Regolazione e Controllo degli Impianti Industriali

REGOLAZIONE E CONTROLLO DEGLI IMPIANTI INDUSTRIALI Corso di Laurea Specialistica in Ing. Meccanica Rielaborazione delle dispense del corso tenuto dal Prof. Ing. Gentile.

A.A. 2005-2006

INDICE CAPITOLO 1: SISTEMI CONTROLLATI _____________________________________ 4 Valvole a galleggiante a 2 vie "E-FLUX" a sede compensata _____________________________________ 5 Idrovalvola a membrana regolatrice di livello ___________________________________________________ 6 Misura di livello ad ultrasuoni _________________________________________________________________ 7 Misura di livello a sonda immersa______________________________________________________________ 7 Sonda di pressione per misurare il livello dinamico nei serbatoi e la pressione negli impianti ______ 8 CARATTERISTICA STATICA DI UN PROCESSO _________________________________________________ 8 RISPOSTA TRANSITORIA DI UN PROCESSO: comportamento dinamico __________________________ 8 PROCESSI CON AUTOEQUILIBRIO ___________________________________________________________ 11 RISPOSTA TRANSITORIA DI UN PROCESSO DI ORDINE 1 CON AUTOEQUILIBRIO _______________ 11 Determinazione della costante di tempo in un processo di ordine 1 in autoequilibrio______________ 12 Risposta dinamica di sistemi del 2째 Ordine con autoequilibrio __________________________________ 12 Processi con TEMPO MORTO puro ___________________________________________________________ 13 Risposta dinamica di sistemi di ordine superiore con autoequilibrio _____________________________ 13 Determinazione pe via grafica di Vs, Tr e Ts di un processo di ordine superione __________________ 14 Processi SENZA AUTOEQUILIBRIO di ordine 1 ________________________________________________ 14 Possibile risposta di processi senza autoequilibrio di ordine superiore __________________________ 15 CARATTERISTICA STATICA DEI PROCESSI ___________________________________________________ 15 Valori indicativi delle caratteristiche del comportamento dinamico di alcuni sistemi ed apparecchiature _____________________________________________________________________________ 16 PARAMETRI CARATTERISTICI DI UNA VALVOLA DI REGOLAZIONE ____________________________ 18

CAPITOLO 2: REGOLATORI _____________________________________________ 19 I vari STEP PER LA REGOLAZIONE DI UN PROCESSO _________________________________________ 19 REGOLATORI A DUE POSIZIONI (ON/OFF) ____________________________________________________ COMPORTAMENTO DINAMICO DI UN SISTEMA REGOLATO CON UN REGOLATURE TUTTO O NIENTE___________________________________________________________________________________ REGOLATORE TUTTO O NIENTE A DUE STADI______________________________________________ I REGOLATORI FLOTTANTI ________________________________________________________________ LA REGOLAZIONE CON UN REGOLATORE TUTTO O NIENTE ________________________________ Summary by Attilio Domenico Cardillo

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19 20 21 22 22

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A.A. 2005-2006 I REGOLATORI PROGRESSIVI: P Î Regolatori PROPORZIONALI _______________________________ 23 Esempio di una regolazione proporzionale __________________________________________________ 25 Valore di OFF-SET ________________________________________________________________________ 25 I REGOLATORI PROGRESSIVI: I Î Regolatori INTEGRALI______________________________________ 26 I REGOLATORI PROGRESSIVI: D Î Regolatori DERIVATIVI ____________________________________ 27 I REGOLATORI PROGRESSIVI: regolatori ad azione combinata PI, PD, PID_______________________ 28 I REGOLATORI PROGRESSIVI: PI Î Regolatori PROPORZIONALI INTEGRALI ___________________ 28 I REGOLATORI PROGRESSIVI: PD Î Regolatori PROPORZIONALI DERIVATIVI __________________ 29 I REGOLATORI PROGRESSIVI: PID Î Regolatori PROPORZIONALI INTEGRALI DERIVATIVI ______ Funzione di trasferimento del regolatore PID ________________________________________________ TARATURA di un regolatore PID ___________________________________________________________ Caratteristiche tecniche riassuntive ________________________________________________________

30 31 31 32

LA REGOLAZIONE DIGITALE_________________________________________________________________ 33 Esempio di regolazione digitale di una Unità Trattamento Aria (UTA) __________________________ 39

CAPITOLO 3: SENSORI _________________________________________________ 44 SENSORI PER PROCESSI ____________________________________________________________________ SENSORI DI TEMPERATURA_______________________________________________________________ SENSORI DI PRESSIONE __________________________________________________________________ SENSORI DI PORTATA ____________________________________________________________________ MISURATORI DI LIVELLO __________________________________________________________________ MISURATORE ANALITICHE (Acidità e Conducibilità) _________________________________________

45 45 48 50 50 50

SENSORI PER SISTEMI MECCANICI __________________________________________________________ 51

CAPITOLO 4: DISPOSITIVI DI COMANDO __________________________________ 52 VALVOLE ___________________________________________________________________________________ 52 POMPE _____________________________________________________________________________________ 61

CAPITOLO 5: TRASMISSIONE E TRATTAMENTO DEI DATI ___________________ 63 I SEGNALI ANALOGICI STANDARD ___________________________________________________________ 63 LA TARATURA DI UN SEGNALE/APPARECCHIO ANALOGICO.__________________________________ 64 LA SUPERVISIONE DEGLI IMPIANTI __________________________________________________________ 65

CAPITOLO 6: I SISTEMI DI CONTROLLO___________________________________ 65 Architettura a singolo anello _________________________________________________________________ 66 PLC (Programmable Logic Controller)_________________________________________________________ Componenti di un PLC ____________________________________________________________________ Modulo processore________________________________________________________________________ Moduli di ingresso/uscita (I/O)______________________________________________________________ Summary by Attilio Domenico Cardillo

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66 66 67 67

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A.A. 2005-2006 Moduli speciali____________________________________________________________________________ 67 Classificazione dei PLC____________________________________________________________________ 68 Programmazione dei PLC __________________________________________________________________ 68 Sistemi SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) ____________________________________ La base dati di processo ___________________________________________________________________ Modulo di comunicazione (driver) __________________________________________________________ Interfaccia operatore ______________________________________________________________________ Gestione allarmi __________________________________________________________________________ Gestione ricette ___________________________________________________________________________ Tendenze e rapporti _______________________________________________________________________ Supporto alla manutenzione _______________________________________________________________ Sistema esperto___________________________________________________________________________ DCS (Distributed Control Systems) ___________________________________________________________ Architettura hardware _____________________________________________________________________ FunzionalitĂ ______________________________________________________________________________ Configurazione del sistema ________________________________________________________________ Software _________________________________________________________________________________

68 68 69 69 69 69 69 70 70 70 70 70 71 71

Sistemi di comunicazione per architetture di controllo distribuite _______________________________ 72 Bus di comunicazione _____________________________________________________________________ 72

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CAPITOLO 1: SISTEMI CONTROLLATI

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Valvole a galleggiante a 2 vie "E-FLUX" a sede compensata

Funzionamento Summary by Attilio Domenico Cardillo

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La valvola a galleggiante "E-FLUX", installata sulla condotta di alimentazione, controlla automaticamente il livello dell'acqua in un serbatoio riducendo e arrestando l'alimentazione al livello massimo per aprire progressivamente quando il livello si abbassa.

