Cap.X-Schemi di Controllo

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,

X, 2Dinamica e Controllo dei Processi C. Scali, Università di Pisa

- 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

SIMBOLI(*) -1

• Simbologia per interconnessioni• Simbologia per alimentazioni

• AS – Alimentazione ad ariaIA (aria strumenti) PA (aria impianto)

• ES – Alimentazione elettrica• GS – Alimentazione a gas• HS – Alimentazione idraulica

Simbologia per linee e strumentazioni

X, 3 C. Scali, Università di Pisa

(*) Rif. Normativa ISA

(Instruments Society of America)

Normative diverse a livello aziendale

• HS – Alimentazione idraulica• NS – Alimentazione ad azoto• SS – Alimentazione a vapore•WS – Alimentazione ad acqua

Dinamica e Controllo dei Processi

SIMBOLI - 2

Simbologia per identificazione dello strumento

• Identificazione funzionale: 1°lettera�� variabile

Lettere succ.�� Funzioni

• Variabili più comuni • Funzioni più comuni

• C� composizione • A� allarme


• C� composizione

• F� portata

• I� corrente

• L� livello

• P� pressione

• T� temperatura

• rF� rapporto portate

• pH� pH

• A� allarme

• C� controllo

• I� indicazione

• R� registrazione

• S� interruzione


SIMBOLI -3

Simbologia grafica degli strumenti

• Strumento analogico

• Strumento digitale

• Calcolatore


• Contollore a Logica Programmabile (PLC)

• La barra orizzontale indica strumento a quadro

Esempi

TRC203

Controllo e registrazione di temperatura del loop 203 montato a quadro (analogico)

Controllo e misura di portata del loop 102 montato a quadro (digitale)FIC

102


Controllo di Base e Ottimizzazione

• Regolazione di BaseRegolazione 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)


• OttimizzazioneOttimizzazione 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


Controllo di Livello: LC

� LCLC:: Bilancio di massa per un liquido (Qi=Qu, ρ=cost)- In genere il regolatore ha soltanto l’azione Proporzionale (offset tollerato)- La presenza di rumori sulla misura sconsiglia uso dell’azione Derivativa.

• 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;

dt

dHAQQ ui ⋅+=

0


(1):(1): Regolatore in retroazione (tuning blando su LC, per ridurre disturbo a valle)

LC

Qi

QuQu

Q i

(2):(2): Regolatore On-Off agente direttamente sulla pompa(livello varia tra min e max)

(3):(3): Portata di uscita Qu= costanteEccesso di portata: LC agisce su Qu’= Qi-Qu



Altra soluzione: LC non prioritario

LC

Qi

Disturbo su Qi

qi


(4):(4): Cascata LC�� FC, nel caso di disturbi sulla pressione di uscita(tuning diverso LC, FC)

FC

Per un aumento a gradino di qi

La portata qu aumenta gradualmente

Con regolatore P resta offset su H

qu


s

KPP

FFxhy

Pd

ui

−=−=

−== ;


• Il processo è un integratore puro

• Il regolatore è in generale di tipo proporzionale

Open Loop


s

dPd

s

KV

d

V

V

′⋅=

+=

1ττττ

• Il disturbo è sulla portata in ingresso

• La variazione di set-point introdotta ès

r

s

KdPd

sd P

d

1

'1

2

=

=⋅=→=′

• Closed Loop d’=Fi

-r

C V P

d

-

u=Fu


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)

dPCV

Pr

PCV

PCVyyy d

dr+

++

=+=11

Variazione di set-point

( )1

1

1lim)(lim =⋅

++⋅=

→∞→ sKKKss

KKKsry VCP

ττττ�No offset


(variazione disturbo nulla) ( )1

1lim)(lim

0=⋅

++⋅=

→∞→ sKKKsssry

VCPVst ττττ

�No offset

Variazione del disturbo

(variazione set-point nulla) ( ) VCVCPV

P

st KKsKKKss

Ksdy

11

1lim)(lim

0=⋅

++⋅=

→∞→ ττττ�Offset

� Il controllo P è sufficiente perchè permette di cambiare il livello del serbatoio e diassorbire perturbazioni sulla portata di ingresso con offset limitato (elevato Kc)


Controllo di Pressione PC

��PCPC::Bilancio di massa per un aeriforme

( ) ( )

