Controllo di Processo
INTRODUZIONE
Un impianto chimico è un sito di produzione industriale, dove vengono trattate sostanze chimiche in larga scala.
L’impianto è costituito da un insieme di apparecchiature presenti anche in altre tipologie di impianto e settori industriali, come la Raffinazione del Petrolio, l’industria Farmaceutica, Alimentare, Centrali per la produzione di Energia Elettrica, Trattamento Acque, ecc.
Le apparecchiature prevalentemente utilizzate nei settori menzionati sono le seguenti:
● Assorbitori ●Colonne di Distillazione ●Compressori ●Evaporatori ●Filtropresse ●Miscelatori ●Reattori ●Scambiatori di Calore ●Soffianti ●Stripper ….
All’interno di tali apparecchiature avvengono le reazioni necessarie per l’ottenimento del prodotto desiderato, ovvero la materia prima viene trasformata in prodotto finale passando attraverso una serie di prodotti intermedi.
Altri componenti ausiliari, necessari per il funzionamento e l’ottimizzazione dell’impianto possono essere:
● Pompe ● Valvole ● Misuratori di grandezze fisiche ● Trasduttori di segnale
● Tubazioni ● Raccordi ● Filtri ● Lubrificatori ● Riduttore di pressione ……
L’automazione del controllo di processo è fondamentale per il funzionamento degli impianti in modo sicuro, e per garantire un ritorno economico.
Il funzionamento dell’impianto, attraverso le apparecchiature descritte, è poi condizionato da variabili, eventi interni al processo, o cause esterne che possono essere variabili nel tempo.
Questo comporta che la conduzione dell’impianto, finalizzata all’ottenimento delle migliori prestazioni, deve rispettare le condizioni operative di progetto, mentre condurre l’impianto in condizioni alternative, dettate da esigenze di processo, deve avvenire solo dopo un’attenta valutazione tecnica, che metta in evidenza eventuali adeguamenti e/o cambiamenti del processo e delle relative apparecchiature.
Alcuni parametri fondamentali da rispettare sono:
Processo stabile. Spesso i processi sono instabili, e pertanto è necessario intervenire con controlli di retroazione, ovvero con appositi loop che rendono il processo stabile, attraverso retroazioni che vanno a intervenire su dispositivi di regolazione delle variabili di processo.
Basso impatto ambientale. Il sistema di controllo deve essere progettato con criteri che riducono al minimo i danni all’ambiente, ottimizzando le lavorazioni delle materie prime, evitando la produzione di scarti nocivi.
Prodotto qualitativo. Il controllo di processo ha inoltre il compito di ottenere la giusta qualità del prodotto finale, e che la stessa sia omogenea sulla produzione.
Capacità produttiva. Il controllo di processo deve consentire di regolare il flusso di produzione in accordo alle necessità produttive del prodotto specifico.
La complessità degli impianti, rende oggi indispensabile un sistema di controllo ed un’automazione adeguata.
In rari casi si può pensare ad una conduzione manuale del processo, che inevitabilmente risulterebbe economicamente non conveniente sia per la qualità del prodotto finale, che per il numero elevato di operatori richiesti, con elevati costi di manodopera.
VARIABILI DI PROCESSO (*)
Col termine processo, nell’impiantistica chimica, si intende un insieme di operazioni eseguite su una certa quantità di materia allo scopo di modificarne in tutto o in parte alcune proprietà (caratteristiche fisiche, composizione chimica, contenuto di energia, ecc.).
Ogni processo può essere descritto da grandezze fisiche alcune delle quali rimangono costanti perché si riferiscono alla geometria o alle modalità costruttive delle apparecchiature impiegate, oppure rappresentano caratteristiche proprie del materiale utilizzato che non sono interessate da modifiche a causa del processo stesso.
Altre grandezze, invece, possono cambiare il proprio valore nel corso del processo e pertanto costituiscono le cosiddette variabili di processo.
Le variabili di processo si distinguono in tre gruppi:
- Variabili di Disturbo: sono quelle grandezze il cui valore può cambiare per cause indipendenti dalla volontà di chi gestisce il processo e quindi in modo imprevedibile;
- Variabili Controllate: sono le grandezze la cui variazione (dovuta al cambiamento subito dalle variabili di disturbo) deve essere attentamente monitorata.
Dal valore assunto da tali variabili dipende infatti l’efficacia del processo stesso in termini del raggiungimento degli obiettivi prefissati;
- variabili Manipolate: rappresentano le grandezze su cui e possibile operare e che consentono (se modificate opportunamente) di riportare le variabili controllate al valore originario che esse avevano prima che si manifestasse il disturbo.