A differenza delle idrovalvole di livello non ha necessità di una pressione minima di apertura L'ampia luce di scarico consente un'agevole deflusso alle basse pressioni L’azione del pistone contrapposto al piattello di chiusura compensa le forze e assicura sensibilità e perfetta tenuta sia alle basse che alle alte pressioni Il sistema di chiusura ad azione graduale elimina il rischio di colpo d’ariete Con l’utilizzo di appositi leverismi è possibile l’installazione in posizioni di agevole accesso esterne al serbatoio Con il kit "DELTA-LEV" la valvola opera in condizioni di apertura ottimali nell’ambito di un differenziale di livello Minimo rischio di laminazione, comunque evitabile con l’inserimento di un otturatore CSG (opzionale) a portata progressiva La versatilità di installazione sia per sbocco a squadra che a via diritta rende possibile ogni posizionamento

Idrovalvola a membrana regolatrice di livello

E' indispensabile una resistenza in uscita data da una colonna d'acqua di almeno 1 metro o da una flangia tarata. La velocità di chiusura ed apertura della valvola sono regolate mediante il rubinetto a spillo. Può essere installata in qualsiasi posizione.

Il pilota a galleggiante può essere di due tipi: 1. Pilota a galleggiante per livello costante: viene utilizzata nei serbatoi alimentati a gravita' (da sorgente) o da acquedotti; se la alimentazione e' data da impianti di pompaggio è indispensabile la valvola per livello differenziale.

2. Pilota a galleggiante differenziale: la valvola con differenziale di livello apre o chiude al raggiungimento delle soglie di livello impostate, è indispensabile negli impianti alimentati da impianti di pressurizzazione per evitare che le pompe siano in funzione con la valvola parzialmente chiusa.

Installazione all'esterno del serbatoio In particolari situazioni può essere opportuno non ubicare all'interno dei serbatoi apparecchiature per cui siano prevedibili interventi di operatori per controllo e manutenzione. In tali casi la valvola "E-FLUX" può essere installata all'esterno con un leverismo di collegamento.

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Kit accessori Il Kit accessori "DELTA-LEV" realizza un differenziale di livello prestabilito in modo tale che la valvola operi in modalità on/off: o completamente aperta o completamente chiusa, evitando le vibrazioni e i logorii tipici delle fasi di chiusura intermedia.

Misura di livello ad ultrasuoni

L'apparecchiatura "45AC150" misura il livello nei serbatoi dall'alto senza che vi sia contatto con il liquido.

Gli impulsi ultrasonici emessi dal trasmettitore, posto verticalmente sopra la superficie del liquido, vengono riflessi e inviati al display con microprocessore che li elabora proporzionalmente alla loro frequenza, rilevando costantemente l'altezza della colonna d'acqua.

Misura di livello a sonda immersa Il sensore piezoresistivo immerso nel liquido, trasmette il segnale in corrente al display in misura proporzionale all'altezza del battente idrostatico (colonna d'acqua).

Per le sue ridotte dimensioni (meno di 2 cm di diametro) il "MLS 255" è l'apparecchio ideale per monitorare il livello in spazi difficilmente accessibili, trivellazioni ecc

Misuratore di livello per acqua a sonda piezoresistiva Taratura sul campo a mezzo di potenziometri Precisione ± 0,2% del valore misurato Segnale reso 4÷20 mA Campi di misura: da 0÷4,6 m a 0÷255 m Diametro sonda 18 mm Grado di protezione IP 68 Alimentazione: 12/36 V d.c Cavo autoportante compensato

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Sonda di pressione per misurare il livello dinamico nei serbatoi e la pressione negli impianti Il trasmettitore "TPE 400" rileva la pressione dinamica data dal battente idrico all'interno del serbatoio; il segnale in corrente viene inviato ad un display a microprocessore che visualizza costantemente l'altezza della colonna d'acqua.

Applicato ad una tubazione rileva la pressione dell'impianto per ogni successiva elaborazione (lettura, registrazione, trasmissione, applicazione ad un processo, ecc.)

Misuratore di pressione, a cella piezoresistiva.

Tarabile in campo a mezzo di potenziometri.

Sensore affacciato al esterno processo.

Precisione tipica ± 0,25 %.

Segnale reso 4÷20 mA. Campi di misura: da 0÷400 bar.

Sovrapressione nominale x2.

Attacco al processo 1/4" G.M. o F. Grado di protezione IP 67/68 (opzione).

Alimentazione: 7/35 V d.c.

CARATTERISTICA STATICA DI UN PROCESSO L’operatore deve conoscere il COMPORTAMENTO STATICO del processo che intende regolare, cioè la relazione esistente tra la posizione Y dell’organo regolante ed il valore X di regime della grandezza regolata.

Nota la caratteristica statica del processo ed il valore prescritto W, l’operatore porterà l’organo regolante in una posizione Yo corrispondente al valore W. A regime raggiunto ed in assenza di perturbazioni, la grandezza regolata X verrà a coincidere con il valore prescritto W.

RISPOSTA TRANSITORIA DI UN PROCESSO: comportamento dinamico Comportamento dinamico conseguente alla variazione di una grandezza perturbatrice

qu = variazione della perturbazione xm = scostamento massimo Ts = periodo transitorio

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Risposta transitoria di un circuito di regolazione

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Possibili Risposte transitorie di un circuito di regolazione‌

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SCOSTAMENTO RESIDUO della grandezza regolata X rispetto al valore prescritto W (fig. a sinistra) COMPORTAMENTO DINAMICO conseguente ad una variazione del valore prescritto W+w (fig. a destra)

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PROCESSI CON AUTOEQUILIBRIO Risposta transitoria di sistemi con autoequilibrio a seguito di una variazione a scalino della grandezza regolante Y La grandezza regolata X raggiunge ugualmente un valore di equilibrio dopo un periodo transitorio più o meno lungo.

Indicheremo Yo e Xo i valori iniziali di regime e con y e x le variazioni della grandezza regolante e della regolata rispetto alle condizioni iniziali di equilibrio.

Si definisce Valore di Autoequilibrio (q) il rapporto tra la grandezza regolante y e la grandezza regolata x

q=

y ∝ facilità di regolazion e x

Tanto maggiore è questo rapporto tanto più facilmente il processo sarà regolabile.

Il Grado di Autoequilibrio (ρ) è definito dal rapporto adimensionale:

y ρ=

x

Yh

= q⋅

W

W Yh

dove: Yh = campo di variazione della grandezza regolante Il grado di autoequilibrio rappresenta un indice della capacità del sistema di raggiungere (anche senza l’intervento del regolatore) un nuovo stato di equilibrio dopo l’insorgere di una perturbazione.

RISPOSTA TRANSITORIA DI UN PROCESSO DI ORDINE 1 CON AUTOEQUILIBRIO Il valore finale di equilibrio è caratterizzato dal Fattore di Amplificazione (Vs) del processo:

Vs =

x1 facilità di regolazione y ∝

La durata del periodo transitorio è invece caratterizzata dal valore della Costante di Tempo (Ts) del processo.

Ts = tempo necessario affinché la variazione x (della grandezza regolata) raggiunga un valore pari al 63.2% (circa 2/3, precisamente (1 – 1/e) con e = 2.718) di quello finale = Vs·y.

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I parametri caratteristici della risposta transitoria Vs (Fattore di amplificazione) e Ts (Costante di tempo) risultano indipendenti dall’entità della variazione y della grandezza regolante.