00

cost.T,

PV

ui

ui

dt

dVPk

dt

dPVkGG

Pkdt

VdGG

⋅+⋅+=→

=⋅=+= ρρρρρρρρ

• 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


• Dinamica del processo è molto veloce

�Un controllo perfetto scarica la perturbazione sull’uscita (effetto indesiderato in molti casi)


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


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


2. Gasometri

• A secco

• 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 umido

• 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)


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


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



• Operazione a P< P0 (sotto vuoto)

• PC agisce sulla portata di incondensabili (by-pass pompa di estrazione)

• PC, TC, LC, in un concentratore sotto vuoto; condensatore a superficie; scarico discontinuo


di estrazione)

• TC agisce sulla portata di refrigerante

• LC agisce sul motore della

pompa (discontinuo)



• Operazione a P< P0 (sotto vuoto)

• PC, TC in un concentratore sotto vuoto; condensatore a miscela; scarico barometrico (continuo)

X, 17 C. Scali, Università di PisaDinamica e Controllo dei Processi

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 risentonosulla variabile di processo T

(in generale per una qualsiasi variabile Y)


Controllo di una portata di liquido: Pompa Centrifuga

Schema Curva caratteristica della pompa e del circuito

• La valvola è installata sulla mandata della pompa

CClinea

CCpompa


• 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)


Controllo di una portata di liquido: Pompa Volumetrica

a) Valvola di regolazione sulla mandata

b) Valvola di regolazione su by-pass

• La portata è costante�necessità di by-pass

Curva caratteristica


pass

• La portata è controllata agendo sul numero di giri del motore (sincrono)

- (Poco) usato

- Per piccole portate (pompe dosatrici)

Schema b) è preferito, perchè ∆Pv bilanciano ∆PL

(in a) ∆Pv si sommano a ∆PL


Controllo di portata di un gas: Compressore Volumetrico

Valvola sul bypass

Valvola sull’aspirazione


Valvola sullo scarico in mandata


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


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.



Coclea

( ) fpDDG ie ⋅⋅⋅−⋅=ππππ

ωωωωππππ

24

22


• 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



Dosatori a portata di peso (LIW)


• Viene misurata la variazione di peso della tramoggia

• La velocità di rotazione della coclea è aggiustata di conseguenza

• Permette una regolazione più precisa della portata

dt

dMG =


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)


- 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)


TC: scambiatori

1. Riscaldatore a vapore

• Manipolata: portata vapore

3. Riscaldatore con fluido ausiliario

• Manipolata: portata fluido ausiliario.

4. Riscaldatore con fluido processo


• Manipolata: portata condensato

(meno usato) • Manipolata: by-pass fluido di processo

(più veloce)

4. Riscaldatore con fluido processo

FP2

FP2

2. Riscaldatore a vapore

FP1 FP1


C, T1

Effetto del Controllo di Temperatura TC

Scambio di calore (sensibile) tra fluidi di processo: TC agisce sulla portata del fluido caldo C

t2

C


C, T2

( )21 TTcCQ

TAUQ

P −⋅⋅=

∆⋅⋅=All’aumentare di C aumenta ∆T (la

differenza di temperatura)

A: costante; U: varia poco (h ∝ v0.8)

t1


Effetto del Controllo di Temperatura TC

Scambio di calore (latente) in un riscaldatore a vapore: TC agisce sulla portata di vapore Vap

TC


( ) λλλλ⋅≅−⋅⋅=

∆⋅⋅=

VttcFQ

TAUQ

P 12

L’apertura della valvola provoca un aumento della pressione Pv, della Temperatura Tv e

quindi del ∆T (effetto limitato)

In realtà: Atot= ACond + ASR

Aumento ∆T maggiore�superfici maggiori usate per la condensazione del vapore�

diminuisce la superficie di sottoraffreddamento Dinamica e Controllo dei Processi

TC: Reattori

��TC: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→→→→ Vρρρρ Cp (dT/dt)=Qr-Qs=0


• Calore di reazione: Qr=(-∆∆∆∆H) V r• Calore scambiato: Qs= U S (T- Tc) + F ρρρρ Cp (T-Ti)- V, S: volume del reattore e superficie di scambio- ρρρρ, 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

→→→→ Vρρρρ Cp (dT/dt)=Qr-Qs=0


Stabilità reattori

StabilitàStabilità deldel reattorereattore inin anelloanello apertoaperto:per un aumento di temperatura dT>0, ilcalore scambiato deve aumentare più delcalore generato(dQs/dT)To > (dQr/dT)To

→ To - Tc < R To2 / E = ∆Tc (1)

→ U S > Qro E / R To (2)

(ipotesi: calore reagenti trascurabile)


Per reazioni a temperatura elevata non siusa acqua (pressione troppo elevata) mafluidi diatermici (FD).

