Capitolo I: Introduzione al Controllo dei Processi

Dinamica e Controllo dei Processi
Cap. I: Introduzione
Capitolo I: Introduzione al Controllo dei Processi
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).
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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.
Gerarchia
OTTIMIZZAZIONE
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.
V. Disturbo
Misurabili
Non Misurabili
IN = Cause
V. Prestazione
V. Manipolabili
PROCESSO
OUT = Effetti
V. Intermedie
Fig.I-2: Una classificazione delle variabili di processo
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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 Fi (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 Fu (V.Mnpl), per mantenere il livello h al valore desiderato ho. L’apertura è fatta
variare in funzione della differenza tra il valore desiderato (ho) 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 Ti alla temperatura T; sono presenti disturbi sulla portata
Fi e sulla temperatura di ingresso Ti (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 To. L’apertura è fatta variare in funzione della differenza tra il valore
desiderato (To) e il valore attuale (T) della temperatura.
Fig.I-4: Controllo di temperatura di un serbatoio
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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 Qb 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 Qa di reagente A (V.Mnpl), per mantenere la
Concentrazione C al valore desiderato Co. L’apertura è fatta variare in funzione della
differenza tra il valore desiderato (Co) 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 Qb,
temperatura Tb, Concentrazione Cb); si può intervenire sulle portate del flusso A (Qa), 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 Qa può essere asservita alla concentrazione C
(Qa↔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 Qa,
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 Qa, con accoppiamenti Qa↔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
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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°
Y°
S
REGOLATORE
Ym
ATTUATORE
Disturbi
Y
X
PROCESSO
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 Ym, sia uguale al valore desiderato r=Y° (set-point);
la variabile e = Ym - r è definita errore. L’azione di controllo dipende dall’errore
(retroazione); l’entità dell’azione correttiva [s=f(e)], dipende dalla legge di controllo
(algoritmo del regolatore).
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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 I10a). 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
(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
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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-10c: controllo in cascata
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Fig. I-10b: controllo in avanti
Fig.I-10d: controllo inferenziale (con stimatori)
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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).
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Fig.I-11a: controllo digitale diretto
Fig.I-12a: Registrazioni di variabili controllate
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Fig.I-11b: controllo con calcolatore in supevisione
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?).
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Cap. I: Introduzione
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.
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