Un processo del 1 ordine è caratterizzato da una risposta transitoria espressa da una equazione differenziale del 1° ordine del tipo:

⎛ dx ⎞ Ts ⎜ ⎟ + x = V s ⋅ y ⎝ dt ⎠ La cui soluzione é:

⎡ ⎛ t x = Vs ⋅ y ⋅ ⎢1 − exp⎜⎜ − ⎝ Ts ⎣

⎞⎤ ⎟⎟⎥ ⎠⎦

Il valore finale si deduce imponendo:

lim x = Vs ⋅ y

t →+∞

Determinazione della costante di tempo in un processo di ordine 1 in autoequilibrio

Risposta dinamica di sistemi del 2° Ordine con autoequilibrio La risposta sarà descritta da una equazione differenziale del 2° ordine del tipo: 2 ⎛ dx ⎞ 2⎛ d x ⎞ Ta ⎜⎜ 2 ⎟⎟ + Tb ⎜ ⎟ + x =V s⋅ y ⎝ dt ⎠ ⎝ dt ⎠

con Ta e Tb delle costanti (dimensione del tempo) dipendenti dalle caratteristiche del processo.

Ad equilibrio raggiunto (x=cost) diventa semplicemente: X = Vs·y.

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Alcuni sistemi del 2° ordine possono essere costituiti da due sistemi del 1° ordine collegati in serie…

Processi con TEMPO MORTO puro

Risposta dinamica di sistemi di ordine superiore con autoequilibrio Si noti un certo rallentamento iniziale tanto maggiore tanto più è alto l’ordine del processo…

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Tipica risposta dinamica di sistemi di ordine superiore per un incremento istantaneo (“a scalino”) di Y…

La risposta transitoria di un sistema di ordine superiore è abbastanza simile a quella di un sistema di ordine 1 caratterizzato da un:

Fattore di amplificazione Vs Tempo morto equivalente Tr Costante di Tempo Ts

Determinazione pe via grafica di Vs, Tr e Ts di un processo di ordine superione

La conoscenza di Tr e Ts di un processo di ordine superiore è indice della facilità con cui si potrà regolare l’impianto!

Casi di regolazione in funzione al valore di Tr/Ts: Facile

0,1

Sufficiente

0,3

Difficile

Tr/Ts Regolazione

In genere tanto è minore Tr rispetto a Ts tanto più facile si può ritenere la regolazione di un processo.

Processi SENZA AUTOEQUILIBRIO di ordine 1

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Se la pompa mantiene costante la Qu il sistema è in equilibrio fino a quando Qe = Qu (caratterizzata dai valori Xo e Yo).

Se si interviene sulla valvola modificando la portata in adduzione il livello del serbatoio (o in eccesso o in difetto) il livello X inizierà ad alzarsi (o abbassarsi) con velocità (dx/dt) proporzionale allo scostamento y. dx/dt = Cs y Valore di avviamento: A = 1 / Cs max

Possibile risposta di processi senza autoequilibrio di ordine superiore In questo caso il valore di avviamento è espesso come rapporto tra la costante di tempo Ts e la massima variazione VsYh della grandezza regolata conseguente allo spostamento totale Yh della variabile regolante:

CARATTERISTICA STATICA DEI PROCESSI Diagramma dei valori di regime della grandezza regolata X per diversi valori della grandezza regolante Y. Nei PROCESSI LINEARI la caratteristica statica è rettilinea ed hanno pendenza pari al fattore di amplificazione Vs.

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Se la caratteristica si discosta dalla forma rettilinea il processo è detto NON LINEARE. La risposta transitoria non sarà più esprimibile attraverso una equazione differenziale lineare a coef. costanti.

Il fattore di amplificazione Vs del processo non è più costante ma funzione della grandezza regolante Y.

ESEMPIO DI SISTEMANON LINEARE La portata in uscita è funzione del battente X : Qu = k √ X

Valori indicativi delle caratteristiche del comportamento dinamico di alcuni sistemi ed apparecchiature

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PARAMETRI CARATTERISTICI DI UNA VALVOLA DI REGOLAZIONE

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CAPITOLO 2: REGOLATORI I vari STEP PER LA REGOLAZIONE DI UN PROCESSO 1. Progetto del processo (process design) Î E’ la fase con il maggior impatto economico e che determina la facilità di applicazione dei livelli sottostanti.

2. Determinazione della struttura del sistema di controllo Î Cosa si deve controllare, quali sono le variabili manipolabili, quali sono gli accoppiamenti, ecc.

3. Determinazione della legge di controllo Î Quali algoritmi usare (P, PI, PID, controllo predittivo, ecc.)

4. Taratura dei controllori Î Scelta dei parametri dei controllori.

IMPORTANTE! Il sistema di controllo migliore è quello più semplice che soddisfa le specifiche.

Bisogna comprendere il processo prima di controllarlo!!!

REGOLATORI A DUE POSIZIONI (ON/OFF) La variabile da controllare viene confrontata con il valore di setpoint impostato e, a secondo che esso sia o meno stato superato, viene chiuso un contatto in uscita (tipicamente a relè).

La variabile di controllo non è pertanto di tipo analogico ma bensì di tipo ON/OFF. La presenza di rumore sulla misura e, di contro, la necessità di non commutare continuamente il contatto in uscita, rendono opportuno l’utilizzo di una certa isteresi (Differenziale Statico), sicché l’attuatore viene comandato sulla base degli schemi riportati in figura.

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COMPORTAMENTO DINAMICO DI UN SISTEMA REGOLATO CON UN REGOLATURE TUTTO O NIENTE Andamento della grandezza regolata X e della grandezza regolante Y in un processo di ordine 1 con autoequilibrio, controllato con un regolatore a due posizioni.

Lo scostamento reale (fluttuazione continua) della variabile controllata è in genere più ampio del differenziale statico e prende il nome di DIFFERENZIALE DINAMICO.

Questa tecnica di controllo è piuttosto primitiva e viene utilizzata tipicamente nell’ambito di regolazioni di temperatura dalle specifiche molto lasche come avviene per un preparatore di acqua calda sanitaria.

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La variabile controllata evolve infatti secondo una dinamica oscillatoria di ampiezza tanto maggiore quanto più elevato è il rapporto di controllabilità del processo e ciò può essere compatibile solo con prestazioni modeste del loop di regolazione.

Con regolatori a due posizioni non si controllano solo dei relè ma esistono, per esempio, anche delle valvole on / off azionate da elettromagneti o valvole azionate da motori.

Queste ultime valvole sono comandate da un motore a velocità costante che, sulla base di un segnale a tre livelli (Apri / Fermo / Chiudi), gira nei due opposti sensi di rotazione portando l’otturatore rispettivamente nella posizione di aperto o di chiuso.

I regolatori in commercio consentono di effettuare tale modalità di controllo attraverso una doppia uscita a relè con isteresi, il cui stato di ON è mantenuto per il tempo necessario alla valvola a portarsi nella nuova posizione assegnatagli dall’uscita dell’algoritmo di controllo.

REGOLATORE TUTTO O NIENTE A DUE STADI

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I REGOLATORI FLOTTANTI

LA REGOLAZIONE CON UN REGOLATORE TUTTO O NIENTE …dipende dal volore della costante di tempo (Ts)…

…e dall’ampiezza del differenziale statico (Xd)!!!

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I REGOLATORI PROGRESSIVI: P Î Regolatori PROPORZIONALI Si stabilisce una relazione continua e lineare tra il valore dello scostamento Xw = (X-W) e la posizione dell’organo di regolazione Y all’interno di un campo che prende il nome di BANDA PROPORZIONALE Xp.

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X P ∝ Scostament o residuo 1 Pendolazio ni ∝

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Esempio di una regolazione proporzionale

y = +/- Kr Xw = Xw / Xp + = Azione DIRETTA – = Azione INVERSA dove: • Xw = (X-W) • Kr = fattore di amplificazione • Yh = 1 • Xp = banda proporzionale • Kr = 1 / Xp • Xp = 1 / Kr Nell’esempio: y = a/b Xw • Kr = a/b • Xp = b/a Determinazione della banda proporzionale in un regolatore P: y = a/b Xw ; Kr = a/b Xp = b/a

Valore di OFF-SET

In conclusione…

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I REGOLATORI PROGRESSIVI: I Î Regolatori INTEGRALI È possibile variare il flusso di olio verso il servomotore idraulico, e quindi movimentare la valvola, grazie al cassetto di distribuzione comandato dal galleggiante, tramite leverismo.

