modulo 1.4 schemi di regolazione · 2019-12-16 · corso di strumentazione e automazione...
Post on 07-Aug-2020
15 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Corso di Strumentazione e Automazione Industriale
Modulo 1.4
Schemi di regolazione
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Ing. Marco Pellegrini
Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Agenda
Schemi di regolazione
Esercitazione: regolazione selettiva
2/32
Semplice retroazione
La regolazione cerca di tenere la variabile controllata entro i limiti imposti, rincorrendo il
sistema.
Il sistema è sensibile ai disturbi di alimentazione o di processo solo in uscita e ben si applica
se la risposta avviene in tempi brevi.
Se il processo ha tempi morti lunghi o costanti di tempo lunghe la semplice retroazione non
va bene (si tenga presente che lentezza e velocità sono in funzione della velocità del
disturbo).
Schemi di regolazione
3/32
Retroazione e previsione
Nel punto A viene prelevato il segnale di previsione (feed forward) ed inviato ad un regolatore
secondario Rs. Nel punto B si preleva il segnale di retroazione (feed back) che viene inviato al
regolatore primario Rp. Da Rp a Rs i segnali giungono ad un relè pneumatico (RLP) che,
confrontandoli, produce un segnale in uscita (può far passare il più alto o il più basso e si parla
di relè passa-alto o passa-basso) che viene inviato all’otturatore.
Questo sistema è utilizzato quando si verificano sensibili disturbi sull’alimentazione e quando la
velocità di semplice retroazione non consente di ottenere una buona stabilità.
A : prelievo segnale di previsione
B : prelievo segnale di retroazione
RLP : relè pneumatico
RP : regolatore primario
RS : regolatore secondario (di tipo P. o P.D.)
Schemi di regolazione
4/32
Controllo in cascata
In questo caso il processo è individuato da 2 fasi fra le quali si preleva una variabile intermedia
A che viene inviata ad un regolatore sub-master RSM il cui set-point è dato dall’uscita del
regolatore master RM che preleva il segnale da B (variabile controllata).
L’attuatore tiene quindi conto sia dell’elemento sensibile in A, sia di quello in B, mentre con il
controllo in retroazione e previsione, il sistema si esprimeva con due segnali, ma solo uno
veniva utilizzato.
Si anticipa che mentre RM può essere proporzionale-integrale (PI) o proporzionale-integrale-
derivativo (PID), è opportuno che RSM sia uno strumento sensibile, veloce, ed alto guadagno
(generalmente è un proporzionale (P) a banda stretta)
A : prelievo variabile intermedia
B : prelievo variabile controllata
RM : regolatore master
RSM : regolatore sub-master
Schemi di regolazione
5/32
Esempi sul controllo di livello di un sistema a due costanti di tempo.
Si voglia controllare il livello del serbatoio II.
Di seguito verranno valutate le diverse soluzioni di regolazione viste precedentemente.
Schemi di regolazione
6/32
Il regolatore di livello RL (ad es. un trasduttore di pressione come un manometro) sente le
variazioni di livello nel serbatoio II (livello di altezza X) con grande ritardo rispetto all’intervento
di regolazione.
Il rischio è quello di avere correzioni eccessive provocando pendolazioni del sistema (e quindi il
fallimento della regolazione)
Esempio: Semplice retroazione (sistema a due costanti di tempo)
Schemi di regolazione
7/32
Il regolatore di livello (master) RL fornisce il set ad un regolatore di portata (sub-master) RP che
preleva un segnale dall’alimentazione (previsione). RP controlla l’attuatore in modo che la
variabile controllata (il livello x) non venga apprezzabilmente influenzata dai ritardi e da disturbi
dell’alimentazione.
Esempio: Previsione e retroazione (sistema a due costanti di tempo)
Schemi di regolazione
8/32
In questo caso si fornisce il set pneumaticamente al regolatore sub-master RL1 mediante il
master RL2. Confrontando i due ingressi, RL1 fornisce il segnale all’attuatore. Il sistema consente
di ovviare a problemi di ritardi, ma non ha una risposta pronta ai disturbi sull’alimentazione.
