Transcript Introduzione al controllo di processo

Il controllo di processo
Introduzione al controllo di processo
Un impianto chimico è costituito da un insieme ordinato e
strutturato di singole apparecchiature ove avvengono
reazioni ed operazioni unitarie.
All’interno di tali apparecchiature (reattori, scambiatori di
calore, colonne di distillazione, assorbitori, evaporatori,
flash, stripper, compressori, turbine, soffianti, pompe,
miscelatori, …) la materia prima viene trasformata in
prodotto finale passando in genere attraverso una serie di
prodotti intermedi.
Flussi di materia e di energia caratterizzano il
funzionamento delle apparecchiature di impianto.
Davide Manca – Strumentazione e Controllo di Impianti Chimici – Politecnico di Milano
Introduzione al controllo di processo
Il funzionamento dell’impianto è condizionato da una serie di
fenomeni, grandezze, parametri e variabili (sia esterne che
interne al processo) che cambiano nel tempo.
Per un’adeguata conduzione dell’impianto occorre controllare
il suo funzionamento ed esercirlo secondo le condizioni
operative di progetto (condizioni nominali) o viceversa
condurlo ad operare secondo regimi alternativi dettati da
opportune e specifiche esigenze processistiche.
La conduzione del processo è dettata in genere da linee
guida basate su specifiche ed aspetti tecnici, economici,
sociali e di legge.
Davide Manca – Strumentazione e Controllo di Impianti Chimici – Politecnico di Milano
Esigenze di controllo
Sicurezza: la sicurezza degli operatori di campo e di sala
controllo nonché di tutti gli addetti (dipendenti e non) e della
popolazione limitrofa all’impianto sono l’obiettivo primario del
controllo di processo.
• Sicurezza nell’esercizio abituale dell’impianto (controllo e
riduzione delle emissioni, e.g., liquide, solide, gassose, odori,
rumore)
• Sicurezza per prevenire malfunzionamenti, anomalie, incidenti
• Sicurezza nella gestione dell’evento incidentale (e.g.,emissione,
dispersione, incendio, esplosione)
Specifiche di produzione: in termine di quantità e qualità del
prodotto finale (ma anche, ove possibile, dei sottoprodotti e degli
intermedi di processamento)
Davide Manca – Strumentazione e Controllo di Impianti Chimici – Politecnico di Milano
Obiettivi del sistema di controllo
Il sistema di controllo deve soddisfare le seguenti tre
specifiche/necessità:
• Soppressione dei disturbi esterni sul processo
• Assicurazione della stabilità operativa del processo
• Ottimizzazione delle prestazioni del processo
Nell’ultimo punto ricade anche il conseguimento dei setpoint di processo che guidano la conduzione e
l’ottenimento del prodotto finale secondo la quantità e
qualità dettate dalle esigenze di mercato
Davide Manca – Strumentazione e Controllo di Impianti Chimici – Politecnico di Milano
Classificazione delle variabili di processo
Variabile controllata
 Grandezza che si vuole tenere sotto controllo
Variabile misurata
Valore restituito dall'elemento di misura
Disturbo
 Causa che genera l'alterazione della variabile
controllata
Elemento di misura
Apparecchiatura che esegue la misura
Set point
Valore di riferimento
Errore
 Differenza tra variabile misurata e set point
Controllore
 Componente che esegue il confronto e che
determina il tipo di azione
Elemento finale di controllo Elemento su cui agisce l’azione inviata dal
controllore
Variabile manipolata
 Grandezza controllante, ovvero che tiene sotto
controllo la variabile controllata
Davide Manca – Strumentazione e Controllo di Impianti Chimici – Politecnico di Milano
Cenni alla struttura hardware
• Ogni struttura di controllo è caratterizzata dai seguenti elementi hardware:
• Il processo chimico/industriale
• Singola apparecchiatura
• Sottosezione di impianto
• Impianto completo
• Strumenti di misura per quantificare il valore delle variabili controllate,
delle variabili misurate e dei disturbi. Rappresentano il collegamento del
sistema di controllo con la realtà
• termocoppie, misuratori di livello, flussimetri, gascromatografi, …
• Trasduttori per trasformare la misura fisica in segnale elettrico adatto al
trasferimento verso la sala controllo
• Linee di trasmissione per portare il segnale dallo strumento di misura al
sistema di controllo. Possono comprendere la presenza di amplificatori di
segnale intermedi.
