Di),
dal passo (p), dalla velocità angolare (ω) e dal fattore di riempimento f
• La velocità angolare ω è misurata
• La portata può essere regolata variando la velocità di rotazione
• Possibilità di errori dovuti alle variazioni di riempimento della coclea
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 24
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Portata di Solido - 3
Dosatori a portata di peso (LIW)
dM
• Viene misurata la variazione di peso della tramoggia G = dt
• La velocità di rotazione della coclea è aggiustata di conseguenza
• Permette una regolazione più precisa della portata
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 25
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Temperatura: TC
• Esigenza molto comune in tutti i casi di Riscaldamento / Raffreddamento
di un fluido (solido) di processo, o di un reattore
•Si possono usare fluidi ausiliari (F.A.) o fluidi di processo (F.P.)
•F.A. per Operazioni a temperature basse:
- Acqua di torre di raffreddamento (T≥ Tmin ÷ 35°C),
di mare, fiume o sorgente (T≥ Tmin ÷ 20°C), sottoraffreddata (T≥5°C)
- Soluzioni acquose di sali inorganici (salamoie:T≥-50°C), di composti organici (glicole)
- Fluidi frigoriferi (ammoniaca, etilene..)
• F.A. per Operazioni a temperature alte:
- Vapore d’acqua (→T= 200°C)
- Fluidi Diatermici (→T= 400°C),
- Sali Fusi (→T= 550°C)
- gas di Combustione (Forni)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 26
C. Scali, Università di Pisa
TC: scambiatori
1. Riscaldatore a vapore
3. Riscaldatore con fluido ausiliario
• Manipolata: portata vapore
• Manipolata: portata fluido ausiliario.
4. Riscaldatore con fluido processo
2. Riscaldatore a vapore
FP2
FP1
FP1
FP2
• Manipolata: portata condensato
(meno usato)
• Manipolata: by-pass fluido di processo
(più veloce)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 27
C. Scali, Università di Pisa
Effetto del Controllo di Temperatura TC
Scambio di calore (sensibile) tra fluidi di processo: TC agisce sulla portata del fluido
caldo C
C, T1
C
t2
t1
C, T2
Q = U ⋅ A ⋅ ∆T
Q = C ⋅ cP ⋅ (T1 − T2 )
All’aumentare di C aumenta ∆T (la
differenza di temperatura)
A: costante; U: varia poco (h ∝ v0.8)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 28
C. Scali, Università di Pisa
Effetto del Controllo di Temperatura TC
Scambio di calore (latente) in un riscaldatore a vapore: TC agisce sulla portata di
vapore Vap
TC
Q = U ⋅ A ⋅ ∆T
L’apertura della valvola provoca un aumento
della pressione Pv, della Temperatura Tv e
quindi del ∆T (effetto limitato)
Q = F ⋅ c P ⋅ (t 2 − t1 ) ≅ V ⋅ λ
In realtà: Atot= ACond + ASR
Aumento ∆T maggioresuperfici maggiori
usate per la condensazione del vapore
diminuisce la superficie di sottoraffreddamento
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 29
C. Scali, Università di Pisa
TC: Reattori
TC: regolazione dello scambio di calore
tra il mezzo in reazione e
il sistema di raffreddamento;
Rif: raffreddamento di reattori esotermici:
A→
→ B, Qr > 0
Per il controllo di temperatura,
→ T=costante
→ Vρ
ρ Cp (dT/dt)=Qr-Qs=0
• Calore di reazione: Qr=(-∆
∆H) V r
• Calore scambiato: Qs= U S (T- Tc) + F ρ Cp (T-Ti)
- V, S: volume del reattore e superficie di scambio
- ρ, Cp: densità e calore specifico
- T, Ti, Tc: temperatura di reattore, reagenti, refrigerante
- U: coefficiente di scambio di calore
- r: velocità di reazione, r= A exp(-E/RT) (CA)n
- CA: concentrazione di reagente
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 30
C. Scali, Università di Pisa
Stabilità reattori
Stabilità del reattore in anello aperto:
aperto
per un aumento di temperatura dT>0, il
calore scambiato deve aumentare più del
calore generato
(dQs/dT)To > (dQr/dT)To
→ To - Tc < R To2 / E = ∆Tc
→ U S > Qro E / R To
(1)
(2)
(ipotesi: calore reagenti trascurabile)
Significato:
(1)
Fissato il sistema di raffreddamento (US) e
la temperatura di operazione (To), la
temperatura del refrigerante non può essere
troppo bassa:
Tc > To - ∆Tc
Valori di ∆Tc (To) per E=10.000 [Kcal/Kmole]
To= [°C] 100 200 300 400 500
∆Tc= [°C] 27.3 44.3 65.0 89.7 118.4
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 31
Per reazioni a temperatura elevata non si
usa acqua (pressione troppo elevata) ma
fluidi diatermici (FD).