Con questa configurazione, si ha un controllo diretto sui livelli, senza nessun controllo sulla
portata.
Esempio: Controllo in cascata (sistema a due costanti di tempo)
Schemi di regolazione
9/32
Agenda
Schemi di regolazione
Esercitazione: regolazione selettiva
10/32
Regolazione selettiva (o di sicurezza)
La regolazione selettiva è utilizzata quando si vogliono controllare più variabili all’uscita di un
processo, mediante lo stesso organo regolatore, per esempio una valvola attuata.
I segnali prelevati da A e B vengono inviati ad un relè pneumatico RLP che seleziona, per esempio, il più
alto o il più basso dei due segnali, facendolo giungere all’organo di regolazione che controlla il processo..
E’ così possibile regolare una variabile A (ad esempio la temperatura) fino a che un’altra B (ad esempio la
pressione) rimane entro certi limiti controllando una terza variabile (ad esempio la portata di fluido).
Esercitazione: regolazione selettiva
11/32
Esempio di regolazione selettiva: regolazione della pressione di mandata di una pompa
con controllo di sicurezza (anti cavitazione) all’aspirazione
Pompa
Segnale in pressione
(dall’impianto)
PT1
Segnale in pressione
3-15 psi
Acqua
Aria compressa
20 psi
RP1
Valvola
Regolazione NC
Segnale in pressione
(dall’impianto)
Segnale in pressione
3-15 psi
Aria compressa
20 psi
RP2RLP
(PB)
PT2
Segnale
15-3 psiSegnale in pressione
3-15 psi
Azione diretta Azione inversa
Esercitazione: regolazione selettiva
• RP: regolatore pneumatico
• RLP (PB): relè pneumatico (passo basso)
• PT: trasmettitore pneumatico
• NC: valvola normalmente chiusa
Problema della cavitazione
12/32
Scelta della condizioni normali della valvola di regolazione VR
Le condizioni normali di una valvola (Normalmente aperta = NA; Normalmente chiusa = NC)
sono le condizioni della valvola quando non vi insiste nessun segnale.
La scelta relativa alle condizioni normali di una valvola all’interno di un impianto è legata,
solitamente, a considerazioni di sicurezza.
In questo esempio, volendo regolare evitando la cavitazione, la valvola sarà una NC.
Infatti in caso di perdita di alimentazione del segnale in pressione all’attuatore, la valvola si
chiude intercettando la mandata della pompa. Dunque, in assenza del segnale dai due
trasduttori pneumatici, ossia in una condizione in cui non si hanno informazioni su come
l’impianto stia evolvendo, si intercetta la mandata per evitare cavitazione e dunque la rottura
della pompa.
Se si fosse scelto una valvola NA, in caso di assenza di segnale pneumatico e dunque perdita
del controllo alla mandata della pompa, la valvola aprirebbe completamente aumentando la
portata elaborata. Questa scelta potrebbe essere determinata dalla volontà di alimentare in ogni
caso l’utenza. In realtà questa scelta non è corretta tecnicamente: in caso del verificarsi di
cavitazione, infatti, la pompa elabora una portata inferiore rispetto a quella nominale che si
vorrebbe garantire aprendo completamente la valvola.
Conseguentemente la regolazione dell’impianto fallirebbe con l’installazione di una valvola NA.
Esercitazione: regolazione selettiva
13/32
Esercitazione: regolazione selettiva
14/32
Breve descrizione del funzionamento in caso di aumento della portata richiesta
L’aumento della richiesta di portata è responsabile di:
• Riduzione della pressione misurata da PT2. Il segnale pneumatico inviato a RP2 richiede
l’apertura della valvola VR per inseguire la richiesta da parte dell’utenza: essendo la valvola
di regolazione NC, la pressione del segnale pneumatico deve aumentare (azione inversa)
• Riduzione della pressione misurata da PT1. Il segnale pneumatico inviato a RP1 richiede
la chiusura della valvola VR per evitare fenomeni di cavitazione: essendo la valvola di
regolazione NC, la pressione del segnale pneumatico deve diminuire (azione diretta)
Le due richieste all’aumento della portata richiedono un’azione diversa da parte del sistema di
regolazione ed in ultima analisi da parte della valvola (apertura o chiusura). Per poter regolare
correttamente l’impianto, dunque, la regolazione deve essere in grado di identificare l’azione
prioritaria in funzione delle condizioni di funzionamento attuali dell’impianto.
