INTERFACCIAMENTO TRA STRUMENTAZIONE E STAZIONI … · 2. Misure analogiche 2.1. Acquisizione di un...

Luciano Caviglia - Marco Maglionico 1 / 53

INTERFACCIAMENTO TRA STRUMENTAZIONE

E STAZIONI REMOTE, PLC, DATA LOGGER

E/O SISTEMI DI ACQUISIZIONE

Milano, Settembre 2007 rev.0


Indice

1. Introduzione ................................................................................................................................3

2. Misure analogiche .......................................................................................................................3

2.1. Acquisizione di un segnale analogico .................................................................................3

2.2. Relazione tra ingresso analogico e valori forniti dal convertitore A/D ..............................6

2.3. Risoluzione/quantizzazione dei convertitori A/D ...............................................................9

2.4. Catena di collegamento tra sensore/trasmettitore e scheda ingressi

analogici relativa alla misura del livello ...........................................................................11

2.5. Frequenza di campionamento dei segnali analogici .........................................................12

2.6. Trasduttori .........................................................................................................................14

2.7. Interfacciamento tra la strumentazione/trasduttori e la scheda ingressi

analogici ............................................................................................................................14

2.7.1. Strumentazione/trasduttori attivi...............................................................................15

2.7.2. Strumentazione/trasduttori passivi............................................................................15

2.7.3. Trasduttori autoalimentati .........................................................................................15

2.8. Convertitori di segnali analogici in segnali seriali RS232/RS485....................................16

2.9. Interfacciamento di segnali analogici non standard..........................................................17

3. Parametri caratteristici della strumentazione/trasduttori...........................................................18

4. Verifica funzionalità catena: trasduttore – trasmettitore – scheda ingressi

analogici ....................................................................................................................................19

5. Metodi di acquisizione ..............................................................................................................21

5.1. Media ................................................................................................................................21

5.2. Mediana.............................................................................................................................22

5.3. Moda .................................................................................................................................24

5.4. Deviazione standard ..........................................................................................................24

6. Errori sistematici nelle misure dirette .......................................................................................28

7. Errori di acquisizione e loro prevenzione .................................................................................28

8. Schede uscite analogiche...........................................................................................................30

9. HART (protocollo di comunicazione di campo).......................................................................31

9.1. Reti HART ........................................................................................................................32

10. Convertitori di tensione in frequenza........................................................................................32

11. Accuratezza complessiva delle misure nei sistemi di telecontrollo ..........................................33

12. Protezioni per la strumentazione 4 – 20 mA.............................................................................34

13. Gestione di rete fognaria mediante controllo in tempo reale ....................................................36

13.1. Descrizione del sistema fognario ......................................................................................36

13.2. Il telecontrollo nelle stazioni di sollevamento ..................................................................37

13.3. Raccolta dei dati................................................................................................................38

13.4. Analisi della parte di rete fognaria telecontrollata ............................................................39

13.5. Conclusioni .......................................................................................................................44

14. Monitoraggio delle acque di “prima pioggia” in un’area industriale........................................45

14.1. Premessa............................................................................................................................45

14.2. Il sito sperimentale ............................................................................................................45

14.3. La strumentazione installata..............................................................................................47

14.4. La campagna di misura .....................................................................................................48

14.5. Conclusioni .......................................................................................................................51

Ringraziamenti ...................................................................................................................................52

Bibliografia.........................................................................................................................................53


1. Introduzione

Lo scopo di questo quaderno è quello di fornire una descrizione relativa

all’interfacciamento tra la strumentazione e stazioni remote di telecontrollo, PLC, data

logger e/o di sistemi di acquisizione.

Il quaderno è diviso i due parti: nella prima sono riportate le modalità di interfacciamento

e nella seconda parte sono descritti due esempi di applicazioni significative (paragrafi 13

e 14).

In particolare sono esaminate le seguenti funzioni:

• Acquisizione dei segnali analogici da stazioni remote, PLC, data logger, ecc.;

• Conversione analogica/digitale di segnali analogici;

• Risoluzione dei convertitori analogici/digitali;

• Errore di conversione;

• Interfacciamenti attivi, passivi e autoalimentati tra la strumentazione e le schede

di ingressi analogici;

• Parametri caratteristici della strumentazione;

• Metodi di acquisizione di segnali analogici;

• Errori sistematici nell’acquisizione di segnali analogici;

• Errori di acquisizione e loro prevenzione;

• Caratteristiche delle schede di uscita analogiche delle stazioni remote, PLC, ecc.;

• Convertitori di tensione/frequenza;

• Convertitori di segnali analogici in segnali standard;

• Convertitori di segnali analogici in collegamento seriale RS232/RS485;

• Verifica della funzionalità della catena sensore – trasmettitore – scheda analogica.

Il quaderno si rivolge in particolare agli utilizzatori di sistemi di telecontrollo, di

supervisione e di acquisizione con lo scopo di fornire le conoscenze di base dei

collegamenti tra le varie apparecchiature.

2. Misure analogiche

2.1. Acquisizione di un segnale analogico

Le stazioni remote di telecontrollo, i PLC, i data logger ed i sistemi di acquisizione sono

in grado di gestire, per mezzo di schede di ingressi analogici, i segnali generati dalla

strumentazione preposta alle rilevazioni delle grandezze fisiche dell’impianto.

I segnali analogici possono fornire misure di portata, temperatura, pressione, livello, ecc.

e forniscono in “continuo” le variazioni rilevate dai trasduttori corrispondenti.

In determinate configurazioni, gli ingressi analogici, sono direttamente integrati nei

sistemi di acquisizione, stazioni remote, PLC, sonde multiparametriche, ecc..

Nella figura 1 sotto riportata è rappresentato un segnale analogico fornito da un

trasduttore di pH che viene acquisito dalla scheda ingressi analogici.


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 tempo (sec.)

14

13

12

11

0

pH

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 tempo (sec.)

14

13

12

11

0

pH

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 tempo (sec.)

14

13

12

11

0

pH

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 tempo (sec.)

14

13

12

11

0

pH

Figura 1 – Esempio di un segnale analogico fornito da un trasduttore di pH

La catena relativa alla connessione di un segnale analogico di una misura di PH ad una

stazione remota e/o ad un sistema di acquisizione viene rappresentata nella figura 2 sotto

riportata.

TRASMETTITORE SCHEDA

INGRESSI

ANALOGICI

PH

STAZIONE

REMOTA

4 – 20 mA.

1° ingresso

2° ingr.

2° ingr.

14

0 t4

20

PH mA.

tt

TRASMETTITORE SCHEDA

INGRESSI

ANALOGICI

PH PH

STAZIONE

REMOTA

4 – 20 mA.

1° ingresso

2° ingr.

2° ingr.

14

0 t4

20

PH mA.

tt

Figura 2 – Catena sensore – trasmettitore – sistema di acquisizione

Nell’esempio considerato è installato un trasduttore in grado di rilevare le variazioni del

pH dell’acqua.


Tale trasduttore è collegato ad un trasmettitore che converte il segnale di ingresso in un

segnale elettrico in corrente 4 ÷ 20 mA. Questo segnale viene acquisito dalla scheda

ingressi analogici della stazione remota e/o dai sistemi di acquisizione.

Sono disponibili diversi tipi di trasduttori in funzione del tipo di misura da acquisire. La

scheda ingressi analogici del sistema di acquisizione può acquisire segnali in corrente ed

in tensione.

Tipicamente i segnali analogici forniti dalla strumentazione sono i seguenti:

• 4 – 20 mA

• 0 – 20 mA

• 0 – 10 Volt

• 1 – 5 Volt

La scheda ingressi analogici trasforma il segnale analogico in un valore interpretabile

dalla stazione remota e/o dagli altri sistemi di acquisizione.

Il segnale analogico in corrente o in tensione, con periodicità determinata dalla

“frequenza di campionamento” definita nel sistema di acquisizione, è convertito in un

valore digitale (binario) proporzionale al segnale di ingresso fornito dalla

strumentazione.

La conversione viene realizzata per mezzo di un convertitore analogico/digitale (A/D)

presente nella scheda. Nella figura 3 sotto riportata è rappresentato un segnale analogico

in corrente con la frequenza di campionamento “fc” avente periodicità di 1 secondo.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tempo (sec.)

14

13

12

11

0

pH

Frequenza di campionamento (fc)

••

••

•

•

••

••

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tempo (sec.)

14

13

12

11

0

pH


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tempo (sec.)

14

13

12

11

0

pH


••

••

•

•

••

••

Figura 3 – Esempio di campionamento di un segnale analogico (fc – frequenza di

campionamento eseguita dal sistema di acquisizione sul segnale fornito dalla

strumentazione)

Nella figura 4 sotto riportata viene indicata la conversione analogica/digitale di un

segnale analogico che utilizza un convertitore A/D di 12 bit. Il segnale analogico viene

convertito in un valore binario di 12 bit (212

che consente di rappresentare un campo di

misura 0 ÷ 4095).


bit 0

bit 1

bit 2

bit 3

bit 4

bit 5

bit 6

bit 7

bit 8

bit 9

bit 10

bit 11

CONVERTITOREA/D 12 bit

INGRESSO ANALOGICO(CORRENTE, TENSIONE, ECC.)

REGISTRO STAZIONE REMOTA, PLC, ECC. 2048 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1

Fig. 4

bit 0

bit 1

bit 2

bit 3

bit 4

bit 5

bit 6

bit 7

bit 8

bit 9

bit 10

bit 11

CONVERTITOREA/D 12 bit

INGRESSO ANALOGICO(CORRENTE, TENSIONE, ECC.)

REGISTRO STAZIONE REMOTA, PLC, ECC. 2048 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1

Fig. 4

Figura 4 – Schema a blocchi del convertitore analogico-digitale (A/D)

2.2. Relazione tra ingresso analogico e valori forniti dal convertitore A/D

0 409 819 1229 1638 2048 2457 2866 3276 3686 4095

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

mA. °C

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

X

Y

VALORI A/DS1 S2

Soglie di allarme

52 °C

28 °C

0 409 819 1229 1638 2048 2457 2866 3276 3686 4095

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

mA. °C

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

X

Y

VALORI A/DS1 S2

Soglie di allarme

52 °C

28 °C

Figura 5 – Relazioni tra ingresso analogico ed i valori forniti dal convertitore A/D


Nella figura 5 sopra riportata è rappresentata la relazione tra i valori forniti dal

convertitore A/D ed il segnale analogico di ingresso 0 – 20 mA che corrisponde alla

misura di temperatura con scala 0 – 100 °C.

I valori del segnale di ingresso ed i valori corrispondenti al convertitore A/D sono

calcolati in base all’equazione della retta: Y°C = mx punti + b.

Per trovare la relazione tra il segnale analogico in ingresso relativo alla temperatura ed i

valori forniti dal convertitore A/D sono disponibili due metodi:

1° METODO

Viene utilizzata l’equazione della retta Y = m x + b dove m è la pendenza della retta.

Y2 – Y1 °C2 – °C1 100 – 0 100

m = ------------ = ------------------ = ----------- = --------

X2 – X1 V2 AD – V1 AD 4095 – 0 4095

Dove Y2, Y1, X2 e X1 sono valori conosciuti (valori di inizio e fondo scala della

temperatura e valori di inizio e fondo scala del convertitore analogico/digitale).

Il termine b è definito come l’intersezione di Y0 °C quando X0 , valore dell’A/D, è uguale

a 0 pertanto:

b può essere calcolato come segue:

b = Y°C - m X AD

dove Y e X sono valori conosciuti (per esempio a 0 °C il valore dell’A/D è 0) e quando X

assume il valore 0 sappiamo che Y corrisponde a 0 °C per cui:

100

b = 0 - ------ * 0

4095

b = 0

100

e Y°C = -------- * VAD

4095

Se consideriamo il valore 4095 del convertitore analogico/digitale corrispondente al

valore di temperatura di 100 °C (fondo scala), possiamo calcolare i valori S1 e S2

corrispondenti, per esempio, a soglie di allarme riportate nella figura 5 utilizzando

l’equazione:

100

Y°C = -------- * XAD 4095* Y°C = 100* XAD

4095


4095

XAD = ------- * Y°C

100

per cui i valori XAD del convertitore analogico/digitale corrispondenti a 28 ed a 52 °C

risultano:

4095

XAD = -------- * 28 = 1146,6 (arrotondati dal convertitore a 1147)

100

4095

XAD = -------- * 52 = 2129,4 (arrotondati dal convertitore a 2129)

100

2° METODO

Il secondo metodo consiste nel calcolare il valore fornito del convertitore A/D

corrispondente a 1 °C.

