I controlli di processo sono effettuati per ragioni di sicurezza, particolarmente sentite, e per rispettare le dovute specifiche a seconda delle richieste e delle condizioni operative e ambientali. Il controllo di processo è automatico e riesce a riportare le condizioni a quelle ottimali (set-point). Le specifiche possono essere di processo e ambientali (normative).
3.1. “Feed-back”
3.1.1. Controlli di temperatura
Prendiamo per esempio il controllo di processo di uno scambiatore di calore a fascio tubiero (“tube and shell”), in cui non vi è contatto fisico fra il fluido che scorre all’interno dei tubi e quello che scorre nel mantello.
Distinguiamo quindi il fluido di processo, ovvero quello che ha una specifica nella temperatura di uscita da rispettare, e fluido di servizio, ovvero quello che serve per scaldare o raffreddare il fluido di processo. La superficie di scambio è quella dei tubi, e il fluido nel mantello percorre un percorso più lungo per favorire il trasferimento di calore grazio all’ausilio di diaframmi, ovvero delle pareti che agevolano il percorso più lungo e aumentano quindi il tempo di permanenza.
Lo scopo dello scambiatore è portare , ≅ , ovvero il valore misurato al valore desiderato. Per garantire ci utilizziamo un controllore di temperatura (“temperature control”): c’è un sensore che misura la temperatura e mi fornisce un
TC
9
dato che confronta il calore misurato con quello desiderato. Se la misura risulta diversa, deve agire su una variabile che possa risolvere il problema in modo immediato, ad esempio sulla portata di servizio (a seconda se esce più caldo o più freddo aumento o diminuisco la portata del fluido di servizio). Collego quindi una valvola pneumatica con una linea pneumatica, sistemi sicuri e immediati che mi garantiscono la regolazione della portata. Quindi in questo caso abbiamo che , è la variabile controllata e è la variabile manipolata. Se aumento la portata in ingresso del fluido di processo invece diminuisce il tempo di permanenza, per cui questo tipo di variabili vengono chiamati disturbi in quanto non vengono misurati o manipolati e non possiamo lavorarci sopra. Se aumentiamo la portata in ingresso il fluido di processo avrà avuto meno tempo per scaldarsi, pertanto mi aspetterò che dopo un po’ la temperatura di uscita sarà minore del set-point, allora il TC se ne accorge, aumenta la temperatura del fluido di servizio, senza sapere il motivo per cui ha agito. È per questo motivo che questo tipo controllo è feed-back, perché prima valuta l’errore e poi lavora per riportare i valori al set-point.
↑ ( )→ < → ↑ ( )→↑
è la variabile misurata, è la variabile manipolata, è la variabile disturbi, rappresenta la differenza tra la misurata e quella di set-point che è minore di una certa tolleranza ( < ) non intervengo, altrimenti la mia valvola agisce attraverso la variabile manipolata in quanto è stato recepito un segnale pneumatico che poi fluisce nel processo che attraverso le regolazioni fa uscire . Devo però far sì che la mia variabile manipolata funzioni bene, per cui applico un bilancio:
, , − , = , , − , → , = , + , , − ,
,
A livello dinamico, questo processo avviene in modo automatico: il controllore si accorge dell’errore ( < ) e interviene agendo sulla temperatura e riportandola al set-point, per cui in diagramma temperatura-tempo si noterà un picco o una valle rispetto al valore medio .
3.1.2. Controllo di pressione (Gas)
È un controllo molto importante per la sicurezza. Se per esempio ho un serbatoio che si trova ad una pressione devo far in modo che questa non sia minore di quella atmosferica perché potrebbe crearsi una contrazione del sistema, viceversa, se fosse maggiore porterebbe ad un’esplosione. In primo luogo, posso pensare di agire sulla portata. Utilizzo un controllore di pressione (“pressure controller”) che agisce sulla portata in uscita perché ha un effetto più diretto e veloce nella variazione della pressione.