Tale valore, fissato in base alle necessita che il processo deve soddisfare, oppure ai limiti delle macchine utilizzate, o ancora a considerazioni di convenienza economica, viene detto Set-Point.
Un sistema di controllo automatico di un processo è pertanto un insieme di apparecchiature che ha lo scopo di mantenere una variabile controllata sul suo valore di Set-Point anche in presenza di disturbi.
Esso e formato sinteticamente da tre elementi:
- Strumento di Misura: serve a definire in ogni istante il valore assunto dalla variabile controllata;
- Controllore: confronta il valore letto dallo strumento di misura con quello impostato di Set-Point e calcola quindi l’errore.
Nel caso l’errore sia diverso da zero, il controllore agisce secondo una certa legge sul terzo elemento del sistema di controllo;
- Elemento finale di controllo (organo finale di regolazione). E di norma formato da due parti, la prima delle quali (attuatore o servomotore) riceve il segnale dal controllore modificando quindi lo stato della seconda (quasi sempre una valvola di regolazione).
La disposizione di questi elementi nello schema classico di un controllo ad anello chiuso (closed loop), detto anche controllo a retroazione (feedback), può essere rappresentata come in figura:
Demi Water Level = Variabile controllata
LT = Strumento di misura
LC = Controllore
Control Valve = Elemento finale di controllo
Si noti tuttavia che, anche se il controllo feedback e quello universalmente più adoperato, in alcuni casi può presentare dei limiti.
Ciò si verifica soprattutto quando la misura della variabile controllata richiede un certo intervallo di tempo per cui la risposta del sistema avviene con ritardo
rispetto al disturbo.
In tal caso può essere conveniente adoperare un controllo ad anello aperto
(open loop) in cui questa volta ad essere misurata e la variabile di disturbo mentre il controllore agisce (tramite l’elemento finale) sempre sulla variabile manipolata.
Regolazione ad anello aperto
Regolazione ad anello chiuso
(*) Tratto da: I Controllori Automatici – ITT BASILIO FOCACCIA
STRUMENTAZIONE DI PROCESSO
Il “Controllo” nei processi industriali rappresenta un insieme di tecniche e soluzioni, per conferire all’impianto di svolgere funzioni in modo automatico.
La strumentazione di processo, (o strumentazione di controllo) rende oggi possibile realizzare le tecniche e soluzioni citate, consentendo regolazioni complesse altrimenti non realizzabili.
La strumentazione è rappresenta prevalentemente dall’insieme di Regolatori, Sensori di Misura, Attuatori e Controllori del processo stesso.
La combinazione di più dispositivi consente di creare catene di regolazione e controllo dette anche “Loop di Regolazione”.
La strumentazione di processo è utilizzata maggiormente nei settori della Chimica, Petrolchimica, Farmaceutica, Alimentare, Produzione di Energia, Trattamento Acque, ecc.
Sono questi ambienti che è richiedono la regolazione dei valori di parametri fisici e/o chimici, per consentire l’efficienza degli impianti e produrre ciò per cui sono stati progettati.
Le variabili principali che occorre controllare sono:
GLI STRUMENTI PRINCIPALI
I Loop di regolazione comprendono diversi componenti, ciascuno con la propria funzione specifica.
Più strumenti che interagiscono, formano catene di regolazione, ciascuna con la propria funzione specifica.
A scopo puramente indicativo, fra gli strumenti principali troviamo:
- Controllori (Regolatori)
- Trasmettitori (Strumenti di misura)
- Attuatori (Organi finali di controllo)
Il Controllore
Il controllore o regolatore determina l’andamento delle variabili di controllo.
Per agire in maniera opportuna sul processo, il controllore deve avere delle informazioni sul segnale di riferimento;
L’obiettivo del controllore, nell’esercizio dell’azione di controllo, è quello di far sì che l’andamento della variabile controllata non si discosti troppo dall’andamento del segnale di riferimento stesso.
Quando il controllore possiede informazioni solo sul segnale di riferimento o eventualmente anche sul disturbo, si dice “ad anello aperto” (in inglese feedforward).
Se il controllore invece possiede anche informazioni sulla variabile controllata
(o eventualmente su variabili dipendenti da quella controllata) si dice “ad anello chiuso” o in retroazione (in inglese feedback).
Se tale informazione è parziale, si ricorre ad un osservatore dello stato che produce una stima delle variabili controllate istante per istante.
Il trasmettitore è uno strumento installato sull’impianto (in campo).
Ha un sensore che è in contatto fisico col processo e del quale misura il valore istantaneo della grandezza interessata.