In particolare, l’obiettivo del sistema di regolazione è quello di soddisfare le richieste da parte
delle utenze preservando la pompa da eventuali fenomeni di cavitazione e dunque da rotture.
La cavitazione è un fenomeno che provoca il danneggiamento di dispositivi idraulici
quali pompe e valvole ed è provocata dall’implosione di bolle di vapore e gas che si
formano nella sezione di ingresso dove la pressione del fluido è inferiore alla
tensione di vapore, Tv, calcolata alla temperatura del fluido.
L’implosione delle bolle avviene nella sezione della pala dove la pressione ritorna
ad essere superiore alla tensione di vapore, provocando il danneggiamento con
conseguente erosione meccanica in breve tempo; tale fenomeno è accompagnato
da un caratteristico «rumore metallico» e da un notevole calo delle prestazioni. Per
garantire l’assenza del fenomeno occorre che la pressione del fluido in ingresso alla
pompa sia maggiore della tensione di vapore alla temperatura di lavoro.
Con riferimento alla figura a fianco, scrivendo l’equazione energetica del moto dei fluidi
tra la sezione di ingresso nella girante e quella rappresentata dal pelo libero, si ha:
C2 − Ca2
2+ g z − za + Rc + Ra +
p − pa𝜌
= 0J
kg
Dove Rc rappresenta le perdite subite dal fluido nel condotto di aspirazione (imputabili
quindi all’impianto), mentre Ra rappresenta le perdite interne alla pompa che il fluido
subisce tra la sezione di ingresso nella pompa e quella di ingresso nella girante.
Posto h = z – za e trascurando Ca si ottiene:
C2
2+ g h + Rc + Ra +
p − pa𝜌
= 0
Esercitazione: regolazione selettiva
15/32
All’ingresso della girante si ha una depressione tanto più elevata,
quanto più elevati sono: il dislivello, le perdite e l’energia
cinetica del liquido.
La pressione p del liquido non deve quindi abbassarsi sotto il
valore ps (pressione di saturazione) al fine di non avere
cavitazione.
pa𝜌−
1 + c ps𝜌
− g h − Rc > Ra +C2
2
dove c è un coefficiente di sicurezza che tiene conto della
presenza di gas incondensabili (circa 0,3÷0,5).
A sinistra appaiono solo termini dipendenti dall’impianto, mentre a
destra quelli legati alla pompa.
L’impiantista conosce a che quota installa la pompa (pa), a che
temperatura lavora (ps), il dislivello che deve vincere (h), la portata
(Q) e le caratteristiche della condotta (Rc). Non conosce invece il
termine:
NPSH = Ra +C2
2
che prende il nome di indice di cavitazione o NPSH (Net Positive Suction Head); tale valore è fornito dal
costruttore della pompa.
Esercitazione: regolazione selettiva
16/32
Cata
log
o d
i u
na
po
mp
a
Ttest = 40C
Esercitazione: regolazione selettiva
17/32
NPSH:
Trascurando la pressione di saturazione e le perdite
nel condotto si ha:
pa
𝜌 g− h > NPSH [m]
Per esempio:
1) Q = 100 m3/h NPSH ≃ 3 m
Posso installare la pompa a non più di 7 metri
d’altezza dal pelo libero del bacino da cui sto
pescando. Infatti:
h <pa𝜌 g
− NPSH =101300
1000 ∙ 9,81− 3 ≃ 7 m
2) Q = 380 m3/h NPSH ≃ 10 m
La pompa va installata allo stesso livello del pelo
libero (in realtà, servono ulteriori 1÷1,5 m di battente
per tutelarsi dalla cavitazione. La pompa andrebbe
quindi installata sotto battente).