Nell’esempio considerato si ha una scala compresa nell’intervallo 0 ÷ 100 °C

corrispondente ai valori dell’A/D compresi tra 0 ÷ 4095 per cui:

differenza valori A/D massimo valoreAD – minimo valoreAD 4095

----------------------------- = ----------------------------------------------- = ------- = 40,95

differenza valori gradi massimo valore°C – minimo valore°C 100

questo significa che ogni grado equivale a 40,95 punti dell’A/D che viene arrotondato a

41 per cui i valori del convertitore A/D XAD a 28 ed a 52 °C corrispondono a:

28 * 40,95 = 1146,7 (arrotondati dal convertitore a 1147)

52 * 40,95 = 2129,4 (arrotondati dal convertitore a 2129)

Nel caso in cui la corrente del segnale analogico di ingresso è compresa tra 4 ÷ 20 mA, il

valore del convertitore analogico/digitale (A/D) in corrispondenza di 4 mA è 819.

Facendo riferimento all’esempio precedente il campo di misura del convertitore

analogico/digitale è:

3276 = 4095 – 819

(dove 819 corrisponde a 0 °C)

Il valore fornito dal convertitore analogico/digitale ad 1 °C viene calcolato come segue:

differenza valori A/D massimo valoreAD – minimo valoreAD 3276

--------------------------- = ---------------------------------------------- = ------- = 32,76

differenza valori gradi massimo valore °C – minimo valore °C 100


Pertanto i valori del convertitore analogico/digitale corrispondenti a 28 ed a 52 °C

risultano:

28 * 32,76 + 819 = 1736

52 * 32,76 + 819 = 2523

avendo eseguito gli arrotondamenti come nei casi precedenti.

Nella figura 6 sotto riportata è rappresentata la relazione tra i valori forniti dal

convertitore A/D ed il segnale analogico di ingresso 4 – 20 mA che corrisponde alla

misura di temperatura con scala 0 – 100 °C.

819 1229 1638 2048 2457 2866 3276 3686 4095

100

75

50

25

0

mA. °C

20

16

12

8

4

X

Y

VALORI A/DS1 S2

Soglie di allarme

52 °C

28 °C

819 1229 1638 2048 2457 2866 3276 3686 4095

100

75

50

25

0

mA. °C

20

16

12

8

4

X

Y

VALORI A/DS1 S2

Soglie di allarme

52 °C

28 °C

Figura 6 - Relazione tra ingresso analogico e valori forniti dal convertitore A/D

2.3. Risoluzione/quantizzazione dei convertitori A/D

Nel paragrafo precedente è stata descritta la conversione analogica/digitale di un segnale

analogico in cui il sistema di acquisizione utilizza un convertitore di 12 bit in valori

digitali (binari) compresi tra 0 ÷ 4095.

La risoluzione di un convertitore analogico/digitale (A/D) è determinata dal numero di

bit impiegati per la conversione analogica/digitale del segnale analogico.

• La risoluzione di un convertitore analogico digitale (A/D) di 16 bit corrisponde ad

un campo di misura compreso nell’intervallo 0 ÷ 65535.








La risoluzione di un convertitore A/D può essere definita anche come la più piccola

variazione rilevabile all’uscita del convertitore analogico/digitale (A/D).

Ad esempio un convertitore di n bit è in grado di convertire il segnale analogico in 2n

stati (valori) distinti e quindi la sua risoluzione è 1/2n = 2

-n.

Ad esempio un convertitore A/D di 12 bit ha seguente risoluzione:

1 1

risoluzione = ------ = -------- = 0,000244

212

4095

Esempi

La risoluzione relativa alla misura del livello dell’acqua in una vasca con scala 0 ÷ 6

metri utilizzando un convertitore analogico/digitale la cui risoluzione è di 12 bit risulta:

6

risoluzione = ------- = 0,00146 metri

4095

Supponendo di avere un campo di misura di una tensione compresa tra 0 ÷ 60 Volt

utilizzando un convertitore A/D di 12 bit la risoluzione è:

60

risoluzione = ------ = 0,0146 Volt

4095

Supponendo di avere un campo di misura di una temperatura compresa tra 0 ÷ 500 °C

utilizzando un convertitore di 12 bit la risoluzione è:

500

risoluzione = -------- = 0,122 °C

4095

La conversione analogico/digitale di un segnale eseguita da un convertitore a 12 bit può

assumere i valori compresi tra i due limiti prefissati (0 ÷ 4095) e viene convertito in una

informazione digitale caratterizzata da un numero finito di valori.

Il segnale analogico pertanto subisce una conversione definita “quantizzazione” che

corrisponde alla “risoluzione” sopra esaminata. La quantizzazione consiste nel

trasformare una grandezza analogica, che può variare con continuità, in una grandezza

quantizzata.

Poiché il convertitore analogico/digitale (A/D) è in grado di quantizzare 2n valori discreti

e l’intervallo di variabilità di una grandezza analogica è compreso tra 0 ed il fondo scala

(FS) della misura, la “quantizzazione” viene suddivisa in 2n

parti che corrisponde a:


Q = FS/2nNell’operazione di conversione si ottiene un errore, detto errore di

quantizzazione, che è uguale a:

E = +/– Q/2

Tale errore viene anche indicato come:

E = ± 1/2 LSB

(dove LSB corrisponde al bit meno significativo del convertitore analogico/digitale)

2.4. Catena di collegamento tra sensore/trasmettitore e scheda ingressi analogici relativa alla misura del livello

Si consideri un segnale analogico (4 ÷ 20 mA) fornito da un trasmettitore che

corrisponde alla scala 0 ÷ 4 metri relativa alla misura del livello di una vasca. Esso è

collegato alla scheda ingressi analogici del sistema di acquisizione. La conversione del

convertitore analogico digitale è di 12 bit che corrisponde al campo di misura 819 ÷

4095.

LIVELLO SEGNALE INGRESSO CONVERSIONE

VASCA SCHEDA INGRESSI ANAL. ANALOGICA / DIGITALE

0 m 4 mA 819

| | |

| | |

| | |

4 m 20 mA 4095

4 *100 (cm) 1 (cm)

Vale la proporzione ----------------- = -----------

16 (mA) x (mA)

16 (mA) * 1 (cm)

da cui = x(mA) = ----------------------- = 0,04 mA

4 * 100 (cm)

16

1 punto del convertitore A/D = ------- = 0,00488 mA

3276

per cui:

3276

1 cm = --------- = 8,19 (8 punti)

400

Un esempio di calcolo del valore digitale di 1 centimetro riferito al livello di una vasca

con scala 0 ÷ 4 metri risulta:


massimo valoreAD – minimo valoreAD 3276

---------------------------------------------- = ----------- = 8,19 (8 punti)

massimo valorem – minimo valorem 4 * 100

Pertanto i valori del convertitore analogico/digitale corrispondenti a 10, 100, 350 e 400

centimetri risultano:

10 * 8,19 = (81,9 + 819) = 901

100 * 8,19 = (819 + 819) = 1638

350 * 8,19 = (2866,5 + 819) = 3685

400 * 8,19 = (3276 + 819) = 4095

2.5. Frequenza di campionamento dei segnali analogici

La scheda ingressi analogici della stazione remota e/o dei sistemi di acquisizione

converte il segnale analogico a tempi di campionamento definiti nel sistema di

acquisizione. Tali valori sono definiti campioni (“samples”) e la periodicità con cui

vengono acquisiti è denominata frequenza di campionamento che viene indicata come fc.

L’operazione di campionamento (acquisizione dei segnali analogici da parte del sistema

di acquisizione) deve essere eseguita in accordo al teorema di Nyquist che recita quanto

segue: la minima frequenza di campionamento deve essere due volte quella della più alta

frequenza presente nel segnale da campionare.

Il teorema del campionamento attribuito a Nyquist ed a Shannon si riferisce ad un

segnale che sia funzione continua del tempo e con spettro di frequenza di larghezza

limitata (cioè non contenente frequenze maggiori di una determinata frequenza f2).

Il teorema asserisce che, se il suddetto segnale è campionato con frequenza:

fs = 1 / T > 2 f2

la successione dei valori acquisiti deve contenere tutta l’informazione del segnale

originario. Si ha pertanto la possibilità di trasmettere un’informazione continua sotto

forma di una successione di valori.

La figura 7 sotto riportata indica un esempio di campionamento di un segnale analogico.


t

mA.

20

4


Vu(t)

••

•

••

••

•

•

•

• •

•

•

•

••

••

•

•

•

• •

•

•

•

•

•

t

mA.

20

4


t

mA.

20

4


Vu(t)

••

•

••

••

•

•

•

• •

•

•

•

••

••

•

•

•

• •

•

•

•

•

•Vu(t)

••

•

••

••

•

•

•

• •

•

•

•

••

••

•

•

•

• •

•

•

•

••

••

•

•

•

• •

•

•

•

••

••

•

•

•

• •

•

•

•

•

•

Figura 7 – Campionamento corretto di un segnale analogico

La frequenza di campionamento del segnale risulta adeguata in quanto consente al

sistema di acquisizione di riprodurre fedelmente il segnale originario.

Nella figura 8 sottostante viene riportato un esempio di campionamento errato.


•

•

•

•

•

Figura 8 – Campionamento insufficiente di un segnale analogico

La frequenza di campionamento del segnale risulta inadeguata in quanto non consente la

riproduzione nel sistema di acquisizione del segnale originario. La curva tratteggiata di


figura 8 che rappresenta la ricostruzione del segnale acquisito, è totalmente alterata

rispetto al segnale in ingresso al sistema di acquisizione.

La frequenza di campionamento deve essere definita di volta in volta in funzione del

segnale analogico da acquisire.

2.6. Trasduttori

I trasduttori sono dispositivi che hanno la proprietà di convertire una forma di energia in

un’altra. La loro funzione consiste nel rilevare il valore di una grandezza di ingresso e di

trasformarla in un valore di un’altra grandezza in uscita secondo gli standard più

utilizzati nella strumentazione. I trasduttori sono anche definiti sensori o trasduttori di

misura.

Il collegamento tra i trasmettitori e la scheda ingressi digitali viene realizzato mediante

cavo schermato e twistato per garantire l’immunità ai disturbi.

2.7. Interfacciamento tra la strumentazione/trasduttori e la scheda ingressi analogici

E’ opportuno evidenziare che una parte importante della strumentazione, qui nel seguito

esaminata, è costituita dal trasduttore che è l’elemento che converte una grandezza fisica

in un segnale elettrico. Pertanto nel seguito si usa la denominazione

strumentazione/trasduttori per rilevare le grandezze fisiche dell’impianto.

Il collegamento tra la strumentazione/trasduttori e la scheda degli ingressi analogici del

sistema di acquisizione viene realizzato mediante cavo schermato e twistato. La massima

distanza ammissibile del suddetto collegamento è normalmente inferiore a 200 metri.

La strumentazione/trasduttori tipicamente fornisce segnali standard (4 ÷ 20 mA, 0 ÷ 20

mA, 1 ÷ 5 Volt e 0 ÷ 5 Volt). Sia la strumentazione/trasduttori sia la scheda ingressi

analogici sono dotati di “microswitches” che permettono di selezionare il tipo segnale

disponibile. La strumentazione/trasduttori e la scheda ingressi analogici di ultima

generazione possono essere configurati mediante personal computer dotato di programmi

idonei forniti dai produttori delle apparecchiature/strumentazione stesse.

Il segnale di uscita della strumentazione/trasduttori (ingresso della scheda analogica)

deve essere dotato di separazione galvanica.

Nel caso in cui sia il suddetto segnale fornito dalla strumentazione e sia la scheda

ingressi analogici non siano dotati di separazione galvanica è necessario interporre un

convertitore dotato di separazione.