Davide Manca – Strumentazione e Controllo di Impianti Chimici – Politecnico di Milano
Cenni alla struttura hardware
• Controllore: contiene la logica di controllo ed opera calcoli volti a determinare
il valore delle variabili manipolate sulla base delle misure ricevute dal campo
• Attuatore: è l’elemento fisico che realizza sul campo le scelte del controllore
(es. valvole, interruttori, …). Spesso le valvole sono pneumatiche, ove lo stelo
che regola il flusso è mosso da un diaframma modificato dalla pressione
dell’aria
• Sistemi di memorizzazione dei dati misurati in campo
Davide Manca – Strumentazione e Controllo di Impianti Chimici – Politecnico di Milano
Controllo in Retroazione (feedback) – Anello (loop) di regolazione
Set
Controllore
Point
Disturbi
I loop di controllo vengono spesso
rappresentati con i seguenti
acronimi:
• FC = flow control
• PC = pressure control
• LC = level control
• TC = temperature control
• CC = composition control
Davide Manca – Strumentazione e Controllo di Impianti Chimici – Politecnico di Milano
Valvole pneumatiche
Valvole pneumatiche
Il modello più comune è il controllore di tipo
pneumatico.
Le parti caratteristiche della valvola di regolazione
pneumatica sono:
• il corpo valvola;
• l'attuatore;
• il posizìonatore.
Il corpo della valvola determina il tipo di flusso,
lineare o a squadra.
Inoltre, l'otturatore della valvola può essere a
sede doppia, in modo tale da equilibrare le forze
agenti sull'otturatore quando questo si muove.
L'attuatore è costituito da un diaframma elastico,
posto all'interno di un contenitore, su cui agisce
aria compressa .
L'azione dell'aria compressa determina una
deformazione elastica del diaframma, che
trasmette il movimento, tramite uno stelo,
all'otturatore della valvola.
Una molla, connessa al diaframma, consente il
ritorno nella posizione originaria al cessare
dell'azione dell'aria compressa.
Il posizionatore ha il compito di inviare la giusta
pressione di aria sul diaframma.
Valvole pneumatiche – Il by pass
Le valvole automatiche vengono generalmente by-passate per poter agire
manualmente sul circuito, qualora venga meno il controllo automatico per
mancanza di aria compressa.
Il by-pass è una soluzione impiantistica molto sfruttata.
Sostanzialmente si tratta di un circuito paralleloa quello nel quale è
inserita un’apparecchiatura, che permette, connettendo la parte a monte
con con quella a valle dell’apparecchiatura, di far passare un flusso di
materia a fianco della conduttura senza attraversarla.
Prima e dopo le valvole automatiche vengono poste due valvole manuali
per poter isolare il tratto di conduttura in cui sono inserite, per una loro
eventuale sostituzione.
REGOLAZIONE DEL LIVELLO DI UN LIQUIDO
REGOLAZIONE della PORTATA di un LIQUIDO
REGOLAZIONE della TEMPERATURA e dell PRESSIONE
Misuratori di temperatura
Termometri a bulboSfruttano il dilatarsi del fluido che contengono il quale
può essere libero di espandersi, come avviene nel termometro a colonna di
vetro, o può essere confinato in una sede a volume costante.Il liquido
termometrico più usato è il mercurio (-30 °C ÷+280 °C), utilizzando altri
fluidi l’intervallo si può espandere (-200 °C ÷+750 °C).
Termometri a lamina metallica
Basano il loro funzionamento sulla
differente dilatazione termica di due metalli
diversi. Una delle estremità del nastro è
fissa, mentre l’altra è libera di muoversi ed
è solidale con un indice che rileva la
deformazione della spirale o dell’elica
elvariare della temperatura.
Misuratori di temperatura
Le termocoppie
Funzionano in base al fenomeno conosciuto come effetto Seebeck.
Sono formate da due filamenti diversi uniti tra di loro. Se il punto di saldatura fra
i due fili si trova a una temperatura diversa da quella alla quale si trovano le due
estremità libere dei filamenti, fra le due estremità dei due fili si genera una
differenza di potenziale proporzionale alla differenza di temperatura esistente
fra la saldatura e i capi liberi. Mantenendo i due capi a temperatura costante e
collegando questi a un rilevatore di differenza di potenziale tarato, è possibile
misurare la temperatura del corpo a contatto con la giunzione saldata. Le
termocoppie vengono usate per misurare temperature comprese tra 70 e 1800
La polarizzazione e
l’intensità di questa forza
elettromotrice
dipende unicamente dalla
tipologia dei due metalli e
dalla temperatura cui sono
sottoposte le due giunzioni.