Raffreddamento del reattore attraverso due
circuiti:
1) interno: raffredda il reattore con FD
2) esterno: raffredda FD con produzione
di vapore in caldaia
C. Scali, Università di Pisa
TC nei Reattori: Calore generato e scambiato
La superficie di scambio può essere:
- Interna (serpentino, camicia): limitata dalle dimensioni del reattore
- Esterna (scambiatore): non limitata, ma: fluido pompabile..
All’aumentare del volume del reattore (geometria cilindrica)
Il calore generato:
Qr =(-∆
∆H) V r ≈ V ≈ D2 H
Il calore scambiato:
Qs =U S ≈ S ≈ D H
Q
Qr
Quindi per elevati volumi di
reattore, il sistema di
raffreddamento interno non è
più sufficiente (V>Vmax):
Qs
Vmax
Dinamica e Controllo dei Processi
D
X, 32
raffreddamento esterno, se
possibile
uso di reattori in parallelo
per ottenere la potenzialità
richiesta
C. Scali, Università di Pisa
TC nei Reattori: schemi in retroazione
TC
TC
1) Serpentino
Piccola superficie interna al reattore
2) Camicia
Superficie limitata (legata alle dimensioni)
Per entrambi: la superficie è limitata e quindi la quantità di calore
che si può scambiare ⇒ scambiatore esterno
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 33
C. Scali, Università di Pisa
TC nei Reattori: schemi in retroazione
TC
TC
3) scambiatore esterno
4) scambiatore esterno + FD
la superficie non è legata alle
dimensioni del reattore;
limitazione:
- fluido pompabile
- non troppo viscoso...
raffreddamento del reattore
con il sistema a camicia
Dinamica e Controllo dei Processi
generazione di vapore con lo
scambiatore esterno
X, 34
C. Scali, Università di Pisa
Schemi con più anelli di regolazione
• In aggiunta al semplice schema di controllo in retroazione, nel controllo
di base sono usati altri schemi con più di una variabile
(misurata o controllata o manipolata)
• Controllo in cascata: una variabile controllata e più variabili misurate
(V. uscita, V. intermedia)
• Controllo in Avanti: una variabile controllata e più variabili misurate
(V. uscita, V. disturbo)
• Controllo Selettivo(Split-Range): una controllate e più manipolate
•Controllo a Priorità (Override, Auctioneering) : una manipolata e più controllate
Seguono Esempi di applicazione….
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 35
C. Scali, Università di Pisa
Controllo in cascata
• Caratteristiche
- Una sola V. MNPLT e una sola V. CTRLT (Y)
- Più variabili MSRBL (Y, Y2); Y2 risente prima di un disturbo d1
→ due (o più) anelli di regolazione: interno (secondario), esterno (primario)
• Vantaggi
- Neutralizzazione più rapida del disturbo d1
- maggiori vantaggi quando il processo interno P1 è più veloce
rispetto al processo esterno P2)
Schema
Dinamica e Controllo dei Processi
Risultati
X, 36
C. Scali, Università di Pisa
Controllo in Avanti
Schema FF + FB
(d= FA; y= CA)
Caratteristiche:
- Una sola V.MNPL e una sola V.CTRLT
- Disturbi Misurabili: controllo in avanti (FF)
più retroazione (FB)
- specifico per un disturbo
r
d
CFF
-
CFB
Vantaggi:
- neutralizzazione più rapida di d
- maggiori vantaggi per
processo più veloce del disturbo
Pd
y
P
-
Risposte
- OL: senza controllo
- FB: in retroazione
- FF1: in avanti (disturbo più lento)
- FF2: in avanti (disturbo più veloce)
Vantaggi con FF, ma basato su modello
Cff=- Pd / P
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 37
C. Scali, Università di Pisa
TC nei Reattori: cascata
• Nel caso di disturbi che entrano nel
reattore attraverso il sistema di
raffreddamento (d1), la camicia viene
influenzata prima del reattore.