Sono possibili i seguenti tipi di interfacciamento tra la strumentazione/trasduttori e la

scheda ingressi analogici:

• strumentazione/trasduttori: attivi

• strumentazione/trasduttori: passivi

• strumentazione/trasduttori: autoalimentati.

Nel primo caso la strumentazione/trasduttori sono in grado di fornire la corrente e/o la

tensione alla scheda ingressi analogici.

Nel secondo caso l’uscita della strumentazione/trasduttori è costituita da componenti

passivi ad esempio resistenze.

Nell’ultimo caso è la scheda ingressi analogici che provvede a fornire l’alimentazione

alla strumentazione/trasduttori.


Nei paragrafi seguenti vengono descritti in dettaglio i suddetti tipi di interfacciamento.

2.7.1. Strumentazione/trasduttori attivi

Si definiscono attivi i trasduttori dotati di circuito (trasmettitore) che generano segnali in

corrente o in tensione. Gli standard più utilizzati sono in grado di fornire una corrente

compresa tra 0/4 e 20 mA e/o una tensione compresa tra 0/1 e 5 Volt.

Nella figura 9 sotto riportata viene indicato il collegamento tra un trasmettitore attivo e la

scheda ingressi analogici. Si noti che lo schermo del cavo viene collegato a terra solo sul

lato scheda ingressi analogici.

• SISTEMA DIACQUISIZIONE

TRASMETTITOREATTIVO

SCHEDAINGRESSIANALOGICI

•

+

–

SISTEMA DIACQUISIZIONE

TRASMETTITOREATTIVO


•


TRASMETTITOREATTIVO


•


TRASMETTITOREATTIVO


•


TRASMETTITOREATTIVO


•

+

–•

Figura 9 – Interfacciamento tra trasmettitore attivo e sistema di acquisizione

2.7.2. Strumentazione/trasduttori passivi

I trasduttori si definiscono passivi quando variano le loro caratteristiche in seguito alla

variazione di una grandezza fisica del trasduttore variando solo le caratteristiche dei

componenti passivi. Un esempio è costituito dalle sonde di temperatura che variano la

loro resistenza in funzione della temperatura. Nella figura 10 sotto riportata viene

indicato il collegamento tra un trasmettitore passivo e la scheda ingressi analogici. Si noti

che lo schermo del cavo viene collegato a terra solo sul lato scheda ingressi analogici.


TRASMETTITOREPASSIVO


••




••




••

Figura 10 - Interfacciamento tra trasmettitore passivo e sistema di acquisizione

2.7.3. Trasduttori autoalimentati

Fanno parte di questa categoria i trasduttori che vengono alimentati direttamente dalla

scheda analogica della stazione remota e/o dal sistema di acquisizione.

Nella figura 11 sotto riportata viene indicato il collegamento tra un trasduttore

autoalimentato e la scheda ingressi analogici.


Trasduttore autoalimentato

+ 12 – 24 Volt

4 – 20 mA.



VASCA



VASCAVASCA

••

Figura 11 - Interfacciamento tra trasduttore autoalimentato e sistema di acquisizione

Nell’esempio si fa riferimento ad un trasduttore di livello che viene collegato alla scheda

di ingressi analogici del sistema di acquisizione. Il collegamento viene realizzato per

mezzo di due fili: il primo viene utilizzato per prelevare l’alimentazione dalla scheda

analogica; il secondo per fornire alla stazione la corrente 4 ÷ 20 mA proporzionale alla

variazione di livello.

2.8. Convertitori di segnali analogici in segnali seriali RS232/RS485

In determinate situazioni l’interfacciamento tra la strumentazione ed il sistema di

acquisizione viene realizzato utilizzando un convertitore di segnali analogici che li

trasforma in un collegamento seriale RS232/RS485 con protocollo MODBUS RTU

“slave” lato convertitore.

Il convertitore ha la funzione di trasformare il segnale analogico in ingresso in un

messaggio inviato in seriale su richiesta del sistema di acquisizione.

Il protocollo RTU MODBUS comporta lo scambio di due messaggi:

• Una richiesta da parte dell’apparecchiatura master (RTU, PLC, sistema di

acquisizione);

• Una risposta dello slave (strumentazione).

Ogni messaggio di richiesta contiene 4 tipi di informazioni:

• indirizzo dello slave “strumento” (1 byte) : 1 – 247

• codice funzione (1 byte) : tipo di funzione richiesta (lettura,

scrittura, …)

• campi di informazione (n byte) : dati legati alla funzione

• caratteri di controllo : usati per rilevare gli errori di

trasmissione per mezzo dei caratteri di controllo CRC.

In pratica la conversione analogica/digitale viene eseguita direttamente dal convertitore

RS232/RS485 anziché nella scheda ingressi analogici del sistema di acquisizione.

Nella figura 12 sotto riportata viene indicato il collegamento tra la strumentazione ed il

sistema di acquisizione.


Collegamento seriale

RS485

Collegamento ad altriDispositivi con portaRS 485 protocolloMODBUS RTU “slave”


STRUMENTAZIONECONVERTITOREANALOGICOSERIALE

•

•

Collegamento seriale

RS485

Collegamento ad altriDispositivi con portaRS 485 protocolloMODBUS RTU “slave”



•

•



•

•



•

•





•

•

Figura 12 - Collegamento tra la strumentazione ed il sistema di acquisizione per mezzo

del convertitore analogico seriale

Il sistema di acquisizione che prevede l’impiego del convertitore analogico in seriale

deve essere dotato di porta seriale RS485. Il sistema, in questo caso, è in grado di gestire

fino a 31 strumenti con il protocollo MODBUS RTU “master”.

2.9. Interfacciamento di segnali analogici non standard

In alcuni casi la strumentazione non è in grado di fornire segnali standard (0/4 ÷ 20 mA

e/o 0/1 ÷ 5 Volt).

CORRENTE

4 – 20 mA

CONVERTITORE

220 V AC

RS

0 – 10 AMP.

A

0 – 60 mV


V1

CORRENTE

4 – 20 mA

CONVERTITORE

220 V AC

RS

0 – 10 AMP.

A

0 – 60 mV


V1

Figura 13 – Interfacciamento di segnali analogici non standard al sistema di

acquisizione

Un esempio è costituito dai segnali forniti dagli alimentatori relativi alla protezione

catodica non dotati di convertitori in grado di fornire i suddetti segnali standard.

I segnali forniti dall’alimentatore sono:

• Tensione struttura/dispersore 0 ÷ 50 volt;

• Potenziale di struttura – 6 ÷ +2 Volt;

• Corrente erogata 0 ÷ 10 Ampere.

La realizzazione del collegamento tra l’alimentatore e la stazione remota viene realizzato

interponendo opportuni convertitori di segnali analogici che trasformano i suddetti

segnali in ingresso in segnali di uscita standard 4 ÷ 20 mA.

I suddetti convertitori, relativi alla tensione del dispersore, alla corrente erogata ed al

potenziale di struttura, si collegano da un lato ai tre strumenti analogici, e dall’altro lato,

alla stazione remota e/o al sistema di acquisizione.

I convertitori di segnale sono inoltre dotati di tre tipi di separazioni galvaniche: lato

segnale di ingresso, lato segnale di uscita e lato alimentazione.


I convertitori sono in grado di gestire una serie di segnali in ingresso con scale che vanno

da 0 … fino a ± 100 V e da 0 … ± 50 A la cui selezione viene fatta predisponendo i dip

switches presenti nei convertitori stessi per le scale di misure richieste.

3. Parametri caratteristici della strumentazione/trasduttori

Ogni strumento di misura è caratterizzato dai seguenti parametri:

- portata: la portata di uno strumento è il valore di fondo scala. Spesso la portata

viene espressa specificando il limite operativo superiore e quello inferiore. In

questo caso si usa il termine “range dinamico” e viene espresso in decibel e pari a

20 log10 N (con N si indica il rapporto tra il valore massimo ed il valore minimo).

- precisione: la precisione è un indice della dispersione delle acquisizioni eseguite

con lo stesso metodo di misurazione. La precisione di uno strumento viene

normalmente definita in percentuale di un valore di riferimento (normalmente il

fondo scala). Tale quantità o viene indicata direttamente o attraverso un indice di

classe. L’indice di classe rappresenta i limiti di errore percentuale che uno

strumento, appartenente ad una certa classe, nelle condizioni operative indicate

dal costruttore o dalle norme non deve superare.

Ad esempio uno strumento può essere indicato con l’indice di classe 0,1 che

corrisponde ad un errore ≤ 0,1 % oppure l’indice di classe 3 corrisponde ad un

errore ≤ 3 %.

- sensibilità: si definisce come sensibilità di uno strumento il rapporto tra

l’indicazione della variazione data dallo strumento e la variazione della grandezza

che ha determinato quella variazione di indicazione.

- stabilità: indica la proprietà dello strumento di mantenere costanti le proprie

caratteristiche in corrispondenza di variazioni delle condizioni operative (ad

esempio temperatura, umidità, tensione di alimentazione, ecc.).

- frequenza: le caratteristiche dei componenti che fanno parte di uno strumento

hanno un comportamento che dipende dalla frequenza; una caratteristica

importante è quindi l’intervallo di frequenza in cui lo strumento fornisce misure

attendibili.

- Tipo di segnale in uscita: Il segnale di uscita di uno strumento di misura è

costituito generalmente da un segnale analogico che può essere una tensione, una

corrente, una resistenza, ecc. ad esempio (4 – 20 mA, 1 – 5 Volt, ecc.)

- Potere di risoluzione: è la minima variazione della grandezza applicata

all’ingresso che fornisce una variazione rilevabile di indicazione dello strumento

di uscita.

Oltre ai parametri sopra citati, ha notevole importanza, per l’acquisizione del segnale di

uscita di uno strumento da parte del sistema di acquisizione, la risoluzione del

convertitore analogico/digitale della scheda ingressi analogici e la frequenza di

acquisizione (campionamento) del segnale.

Il convertitore A/D della scheda ingressi analogici, che ha la funzione di trasformare il

segnale analogico in un valore binario, è caratterizzato dal numero di bit che utilizza per

la conversione di un segnale analogico: maggiore è la sua risoluzione migliore sarà la

resa della misura. Si rimanda al paragrafo 2.3 per avere maggiori dettagli sulla

risoluzione/quantizzazione dei convertitori analogici/digitali.


4. Verifica funzionalità catena: trasduttore – trasmettitore – scheda ingressi analogici

Nelle fasi di messa in servizio, collaudo e manutenzione è necessaria la verifica del

corretto funzionamento della catena trasduttore – trasmettitore – scheda ingressi

analogici. Tale verifica consiste nel controllare la rispondenza dei valori forniti dai

trasduttori ai valori acquisiti dal sistema.

Nella figura 14 sotto riportata viene indicato il collegamento tra un trasmettitore di pH ed

il sistema di acquisizione.

VASCA

TRASMETTITORESISTEMA DI

ACQUISIZIONE


Personal Computerportatile

VASCA

TRASMETTITORESISTEMA DI

ACQUISIZIONE





Figura 14 – Esempio di catena trasduttore – trasmettitore – scheda ingressi analogici

Nell’esempio si fa riferimento alla misura di pH (scala 0 ÷ 14). Per eseguire la verifica

funzionale della catena è necessario immergere il trasduttore in una soluzione campione

in grado di fornire il valore di pH (ad esempio 7). I valori della catena dovranno essere i

seguenti:

Misura pH Uscita trasmettitore Valore digitale A/D Valore sistema di acquisizione

7 12 mA 2457 7

In questo caso il valore A/D è 2457 punti corrispondente al valore di pH 7, il

trasmettitore è in grado di fornire una corrente 4 ÷ 20 mA ed il convertitore analogico

digitale ha una risoluzione di 12 bit corrispondente ai valori dell’A/D compresi tra 819 ÷

4095.

Per verificare la linearità del convertitore A/D della scheda ingressi analogici è

necessario eseguire la verifica funzionale su più valori della scala immergendo il

trasduttore in più soluzioni campione.

Il valore del convertitore analogico/digitale avente risoluzione di 12 bit corrispondente al

valore di pH 7 è il seguente:

differenza valori A/D massimo valoreAD – minimo valoreAD 3276 (4095 – 819)

-------------------------- = ----------------------------------------------- = --------------------------- = 234

differenza valori pH massimo valore pH - minimo valore pH 14

Il valore del convertitore analogico/digitale corrispondente ad 1 pH è 234.