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Il regolatore I è caratterizzato dall’espressione:

dY/dt = +/- Ki Xw La velocità con cui si sposta l’organo regolante (dY/dt) è proporzionale allo scostamento Xw. Integrando si ha:

Y = +/- Ki ∫ Xw dt Con 9 Ki = fattore di proporzionalità dell’azione integrale 9 ∫ Xw dt = Errore integrale dovuto allo scostamento residuo N.B. La componente INTEGRALE di un regolatore è l’unica che garantisce il raggiungimento effettivo del valore prescritto W!!!

I REGOLATORI PROGRESSIVI: D Î Regolatori DERIVATIVI La regolazione è dovuta ad una luce , di dimensione opportuna, che praticata sul setto mobile C permette lo scambio di fluido (olio) fra le due camere M1 e M2.

In questo modo per lente variazioni del galleggiante (X) si genera il transito di fluido che mantiene inalterato il valore di Y. Invece, per rapide variazioni di X, si generano altrettante rapide variazioni di Y causa la viscosità del fruido che impedisce il suo stesso transito.

Y = +/- Kd dXw/dt Lo spostamento dell’organo regolante è proporzionale alla derivata, fatta rispetto al tempo, dello scostamento.

Scostamenti rapidi determinano azioni energiche sull’organo regolante.

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I REGOLATORI PROGRESSIVI: regolatori ad azione combinata PI, PD, PID Azione PROPORZIONALE:

Y = +/- Kr Xw Kr = fattore di amplificazione

Azione INTEGRALE:

Y = +/- Ki ∫ Xw dt Ki = fattore di proporzionalità dell’azione integrale

Azione DERIVATA:

Y = +/- Kd dXw/dt Kd = fattore di proporzionalità dell’azione derivativa

I REGOLATORI PROGRESSIVI: PI Î Regolatori PROPORZIONALI INTEGRALI

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I REGOLATORI PROGRESSIVI: PD Î Regolatori PROPORZIONALI DERIVATIVI

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I REGOLATORI PROGRESSIVI: PID Î Regolatori PROPORZIONALI INTEGRALI DERIVATIVI

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Funzione di trasferimento del regolatore PID

TARATURA di un regolatore PID

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Caratteristiche tecniche riassuntive

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LA REGOLAZIONE DIGITALE

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Esempio di regolazione digitale di una UnitĂ Trattamento Aria (UTA)

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Legenda: 9 T(x) = Sonde di Temp.

9 RR(x) = Ricevitori REG. 9 V(x) = Valvole 9 B1 = Batteria Preriscaldam 9 B2 = Batteria Raffreddame 9 B3 = Batteria Postriscald.

9 U = Umidificatore Adiab.

9 V = Ventilatore mandata 9 M = Servocomando 9 TEG = Termostato 9 F = Filtro 9 C = Commutatore

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CAPITOLO 3: SENSORI

DEF. SENSORI = Tutti quei dispositivi in grado di effettuare la misura di una grandezza fisica e quindi di tradurla in un segnale, generalmente elettrico.

Parametri: 9 Accuratezza = MAX |Valore misurato – Valore vero| inv. prop. qualità della misura!!! Si trova espresso come percentuale del campo di misura (o del fondo scala, se l'altro estremo è lo zero) oppure come percentuale della misura. Si nota che, nel primo caso, il valore è poco significativo quanto più il campo di misura è ampio. La carenza di accuratezza deriva essenzialmente da errori sistematici di misura, riducibili attraverso l'aggiustamento periodico dei parametri del sensore (calibrazione).

9 Precisione Î Esprime la ripetibilità (o riproducibilità) delle misure dello stesso valore fisico nelle stesse condizioni operative. Dato che in pratica è indice dell'evenienza di errori casuali, una buona precisione è spesso assai più importante di una accuratezza elevata.

9 Rangeability (turn-down) = (fondoscala) / (minor valore, normalizzato all’unità, per il quale sono validi i dati di accuratezza e precisione). Rangeability >> Î ampio campo di misura del sensore. Ad esempio, un sensore di portata con rangeability 20:1, con fondo scala di 100 kg/s e accuratezza dell’1% registra, con tale accuratezza, portate comprese tra 5 e 100 kg/s. Al di fuori di questo range le prestazioni possono essere molto scadenti!!!

9 Caratteristica statica Î Misura sensore = f(valore reale della grandezza fisica). Si cerca sempre di operare con strumenti in grado di fornire, nel campo di interesse, una relazione lineare.

9 Sensibilità (sensitività) = (Δ misura sensore) / (Δ valore reale della grandezza fisica). Se la caratteristica statica è lineare tale rapporto è costante mentre varia in funzione della misura se essa non è lineare.

9 Risoluzione massima Î la più piccola variazione della grandezza fisica in grado di produrre una variazione della misura fornita dal sensore. In linea di principio anche questo parametro dipende dal punto di lavoro.

9 Caratteristica dinamica Î funzione di trasferimento che lega il valore della grandezza fisica alla misura fornita dal sensore. La risposta di quest’ultimo non è infatti istantanea e tale funzione di trasferimento si può approssimare con una semplice costante di tempo, che, talvolta, nell'ambito del progetto del sistema di controllo, non può essere trascurata. È evidente come, a regime, la caratteristica dinamica debba tendere a quella statica.

I SENSORI, DI NORMALE UTILIZZO NELLA REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI, SONO SENSORI DI:

Temperatura Pressione Portata Livello Misure analitiche e chimiche

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NEL CAMPO DEI SISTEMI MECCANICI:

Sensori di posizione. o encoder assoluto o encoder incrementale o resolver Sensori di velocità. o dinamo tachimetrica Sensori di coppia. o misura della corrente che scorre nell’avvolgimento

SENSORI PER PROCESSI SENSORI DI TEMPERATURA

Termocoppie (TC). Si tratta in genere di sensori dalla elevata sensibilità e rapida dinamica ma dalla modesta accuratezza.

Termoresistenze (RTD). Si tratta in genere di sensori applicabili in un range più limitato, dalla modesta sensibilità ma dalla elevata accuratezza; la caratteristica dinamica è più lenta di quella delle termocoppie.

Termistori. Hanno un campo di applicazione assai limitato (dispositivi piccoli e fragili e con range limitato) ma una elevata accuratezza (fino al decimo di grado). La caratteristica dinamica è molto rapida ma quella statica è assai poco lineare.

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SENSORI DI PRESSIONE I principi di misura sono svariati ed i più comuni sono: • la rilevazione dell'altezza di una colonna di liquido necessaria a controbilanciare la pressione da misurare (manometri a colonna o ad U): misure (differenziali) accurate ma su range limitati; • la misura della deformazione di tubi curvi di sezione non circolare (tubi Bourdon) o di quella di soffietti contrastati da molle; • la rilevazione della variazione di capacità elettrica indotta dall'avvicinamento dell'armatura del condensatore sottoposta alla pressione da misurare (diaframmi ); • la misura della variazione di resistenza elettrica associata alla deformazione di conduttori (estensimetri) o cristalli di silicio (trasduttori piezoresistivi) • la misura della variazione di induttanza di un avvolgimento dovuta allo spostamento di un nucleo di ferrite posto su un diaframma metallico sottoposto alla pressione da rilevare.