• Il controllo della temperatura della
camicia (anello interno) ne permette
un abbattimento più rapido.
• Il controllo della temperatura del
reattore (anello esterno) garantisce la
soppressione di altri disturbi (d2).
Risultati
Schema
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 38
C. Scali, Università di Pisa
Colonna di Distillazione: Cascata CC su TC
Spesso il controllo della composizione di un prodotto (es. distillato D) è affidato al
controllo di temperatura di un piatto (“piatto pilota” TPP)
Infatti la composizione è difficile da misurare in linea in automatico
(strumentazione costosa, non affidabile, introduzione di ritardi)
La temperatura e la composizione sono legate (a P costante)
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 39
C. Scali, Università di Pisa
Colonna di Distillazione: Cascata CC su TC
Disturbi su portata e composizione dell’alimentazione sono neutralizzate dal
controllo TPP
In genere TC è sufficiente
In qualche caso si aggiunge una cascata CC su TC; in questo modo si fa uso di
misure (anche periodiche) della composizione
TC
Dinamica e Controllo dei Processi
CC
X, 40
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Concentrazione nei Reattori
– Riferimento reattore continuo con reazione
A+B C
(ad esempio neutralizzazione)
– La composizione in uscita spesso non è misurabile in tempo reale
– Il controllo in retroazione in ogni caso interviene dopo che il disturbo si è
risentito in uscita
FF
Controllo in Avanti, Controllo di Rapporto
Controllo in Avanti
• Disturbo sulla portata FA (misurabile)
• Il
regolatore
in
avanti
interviene
immediatamente e fa variare FB
• È un’azione in anello aperto: manca la
verifica sull’uscita CA
• Inoltre possono essere presenti altri
disturbi (es. concentrazione di A in FA)
• Se la concentrazione in uscita è
misurabile, si aggiunge controllo in
retroazione (interruttore chiuso)
• Il controllo di composizione si aggiunge
agli schemi base di controllo di livello e
di temperatura
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 41
FA
FB
+
+
TC
TC
LC
CC
CA
C. Scali, Università di Pisa
Controllo di Concentrazione nei Reattori
Controllo di rapporto
• La
portata
FA
è
la
variabile
indipendente (misurabile)
• La portata FB è alimentata in rapporto
costante
• Funzionamento analogo al controllo
in avanti
• È un’azione in anello aperto: manca la
verifica sull’uscita
• Inoltre presenza di altri disturbi (es.
concentrazione di A in FA)
• Una misura di concentrazione in
uscita permette di variare il rapporto
dei due reagenti e ottenere un
completo abbattimento del disturbo
(interruttore chiuso)
• Il
controllo
di
composizione
si
aggiunge
agli
schemi
base
di
controllo di livello e di temperatura
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 42
rFC
FA
FB
FF
TC
TC
LC
CC
C. Scali, Università di Pisa
Forni: schema base
L’obbiettivo del sistema di
controllo e’ quello di mantenere
la temperatura in uscita dal forno
ad un valore prefissato.
La più semplice configurazione,
per raggiungere l’obbiettivo, e’
un controllo in retroazione (PI)
utilizzando la portata di
combustibile come variabile
manipolata.
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 43
C. Scali, Università di Pisa
Forni: Risposta con controllo PI
Variable controllata
Set Point
Possibili oscillazioni
della temperatura di
uscita.