Posso utilizzare una valvola di sicurezza che è un’apertura in cui c’è un piattello che è collegato ad una molla in cui agisce una forza dall’alto verso il basso dovuta al fatto che la molla è compresso; dall’altra parte del
piattello agisce la forza del serbatoio, quindi si avrà un’altra forza, dal basso verso l’alto che è collegata alla
CONTROLLO VALVOLA PROCESSO
MISURATORI 5%
PC
10 pressione del serbatoio (Forza = pressione ⨯ superficie). Questa molla
viene tarata fino ad un limite di pressione, che una volta superato, fa risentire la molla della differenza di pressione: se abbiamo una pressione minore, il piattello applica una forza dal basso verso l’alto, se abbiamo una pressione maggiore, il piattelo si alza e fa “sfiatare” il serbatoio.
Un’alternativa è il disco a scoppio che è fatto con delle nervature ed è progettato in modo che se viene superata la pressione limite scoppia. È un sistema più estremo, ma più sicuro.
3.1.3. Controllo di liquidi
Se ho un recipiente qualsiasi, questo sarà riempito fino ad un livello ℎ:
= ( ℎ)
= ℎ
= −
Se > allora ℎ cresce tendendo a infinito, mentre se <
allora il serbatoio si svuota: i livelli non si autoregolano, in quanto se ℎ cresce troppo il liquido fuoriesce mentre se tende a zero la pompa si può rompere andando in cavitazione. Per questo si utilizzano dei controllori di livello (“level controller”) che agisce sulla portata in uscita. I controllori di livello non hanno un set-point preciso, ma abbiamo un range di accettabilità; per questo si possono avere altri sensori il cui scopo è dare l’allarme: LAH (e LAHH) “Level Allarm High” e LAL (e LALL)
“Level Allarm Low”. Questi sensori avvertono l’operatore che può azionare i sistemi di sicurezza o agendo su una valvola che chiude o apre il flusso.
I controllo feed-back sono detti anche controlli PID (proporzionale, integrale, derivativo) che seguono tre equazioni (appunto una proporzionale, una integrale e una derivativa) che mettono in relazione il segnale di uscita misurato con l’errore tramite il valore di set-point. Ad esempio, un controllo a livello semplice è quasi sempre solo proporzionale, uno di temperatura è solitamente proporzionale e integrale, mentre su controlli delicati utilizzo tutte e tre le equazioni che agiscono in tutte le condizioni possibili.
3.2. “Feed-forward”
Il controllo feed-back interviene dove ho un errore e agendo a posteriori, ma non sempre posso permettermi di avere un errore nel mio sistema, per cui devo avere un sistema che agisce di anticipo; ad esempio nella chimica fine mi potrebbe portare a dover buttare un prodotto, oppure nel caso in cui non posso misurare la variabile controllata, ad esempio in un generatore di vapore: devo assicurarmi che la serpentina sia completamente immersa e il livello non è definito in quanto all’interno abbiamo sia acqua che vapore; se in questa situazione inserisco un controllore di livello mi segnerà una serie di errori che in realtà non vi sono.
Tutto si basa sul modello predittivo, in quanto la variabile non viene misurata, e per questo deve essere molto rigoroso altrimenti non può essere affidabile. Va a misurare il disturbo che a sua volta che per effetto sul processo avrà un effetto sulla variabile controllata. Il dato misurato andrà a finire sul controllo, nel quale ho inserito il valore desiderato del set-point e mi permette di sapere a priori quanto varrà la mia variabile
ℎ
11
controllata: non faccio una misurazione della variabile controllata, ma la faccio sui disturbi e arrivo al valore che sarà la mia variabile attraverso dei calcoli. Se il modello è fatto bene prevede il valore che avrò sulla . L’errore non è vero ma è calcolato, previsto e anticipato.
Se prendiamo uno scambiatore di calore, inserisco un controllore di portata, che mi garantisce il controllo sulla temperatura in uscita; accoppiato a questo controllo ne devo avere anche uno di temperatura che mi garantisce che la temperatura in ingresso sia sempre la stessa (“temperature indicator”). Dal calcolo della portata prevedo il valore in uscita della temperatura tramite un modello.