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In ogni caso poi la grandezza rilevata viene convertita in segnale elettrico, tipicamente attraverso un circuito basato su di un ponte di Wheatstone. Precisione, accuratezza e rangeability possono variare sensibilmente a secondo della tecnologia impiegata ma generalmente, agli effetti del controllo, i sensori di pressione sono in grado di fornire caratteristiche statiche piuttosto lineari e caratteristiche dinamiche molto rapide.

Î Vedasi schede tecniche da catalogo Siemens‌

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SENSORI DI PORTATA Anche in questo caso i principi di funzionamento sono molteplici.

• Dispositivi a strozzamento (dischi forati, venturimetri). Data la loro morfologia, provocano l'aumento di velocità del fluido ed una caduta di presione a valle dello strozzamento. Misurando quest'ultima si risale alla portata del fluido che risulta essere sostanzialmente proporzionale alla radice della caduta di pressione (per questo motivo i misuratori sono provvisti di estrattore di radice prima di inviare il segnale). A dispetto della loro modesta accuratezza e rangeability tali sensori risultano tuttora molto diffusi.

• Flussometri a sezione variabile. Traducono la portata in misura dello spostamento di un otturatore allocato all’interno di una sezione verticale troncoconica di un tubo (graduato e trasparente) che può essere posto all’interno del condotto nel quale passa il fluido oppure (se la pressione è ivi troppo elevata) in una tubazione ricavata in parallelo. La relazione che si trova è questa volta di semplice proporzionalità. Si caratterizzano per la loro economicità.

• Misuratori a vortici (vortex). Inserendo un corpo non smussato nella corrente fluida si induce la formazione di vortici che da esso si staccano in regolare successione (come accade per l’asta delle bandiere) con una frequenza che risulta proporzionale alla velocità del fluido. Svariate sono le tecniche adottate dai costruttori per misurare tale frequenza. Accuratezza e rangeability (purché il fluido sia pulito e poco viscoso) sono migliori ma occorre seguire precise prescrizioni di montaggio e garantire che il moto sia sempre sufficientemente turbolento.

• Sensori elettromagnetici. Essendo il principio di misura basato sulla legge di induzione elettromagnetica, sono adatti solo per fluidi dalla sufficiente conduttività. La sezione di passaggio viene sottoposta ad un campo magnetico trasversale B; essendo il fluido conduttivo, esso genera una forza elettromotrice e=v·d·B (con v la velocità del moto e d il diametro del tubo), facilmente rilevabile con un paio di elettrodi. Accuratezza (pur di mantenere sufficientemente uniforme la velocità del fluido) e soprattutto rangeability sono molto elevate ed inoltre tali misuratori consentono di non introdurre perdite di carico e risultano particolarmente robusti ed affidabili.

• Misuratori massici. Basati sulla rilevazione dell’accelerazione di Coriolis che si instaura in un corpo di massa m in moto con velocità v rispetto ad un sistema di riferimento a sua volta in moto con velocità angolare ω, sono in grado di fornire direttamente la portata massica. Accuratezza e rangeability sono piuttosto elevate, pur rimanendo nella fascia dei fluidi moderatamente densi e con portate medio-basse. Sono molto costosi.

MISURATORI DI LIVELLO Svariati sono i dispositivi per la misura del livello di liquido in un serbatoio anche se, spesso interessa una visualizzazione locale (dispositivi a scala graduata e galleggiante) o, più della misura, importa il semplice superamento di una paio di quote di minimo e di massimo (interruttori di livello). Nel caso il livello sia effettivamente una variabile da controllare in un loop di regolazione, esso si può ricavare in uno dei seguenti modi: • Misuratori a principio idrostatico. In base alla differenza di pressione tra il pelo libero e il fondo del serbatoio • Misuratori a principio capacitivo. In base alla capacità dielettrica che si instaura tra la parete del serbatoio e quella di una sonda metallica immersa nel fluido; essa risulta infatti proporzionale alla quantità di fluido presente.

• Misuratori ad ultrasuoni. In base al tempo impiegato dall’onda ultrasonica a percorrere (due volte) la distanza tra l’emettitore (sospeso al di sopra del pelo libero) e la superficie riflettente del fluido.

Anche in questo caso la relazione è di semplice proporzionalità.

MISURATORE ANALITICHE (Acidità e Conducibilità) Tipiche di processi chimici.

• Misuratori di acidità. Il pH di una soluzione si ricava misurando la tensione elettrica che, sulla base della legge di Nernst V=0.1983·T·pH+V0, si instaura tra due elettrodi immersi nella soluzione a temperatura (assoluta) T. • Misuratori di conducibilità. La conducibilità k, indice della presenza di ioni in una soluzione, si ricava a partire dalla resistenza elettrica R=L/kA che si misura tra due elettrodi di superficie A affacciati a distanza L tra loro.

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SENSORI PER SISTEMI MECCANICI

Sensori di posizione.

– encoder assoluto – encoder incrementale – resolver Sensori di velocità.

– dinamo tachimetrica Sensori di coppia.

– misura della corrente che scorre nell’avvolgimento

CEI EN 60529 – IEC529

IP

X

X

Codice obbligatorio

Prima Cifra

Seconda Cifra

Protezione contro contatto con parti pericolose ed accesso corpi solidi estranei

Protezione contro penetrazione di liquidi

0 (NO) – 6 (MAX)

0 (NO) – 8 (MAX)

Í dim corpo

Í dim goccia

International Protection

Prima Lettera (opzionale)

In caso di ostacoli o barriere interne come protezione superiore contro l’introduzione di corpi solidi A= No dorso mano B= No dito C= No attrezzature D= No filo

Seconda Lettera (opzionale)

Ulteriori informazioni sul componente H= High tension M= Motion in H2O S= Static in H2O W= Weather prote

Esempi: IP20 Î Locali asciutti (NO apparecchi accessibili su quadro di comando) IP40 Î Locali asciutti e Impianti in locali caldaia ad olio combustibile (NO metano) IP42 Î Bagni, docce, luoghi umidi e locale autoclave (NO locali esterni con pioggia) IP44 Î Impianti in locali caldaia a metano e centrali UTA esterne (NO locali esterni con polvere) IP54 - IP55 Î Centrali UTA esterne con polvere (NO temporanea immersione) IP67 Î Apparrecchi in temporanea anondazione o sommersi dalla neve (NO immersione duratura) Summary by Attilio Domenico Cardillo

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CAPITOLO 4: DISPOSITIVI DI COMANDO VALVOLE Realizzate con le più svariate tecnologie costruttive, le valvole consentono di modulare la portata di un fluido sostanzialmente attraverso la posizione (h) di un otturatore che ne ostruisce il passaggio.

Il parametro caratteristico di una valvola risulta essere il coefficiente di efflusso (Kv), definito come: “la portata volumetrica di acqua a temperatura ambiente che transita attraverso la valvola quando la caduta di pressione statica su di essa (tra monte e valle) è di 100 kPa (1 bar)”.

A secondo della tecnologia costruttiva adottata tale coefficiente può essere funzione lineare, parabolica o esponenziale della corsa dell’otturatore. Si ricorda che la portata di fluido uscente risulta essere funzione anche della caduta di pressione sulla valvola e, più precisamente, della sua radice quadrata:

V = kv·√Δp V [mc/h] Δp [bar]

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Poiché il salto di pressione dipende a sua volta dalla posizione dell’otturatore, attraverso una opportuna scelta (dimensionamento) della valvola è possibile controbilanciare la dipendenza non lineare dal salto di pressione attraverso la dipendenza del coefficiente di efflusso dalla corsa dell’otturatore, in modo da avere un comportamento il più possibile lineare dell’organo di comando.