Per cui a 7 pH corrispondono 234 x 7 = 1638 + 819 = 2457 punti del convertitore

analogico digitale.

La tabella sotto riportata fornisce infatti la corrispondenza tra i valori di pH (0 ÷ 14),

correnti in ingresso (4 ÷ 20 mA) ed i valori del convertitore analogico digitale della

scheda ingressi analogici.

Misura pH MilliAmpere Valore convertitore A/D

14 20,00 4095

12 17,71 3627

10 15,43 3159

8 13,14 2691

6 10,86 2223

4 8,57 1755

2 6,29 1287

0 4,00 819

Nel caso in cui si desideri verificare solamente il corretto funzionamento della scheda

ingressi analogici del sistema di acquisizione è necessario scollegare il trasmettitore dalla

scheda ingressi analogici e collegare un generatore di corrente calibrato in grado di

fornire valori di corrente compresi tra 0 ÷ 20 mA. L’impostazione della corrente si

effettua per mezzo di quattro selettori decimali che consentono di impostare i valori di

corrente compresi tra 0 e 20 mA (00,00 ÷ 19,99) con precisione pari allo 0,1 % del valore

di fondo scala.

Nella figura 15 sotto riportata viene indicato il collegamento tra il generatore di corrente

calibrato e la scheda ingressi analogici.




01 5 5

mA.

,

Generatore di correntecalibrato






01 5 5 01 5 5

mA.

,

Generatore di correntecalibrato

Figura 15 - Collegamento tra il generatore di corrente calibrato e la scheda ingressi

analogici

In caso di impostazione di 12 mA nel generatore di corrente, il valore digitale teorico

della scheda ingressi analogici fornito deve essere 2457.

Per verificare la linearità del convertitore della scheda ingressi analogici è necessario

eseguire la verifica funzionale su più valori della scala impostando sul generatore di

corrente i valori di corrente desiderati.


Pertanto i valori del convertitore analogico/digitale corrispondenti ai valori di corrente in

ingresso sono riportati nella tabella seguente.

MilliAmpere Valore convertitore A/D

20 4095

18 3685

16 3276

14 2866

12 2457

10 2047

8 1638

6 1228

4 819

Il valore reale del convertitore A/D è ottenuto dal valore teorico ± gli errori introdotti dal

generatore di corrente 0,1 % e dall’errore complessivo della scheda ingressi analogici che

è stimato pari all’1%.

Qualora il valore digitale fornito dal convertitore analogico/digitale non rientri nei limiti

di tolleranza previsti è necessario sostituire la scheda ingressi analogici.

5. Metodi di acquisizione

L’acquisizione dei segnali analogici forniti dalla strumentazione/trasduttori da parte del

sistema di acquisizione a volte deve essere filtrata mediante opportune elaborazioni al

fine di ridurre al minimo errori dovuti a disturbi ed interferenze.

Le principali funzioni impiegate per trattare i dati acquisiti e per ridurre i suddetti errori

sono i seguenti:

• Media

• Mediana

• Moda

• Deviazione standard

5.1. Media

Vengono acquisiti una determinata serie di valori in un determinato periodo di cui si

calcola il valore medio per mezzo della formula:

X1 + X2 + X3 · · · · + Xn

X = -------------------------------

n


oppure:

n

∑ Xi

i = 1

X = --------

n

supponendo di acquisire i dati sotto riportati

14 – 14,5 – 15 – 14.7 – 14,8 in milliVolt

il valor medio risulta pertanto:

14 + 14,5 + 15 +14,7+ 14,8

X = ------------------------------------- = 14,6 milliVolt

5

Ad esempio nell’arco di un minuto vengono acquisiti 60 valori (uno ogni secondo) sui

quali viene eseguito il calcolo del valor medio.

Considerando il caso in cui il primo valore della serie sia 20 milliVolt anziché 14 i dati

acquisiti diventano:

20 – 14,5 – 15 – 14.7 – 14,8 in milliVolt

il valor medio diventa pertanto:

20 + 14,5 + 15 +14,7+ 14,8

X = ----------------------------------- = 15,8 milliVolt

5

Si nota che il primo valore di 20 millivolt, causato probabilmente da un disturbo, non

produce un significativo cambiamento del valor medio (incremento di 1,2 milliVolt

rispetto alla media calcolata in precedenza).

5.2. Mediana

Vengono acquisiti una determinata serie di valori in un determinato periodo di cui si

calcola il valore mediano.

La mediana è il valore centrale di una serie di misure ordinate in modo crescente (dal

valore minimo al valore massimo). Facendo riferimento all’esempio dei dati sotto

riportati:

14 – 14,5 – 15 – 14,7 – 14,8 in milliVolt la mediana si ottiene ordinando i dati in ordine crescente prendendo il valore di centro:


14 – 14,5 – 14,7 – 14,8 – 15

1 2 3 4 5

la mediana è : M = 14,7 che corrisponde al terzo valore

Il calcolo della mediana per un numero di acquisizioni dispari è il seguente:

m+1

M = X -------

2

dove m è il numero totale delle letture.

Nel nostro esempio il numero di acquisizione dei dati è dispari. Il valore X3 corrisponde

al terzo valore acquisito delle misure ordinate in modo crescente.

Il calcolo della mediana per numero di acquisizioni pari è il seguente:

m m

X ---- + X ------ +1

2 2

M = ----------------------------------

2

dove m rappresenta il numero totale delle acquisizioni.

Esempio di acquisizione pari (6 misure)

14,1 – 15 – 16 – 14,8 – 14,4 – 14,6 in milliVolt

1 2 3 4 5 6

ordinando i dati in ordine crescente abbiamo:

14,1 – 14,4 – 14,6 – 14,8 – 15 – 16

1 2 3 4 5 6

14,6 + 14,8

la mediana è: M = ------------------ = 14,7 milliVolt

2

In questo caso il valore della mediana è calcolato in base alla media dei due valori di

centro.

Considerando il caso in cui il primo valore della serie sia 20 milliVoll anziché 14,1 i dati

diventano:

20 – 15 – 16 – 14.8 – 14,4 – 14,6

la serie ordinata diventa:


14,4 – 14,6 – 14,8 – 15 – 16 – 20

1 2 3 4 5 6

14,8 + 15

la mediana è: M = --------------- = 14,9 milliVolt

2

Si nota che il primo valore di 20 milliVolt, causato probabilmente da un disturbo, non

produce un significativo cambiamento della mediana (incremento di 0,2 milliVolt

rispetto alla mediana calcolata in precedenza).

5.3. Moda

Questa funzione statistica fornisce il valore più ricorrente in una serie di misure.

Esempio

14 – 15,8 – 13,1 – 14,45 – 18 – 19 – 16 – 15,1 – 14,45 – 15,2

I valori più ricorrenti sono 14,45 in quanto ripetuti due volte rispetto agli altri valori

acquisiti.

5.4. Deviazione standard

Spesso non è sufficiente conoscere il valore medio di una serie di misure acquisite dalla

strumentazione, ma è necessario conoscere come questi valori sono distribuiti rispetto al

valore medio.

Supponendo di acquisire le seguenti misure in milliVolt:

9 – 9,5 – 15 – 19,7 – 19,8

il valor medio diventa :

9 + 9,5 + 15 +19,7+ 19,8

X = -------------------------------- = 14,6 milliVolt

5

la deviazione standard (σ) calcola la distribuzione rispetto al valor medio e può essere

espressa come:


n

∑ ( X – Xi)2

i =1

σ = ------------------

n - 1

dove X è il valore della media ed i è il numero corrispondente ad ogni lettura partendo da

1 fino ad n (ultima lettura).

La formula calcola sostanzialmente la deviazione esistente di ciascun valore acquisito

rispetto al valore medio.

(14,6 – 9)2

+ (14,6 – 9,5)2

+ (14,6 – 15)2 + (14,6 – 19,7)

2 + (14,6 – 19,8)

2

σ = ------------------------------------------------------------------------------------------

4

5,62

+ 5,12

+ 0,42

+ 5,12 + 5,2

2

σ = ---------------------------------------

4

31,36 + 26,01

+ 0,16

+ 26,01

+ 27,04 110,58

σ = ----------------------------------------------- = ----------

4 4

σ = 27,645 = 5,257

il valore della deviazione standard può fornire informazioni addizionali sulle misure e

pertanto consentire di eseguire valutazioni quantitative sui valori acquisiti.

I dati acquisiti sono essenzialmente distribuiti intorno al valore medio della curva di

distribuzione “Gaussiana” a forma di campana.

Dalle curve di distribuzione “Gaussiane” riportate nella figura 16 sono determinati i

seguenti valori tipici

• 68 % di tutte le misure è compreso entro ± σ

• 95 % di tutte le misure è compreso entro ± 2σ

• 99 % di tutte le misure è compreso entro ± 3σ

La prima relazione vedi figura (16a) indica che la probabilità che lo scarto dal valore

medio di una misura sia compreso tra – σ e + σ è pari al 68 %.


La seconda relazione vedi figura (16b) indica che la probabilità che lo scarto dal valore

medio di una misura sia compreso tra – 2σ e + 2σ è del 95 %.

La terza relazione figura (16c) indica che la probabilità che lo scarto dal valore medio di

una misura sia compreso tra – 3σ e + 3σ è del 99 %.

CURVA NORMALE DI DISTRIBUZIONE

X

X

X -1s X + 1s

68 %

(a)

X

XX - 2s X + 2s

X - 3s X + 3s

(b)

(c)

95 %

99 %

Figura 16 – Esempi di distribuzione Gaussiana


Esempio: se la misura della portata in una tubazione è di 228 l/s e la relativa deviazione

standard è di 38 l/s e se la misura della portata di una seconda tubazione è ancora di 228

l/s e la deviazione standard è di 15 l/s, sappiamo che i dati acquisiti relativi a

quest’ultima sono distribuiti in modo più vicini intorno al valore medio. Infatti il 68%

delle acquisizioni delle misure relative al secondo valore di portata sono comprese tra

213 l/s e 243 l/s, mentre le acquisizioni delle misure della prima tubazione sono

comprese tra 190 l/s e 266 l/s.

Nelle tabelle seguenti sono riportati i trend di una serie di acquisizioni di cui sono stati

calcolati il valore medio, la mediana, la moda la deviazione standard il valore minimo ed

il valore massimo.


6. Errori sistematici nelle misure dirette

Le misure sono definite dirette quando il valore della grandezza da misurare si ricava

direttamente dalla lettura dalla strumentazione installata correttamente e calibrata.

L’errore sistematico si ricava in questo caso in base alle specifiche fornite dai costruttori

della strumentazione/trasduttori e del sistema di acquisizione.

Si rammenta che la precisione della misura dei segnali analogici in ingresso di un sistema

di acquisizione è determinata dai seguenti fattori:

• errore definito dal produttore della strumentazione;

• errore introdotto dal convertitore analogico/digitale della scheda ingressi

analogici del sistema di acquisizione;

• coefficiente di temperatura dei circuiti relativi alla strumentazione ed alla scheda

ingressi analogici.

La possibilità di introdurre errori nell’acquisizione delle misure nei sistemi di

automazione e di telecontrollo è sempre presente. Gli errori possono essere imputati alla

strumentazione non calibrata o ad acquisizioni non rispondenti alla frequenza di

campionamento appropriata.

L’errore di misura può essere definito come una variazione o deviazione di una lettura

rispetto ad un valore vero o previsto.

Gli errori possono essere classificati in tre categorie:

• errori grossolani;

• errori di sistema;

• errori random.

• errore grossolano: viene in genere introdotto dal personale durante la fase di

messa in funzione e di manutenzione (ad esempio scala sbagliata nella

parametrizzazione del sistema di acquisizione, applicazioni improprie delle

formule di filtraggio dei dati, …).

• errore di sistema: è quello derivato dagli errori introdotti dalla strumentazione,

dalle schede ingressi analogici del sistema di acquisizione, dalle condizioni

operative, …

• errore random (casuale): è quello derivato da fenomeni imprevisti che si

verificano nell’impianto per cui non è possibile prevederne l’andamento. Ad

esempio interferenze e/o disturbi generati da altre apparecchiature.