Raffreddamento del reattore attraverso duecircuiti:1) interno: raffredda il reattore con FD2) esterno: raffredda FD con produzione

di vapore in caldaia

Significato:

(1) Fissato il sistema di raffreddamento (US) ela temperatura di operazione (To), latemperatura del refrigerante non può esseretroppo bassa:

Tc > To Tc > To -- ∆∆TcTc

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


TC nei Reattori: Calore generato e scambiato

La superficie di scambioLa 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 HIl calore scambiato: Qs =U S ≈≈≈≈ S ≈≈≈≈ D H

Q


Q s

Q r

VmaxD

Quindi per elevati volumi di reattore, il sistema di raffreddamento interno non è più sufficiente (V>Vmax):

�� raffreddamento esterno, se possibile

�� uso di reattori in parallelo per ottenere la potenzialità richiesta


TC nei Reattori: schemi in retroazione

TCTC


1) Serpentino 2) Camicia

Piccola superficie interna al reattore Superficie limitata (legata alle dimensioni)

Per entrambi: la superficie è limitata e quindi la quantità di calore

che si può scambiare ⇒⇒⇒⇒ scambiatore esterno


TC nei Reattori: schemi in retroazione

TC

TC


3) scambiatore esterno

la superficie non è legata alle dimensioni del reattore;

limitazione: - fluido pompabile- non troppo viscoso...

4) scambiatore esterno + FD

raffreddamento del reattore con il sistema a camicia

generazione di vapore con lo scambiatore esterno


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)


(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….


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 Risultati

rispetto al processo esterno P2)


Controllo in Avanti

Caratteristiche:- Una sola V.MNPL e una sola V.CTRLT- Disturbi Misurabili: controllo in avanti (FF)più retroazione (FB)- specifico per un disturbo-

Schema FF + FB(d= FA; y= CA)

CFB P

Pd

r

-

y

d

CFF

-

Vantaggi:- neutralizzazione più rapida di d- maggiori vantaggi per


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 modelloCff=- Pd / P

- maggiori vantaggi per processo più veloce del disturbo


TC nei Reattori: cascata

• Nel caso di disturbi che entrano nelreattore attraverso il sistema diraffreddamento (d1), la camicia vieneinfluenzata prima del reattore.

• Il controllo della temperatura dellacamicia (anello interno) ne permetteun abbattimento più rapido.

• Il controllo della temperatura delreattore (anello esterno) garantisce la


reattore (anello esterno) garantisce lasoppressione di altri disturbi (d2).

Schema Risultati


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)

X, 39 C. Scali, Università di PisaDinamica e Controllo dei Processi

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 CC


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

�� Controllo in Avanti, Controllo di Rapporto

Controllo in Avanti• Disturbo sulla portata F (misurabile)

FF

+

+

FA

FB


• Disturbo sulla portata FA (misurabile)• Il regolatore in avanti intervieneimmediatamente e fa variare FB

• È un’azione in anello aperto: manca laverifica sull’uscita CA

• Inoltre possono essere presenti altridisturbi (es. concentrazione di A in FA)

• Se la concentrazione in uscita èmisurabile, si aggiunge controllo inretroazione (interruttore chiuso)

• Il controllo di composizione si aggiungeagli schemi base di controllo di livello edi temperatura

LC

TC

TC

CC

CA


Controllo di Concentrazione nei Reattori

rFC

FF

FA FB

Controllo di rapporto

• La portata FA è la variabileindipendente (misurabile)

• La portata FB è alimentata in rapportocostante

• Funzionamento analogo al controlloin avanti

• È un’azione in anello aperto: manca la


LC

TC

TC

CC

• È un’azione in anello aperto: manca laverifica sull’uscita

• Inoltre presenza di altri disturbi (es.concentrazione di A in FA)

• Una misura di concentrazione inuscita permette di variare il rapportodei due reagenti e ottenere uncompleto abbattimento del disturbo(interruttore chiuso)

• Il controllo di composizione siaggiunge agli schemi base dicontrollo di livello e di temperatura


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,


La più semplice configurazione, per raggiungere l’obbiettivo, e’ un controllo in retroazione (PI)utilizzando la portata di combustibile come variabile manipolata.