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•

•

•

Se la caduta di pressione sulla valvola, al variare di Y, rimane trascurabile rispetto a quelli presenti sul circuito è bene scegliere una valvola con caratteristica lineare mentre la caratteristica esponenziale è più indicata se tale caduta diventa importante al crescere di Y. Nell’ambito del problema di controllo è bene tenere comunque presente che nella valvola si instaurano complessi fenomeni fluidodinamici (quali cavitazione e flashing) e che, a parità di corsa dell’otturatore, la vera dipendenza della portata uscente dalla radice della caduta di pressione è lineare solo fino ad un certo valore di quest’ultimo.

La non linearità della relazione tra la corsa dell’otturatore e la portata è responsabile, insieme a tipiche frizioni ed isteresi nella movimentazione, del degrado di molte prestazioni dei loop di regolazione, spesso erroneamente imputati a cattive tarature dell’algoritmo PID.

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Vedasi schede tecniche da catalogo Siemens…

POMPE Sono usate anche per modulare una pressione. Nelle pompe centrifughe (che, attraverso pale opportunamente sagomate, aumentano la velocità di un fluido che le attraversa) il salto di pressione monte-valle della pompa risulta essere funzione quadratica sia del numero di giri che della portata. Nel caso invece delle pompe volumetriche (che, attraverso stantuffi mobili, aumentano la pressione dei un certo volume di fluido in esse contenuto) la portata (volumetrica) in uscita risulta essere funzione pressoché lineare della velocità di rotazione dell’albero motore che aziona la pompa.

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CAPITOLO 5: TRASMISSIONE E TRATTAMENTO DEI DATI

Esistono valori standardizzati di uso comune che permettono l’utilizzo di apparati e apparecchiature prodotte da differenti costruttori.

I SEGNALI ANALOGICI STANDARD Standard di Tensione 0 – 10 V Comunemente usato in automatismi destinati alla gestione di energia negli edifici. Due fili di polarità definita vengono usati per la trasmissione dei segnali. Più apparecchi in parallelo possono usare lo stesso segnale.

Viene anche usato il campo 2 – 10 V per la sua compatibilità con lo standard 4 – 20 Ma. Summary by Attilio Domenico Cardillo

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Standard di Corrente 4 – 20 mA Questo standard è di solito il più comune nelle applicazioni industriali. Bastano sempre due fili (di polarità definita) per il collegamento in serie di più apparecchi che utilizzino lo stesso segnale. Il valore inferiore del campo (4 mA) permette di scoprire eventuali interruzioni del circuito.

Standard di Resistenza Resistenze variabili o potenziometri vengono utilizzate per definire una grandezza. I valori ohmici più spesso usati sono da 0 a 135 Ω, o da 0 a 220 Ω, o da 0 a 1000 Ω.

Standard di Pressione 0.2 – 1 bar Questo standard è usato dai costruttori di materiale pneumatico. I limiti corrispondono, all’incirca, allo standard americano 3 – 15 psi. Convertitori elettro-pneumatici permettono il passaggio da uno standard all’altro: ad esempio da 4 – 20 mA a 0.2 – 1 bar.

LA TARATURA DI UN SEGNALE/APPARECCHIO ANALOGICO.

COLLEGAMENTI • • • • • • • • • • • •

•

SONDE DI TEMPERATURA E POTENZIOMETRI 2 x 1mm2 SONDE DI UMIDITA’ RELATIVA 3 x 1 mm2 SONDE COMBINATE DI TEMPERATURA ED UMIDITA’ RELATIVA 5 x 1 mm2 SONDE DI VELOCITA’ - TEMPERATURA PT100 4 x 1 mm2 SONDE DI PRESSIONE 3 x 1.5 mm2 SONDE QUALITA’ ARIA 5 x 1 mm2 SONDE COMBINATE DI QUALITA’ ARIA E TEMPERATURA 7 x 1 mm2 TERMOSTATI, FLUSSOSTATI, PRESSOSTATI 2 x 1 mm2 INGRESSI DIGITALI (STATI E ALLARMI) 2 x 1 mm2 USCITE DIGITALI (COMANDI) 2 x 1 mm2 SEGNALE ANALOGICO ATTIVO 2 x 1.5 mm2 VALVOLE DI REGOLAZIONE CDZ, CIRCUITI DI SPILLAMENTO, SCAMBIATORI, ECC. (valvole magnetiche con segnale di ingresso 0-20 VDC o 0-10 VDC) – da DN08 a DN25 1.5 mm2 – da DN25 a DN65 2.5 mm2 – da DN80 a DN100 4 mm2 – Segnale d’ingresso 2 x 1mm2

VALVOLE DI REGOLAZIONE CDZ, CIRCUITI DI SPILLAMENTO, SCAMBIATORI, ECC. – valvole motorizate 3 x 1.5 mm2

• • • • •

VALVOLE PER FAN-COILS / CASSETTE 2 x 1 mm2 SERVOCOMANDO SERRANDE ON / OFF CDZ CON RITORNO A MOLLA – Alimentazione 3 x 1.5 mm2 – Finecorsa Aux. 4 x 1.5 mm2

SERVOCOMANDO SERRANDE ON / OFF CDZ – Alimentazione 4 x 1.5 mm2 – Finecorsa Aux 4 x 1.5 mm2.

BUS DI COMUNICAZIONE REGOLATORI E tipo BELDEN MODULI DDC 2 x 0.8 mm2 twistato e schermato

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LA SUPERVISIONE DEGLI IMPIANTI

CAPITOLO 6: I SISTEMI DI CONTROLLO

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) DCS (Distributed Control Systems) CIM (Computer Integrated Manufactoring) Summary by Attilio Domenico Cardillo

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Architettura a singolo anello • • • • •

Realizzata tramite un regolatore (PID) industriale.

Sono a disposizione pacchetti software per la sua ‘gestione’.

L’interfaccia con il PC avviene tramite linea seriale RS232.

Quando i regolatori impiegati sono numerosi può essere opportuno avere un sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).

Un PC (industriale) può essere usato direttamente come controllore (con opportune schede di I/O e opportuno sistema operativo e software).

PLC (Programmable Logic Controller) • •

• •

E’ un componente molto usato nell’automazione industriale. Sostituisce i dispositivi elettromeccanici che realizzavano una logica a contatti.

Un controllore a logica programmabile, secondo lo standard 1131 CEI, è un sistema elettronico a funzionamento digitale, destinato all’uso in ambito industriale, che utilizza una memoria programmabile per l’archiviazione interna di istruzioni orientate all’utilizzatore per l’implementazione di funzioni specifiche, come quelle logiche, di sequenziamento, di temporizzazione, di conteggio e di calcolo aritmetico, e per controllare, mediante ingressi ed uscite sia digitali che analogici, vari tipi di macchine e processi.

Un sistema controllore a logica programmabile è la configurazione, realizzata dall’utilizzatore, formata da un controllore a logica programmabile e dalle periferiche associate, necessaria al sistema automatizzato previsto.

N.B. - Nell’uso comune, con il termine PLC si indica indifferentemente sia il PLC vero e proprio, cioè la scheda processore, sia l’intero sistema completo delle sue schede d’interfaccia.

Componenti di un PLC

•

• • •

•

Modulo processore: è il vero e proprio PLC ed è costituito essenzialmente da una scheda a microprocessore con un’architettura simile a quelle dei calcolatori convenzionali. Esso controlla e supervisiona tutte le operazioni eseguite all’interno del sistema, attraverso l’esecuzione delle istruzioni contenute nella memoria.

Moduli di ingresso/uscita: sono delle schede che permettono l’interfacciamento tra la microelettronica del PLC e il mondo esterno, e devono perciò provvedere al condizionamento dei segnali e all’isolamento Modulo alimentatore: è una scheda che alimenta tutti gli altri moduli presenti nell’armadio.