7. Errori di acquisizione e loro prevenzione

Viene di seguito riportata una breve descrizione in cui sono evidenziati i tipi di errori che

possono verificarsi durante l’acquisizione di segnali analogici e la loro possibile

prevenzione.


Errori grossolani

Esempi:

• acquisizione delle misure con scale sbagliate;

• errata acquisizione del segnale dello strumento (per esempio interfacciamento

hardware non predisposto correttamente);

• taratura dello “0” dello strumento non corretta;

• applicazione di una formula sbagliata nel sistema di acquisizione;

• incorretta installazione della strumentazione per l’utilizzo previsto;

• acquisizione impropria delle misure da parte del sistema (ad esempio frequenza di

campionamento del segnale in ingresso non corretta).

E’ difficile eseguire la prevenzione per gli errori sopra riportati in quanto possono essere

causati dai tecnici che operano sull’impianto nella fase di messa in funzione, di collaudo

e di manutenzione.

Prevenzioni e/o riduzione degli errori grossolani:

E’ necessario porre molta attenzione nella fase di messa a punto del sistema, di collaudo

e di manutenzione coinvolgendo più tecnici nelle suddette fasi e nelle verifiche

funzionali applicando procedure scritte. Inoltre è necessario avere una adeguata

conoscenza della strumentazione.

Errori di sistema

Esempi:

• errore dovuto alla precisione (classe) dello strumento;

• non linearità del segnale fornito dalla strumentazione;

• componenti usurati;

• perdita delle prestazioni della strumentazione a causa di installazioni non

rispondenti alle specifiche del costruttore.

Controlli:

• verifica in fase di installazione, di collaudo e di manutenzione delle misure

acquisite dalla strumentazione con valori di riferimento;

• verifica periodica delle misure acquisite dalla strumentazione con valori di

riferimento;

• verifica periodica che l’errore complessivo del sistema non superi il valore

massimo dell’errore previsto tenendo conto degli errori introdotti dalla catena

sensore/sistema di acquisizione.

Prevenzioni e/o riduzione dell’errore di sistema:

• controllare la validità delle tecniche di filtrazione sulle misure acquisite;

• porre particolare attenzione alla manutenzione ordinaria seguendo procedure

interne redatte in base alle norme ISO 9000;

• calibrare periodicamente con idonei strumenti la catena strumentazione – sistema

di acquisizione.


Errori random (accidentali o casuali)

Esempi:

• cambiamento delle condizioni operative (temperatura, pressione, ecc.);

• disturbi elettromagnetici dovuti all’installazione di altre apparecchiature;

• alterazioni delle misure dovute a vibrazioni, infiltrazioni, ecc..

Prevenzioni degli errori accidentali:

• utilizzo di adeguati algoritmi statistici per il filtraggio delle misure acquisite;

• installazione delle apparecchiature in accordo alle specifiche dei fornitori della

strumentazione; sistema di acquisizione installato in modo tale da evitare le

interferenze dovute ad eventuali disturbi generati da altre apparecchiature.

Questi tipi di errori non possono essere corretti, ma si può rilevare la loro presenza

ripetendo le misure più volte. L’analisi statistica sui dati acquisiti ne può permettere la

stima.

8. Schede uscite analogiche

Il controllo del processo da parte del sistema di acquisizione e controllo viene effettuata

mediante schede di uscite analogiche che possono fornire segnali in corrente od in

tensione ad esempio (4 – 20 mA o 1 – 5 Volt).

Esempi di segnali di uscite analogiche possono essere: preset di apertura % di una

valvola, preset di una temperatura in un loop di regolazione, ecc..

Analogamente a quanto descritto per la scheda ingressi analogici, la scheda uscite

analogiche è dotata di un convertitore digitale/analogico che provvede alla conversione

dei valori digitali forniti dal sistema di controllo in segnali analogici. I suddetti segnali

pilotano direttamente la strumentazione installata in campo se predisposta.

Nella figura 17 viene indicata la conversione digitale/analogica di dati digitali in segnale

analogico.

I valori digitali di ingresso (n bit) al convertitore D/A vengono trasformati in uscita del

convertitore in un segnale analogico standard 0/4 ÷ 20 mA.

La risoluzione del convertitore D/A della scheda di uscita analogica è legata a quanti bit

vengono messi a disposizione dal convertitore per la conversione.

Se il convertitore digitale/analogico ha una risoluzione di 12 bit, i valori digitali sono

compresi tra 0 ÷ 4095 che vengono convertiti in un segnale analogico compreso tra 0 ÷

20 mA. Nel caso in cui è prevista l’uscita in corrente 4 ÷ 20 mA i valori digitali in

ingresso al convertitore D/A sono compresi tra 819 ÷ 4095.

Per i convertitori digitali/analogici valgono le analoghe considerazioni fatte per i

convertitori A/D esaminati in precedenza per le schede ingressi analogici (risoluzione,

frequenza, collegamenti al campo, convertitori digitali/analogici, ecc..).


bit 11

bit 10

bit 9bit 8

bit 7

bit 6

bit 5bit 4

bit 3bit 2

bit 1

bit 0

CONVERTITORED/A – 12 bit

USCITA ANALOGICA

2048 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1 REGISTRO STAZIONE REMOTA / PLC

bit 11

bit 10

bit 9bit 8

bit 7

bit 6

bit 5bit 4

bit 3bit 2

bit 1

bit 0

CONVERTITORED/A – 12 bit

USCITA ANALOGICA

2048 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1 REGISTRO STAZIONE REMOTA / PLC

Figura 17 - Schema a blocchi del convertitore digitale/analogico

9. HART (protocollo di comunicazione di campo)

Il protocollo HART prevede un collegamento del tipo “master-slave” in cui durante le

normali operazioni la comunicazione è iniziata dal master a cui risponde lo slave

selezionato.

Il protocollo di comunicazione HART è basato sulla procedura di trasmissione Bell 202 e

funziona usando la modulazione di frequenza FSK (Frequency Shift Keying). In questo

tipo di modulazione la portante viene trasmessa ad una frequenza f1 quando è presente il

segnale “1” ed ad una frequenza f2 in assenza del segnale “0”; in pratica è una

modulazione di frequenza, in cui la portante muta tra due frequenze f1 e f0 (vedi figura

18).

FSK

F1 1200 Hz = bit 1

F0 2200 Hz = bit 0

Figura 18 – Trasformazione da segnale digitale a FSK

Le due frequenze sono: 1200 Hz per il bit 1 e 2200 Hz per il bit 0.


Le forme d’onde di queste due frequenze sono sovrapposte al segnale analogico 4 ÷ 20

mA in modo da consentire contemporaneamente le comunicazioni analogica e digitale.

Questo è possibile in quanto il valor medio del segnale FSK è zero per il segnale

analogico 4 ÷ 20 mA che non subisce alterazioni.

Nella figura 19 viene riportato il collegamento contemporaneo della trasmissione digitale

ed analogica.

0tempo

4mA.

20 mA.

“1” “0” “0” “1” “1” “0” “0” “1”

Segnale analogico

Segnale digitale

0tempo

4mA.

20 mA.

“1” “0” “0” “1” “1” “0” “0” “1”

Segnale analogico

Segnale digitale

0tempo

4mA.

20 mA.

“1” “0” “0” “1” “1” “0” “0” “1”

Segnale analogico

Segnale digitale

4mA.

20 mA.

“1” “0” “0” “1” “1” “0” “0” “1”

Segnale analogico

Segnale digitale

Figura 19 - Collegamento contemporaneo della trasmissione digitale ed analogica

9.1. Reti HART

Sono disponibili sia il collegamento punto a punto sia il collegamento multipoint.

Quest’ultimo necessità di soli due fili e possono essere gestiti fino ad un massimo di 15

dispositivi.

Nel collegamento punto a punto, il tradizionale segnale analogico 4 ÷ 20 mA viene

utilizzato per l’interfacciamento con il sistema di acquisizione.

Il protocollo HART dispone di più classi di comandi: generali e di comandi specifici per

il dispositivo gestito.

Il tipo di comunicazione disponibile in HART permette di disporre del segnale analogico

4 ÷ 20 mA e nello stesso tempo del segnale digitale che permette il collegamento

bidirezionale con i dispositivi installati in campo.

10. Convertitori di tensione in frequenza

I convertitori di tensione/corrente in frequenza hanno la proprietà di convertire un

segnale analogico in ingresso in un treno di impulsi in uscita aventi una frequenza

proporzionale al segnale analogico in ingresso.

Il segnale digitale ottenuto, poiché è costituito da impulsi, è meno influenzato dai disturbi

rispetto ad un segnale analogico.


I convertitori di tensione/frequenza (V/F) sono usati per esempio nei misuratori di portata

per fornire al sistema di acquisizione segnali impulsivi che permettono di conteggiare

direttamente la quantità di acqua erogata senza dover eseguire delle elaborazioni locali.

I circuiti dei convertitori V/F sono dotati di optoisolatori per garantire la separazione

galvanica tra il misuratore ed il sistema di acquisizione. Nella figura 20 sotto riportata

viene indicato lo schema a blocchi del convertitore tensione/corrente in frequenza.

V

F

INGRESSO ANALOGICO USCITA DIGITALE IMPULSIVAV

F

INGRESSO ANALOGICO USCITA DIGITALE IMPULSIVAV

F

INGRESSO ANALOGICO USCITA DIGITALE IMPULSIVA

Figura 20 - Schema a blocchi del convertitore tensione/corrente in frequenza

Nella figura 21 sotto riportata viene indicato il collegamento tra un convertitore

tensione/corrente in frequenza e la scheda ingressi digitali. Il collegamento tra il

convertitore di tensione/frequenza e la scheda ingressi digitali deve essere effettuato con

cavo schermato e twistato.


CONVERTITORETENSIONEFREQUENZA

SCHEDAINGRESSIDIGITALI

Uscita impulsiva(open collector o reed relè


















Figura 21 - Collegamento tra un convertitore tensione/corrente in frequenza e la scheda

ingressi digitali

Possono essere fatte le seguenti osservazioni:

• Il convertitore tensione/corrente in frequenza svolge la funzione di integrazione del

segnale analogico;

• la totalizzazione degli impulsi svolta dal sistema di acquisizione deve corrispondere

al valore complessivo del totalizzatore dello strumento che viene visualizzato dal

display locale integrato nello strumento stesso;

• più alto è il numero di impulsi generati nell’unità di tempo; maggiore è la risoluzione

del convertitore tensione/frequenza.

11. Accuratezza complessiva delle misure nei sistemi di telecontrollo

L’accuratezza complessiva dell’informazione elaborata è definita come lo scarto tra i

valori alla destinazione ed alla sorgente, espressa in percentuale del fondo scala


nominale. Questa definizione si applica a tutte quelle informazioni che sono sottoposte,

tra la sorgente e la destinazione, ad una conversione da rappresentazione analogica a

digitale o viceversa.

La trattazione dell’accuratezza complessiva implica di considerare le sezioni individuali

della via di trasmissione dell’informazione dalla sorgente alla sua destinazione.

Il termine “classe di accuratezza” si riferisce in effetti all’errore prodotto nelle

apparecchiature, cioè classe 1 è equivalente ad un errore dell’1%.

Se le singole fonti di errore sono casuali ed indipendenti tra di loro, l’errore complessivo

si calcola come:

E = ± E2

A + E2

B + …………. + E2

F

Dove EA , EB , ecc. sono i singoli errori corrispondenti alle sezioni della figura 22.

Con riferimento alle prescrizioni (CEI 57-8) l’accuratezza richiesta per l’acquisizione, la

trasmissione e l’uscita dei valori misurati e dei set point deve essere legata alle

prescrizioni del processo.

Al fine di raggiungere l’accuratezza complessiva richiesta le prescrizioni di accuratezza

delle varie sezioni riportate nella figura 22 devono essere più alte del valore complessivo.