Temperatura
Le cause possono
essere ricercate sia:
- fluttuazioni della
variabile manipolata
- dinamica del forno
Tempo
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 44
C. Scali, Università di Pisa
Forni: Combustibili Diversi
I combustibili utilizzati nei forni
sono generalmente di due tipi:
Richiest a
t ot ale
Liquidi
Gassosi
Questi ultimi derivano dalla rete
K
gas dell’impianto e il loro utilizzo,
+
Σ
-
reso necessario per motivi
economici, e’ soggetto alla sua
FC
disponibilita’.
FC
Bruciat ori
I forni possono essere alimentati
Fuel Gas
Oil
utilizzando entrambi i tipi di
combustibile.
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 45
C. Scali, Università di Pisa
Forni: Controllo in cascata
Quando si usa fuel gas
come combustibile, si
possono avere variazioni
di portata, a set-point
della valvola costante
(OP costante).
Per ovviare a questo
problema si utilizza una
configurazione di
controllo in cascata.
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 46
C. Scali, Università di Pisa
Forni: Controllo in avanti (FF) + retroazione (FB)
Ritardi nella risposta ad una
variazione della temperatura o
portata in ingresso causano
delle fluttuazioni nella variabile
controllata (temperatura in
uscita)
Per ovviare a questo problema si
utilizza una configurazione di
controllo FF + FB.
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 47
C. Scali, Università di Pisa
Forni: Risposte con controllo FB e FB + FF
Variabile controllata
Set Point
Temperatura
Temperatura
Variable controllata
Set Point
Tempo
Tempo
Controllore PI
Dinamica e Controllo dei Processi
Controllore FF/FB
X, 48
C. Scali, Università di Pisa
Forni: Controllo Rapporto Aria / Combustibile
La richiesta di
aumento/diminuzione della
quantità’ di calore e’ realizzata
tramite una corrispondente
variazione di portata di
combustibile. Al fine di
massimizzare l’efficienza di
combustione, la portata d’aria
comburente deve essere
modificata mantenendo il
rapporto aria/combustibile ad
un valore costante.
Ciò viene realizzato utilizzando
una configurazione di controllo
di rapporto.
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 49
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Forni: Controllo Aria / Combustibile
A causa di possibili variazioni
della qualità del combustibile, il
rapporto ottimale
aria/combustibile, non può
essere mantenuto.
Un modo per ovviare a questo
problema e’ quello di misurare
l’ossigeno residuo e, tramite
questo o controllare
direttamente l’aria o aggiornare
il rapporto aria combustibile.
Dinamica e Controllo dei Processi
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Controllo A Priorità
Caratteristiche
Il controllo a priorità viene utilizzato in sistemi nei quali si devono controllare
uscite multiple (variabili controllate, VC) con una sola variabile manipolata (VM)
( o piú in generale quando VM < VC).
Poiché ogni VM consente il controllo di una sola VC, il controllo viene
trasferito da una variabile all’altra a seconda delle condizioni di esercizio
realizzate.
I sistemi di controllo a priorità sono generalmente impiegati per proteggere
unità e/o la qualità di prodotti in condizioni di funzionamento non normali
(per esempio, situazioni di emergenza), mantenendo un controllo piuttosto
che richiedere l’arresto dell’unità stessa.
Esistono almeno due diversi tipi di controllo a priorità:
controllo Override;
controllo Auctioneering.
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X, 51
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Controllo Override
Il sistema controllo override permette, in situazioni di emergenza, di passare dal
controllo di una variabile di uscita a quello di un’altra (loop switching) per
garantire un funzionamento sicuro dell’unità.
Prevenzione di condizioni di malfunzionamento a rischio (per l’unitá e/o
per gli operatori) (tipico delle fasi transitorie, di avviamento e/o
di arresto).
Tipiche applicazioni di controllo override sono quelle nelle quali una variabile di
uscita non deve superare un valore limite massimo o minimo.
Componente primario di un sistema di controllo override è il selettore (di
massimo, HS, o di minimo, LS).
Il selettore HS (LS) interviene ogniqualvolta la variabile critica aumenta
(diminuisce) oltre il valore massimo (minimo) consentito.
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 52
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Controllo Override: Protezione di una caldaia
Obiettivo: controllare la pressione della
caldaia agendo sulla portata di vapore
prodotto (loop 1).