Connesso alla rete di alimentazione elettrica, tale modulo fornisce una o più tensioni stabilizzate con un massimo di corrente erogabile.

Armadio (cestello, rack): contiene e racchiude tutti gli altri moduli, assicurandone la connessione meccanica e il collegamento elettrico. Ha in genere la forma di un parallelepipedo aperto su di un lato che permette l’inserimento dei moduli che risultano collegati elettricamente tra di loro grazie alla presenza, sul lato opposto, di un circuito stampato con dei connettori. E’ di metallo e deve essere connesso elettricamente a terra, sia per ragioni di sicurezza sia per meglio schermare i moduli alloggiati. N.B. Esistono alcuni piccoli sistemi PLC che non sono modulari, non prevedono il rack, e racchiudono in un unico dispositivo alcuni o tutti i necessari.

Terminale di programmazione: può essere o un dispositivo particolare o un semplice personal computer e serve per la programmazione del PLC che non ha usualmente dispositivi di interfaccia con l’uomo. Il terminale di programmazione viene connesso al PLC solo quando viene utilizzato tramite una porta seriale e/o una rete informatica.

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Modulo processore •

• • •

Le modalità tipiche di un PLC, spesso attivabili tramite una chiave hardware per prevenire commutazioni accidentali, sono quelle di esecuzione (RUN), di validazione e di programmazione.

Modalità di esecuzione (RUN): il programma utente viene eseguito e le uscite aggiornate secondo il ciclo mostrato in figura. Î Modalità di validazione (TEST): il programma viene eseguito ma l’aggiornamento delle uscite è disabilitato (fase di test del software).

Modalità di programmazione (PROG): il programma viene scaricato.

Moduli di ingresso/uscita (I/O)

• • •

Sono sia digitali che analogici e permettono, nella maggior parte dei casi, di connettere direttamente il PLC ai vari dispositivi presenti sul campo, riducendo al minimo la necessità di ulteriori condizionamenti del segnale.

La modularità prevista per i moduli di I/O e la disponibilità di molti differenti tipi rendono possibile una realizzazione del sistema PLC tagliata per il particolare problema che si sta affrontando.

Il loro indirizzamento da programma, cioè gli indirizzi delle parole di memoria dove vengono memorizzati gli stati degli ingressi e delle uscite, dipende da dove fisicamente il modulo viene posto nell’armadio, o negli armadi del PLC. Moduli speciali

• •

• •

•

•

Nell’ambito di un sistema PLC esiste una vasta gamma di moduli che realizzano delle funzionalità speciali in maniera da rendere il sistema ancora più flessibile e più adeguato a rispondere a diverse esigenze.

Moduli di I/O remoto. Se il numero di punti di ingresso e di uscita è elevato ed essi sono inoltre disposti su una superficie molto estesa, è conveniente realizzare il cosiddetto I/O remoto. In questo caso, vi sono armadi di I/O sparsi nell’impianto che sono poi collegati al PLC attraverso un modulo di I/O remoto che provvede a inviare lo stato degli ingressi e delle uscite dell’armadio in cui è montato attraverso una linea seriale.

Moduli per la connessione in rete. Sono moduli che gestiscono i protocolli di comunicazione per le diverse tipologie di reti informatiche che possono coinvolgere un sistema PLC (bus di campo, reti proprietarie, Ethernet).

Moduli coprocessore. Sono moduli che contengono un vero e proprio calcolatore convenzionale il quale può accedere direttamente ai dati contenuti nella memoria del PLC. Con tali moduli è possibile eseguire elaborazioni anche complesse attraverso programmi scritti in linguaggi di programmazione classici come il Basic o il C. Moduli PID. Se la regolazione PID non è disponibile, o non può essere eseguita direttamente dal PLC a causa della lunghezza del ciclo di scansione, tale modulo permette di avere a disposizione alcune anelli PID a cui il PLC deve limitarsi a fornire i riferimenti.

Contengono le funzionalità tipiche dei regolatori industriali Moduli di servo. Sono moduli che realizzano direttamente e in maniera autonoma, l’asservimento di uno o più motori a passo, idraulici, in c.c., con encoder incrementali. Nota: la temporizzazione dei PLC è molto maggiore delle costanti di tempo dei servomeccanismi di posizione, per cui è necessario avere delle schede di controllo assi.

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• •

Moduli encoder. Realizzano tutte le funzionalità necessarie per utilizzare uno o più encoder incrementali o assoluti. Sono essenzialmente moduli con contatori ad alta velocità.

Moduli interfaccia operatore. Rendono possibile il colloquio di un operatore con il PLC attraverso tastiere e display alfanumerici. Attualmente questo tipo di funzionalità viene sempre più spesso realizzato con calcolatori tradizionali connessi in rete con i PLC. Classificazione dei PLC

• • • •

MicroPLC: trattano fino a 64 punti di I/O, generalmente tutti di tipo digitale. Non hanno una struttura modulare ad armadio e sono principalmente utilizzati come sostituzioni di logiche a relè in applicazioni come il controllo di ascensori, lavatrici, ecc.

Piccoli PLC: trattano da 64 a 512 punti di I/O, in maggior parte digitali ma anche analogici.

Hanno struttura modulare ad armadio.

Medi PLC: trattano da 64 a 512 punti di I/O, hanno struttura modulare ad armadio, gestiscono I/O remoti e sono arricchibili con moduli speciali.

Grandi PLC: trattano migliaia di I/O e sono di solito utilizzati come supervisori di celle automatizzate.

Programmazione dei PLC

Il programma viene codificato in uno dei formalismi messi a disposizione del costruttore attraverso un dispositivo di programmazione (attualmente ormai sempre un PC) che poi lo compila e trasmette al microprocessore del PLC. Tra i vari linguaggi, recentemente standardizzati dalla normativa IEC1131, i più diffusi risultano essere il Ladder-Diagram, che riproduce praticamente uno schema elettrico funzionale, il Logic-Chart che fa invece uso di porte logiche (AND, OR, NOT) ed il linguaggio istruzioni, più vicino alle modalità di programmazione a basso livello del microprocessore stesso (basati sulla logica dello STACK).

Sistemi SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) • • •

E’ un software modulare che supporta la funzioni di acquisizione dei dati e la loro archiviazione, l’interfaccia uomo-macchina con sinottici statici e dinamici, grafici (trend), il monitoraggio e la gestione allarmi e il controllo.

Il nucleo di tale struttura è rappresentato dalla base dati di processo a cui tutti gli altri moduli che compongono il sistema fanno riferimento.

Non tutti i moduli sono necessariamente presenti!

La base dati di processo

E’ il nucleo di ogni sistema SCADA. Già un sistema di controllo di piccole e medie dimensioni deve tipicamente gestire centinaia se non migliaia di punti di interfaccia con il processo e sarebbe quindi impossibile gestire il flusso di informazioni relativo con moduli software specifici. Vi è quindi la necessità di avere un metodo sistematico per processare tali informazioni, conservando insieme ad esse tutta una serie di parametri che sono necessari per la corretta gestione dell’informazione.

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Modulo di comunicazione (driver) • • •

Si occupa essenzialmente della gestione delle comunicazioni con i vari dispositivi e del controllo del trasporto delle informazioni, gestito attraverso tecniche classiche di comunicazioni, via linea seriale o rete informatica.

Si deve anche occupare dell’interpretazione dei messaggi e del legame bidirezionale tra base dati del processo e dispositivi (RTU: Remote Terminal Unit).