SENSORITRASDUTTORI

ECC.A/D

ELABORA-ZIONELOCALE

ELABORAZIONEDEL CENTRO

DI CONTROLLO

APPARECCHIATUREDI PROCESSO

APPARECCHIATUREDI TELECONTROLLO

CANALE DITRASMISSIONE

CENTRO DI CONTROLLO

INFORMAZIONE ANALOGICA INFORMAZIONE DIGITALE

A/D – CONVERTITORE ANALOGICO / DIGITALE

ELABORAZIONEDEL CENTRO

DI CONTROLLO

APPARECCHIATUREDI PROCESSO

APPARECCHIATUREDI TELECONTROLLO

CANALE DITRASMISSIONE

CENTRO DI CONTROLLO

INFORMAZIONE ANALOGICA INFORMAZIONE DIGITALE

A/D – CONVERTITORE ANALOGICO / DIGITALE

Figura 22 – Elaborazione del segnale analogico

12. Protezioni per la strumentazione 4 – 20 mA

Per proteggere la strumentazione e le schede analogiche di ingresso dei sistemi di

acquisizione devono essere installate opportune protezioni che agiscono in “modo

comune e differenziale” contro le scariche atmosferiche, sovratensioni ed eventuali

disturbi elettromagnetici.

In particolare per i sensori installati all’esterno dei locali in cui sono presenti i sistemi di

acquisizione (ad esempio per i misuratori di livello installati nei serbatoi). Le protezioni


devono essere poste tra gli ingressi analogici del sistema di acquisizione e la

strumentazione che fornisce 0/4 – 20 mA.


13. Gestione di rete fognaria mediante controllo in tempo reale

Di seguito viene riportato un esempio applicativo di come le tecnologie di telecontrollo e

acquisizione dati possono essere impiegate da un Gestore di un sistema fognario.

L’esempio comprende la descrizione del sistema di telecontrollo e di acquisizione dei

dati e l’utilizzo che può esserne fatto all’interno di un software di simulazione idraulica

per ricavarne informazioni utili ad una più corretta gestione dell’intero sistema.

Partendo quindi da un sistema di telecontrollo esistente si sono esportati i dati dal centro

di telecontrollo per mezzo di supporto magnetico in formato ASCII o Excel compatibile,

ed elaborati in modo da ottenere informazioni che, opportunamente trattate, hanno

permesso di valutare il funzionamento della rete idraulica sia in condizioni di tempo

secco, sia durante eventi piovosi.

13.1. Descrizione del sistema fognario

Il sistema di telecontrollo ha lo scopo di gestire gli impianti di sollevamento della rete

fognaria nera, ossia destinata alla raccolta dei reflui.

La rete nera termina all’impianto di trattamento, mentre esiste una rete per la raccolta

delle acque meteoriche che immette le acque direttamente in corpi idrici superficiali.

In linea teorica si ha quindi una rete fognaria di tipo separato con due reti distinte: una

per la raccolta delle acque reflue ed una per la raccolta delle acque meteoriche.

Purtroppo la separazione completa tra la rete nera e la rete bianca non è facile da

realizzarsi nella pratica in quanto nella maggior parte delle reti esistenti separate, gli

scarichi abusivi di acque nere nella rete bianca sono frequenti, compromettendo così i

parametri qualitativi dei corpi idrici ricettori; così come sono frequenti gli scarichi di

acque piovane nella rete nera, provocando così un aumento della portata in arrivo

all’impianto di trattamento, cioè un sovraccarico che il depuratore deve smaltire,

causando un abbassamento del rendimento o addirittura compromettendone il regolare

funzionamento.

Situazioni di questo genere, una volta instaurate, sono difficili da risanare. La rete

fognaria della città presa in considerazione presenta anch’essa questo problema, ed è

praticamente impossibile cercare di correggere gli allacciamenti sbagliati nella rete nera,

soprattutto negli edifici del centro storico. In termini di numeri si può osservare che, per

un bacino complessivo di circa 180 ettari, di cui circa 100 di superficie impermeabile, la

portata in ingresso al depuratore aumenta significativamente, arrivando, nei giorni di

precipitazioni intense, addirittura oltre il limite della capacità massima che può

sopportare in ingresso (1600 m3/ora, ovvero 450 litri al secondo per una popolazione

servita di circa 90.000 abitanti equivalenti - abitante equivalente, convenzionalmente

definito come la quantità di carico inquinante corrispondente a quella prodotta da un

individuo nell’arco di 24 ore per un anno; tale carico equivale a circa 60 g di BOD5

(Domanda Biochimica di Ossigeno in 5 gg., misurata in g di O2)). I dati raccolti relativi

alle portate in arrivo al depuratore hanno mostrato fino a 2300 metri cubi all’ora nei

periodi di forte pioggia contro un carico ordinario durante i giorni di tempo secco

dell’ordine dei 1100 m3/ora, ovvero circa 300 l/sec.

Il problema è dovuto in parte anche alla presenza nella rete nera di portate parassite,

ovvero:


- portate dovute ad acque superficiali che giungono in rete durante i periodi di

pioggia dai chiusini dei pozzetti e si annullano nei periodi di tempo asciutto;

- portate dovute ad acque di falda che risalendo si infiltrano dai giunti non a

perfetta tenuta delle tubazioni.

Mentre le prime si annullano nei periodi di non pioggia, le seconde possono persistere

anche molto tempo dopo la fine dell’evento meteorico.

La città presenta falde acquifere ad una profondità dell’ordine di qualche metro, per cui

risente notevolmente di infiltrazioni durante i periodi di pioggia. L’altimetria del

territorio è tale per cui non si ha la possibilità di avere un funzionamento a gravità, e

quindi lo smaltimento delle acque avviene tramite 45 stazioni di sollevamento distribuite

su tutto il territorio.

13.2. Il telecontrollo nelle stazioni di sollevamento

Alcuni impianti di sollevamento fognari sono dotati di un sistema di telecontrollo che

prevede l’installazione di stazioni remote presso gli stessi impianti, evidenziate nello

schema seguente in arancione.

Figura 23 – Schema della rete degli impianti di sollevamento

I vantaggi derivanti dall’installazione del sistema di telecontrollo sono molteplici:

- limitare e/o diminuire lo spreco delle risorse economiche disponibili;

- migliorare l’impiego delle risorse umane;

- disporre di una analisi completa dei costi relativi alla conduzione/manutenzione

degli impianti;

- disporre di dati certi del funzionamento degli impianti.

A questo primo gruppo di obiettivi se ne aggiunge un secondo, il cui raggiungimento è

indispensabile per ottenere ulteriori vantaggi economico-gestionali ovvero:

- limitare e/o diminuire il costo di esercizio per l’applicazione di tecnologie

innovative;

- aumentare il livello di sicurezza operativa.

Nel caso specifico dei sistemi di telecontrollo/telegestione dedicati al settore del

pompaggio fognario alcune delle funzioni innovative sono:


- calcolo della portata di ingresso, in uscita e di sfioro della stazione di

sollevamento (senza l’installazione di misuratori di portata aggiuntivi) mediante il

solo misuratore di livello in vasca);

- segnalazione in tempo reale di guasti e malfunzionamenti degli impianti di

sollevamento;

- gestione dell’alternanza automatica dei comandi delle pompe per mantenere

omogenei le ore di lavoro ed il numero degli avviamenti;

- soglie di assorbimento della corrente, del livello, della portata, separate per le

singole pompe e configurabili separatamente per ciascuna pompa;

- archiviazione dei dati;

- supervisione del processo dal centro di telecontrollo con possibilità di modificare

i set point del processo in tempo reale.

Il sistema è poi strutturato nel modo seguente: ogni stazione di sollevamento è dotata di

quadri elettrici, di controllo e di automazione esterni in cui è stata installata tutta la

strumentazione necessaria per la gestione dell’impianto. La stazione remota esegue

l’acquisizione delle misure, l’automazione dell’impianto e la trasmissione dei dati

acquisiti/elaborati al centro di telecontrollo. Il controllo della marcia/arresto delle pompe

è impostato sulle soglie del misuratore ultrasonico di livello (con precisione del

millimetro) che fornisce il livello del liquame nel pozzetto. La stazione remota

attiva/disattiva le pompe in base alle soglie di livello impostabili sia localmente che dal

centro di telecontrollo. Gli impianti di sollevamento sono dotati di due pompe per

garantire il funzionamento dell’impianto di sollevamento in caso di fuori servizio di una

pompa. Inoltre vengono monitorate dalla stazione remota la tensione e la corrente

assorbita e la rilevazione di eventuali allarmi viene inviata in tempo reale al centro di

telecontrollo.

E’ prevista la logica elettromeccanica di riserva che entra in funzione in caso di fuori

servizio della stazione remota. Per garantire il funzionamento dell’impianto di

sollevamento in caso di fuori servizio del misuratore di livello sono installati due

rilevatori di minimo e massimo livello che provvedono ad avviare/fermare le pompe.

13.3. Raccolta dei dati

I dati relativi al livello del liquame nel pozzetto (vasca) vengono acquisiti localmente

dalle stazioni remote in base a frequenze di campionamento impostabili dal gestore del

servizio e successivamente vengono trasmessi e archiviati al centro di telecontrollo

(figura 24), su richiesta di quest’ultimo che acquisisce i valori relativi alle portate in

ingresso al depuratore (figura 25). Sono stati raccolti inoltre i dati relativi alle piogge

sulla città.


Figura 24 – Schema di un impianto di sollevamento e dei dati di livello in grado di

fornire.

0

100

200

300

400

500

600

700

06/12/2000

00.00.00

06/12/2000

03.00.00

06/12/2000

06.00.00

06/12/2000

09.00.00

06/12/2000

12.00.00

06/12/2000

15.00.00

06/12/2000

18.00.00

06/12/2000

21.00.00

07/12/2000

00.00.00

hh,mm,sec

Q(l

/sec)

Figura 25 – Portata in ingresso al depuratore in un giorno senza pioggia

13.4. Analisi della parte di rete fognaria telecontrollata

Dalle misure relative all’andamento dei livelli nei vari impianti, è stato possibile

ricostruire l’andamento delle portate medie giornaliere di tempo secco in ingresso nelle

stazioni di sollevamento. Il riferimento alla media si è reso necessario per due motivi: il

primo perché i dati relativi al livello non vengono archiviati in modalità continua, il

secondo perché l’andamento delle portate ha delle variazioni dovute al numero di pompe

in funzione poste a monte dell’impianto. Quindi in qualunque momento del giorno

l’accensione contemporanea di tre o quattro o cinque pompe comporta variazioni

significative a causa delle quali non si può fare a meno di calcolare la portata media. La

ricostruzione si basa sull’osservazione degli andamenti dei livelli nelle stazioni nei giorni

di non piovosità preceduti da almeno dieci giorni di non pioggia per evitare l’influenza

delle portate parassite. Inoltre sono stati esclusi dallo studio il sabato e la domenica in

quanto l’andamento si presuppone diverso e quindi avrebbe potuto creare spostamenti

causanti uno scarto quadratico medio troppo elevato. Per la ricostruzione si è utilizzato

un programma di calcolo, che sulla base dell’equazione di continuità nel pozzetto, simula

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

1,70

06/12/2000

04.00.00

06/12/2000

04.10.00

06/12/2000

04.20.00

06/12/2000

04.30.00

06/12/2000

04.40.00

06/12/2000

04.50.00

06/12/2000

05.00.00

giorno-hh,mm,sec

livello

(m

)


l’andamento del livello. I risultati sono stati confrontati poi con quelli rilevati dal

misuratore ad al ultrasuoni.

La simulazione si basa sull’equazione di continuità valida nel pozzetto. In particolare:

dtdWQQ ue =−

dove:

Qe portata entrante;

Qu portata uscente;

W volume di liquido all’interno del pozzetto;

t tempo.

Il programma di calcolo legge il contenuto di alcuni files di dati, che descrivono:

- la geometria del pozzetto;

- la curva caratteristica delle pompe presenti nel pozzetto;

- la prevalenza delle pompe (prevalenza geodetica + perdite di carico), i livelli di

attacco e stacco, la portata entrante.

In particolare, quest’ultima è stata ipotizzata sulla base dei dati di livello.

Dall’osservazione dei rami di crescita si può già intuire un primo valore di tentativo da

assegnare al programma.