Misuratori di temperatura
Le termocoppie
COPPIE METALLI
ferro/costantana
100÷750
chromel/alumel
chromel/costantana
rame/costantana
RANGE (°C)
0÷1000
150÷500
200÷300
Costantana: è una lega
binaria composta di rame
(60%) e di nichel (40%
chromel : lega di cromo e
nichel
alumel : lega di alluminio e
nichel
Misuratori di temperatura
TERMOMETRI A RESISTENZA ELETTRICA
Si basano sulla variazione della resistenza elettrica nei conduttori metallici al
variare della temperatura.
Il filo di metallo (nickel, platino o rame) viene posto al contatto con il
corpo del quale si vuole conoscere la temperatura e viene collegato
ad un circuito elettrico in cui la corrente varia a seconda della
resistenza del conduttore usato come elemento di misura il quale, a
sua volta, varia al variare della temperatura del corpo. Essi vengono
utilizzati da 50 a 1100 °K.
Sensori di velocità e di portata
I sensori di portata, comunemente detti anche flussometri, possono essere
suddivisi in diversi gruppi.
Ci sono i cosiddetti dispositivi a strozzamento, cioè dischi forati, boccagli e
venturimetri, e il gruppo dei misuratori a sezione variabile.
Ci sono ulteriori tipi di sensori, di più recente concezione, che effettuano
la misura secondo altri principi sfruttando gli sviluppi della
microelettronica (alcuni introducono instabilità nel moto del fluido e poi ne
misurano la frequenza, correlata con la portata; altri misurano effetti
elettromagnetici ecc.).
Sensori di velocità e di portata
Dischi forati o venturimetri
Impongono una contrazione
nella sezione di passaggio
provocando l’aumento della
velocità del fluido in un tratto di
tubazione. Un aumento della
velocità comporta una caduta di
pressione, che viene misurata
valutando la differenza tra la
pressione a monte del dispositivo
e quella in corrispondenza,
approssimativamente, della vena
contratta; dalla caduta di
pressione si può risalire alla
portata usando l’equazione di
Bernoulli
Sensori di velocità e di portata
I CONTATORI A TURBINA
I contatori a turbina prevedono
una turbina posta parallelamente
al flusso del fluido. La turbina è
posta in movimento dal liquido e
la sua velocità è tanto maggiore
quanto maggiore è la portata.
Nell’interno della turbina vi è un
magnete che, girando, genera
una forza elettromotrice in un
circuito posto all’esterno del tubo:
dalla frequenza della f.e.m. si
risale alla portata.
Misuratori di pressione
Manometro a spirale
Detto anche Manometro di
Bourdon, permette la
determinazione della pressione
mediante la deformazione di una
molla tubolare, costituita da un
tubo pieghettato. Per mezzo di un
opportuno meccanismo la
deformazione della molla viene
trasformata nel moto rotatorio di
un indice che scorre su una scala
tarata in unità di pressione.
Misuratori di pressione
MANOMETRO A MEMBRANA
I manometri a membrana
misurano la pressione che si
esercita su una membrana
solidale con un meccanismo in
grado di spostare un indice su
una scala.
Misuratori di LIVELLO
Misuratori a galleggiante
Misuratori a spinta idrostatica
Misuratori di LIVELLO
Indicatore di livello ad
ultrasuoni
Adatti per il controllo di
livello senza contatto di
fluidi e prodotti solidi a
granulometria grossa.
INDICATORE MAGNETICO DI
LIVELLO BY PASS
Montaggio laterale esterno o
verticale interno al serbatoio.
Può essere completato con
contatti finecorsa per controllo
remoto e comando di pompe,
valvole, sistemi di allarme. Un
accoppiamento magnetico tra il
galleggiante che si trova
all’interno al tubo di misura ed
un particolare indicatore
agganciato all’esterno
permetterà di ottenere
un’affidabile indicazione
continua del livello di liquido
contenuto nel serbatoio.