Può anche consentire la comunicazione con altri applicativi in esecuzione sullo stesso elaboratore, ottenuta attraverso gli strumenti tipici dell’ambiente operativo (ad es. uno SCADA che funziona in ambiente Windows è fornito di un driver per il DDE che permette il collegamento tra lo SCADA e altri applicativi come un foglio elettronico e un programma di gestione data base tradizionale).

Interfaccia operatore

• • • • •

Deve permettere come minimo l’accesso alla base dati (selezione delle variabili, dei campi, ordinamento su campi specificati, interrogazione).

E’ inoltre prevista la possibilità di impostare delle pagine grafiche che rappresentano pannelli di comando e quadri sinottici dell’intero impianto o parti di esso. I pannelli di comando permettono all’utente di inviare comandi tramiti simboli grafici.

Nei quadri sinottici vi sono elementi statici e dinamici (è importante la coerenza, ad esempio per gli allarmi).

A disposizione vi è una libreria di oggetti grafici per configurare a piacere sinottici anche complessi.

Attualmente vi sono sviluppi multimediali (filmati, comandi vocali, ecc.).

Gestione allarmi

• •

E’ possibile programmare i tipi di allarme e definirne le priorità.

Oltre ad essere comunicata immediatamente all’operatore, l’insorgenza di un allarme viene in genere memorizzata su memoria non volatile per consentire un’analisi a posteriori del numero, della frequenza e del tipo di allarmi verificatosi nell’impianto.

Gestione ricette

• • • •

Deve gestire delle sequenze di operazioni predefinite.

Tali sequenze possono essere fatte eseguire sulla base di scadenze temporali, o al verificarsi di eventi particolari, o immediatamente alla richiesta dell’operatore.

In genere l’uso delle ricette serve ad impostare i dati di impianto di ciascun processo in un ambiente multiprocesso e i dati di ciascun prodotto in un ambiente multiprodotto.

Tali dati rappresentano i parametri che devono essere forniti alle macchine che eseguono effettivamente le varie fasi della lavorazione.

Tendenze e rapporti

• •

Tiene traccia dei ritmi di produzione, sia attraverso serie storiche (a scopo di diagnostica oppure per soddisfare obblighi di legge), sia attraverso la rappresentazione grafica in tempo reale (per poter intervenire tempestivamente in caso di malfunzionamento).

Il sistema SCADA può generare rapporti (cartacei e/o informatici) in corrispondenza di scadenze temporali impostate oppure al verificarsi di eventi particolari.

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Supporto alla manutenzione • •

Manutenzione correttiva: individuazione dei guasti e segnalazione all’operatore del tipo di intervento richiesto.

Manutenzione preventiva: segnalazione degli interventi che vanno compiuti o dopo un tempo prefissato oppure dopo un certo numero di ore di funzionamento.

Sistema esperto

• • •

Supporto per la decisione della modalità di comportamento del sistema in risposta a determinati eventi.

Utilizzo di tecniche di intelligenza artificiale.

Controllo statistico di processo: si fa un’analisi statistica dei dati (media, varianza) per verificare eventuali malfunzionamenti.

DCS (Distributed Control Systems)

• • •

•

Originariamente il nome fu riferito al fatto che le funzioni di controllo e supervisione erano distribuite tra più CPU. Oggi si intende che le diverse CPU sono distribuite all’interno dell’impianto e la capacità di elaborazione è portata laddove serve, con la riduzione dei costi di installazione, dei cablaggi e della manutenzione.

Componenti fondamentali sono le unità a micropro-cessore per la gestione degli I/O (usualmente localizzate in modo opportuno nell’impianto) e del controllo, le interfacce uomo-macchina (disposte nelle sale di controllo) e le strutture di comunicazione (reti digitali).

Si contraddistinguono rispetto ai PLC per la “ricchezza” a livello informatico, per l’uso di reti digitali di grande potenza e per aspetti elettronico-meccanici di costruzione (ridondanza).

Architettura hardware

• • •

Unità di controllo e misura (UCM): interfaccia verso il campo, funzioni di controllo (PID, PLC, avanzate) gestione delle comunicazioni verso la rete. Spesso tutti i componenti sono ridondati.

Rete di processo: deve essere in grado di sopportare il traffico conseguente al numero e alla dislocazione delle UCM e di tipo e numerosità dei relativi segnali di I/O. Interfaccia operatore: PC con WINDOWSNT, monitor che forniscono una visione del processo (grandi dimensioni), workstation tecniche per la configurazione.

Funzionalità

•

•

•

Supervisione: o gestione ed elaborazione dei dati (grafici degli andamenti, individuazione degli allarmi, ecc.); o interfaccia uomo-macchina (per la conduzione dell’impianto, per la segnalazione degli allarmi, per la configurazione del sistema, per la diagnostica, per la gestione della produzione, ecc.).

Controllo: o regolazioni analogiche (PID, MPC, ecc.); o regolazioni logiche; o sequenze di processo (ad es. all’avvio).

Protezione: o Scoperta di condizioni di funzionamento anomale non recuperabili e conseguente arresto del processo e messa in sicurezza.

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Configurazione del sistema • • • • • • • •

Denominare i segnali sui canali di ingresso e indicarne la tipologia.

Assegnare i limiti di allarme.

Costruire gli schemi di regolazione (graficamente).

Costruire sinottici animabili.

Costruire le pagine di stampa.

Assegnare le frequenze di campionamento e memorizzazione dei segnali acquisiti.

Effettuare la taratura dei parametri dei regolatori.

Creare e installare la base di dati.

Software

• • • • •

Software esecutivo. Costituito dai sistemi operativi (OS) di calcolatori e microprocessori (WINDOWSNT per PC e workstation, kernel real-time per i microprocessori delle UCM).

Software di supporto di sistema. Programmi che aiutano l’utente nello sviluppo di applicativi (compilatori, editor, ecc.).

Software applicativo. Per le funzioni di controllo e supervisione (lettura degli ingressi, calcolo delle variabili di controllo, ecc.).

Software di comunicazione.

Software di configurazione. Editor grafici per la creazione delle pagine video, ecc.

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Sistemi di comunicazione per architetture di controllo distribuite • •

•

Reti informatiche. Collegano i sistemi di supervisione di alto livello con altri sistemi informativi di azienda. La trasmissione non deve soddisfare specifiche di tempo reale, per cui si possono usare protocolli standard (TCP/IP).

Reti per il controllo. Collegano i dispositivi dedicati al controllo con quelli di supervisione.

Devono garantire l’assenza di errori e il rispetto di vincoli temporali (per permettere la sincronizzazione delle operazioni del processo produttivo). Manca una standardizzazione, per cui le reti sono in genere proprietarie.

Reti di campo (fieldbus). Collegano i dispositivi di controllo con i sensori e gli attuatori dotati di interfaccia digitale (smart). I vantaggi dell’utilizzo del fieldbus sono: o Semplificazione architetturale (facile espandibilità e riconfigurabilità). o Riduzione del cablaggio (e quindi dei costi di installazione e manutenzione). o Possibilità di trasmettere informazioni di alto livello (autodiagnosi). o Maggiore robustezza della trasmissione (essendo digitale).

Bus di comunicazione

• •

L’ostacolo principale per la diffusione del bus di campo consiste nella scarsità di dispositivi (sensori ed attuatori) presenti sul mercato con interfaccia compatibile alla rete di campo.

Vi è quindi un motivo commerciale più che tecnologico, dal momento che non vi è uno standard riconosciuto per la rete di campo, come per la rete di controllo. Tuttavia in quest’ultimo caso l’esigenza è meno sentita perché i dispositivi sono prodotti da una stessa casa costruttrice, mentre nel primo caso gli elementi del sottosistema sono prodotti generalmente da costruttori diversi e risulta quindi difficile assemblare i componenti in un sistema integrato.

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