Forni: Risposta con controllo PI

Variable controllataSet Point

Te

mp

era

tura

Possibili oscillazioni della temperatura di uscita.

Le cause possono essere ricercate sia:


Te

mp

era

tura

Tempo

- fluttuazioni della variabile manipolata

- dinamica del forno


Forni: Combustibili Diversi

I combustibili utilizzati nei forni

sono generalmente di due tipi:

� Liquidi

� Gassosi

Questi ultimi derivano dalla rete

gas dell’impianto e il loro utilizzo,

K Σ-

+

Richiest a

t ot ale


gas dell’impianto e il loro utilizzo,

reso necessario per motivi

economici, e’ soggetto alla sua

disponibilita’.

I forni possono essere alimentati

utilizzando entrambi i tipi di

combustibile.

FC FC

Fuel Gas Oil

-

Bruciat or i


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).


(OP costante).

Per ovviare a questo problema si utilizza una configurazione di controllo in cascata.


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


Per ovviare a questo problema si utilizza una configurazione di controllo FF + FB.


Forni: Risposte con controllo FB e FB + FF

Variable controllataSet Point

Tem

pera

tura

Variabile controllataSet Point

Tem

pera

tura


Tem

pera

tura

Tempo

Controllore PI Controllore FF/FBT

em

pera

tura

Tempo


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


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.


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.


Controllo A Priorità

Caratteristiche

Il controllo a priorità viene utilizzato in sistemi nei quali si devono controllareuscite 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 vienetrasferito da una variabile all’altra a seconda delle condizioni di eserciziorealizzate.


I sistemi di controllo a priorità sono generalmente impiegati per proteggereunità e/o la qualità di prodotti in condizioni di funzionamento non normali(per esempio, situazioni di emergenza), mantenendo un controllo piuttostoche richiedere l’arresto dell’unità stessa.

Esistono almeno due diversi tipi di controllo a priorità:

controllo Override;

controllo Auctioneering.


Controllo Override

Il sistema controllo override permette, in situazioni di emergenza, di passare dalcontrollo di una variabile di uscita a quello di un’altra (loop switching) pergarantire un funzionamento sicuro dell’unità.

Tipiche applicazioni di controllo override sono quelle nelle quali una variabile diuscita non deve superare un valore limite massimo o minimo.

Prevenzione di condizioni di malfunzionamento a rischio (per l’unitá e/o

per gli operatori) (tipico delle fasi transitorie, di avviamento e/odi arresto).


uscita non deve superare un valore limite massimo o minimo.

Componente primario di un sistema di controllo override è il selettore (dimassimo, HS, o di minimo, LS).

Il selettore HS (LS) interviene ogniqualvolta la variabile critica aumenta(diminuisce) oltre il valore massimo (minimo) consentito.


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.


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).

In ogni caso, durante il funzionamento “anormale”

P > Psp

il sistema override garantisce un funzionamento sicuro.


Controllo Auctioneering

Nel sistema di controllo auctioneering l’anello di controllo non cambia, cióche puó variare è la variabile controllata: tipicamente é la variabile diuscita (misura) che, tra un insieme di variabili simili, presenta il valoremassimo.

Tipiche applicazioni di controllo auctioneering si ritrovano nei sistemi aparametri distribuiti dove si desidera evitare che una variabile di


parametri distribuiti dove si desidera evitare che una variabile diprocesso critica superi un valore limite massimo (per esempio, latemperatura in reattori tubolari).

Componente primario di un sistema di controllo auctioneering è ilselettore di massimo, HS, che permette di selezionare, in modoautomatico, la misura “piú critica” (maggiore).


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


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).


Controllo Selettivo (Split-Range)

Il controllo split-range viene utilizzato in sistemi nei quali si deve controllare unasingola uscita (variabile controllata, VC) con piú variabili manipolate (VM) ) (o piú ingenerale 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 attuatoridelle variabili manipolate disponibili.


I sistemi di controllo split-range non sono molto comuni, ma in alcuni casipossono:

fornire migliori condizioni di sicurezza;

migliorare le prestazioni ottimali dell’unità.

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).


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.


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


Cap.X-Schemi di Controllo

Documents

Transcript of Cap.X-Schemi di Controllo