Per quanto riguarda il calcolo delle perdite di carico:

- distribuite, si è utilizzata l’espressione:

5

2

D

Q

L

Hrβ=

∆

con L lunghezza del tubo di mandata, Q portata pompata, D diametro del tubo, rβ

coefficiente di resistenza dimensionale (m-1

s2). Quest’ultimo è stato calcolato mediante

l’espressione di Gaukler-Strickler, secondo cui:

3/123,10 Dkr =β

dove k parametro di scabrezza (m1/3

s-1

) il cui valore dipende dal tipo di materiale. Per

tubazioni in acciaio in servizio corrente k = 90 m1/3

s-1

.

- accidentali, costituite dalla accidentalità presenti nel tubo di mandata, come le curve a

gomito e le brusche variazioni di sezione dovute all’innesto del tubo con la pompa, sulla

base dell’espressione:

g

UH

2

2

ξ=∆

con ξ coefficiente adimensionale dipendente dalla geometria a monte e a valle della

variazione, U velocità del fluido, g accelerazione di gravità.

Le figure 26 e 27, mostrano esempi di confronto con le misure effettivamente rilevate.


6/12/00 impianto 22 ore 4;00/4;30

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

0 5 10 15 20 25 30

tempo (min)

livello

(m

)simulata

registrata

prevalenza 13.7 m

Qentr 30l/sec

Figura 26 – Esempio di ricostruzione del livello nella vasca dell’impianto di

sollevamento.

E’ importante osservare che le modalità di acquisizione del livello della vasca presenta

un intervallo temporale troppo grande per cui, senza una ricostruzione modellistica del

livello, non sarebbe possibile fare nessun tipo di considerazione sul funzionamento del

sistema.

6/12/00 impianto 36 ore 4;00/4;30

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

2,6

0 5 10 15 20 25 30

tempo (min)

livello

(m

)

simulata

Registrata

prevalenza 10 m

Qentr 50l/sec

Figura 27 – Esempio di ricostruzione del livello nella vasca dell’impianto di

sollevamento.

Per verificare la validità dei risultati conseguiti, è stata effettuata una simulazione della

rete analizzata mediante un codice di calcolo (Hydroworks sviluppato da Wallingford

Software) in grado di eseguire la simulazioni delle reti di drenaggio sia dal punto di vista

quantitativo che qualitativo. Definita la portata in ingresso ai vari nodi la propagazione

all’interno dei condotti avviene risolvendo le equazioni di De Saint Venant complete.


Figura 28 - Schema della rete simulata

Le portate in ingresso ai vari nodi sono quelle ricostruite mediante l’equazione di

continuità valida nei vari pozzetti degli impianti di sollevamento. La simulazione ha

rivelato la validità della ricostruzione delle portate in gioco nella rete.

Scelti quattro eventi piovosi dei quali erano noti gli ietogrammi, si è analizzata la risposta

della stessa parte di rete nera analizzata in tempo asciutto. Più precisamente si è studiato

l’aumento della portata in ingresso al depuratore rispetto a una portata media calcolata su

più giorni di tempo secco (figura 29) e l’aumento di portate nei rami tramite il solito

programma di calcolo utilizzato per la ricostruzione delle portate in tempo secco (figura

30). E’ stato quantificato il contributo della pioggia sulla rete nera e il contributo della

falda.

Figura 29 – Esempio di portata in arrivo al depuratore in un periodo piovoso

0

10

20

Pio

gg

ia (

mm

)

0

200

400

600

800

19/11 20/11 21/11 22/11 23/11 24/11 25/11 26/11 27/11 28/11 29/11 30/11 1/12

Data (gg/mm)

Q(l

/se

c)

Esaurimento della faldaEsaurimento della falda


I dati relativi all’influenza delle piogge nella rete sono mostrati nella seguente tabella:

Evento Durata

( h )

Pioggia

( mm )

Volume

pioggia

(3

m )

Volume

totale

defluito

in rete

(3

m )

Volume

relativo

alla

portata media

nera

(3

m )

Volume

totale di

pioggia

in rete

(3

m )

% del

volume

totale di

pioggia in rete

Volume

relativo alla

pioggia

(3

m )

Volume

relativo

alla

falda

(3

m )

%

relativa

alla falda

02/11/00 273 206.4 375039 330300 225870 104430 28 66010 38420 1 0

14/11/00 13 10.2 10565 14572 11700 2872 27 2872

15/11/00 103 34.6 62873 127450 83064 44386 71 13343 31043 49

19/11/00 288 206.6 375403 403136 226940 176196 47 117161 59035 16

Tabella 1 – Rappresentazione dei contributi di acqua parassita nella rete fognaria nera.

27/11/00 impianto 37 ore 11;00/14;00

0,8

1,3

1,8

2,3

2,8

3,3

3,8

4,3

4,8

5,3

10 30 50 70 90 110

tempo (min)

liv

ell

o (

m)

simulata

registrata

portata 120l/sec

prevalenza6 m

Figura 30 – Esempio di ricostruzione delle portate in un impianto di sollevamento in un

giorno piovoso

Lo schema seguente mostra il confronto tra portate in tempo asciutto e dopo un evento

pluviometrico:

Figura 31 – Confronto tra portate in tempo secco e in tempo di pioggia per gli impianti

di sollevamento simulati


E’ evidente che il ramo relativo alle stazioni n. 32 e n. 36 è interessato da infiltrazioni di

portata dovute ad innalzamento della falda (non ci sono allacciamenti di abitanti tali da

causare una differenza di 21 l/sec tra il ramo subito prima e subito dopo l’impianto n.

32).

13.5. Conclusioni

I risultati conseguiti mettono in luce molteplici aspetti inerenti alla gestione della rete

derivanti dall’impiego di un sistema telecontrollato. La possibilità di monitorare e

archiviare i dati relativi all’evoluzione dinamica del processo consente l’analisi del

sistema e permette di intervenire sui parametri del processo oltre che consentirne la

modellazione matematica. E’ opportuno sottolineare inoltre come ciò si ripercuota con

effetti benefici sull’ambiente, da un lato perché permetterebbe di diminuire le portate

sfiorate direttamente ai corsi d’acqua ricettori, e dall’altro permetterebbe di intervenire

tempestivamente qualora si verifichino situazioni di allarme.

E inoltre significativo evidenziare come le modalità di acquisizione dei dati, soprattutto

in termini di frequenza di campionamento, siano importanti, in quanto la validità di

questi dati è direttamente legata alla modellazione matematica successiva per ricostruire

le portate in gioco.


14. Monitoraggio delle acque di “prima pioggia” in un’area industriale

14.1. Premessa

La problematica della gestione delle acque di prima pioggia è oramai divenuta un tema

fondamentale nell’ambito della tutela dei corpi idrici ricettori. In molti casi infatti, le

concentrazioni delle sostanze inquinanti sversate in corrispondenza degli istanti iniziali

degli eventi di pioggia, superano quelli degli impianti di depurazione e delle stesse acque

reflue di tempo secco come testimoniato da numerosi studi presenti in letteratura (Artina

et al., 1997; Sansalone and Buchenberger, 1998; Beretta et al., 2003; Barco et al., 2004).

Al fine di poter proporre una strategia gestionale delle acque di prima pioggia e dei

provvedimenti ingegneristici atti a mitigarne l’impatto, è necessario migliorare la

conoscenza sulle sostanze in esse contenute e sui processi di dilavamento delle superfici

in funzione dei diversi utilizzi del territorio. Le modalità operative ed i principali risultati

di un’indagine di monitoraggio idraulico-ambientale, effettuata in una vasca di prima

pioggia a servizio di un’area commerciale-industriale in provincia Bologna, sono

descritti nei paragrafi che seguono.

L'attività sperimentale ha cercato di determinare le modalità ottimali di monitoraggio,

confrontando i risultati derivanti da un monitoraggio tradizionale con campionatore

automatico rispetto all’uso di sonde multiparametriche.

L’obiettivo dei paragrafi successivi è, oltre che descrivere le problematiche connesse con

l’inquinamento delle acque di “prima pioggia”, evidenziare come le diverse grandezze

idrologiche e i parametri qualitativi monitorati richiedano strumenti e procedure di

monitoraggio molto differenti tra loro al fine di ottenere risposte significative.

14.2. Il sito sperimentale

L’area di studio prescelta si trova all’interno di una zona industriale, compresa fra la S.S.

n. 9 (Via Emilia) e la ferrovia Bologna – Milano (Figura 32). La sua caratteristica

distintiva risiede nel fatto che il bacino drenato all’interno di una vasca di “prima

pioggia” è composto di un piazzale adibito al movimento ed al transito di numerosi

mezzi pesanti (mediamente 200 al giorno) ed una piccola parte della copertura del

limitrofo capannone e non riceve reflui di tipo civile od industriale.


Figura 32 – Vista di una parte del piazzale drenato dalla vasca

L’area drenata all’interno della vasca è composta da due parti distinte del piazzale, aventi

superficie rispettivamente di 4499 m2 e di 4985 m

2. Le acque meteoriche scolano

attraverso un sistema di caditoie e giungono alla vasca mediante una condotta in

calcestruzzo avente diametro di 600 mm e due condotte del medesimo materiale aventi

diametro di 500 mm. Alla vasca vengono recapitate anche le acque provenienti da una

piccola porzione di copertura di 1639 m2, le quali confluiscono nel maggiore dei tre

condotti sopra citati.

La vasca di prima pioggia ha una pianta rettangolare i cui lati misurano 3 e 10 metri

(Figura 33). La sua copertura si trova a circa 3 metri dal fondo ed il volume utile è

vincolato alle quote dei condotti in uscita. Si tratta in particolare di una condotta in

calcestruzzo di diametro 600 mm, posto ad 1,60 m dal fondo della vasca, che svolge

sostanzialmente la funzione di scarico di troppo pieno e recapita in una vasca di

laminazione a lato del piazzale. E’ inoltre presente una tubazione in PVC di diametro 125

mm, posta a circa 40 cm dal fondo, avente funzione di scarico di fondo non regolato, che

recapita nella fognatura nera comunale.

Figura 33 – Planimetria e sezione della vasca di prima pioggia


Il volume della vasca è pertanto quantificabile in 48 m3, tuttavia a causa del volume

morto dovuto alla quota dello scarico di fondo, il volume utile si attesta a circa 36 m3.

14.3. La strumentazione installata

Per il monitoraggio degli aspetti quantitativi e qualitativi delle acque, si è resa necessaria

l’istallazione di un pluviometro, un misuratore di livello, un campionatore automatico, un

torbidimetro e, in una fase successiva, di una sonda multiparametrica.

Il pluviometro istallato in sito è un modello “ISCO 674 Rain Gauge” del tipo a bascula.

Può registrare precipitazioni con intensità fino a 200 mm/h e ha una sensibilità pari a 0.1

mm, la cui precisione è stata verificata in laboratorio. Un rilevante problema riscontrato è

stato l’intasamento dello strumento da parte di polveri e pollini, che ha quindi richiesto

una frequente (almeno settimanale) pulizia manuale.

Per il prelievo dei campioni di acqua è stato istallato un campionatore modello ISCO

6712 Sampler che permette di campionare 24 bottiglie ad intervalli temporali

programmati. Ad esso sono collegati il pluviometro ed un misuratore di livello

piezoresistivo posto sul fondo della vasca ed ivi stabilizzato mediante una zavorra. La

centralina del campionatore registra sia i dati di pioggia, sia quelli di livello con cadenza

temporale pari ad 1 minuto.

L’inizio del campionamento è stato vincolato in una prima fase al raggiungimento di una

determinata altezza in vasca, successivamente al superamento di una determinata

intensità di pioggia. Il torbidimetro è costituito da una sonda Endress+Hauser CUS 41 e

da una centralina, la quale però, non consentendo la registrazione dei dati di torbidità, ha

richiesto l’istallazione di una ulteriore unità di visualizzazione ed immagazzinamento

dati.

Batteria di alimentazione

Campionatoreautomatico

Batteria di alimentazione

Campionatoreautomatico

Figura 34 – Alloggio per gli strumenti e l’alimentazione.

La sonda multiparametrica Troll 9000 è in grado di gestire diversi parametri, quali pH,

torbidità, livello, conducibilità, redox, ecc. che possono essere registrati localmente nel

“data logger” di cui è dotata la sonda. E’ possibile definire, per ogni parametro, la

frequenza di campionamento più appropriata. La sonda è alimentata da batterie interne

che permettono di assicurare un’autonomia di funzionamento di diverse settimane.