Ad esempio può essere una termocoppia per la misura della temperatura, oppure un sensore piezoresistivo per la misura della pressione.
I parametri che è necessario misurare possono essere molteplici secondo le necessità di processo.
I più comuni sono i Trasmettitori di Temperatura, Pressione, Portata, Livello ecc.
Il segnale misurato da questi sensori viene trasdotto in modo proporzionale, all’interno del trasmettitore, in un altro segnale standardizzato che viene trasmesso alla sala controllo verso il proprio strumento regolatore.
Il segnale trasmesso è generalmente una corrente elettrica continua compresa tra 4 e 20 mA, oppure tramite protocolli digitali opportuni (HART, Profibus, Foundation FIeldbus)
I trasmettitori hanno un proprio campo di misura, ed il valore del segnale trasmesso è proporzionale al valore misurato.
L’Attuatore
Un tipico organo finale di regolazione è costituito dalla valvola di regolazione la cui apertura influenza la portata del fluido, e indirettamente il valore della grandezza misurata.
In tal modo, il valore della grandezza misurata viene costretto ad avvicinarsi a quello fissato dal controllore (set point)
La valvola di regolazione ha un corpo inserito nel fluido di processo.
All’interno del corpo c’è un otturatore che si muove all’interno di una sede.
Lo spostamento dell’otturatore varia l’area di passaggio del fluido e quindi la sua portata.
Lo stelo è collegato meccanicamente all’esterno, e con tenuta stagna, al servomotore associato ad una membrana di materiale opportuno, sulla quale è applicata la pressione di comando.
La membrana è contrastata da una molla che dà il rapporto di proporzionalità tra valore di segnale di comando e posizione dello stelo.
Le valvole possono essere:
Normalmente Chiuse (NC) e Normalmente Aperte (NO).
La parola “normalmente” indica senza aria di comando sulla membrana.
Così quelle NC aprono quando ricevono aria di comando sulla membrana;
Quelle NO chiudono quando ricevono l’aria di comando sulla membrana.
Così ad esempio, una valvola con funzione aria-apre sarà tutta chiusa con un segnale 4 mA, e si avrà valvola tutta aperta per segnale 20 mA.
Per valori intermedi si avranno posizioni intermedie proporzionali.
(ad esempio con 12 mA avremo una corsa al 50%).
Per inviare la pressione di comando al servomotore pneumatico, viene usato un dispositivo elettro-pneumatico chiamato posizionatore e montato sulla valvola stessa.
Il segnale di comando entra nel posizionatore, e da questi esce l’aria per comandare la valvola.
Il posizionatore è collegato meccanicamente allo stelo per misurarne la posizione ed obbligarlo ad assumere il valore fissato dal segnale di comando.
Le valvole di regolazione sono generalmente a due vie (un ingresso ed una uscita).
Esistono però altri modelli come quelle a tre vie (due ingressi ed una uscita). Queste sono usate per miscelare in modo continuo due fluidi, come ad esempio funzionano i miscelatori dei lavandini nei bagni domestici.
SICUREZZA DELL’IMPIANTO
La Sicurezza dell’ Impianto richiede che siano adottate tutte le possibili precauzioni per prevenire eventi accidentali che possono arrecare danno al personale dell’impianto.
E’ molto frequente che gli impianti di processo siano caratterizzati da aree con presenza di sostanze infiammabili ed esplosive, che possono causare incidenti rilevanti.
Con l’avvento della tecnologia, e con la definizione di metodi di costruzione degli strumenti elettrici idonei a lavorare in aree classificate, si è diffusa la strumentazione elettronica, da prima analogica, e poi sempre più digitale.
Questo ha consentito di poter esercire impianti anche molto complessi, con un elevato grado di sicurezza per gli operatori in campo e in sala controllo, e per la popolazione dell’area circostante.
Si sono poi aggiunti nel tempo nuovi vincoli di legge legati all’impatto sull’ambiente, come ad esempio emissioni, siano esse liquide o gassose, scarti di produzione (reflui), e per finire l’inquinamento acustico.
Oltre la Prevenzione da incidenti rilevanti sopra descritti, vi è poi la prevenzione da incidenti di altro tipo (es. superfici scivolose, o particolarmente calde)
Sicurezza del prodotto, ovvero dalla sua creazione sino allo smaltimento sicuro.
Igiene industriale, ovvero la prevenzione di fenomeni che possono arrecare danno all’uomo nel tempo.
Tutela dell’ambiente, ovvero suolo, acque, aria ecc..
Utilizzo appropriato di segnaletica opportuna in prossimità delle fonti di rischio.
Nicola Sodo
