Controllo e regolazione degli impianti chimici

Nei processi industriali è importante la conoscenza dei parametri (variabili di processo) che regolano il processo stesso, per potere intervenire, in caso di variazione delle grandezze dai valori di “set point” (valore ottimale della grandezza). Si utilizza alla scopo un sistema di controllo di processo capace di regolare una variabile in modo da mantenere entro i limiti il valore della grandezza monitorata.

La simbologia degli strumenti di controllo è formata da più lettere:
la prima lettera indica la grandezza monitorata: T temperatura, P pressione, F portata, L livello, D densità.
la seconda indica la funzione svolta dallo strumento: I indicatore , R registratore, C controllore.
Il collegamento sul fluido di processo (tratto più marcato) si rappresenta con un tratto più leggero tagliato da due trattini.

La regolazione può avvenire con metodo pneumatico o elettrico. Valvole comandate da un computer ( modulo di controllo automatico che regola in modo continuo).
La regolazione elettrica è utilizzata quando non si è in presenza di liquidi infiammabili.
L’ organo “attuatore” pneumatico è costituito da un corpo valvola (es: una valvola a diaframma azionata da aria compressa) dove passa il fluido, in cui è presente un “otturatore” (come nella valvola a spillo) il quale scendendo o salendo chiude o apre il foro di passaggio modificando il flusso.

Vediamo alcuni esempi di anelli di regolazione:

Il sistema di controllo automatico può essere del tipo: ON-OFF, è il caso dello scaldabagno. Se l’indicatore di temperatura scende al di sotto del valore prestabilito automaticamente dà l’input affinché si accenda la resistenza riscaldante e viceversa.
La regolazione feedback a risposta automatica è il più usato sistema di controllo e regolazione automatica.
La causa che perturba la grandezza monitorata è detto “disturbo”.

Schema a blocchi del processo di “autoregolazione in retroazione feedback (anello a circuito chiuso)”.

Il “sensore” effettua la misura della grandezza monitorata e tramite un “trasduttore”, che trasforma la lettura in un impulso, la invia al “controllore”. Questi la confronta con il valore di set-point e se a seguito di un “disturbo” essa risulta variata, il controllore invia il comando all’attuatore che, agendo su una valvola servocomandata, effettua la correzione della grandezza.

Analizziamo le parti dello schema:
L’ATTUATORE è un servomotore pneumatico o elettrico, che agisce con una valvola.
Il SENSORE è uno strumento che effettua la lettura della grandezza.
Il CONTROLLER è un computer capace di confrontare il valore della grandezza letta con il valore di SET-POINT dato e trasforma la grandezza misurata in un impulso.
Esso è interfacciato con il trasduttore e con l’ATTUATORE.
Si definisce Resistenza l’ostacolo che si presenta per riportare la variabile al valore di set-point.
Il Tempo morto è il tempo necessario per l’operazione.
I parametri più comunemente controllati negli impianti chimici sono:
La temperatura
La pressione
La portata
Il livello
Il pH
La densità

IL REGOLATORE
I regolatori ON-OFF non sono in grado di mantenere il SET POINT ma inducono oscillazioni al sistema, pertanto sono poco usati.
I regolatori continui sono computer e svolgono azione di INDICATORI e REGOLATORI e si distinguono in:
Regolatore ad azione proporzionale P: il regolatore reagisce agli spostamenti dal SET POINT della grandezza in modo proporzionale. Cioè quanto maggiore è lo spostamento tanto maggiore è la risposta dell’organo regolante. Risulta efficace per spostamenti piccoli e di breve durata. Nel caso di spostamenti permanenti necessita di un intervento manuale.
Regolatore ad azione integrale I: serve a ripristinare esattamente il valore di SET POINT . Il ritorno è graduale in maniera oscillante. Non si presta per grandi spostamenti.
Regolatore ad azione derivativa D: la regolazione è più veloce quanto più veloce è lo spostamento, ma non è in grado di avvertire gli scostamenti permanenti.

Le azioni dei tre meccanismi si possono combinare in un unico regolatore sommando la bontà di uno con l’altro nei seguenti modi:
Regolatori ad azione PI : in questo modo si ha un regolatore in grado di reagire in modo adeguato allo scostamento e ripristinare esattamente il SET POINT.
Regolatori PD: migliorano il proporzionale in termini di prontezza della risposta conservandone i limiti (si possono verificare scostamenti permanenti).
Regolatori PID: risultano i più efficaci perché al PD aggiungono la risposta veloce (rientro al set-point).

La regolazione può essere effettuata singolarmente per ciascuna grandezza o in modo multiplo, ad esempio:
Regolazione in cascata: il segnale in uscita dal primo va in ingresso al secondo e così via. Il vantaggio consiste nella regolazione rapida.
Regolazione di rapporto: si usa quando vi è una doppia alimentazione ( ad esempio in un reattore ) e il rapporto tra le due alimentazioni deve restare costante.
Regolazione selettiva: regolazione in retroazione; si ha quando più variabili sono controllate da una sola variabile controllante.
Regolazione in avanti:detta anche regolazione feedforward, è un tipo di regolazione ad anello aperto in cui l'azione regolante viene elaborata in base alla misura dei disturbi prima che questi influenzino il processo. Ovviamente può correggere l'influenza dei soli disturbi sui quali si effettua la misura.
Regolazione multivariabile: regolazione che tiene conto della reciproca influenza di più anelli di regolazione che agiscono sullo stesso processo;
MIMO = multiple input – multiple output.