Poiché nel sito non era disponibile la tensione di rete 220 Vac, l’alimentazione per gli

strumenti è stata fornita mediante un accumulatore a 12V avente capacità di 200Ah..

Essendo presenti anche apparati funzionanti a corrente alternata si è reso necessaria


l’installazione di un inverter. Gli strumenti sono stati installati nel preesistente manufatto

prefabbricato di ispezione alla rete (Figura 34).

14.4. La campagna di misura

Durante gli 8 mesi di sperimentazione, si sono succedute diverse condizioni operative

degli strumenti, in ragione delle difficoltà pratiche incontrate, ma anche in base alle

informazioni desunte man mano dai dati raccolti.

Le diverse modalità di monitoraggio sono state schematizzate in fasi ordinate

cronologicamente, per illustrare le condizioni operative che hanno portato alla raccolta

delle misure in continuo per l’intero periodo ed ai risultati delle indagini chimiche

analitiche, relative a 5 degli eventi verificatisi.

Nella prima fase, dopo un periodo in cui è stata testata l’efficienza degli strumenti e

l’affidabilità del sistema di alimentazione, si è provveduto alla pulizia della vasca e

successivamente sono stati istallati sul fondo della stessa: - il misuratore di livello; - il torbidimetro; - la sonda di prelievo del campionatore. Il campionatore, collegato anche al pluviometro, è stato quindi programmato per attivarsi

al superamento di un prefissato livello in vasca, in corrispondenza dell’inizio dell’evento.

In una seconda fase, in seguito all’analisi dei livelli registrati in vasca, si è constatata una

non regolarità di funzionamento dello scarico di fondo. Pertanto, in occasione di un

secondo svuotamento della vasca e pulizia della stessa, è stato istallato un dispositivo di

chiusura del condotto di scarico, in modo da ridurre le incertezze legate al suo

funzionamento.

La terza fase del monitoraggio si distingue dalla precedente per l’inserimento in vasca

della sonda multiparametrica Troll 9000. Ai fini dello studio in atto, le funzionalità di

maggiore interesse di tale strumento risiedevano nella misura del livello e della torbidità.

Pertanto, la sonda è stata posta a fianco del torbidimetro e del misuratore piezoresistivo,

in modo da rendere confrontabili i valori registrati (Figura 35).

0

5

10

15

20

23/03 00 24/03 00 25/03 00 26/03 00 27/03 00

Pio

gg

ia (

mm

/h)

0

20

40

60

80

29/04 12 30/04 12 01/05 12 02/05 12 03/05 12

Pio

gg

ia (

mm

/h)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

23/03 00 24/03 00 25/03 00 26/03 00 27/03 00

Tempo (gg/mm hh)

Liv

ell

o i

n v

asca (

m)

0

50

100

150

200

250

To

rbid

ità (

NT

U)

Livello in vasca

E+H CUS 41

Troll 9000 Pro XP

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

29/04 12 30/04 12 01/05 12 02/05 12 03/05 12

Tempo (gg/mm hh)

Liv

ell

o i

n v

asca (

m)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

To

rbid

ità (

NT

U)

Livello in vasca

E+H CUS 41

Troll 9000 Pro XP

Figura 35 – Confronto fra i due diversi misuratori di torbidità


Per poter studiare l’andamento del carico inquinante pervenuto in vasca durante l’evento

meteorico, ci si è resi conto dell’effetto negativo prodotto dai 40 cm di acqua

costantemente presenti in vasca. Tale volume stagnante accresce fortemente la possibilità

di sedimentazione di sostanze sul fondo della vasca. Pertanto, in corrispondenza di un

evento meteorico, l’effetto (in termini di torbidità) dato dalla risospensione del materiale

sedimentato supera quello prodotto dal carico in ingresso, rendendone impossibile la

corretta comprensione. Per questo motivo, e per non ricorrere ogni volta a svuotamento e

pulizia della vasca, come fatto per i primi due eventi raccolti, si è deciso di installare la

sonda del campionatore e la multiparametrica direttamente sul principale dei condotti in

ingresso alla vasca, in modo da potervi registrare torbidità e livello. Le sonde, di forma

cilindrica, sono state affiancate l’una all’altra con l’asse parallelo a quello del condotto,

sul fondo dello stesso, in modo da minimizzare gli effetti di perturbazione della vena

fluida.

All’uscita del condotto è stata applicata una sorta di stramazzo, la cui scala di deflusso

ricostruita preventivamente in laboratorio, ha consentito di ricavare i valori della portata

da quelli di livello misurati dalla sonda.

Poiché la sonda multiparametrica non è collegabile al campionatore, l’istante di

attivazione del campionamento non è stato abbinato alla misura di portata, ma al

superamento di un prefissato valore di intensità di pioggia.

Durante la campagna sperimentale sono stati rilevati 57 eventi di pioggia (>1 mm) per un

totale di 451 mm caduti sull’area oggetto di studio (Figura 36).

Le intensità di pioggia registrate variano a partire da valori prossimi ad 1 mm/h, fino ad

un massimo di 66 mm/h.

I grafici di seguito esposti mostrano l’andamento delle grandezze idrauliche e di qualità,

limitatamente ai Solidi Sospesi Totali (SST) ed al COD, che caratterizzano i 5 eventi

oggetto di campionamento e di successive analisi di laboratorio. I risultati completi delle

analisi compaiono invece in Artina et al. (2005).

Pioggia osservata nel periodo 25/11/2003 - 25/07/2004

0

5

10

15

20

25

30

25/11 25/12 24/01 23/02 24/03 23/04 23/05 22/06 22/07

Tempo (gg-mm)

Pio

gg

ia g

iorn

ali

era

(m

m)

Figura 36 – Altezza di pioggia giornaliera registrata durante il periodo di monitoraggio

Nelle figure 37 e 38 vengono esposti i risultati dei campionamenti effettuati sul

principale condotto in ingresso alla vasca. I valori di concentrazione sono posti a

confronto con la portata e la torbidità rilevate sul condotto stesso.


Evento 3 (28/05/2004)

0369

1215

14.45 15.00 15.15 15.30 15.45 16.00 16.15 16.30

Pio

gg

ia (

mm

/h)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

14:45 15:00 15:15 15:30 15:45 16:00 16:15 16:30

Tempo (hh.mm)

Po

rtata

in

in

gre

sso

(l/

s)

0

100

200

300

400

To

rbid

ità (

NT

U)

Co

nc (

mg

/l)Q ingresso

Troll 9000 Pro XP

SST

COD

Evento 5 (24/07/2004)

0

4

812

16

20

20.00 20.30 21.00 21.30 22.00 22.30

Pio

gg

ia (

mm

/h)

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30

Tempo (hh.mm)

Liv

ell

o i

n v

asc

a (

m)

0

100

200

300

400

500

To

rbid

ità (

NT

U)

Co

nc (

mg

/l)

Livello in vasca

TSS

COD

Figura 37 – Evento 3: Intensità di pioggia, portata in ingresso, torbidità e

concentrazioni di COD e SST da prelievo nel condotto in ingresso; Evento 5: Intensità di

pioggia, livello in vasca, concentrazioni di COD e SST da prelievo nel condotto in

ingresso

Evento 4 (13/06/2004)

0

7

1421

28

35

05.00 05.30 06.00 06.30 07.00 07.30 08.00 08.30 09.00 09.30 10.00 10.30 11.00

Pio

gg

ia (

mm

/h)

0

4

8

12

16

20

05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00

Tempo (hh.mm)

Po

rtata

in

in

gre

sso

(l/

s)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

To

rbid

ità

(N

TU

) C

on

c (

mg

/l)Q ingresso

Troll 9000 Pro XP

SST

COD

Figura 38 – Evento 4: Intensità di pioggia, portata in ingresso, torbidità e

concentrazioni di COD e SST da prelievo nel condotto in ingresso

I risultati evidenziano inoltre la stretta correlazione esistente fra i Solidi Sospesi Totali ed

alcuni metalli pesanti, quali zinco, rame (Figura 39). Questo aspetto è particolarmente

significativo in quanto testimonia che la maggior parte dei metalli pesanti si trova in

forma adesa ai sedimenti.


Correlazione fra SST e Zn

0.000

0.300

0.600

0.900

0 200 400 600 800 1000

SST (mg/l)

Zn

(m

g/l)

Zn Evento 5

Zn Evento 4

Zn Evento 3

Zn Evento 2

Zn Evento 1

Correlazione fra SST e Cu

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0 200 400 600 800 1000

SST (mg/l)

Cu

(m

g/l)

Cu Evento 5

Cu Evento 4

Cu Evento 3

Cu Evento 2

Cu Evento 1

Figura 39 – Correlazioni fra Solidi Sospesi Totali, Zinco e Rame divise per evento

14.5. Conclusioni

Nel periodo compreso fra Novembre 2003 e Luglio 2004 è stata svolta una campagna

sperimentale in una vasca di prima pioggia in provincia di Bologna.

Numerosi dati sono stati raccolti al fine di studiare il fenomeno del “first flush” in un

bacino completamente impermeabile, di piccola estensione, facente parte di un’area di

transito e sosta per mezzi pesanti. Per cinque fra gli eventi di pioggia osservati, sono state

effettuate analisi chimiche su campioni prelevati in vasca o sul principale condotto in

ingresso ad essa. Il fenomeno del “first flush”, ossia un picco di concentrazione degli

inquinanti particolarmente elevato nella fase iniziale dell’evento pluviometrico, ha avuto

luogo per la quasi totalità degli eventi analizzati, manifestando inoltre una certa

dipendenza dall’intensità della pioggia: gli eventi caratterizzati da intensità maggiore,

presentano un “first flush” più evidente.

Risultati interessanti emergono anche dal confronto fra i valori di torbidità e quelli di

concentrazione dei SST. L’andamento in continuo delle curve di torbidità appare infatti

analogo a quello delineato dai valori puntuali dei campionamenti per i SST. Purtroppo

non è stato possibile definire un rapporto di proporzionalità stabile fra le due grandezze.

Inoltre, le misure effettuate in parallelo con due sonde differenti hanno dimostrato che il

valore della torbidità dipende sensibilmente dallo strumento utilizzato. Si sono infatti

riscontrate ottime corrispondenze in termini di andamento temporale e di valori di picco

misurati, ma non altrettanto per quanto riguarda la rapidità di ritorno ai valori di base,

ribadendo i problemi di incertezza sull’esistenza di relazioni affidabili fra i SST e la

torbidità.

In conclusione è utile rimarcare che nel monitoraggio degli aspetti qualitativi legati alle

acque di prima pioggia i fenomeni in gioco sono molto rapidi, rispetto ad esempio a ciò

che accade nei corsi d’acqua, e pertanto, al fine di poter acquisire con precisione i valori

delle grandezze di interesse è necessario usare intervalli temporali dell’ordine del minuto.

Analogamento il monitoraggio con strumenti in continuo non risulta ancora totalmente

affidabile e pertanto per avere una visione più corretta dei valori risulta indispensabile

ricorrere al campionatore automatico e alle successive analisi di laboratorio. Il

monitoraggio in continuo con sonde multiparametriche risulta comunque utile per avere

una visione completa di come evolvono nel le grandezze monitorate con dettaglio molto

maggiore di quanto possibile con un campionatore automatico.


Ringraziamenti

Si ringraziano per la collaborazione fornita:

• G.E.A.L. di Lucca (Ente gestione della rete fognaria) per quanto riguarda il

Capitolo 13 relativo alla “Gestione di rete fognaria mediante il controllo in tempo

reale”.

Per quanto riguarda il Capitolo 14 relativo al “Monitoraggio di acque di prima pioggia in

un area industriale”:

• il laboratorio CSA di Rimini per le analisi chimiche;

• IBAX per la concessione della sonda multiparametrica TROLL 9000 XP

(attualmente le sonde multiparametriche IN-SITU sono distribuite per il mercato

italiano dalla società NT Ambiente di Rovereto);

• l’ARPA Emilia-Romagna, sezione Ingegneria-Ambientale, per aver fornito alcuni

degli strumenti di misura utilizzati nella campagna sperimentale;

• Daniele Pagnani per la sua collaborazione durante l’intera campagna di

monitoraggio.


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