Problema: mantenere il livello dell’acqua, L,
al disopra di un valore minimo, Lmin, per
garantire la completa immersione del
serpentino di riscaldamento.
In ogni caso, durante il
funzionamento “anormale”
P > Psp
il sistema override garantisce
un funzionamento sicuro.
Dinamica e Controllo dei Processi
Soluzione: Finché la portata di vapore
richiesta è tale che L > Lmin, è attivo il
controllo di pressione ”anello normale”
(loop 1).
Quando L < Lmin, il selettore di minimo, LSS,
trasferisce il controllo al controllore di livello
(loop 2).
X, 53
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Controllo Auctioneering
Nel sistema di controllo auctioneering l’anello di controllo non cambia, ció
che puó variare è la variabile controllata: tipicamente é la variabile di
uscita (misura) che, tra un insieme di variabili simili, presenta il valore
massimo.
Tipiche applicazioni di controllo auctioneering si ritrovano nei sistemi a
parametri distribuiti dove si desidera evitare che una variabile di
processo critica superi un valore limite massimo (per esempio, la
temperatura in reattori tubolari).
Componente primario di un sistema di controllo auctioneering è il
selettore di massimo, HS, che permette di selezionare, in modo
automatico, la misura “piú critica” (maggiore).
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Controllo Auctioneering: Controllo del Picco di
Temperatura in Reattori Tubolari
Obiettivo: controllare il picco di temperatura
(hot spot) che si manifesta in reattori
tubolari catalitici utilizzati per reazione
fortemente esotermiche (per esempio,
ossid. di o-xilene o naftalene per produrre
anidride ftalica). La variabile manipolata è la
portata di fluido refrigerante.
Problema: la posizione del picco di
temperatura si muove lungo il reattore a
seconda delle condizioni operative (portata
e concentrazione di ingresso, temperatura)
e dello stato di disattivazione del
catalizzatore.
Soluzione: si dispongono diverse termocoppie
lungo il reattore, e si affida ad un sistema di
auctioneering (ovvero, un selettore di
massimo) il compito di selezionare la
massima temperatura da inviare al controllore.
In questo modo, si può ragionevolmente
pensare di individuare la posizione del picco
di temperatura (hot spot).
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Controllo Selettivo (Split-Range)
Il controllo split-range viene utilizzato in sistemi nei quali si deve controllare una
singola uscita (variabile controllata, VC) con piú variabili manipolate (VM) ) (o piú in
generale quando il VM > VC).
Avendo una sola VC avremo anche un solo segnale di uscita dal controllore,
segnale che verrá suddiviso (in modo opportuno) ed inviato ai singoli attuatori
delle variabili manipolate disponibili.
In altre parole si controlla una singola variabile di uscita coordinando
le azioni su diverse variabili manipolate, ciascuna delle quali ha lo
stesso effetto sulla variabile controllata).
I sistemi di controllo split-range non sono molto comuni, ma in alcuni casi
possono:
fornire migliori condizioni di sicurezza;
migliorare le prestazioni ottimali dell’unità.
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X, 56
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Controllo Selettivo (Split-Range): Controllo della Pressione
in un Reattore
Obiettivo: mantenere la pressione desiderata
nel reattore, agendo sulle portate dei
reagenti e dei prodotti.
Problema: é necessario un coordinamento
delle azioni sulle due valvole.
Soluzione: programmare l’apertura-chiusura
delle valvole in modo coordinato per
ottenere una prestazione migliore. Un
possibile programma di apertura-chiusura
valvole é quello indicato nella figura.
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X, 57
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Controllo Selettivo (Split-Range):
Temperatura di un Reattore Discontinuo
Obiettivo: Imporre un profilo di
temperatura variabile nel reattore:
- riscaldamento iniziale,
- raffreddamento isotermo,
- riscaldamento finale
Variabile operativa: Temperatura della
camicia; necessario un intervento su:
- portata vapore,
- acqua di raffreddamento,
- acqua sottoraffreddata,
- vapore
Soluzione: programmazione
apertura/chiusura delle
valvole in modo coordinato
Dinamica e Controllo dei Processi
X, 58
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