3) Q = 410 m3/h NPSH ≃ 12 m
La pompa va installata almeno 2 metri sotto il
battente.
Esercitazione: regolazione selettiva
18/32
PT1 PT2
Regolazione della valvola
Per comprendere come effettuare la regolazione della valvola si deve verificare la condizione normale
della valvola, ossia il suo stato in assenza di segnale. Nel caso la valvola è del tipo NC, e dunque in
assenza di segnale pneumatico è chiusa.
Per garantire le richieste di portata e protezione rispetto alla cavitazione, i due regolatori RP1 e RP2 operano
in condizioni antitetiche.
Infatti, RP1 chiuderebbe la valvola quando la pressione in aspirazione tende a scendere sotto il
valore di taratura ed RP2 chiuderebbe la valvola quando la pressione in mandata tende a salire.
RP1 azione diretta: in caso di cavitazione il segnale in ingresso da PT1 (la pressione del processo)
diminuisce, il regolatore RP1 diminuisce il segnale in uscita (il segnale pneumatico) affinché la valvola si
chiuda (valvola NC).
RP2 azione inversa: in caso di aumento del prelievo il segnale in ingresso da PT2 (la pressione del
processo) diminuisce, il regolatore RP2 deve tuttavia aumentare il segnale in uscita (il segnale pneumatico)
per poter aprire la valvola (NC).
Esercitazione: regolazione selettiva
19/32
Regolazione della valvola
Per decidere quale dei due segnali pneumatici inviare, si inserisce nella regolazione un Regolatore Passa
Basso (RLP): questo dispositivo selezione e lascia arrivare alla valvola il segnale più basso dei due
regolatori.
Dunque, fintanto che la pressione all’aspirazione sarà più alta del valore di set point (valore minimo
ammesso per evitare cavitazione):
• il segnale di RP1 sarà alto e verrà fermato dal relè pneumatico.
• il segnale di RP2 opererà sulla valvola regolando la pressione e dunque alla mandata della pompa.
Quando la pressione all’aspirazione cala e raggiunge un valore limite, il regolatore passa basso acquisisce il
segnale primario e comanda la valvola al fine di garantire un valore di pressione sufficiente ad evitare la
cavitazione.
→ si realizza così la regolazione fino a che non si interrompe il processo per motivi di salvaguardia.
PT1 PT2
Esercitazione: regolazione selettiva
20/32
Dimensionamento e scelta dei componenti
Si consideri una pompa che preleva dell’acqua da un serbatoio a pelo libero. La pompa elabora
una certa portata di acqua, Gdes, inviandola ad un’utenza industriale collegata. La temperatura
massima di prelievo dell’acqua risulta pari a di 30 C. Una valvola di non ritorno, VNR1, è inserita
a monte della pompa al fine di evitare lo svuotamento della condotta di aspirazione allo
spegnimento della pompa che potrebbe provocare problemi di adescamento alla ripartenza.
La portata è regolata attraverso una valvola regolatrice, VR, posta alla mandata della pompa,
che viene aperta o chiusa seguendo una logica di regolazione selettiva.
Legenda
PT Trasmettitore pneumatico
VNR Valvola di non ritorno
VI Valvola di intercettazione
VR Valvola regolatrice di portata
ME Motore elettrico
RP Regolatore pneumatico
RLP Regolatore passa basso
20
psi
20 psi
20
psi
3-15 psi
3-15 psi3-15 psi
15-3 psi
8 bar0,4 bar
Esercitazione: regolazione selettiva
21/32
Dimensionamento della pompaIl dimensionamento e dunque la scelta della pompa deriva da diverse considerazioni che devono tenere
conto delle seguenti informazioni di processo:
1. Tipologia scelta: pompa centrifuga;
2. Portata richiesta dall’utenza: 80 m3/h. La portata richiesta dall’utenza dipende dalle esigenze
specifiche dell’utenza allacciata. Sebbene il suo valore nominale possa essere calcolato mediante
bilanci di massa e di energia al sistema, è opportuno identificare la presenza di eventuali condizioni di
fuori progetto che richiedono portate maggiori rispetto a quelle nominali.
3. Prevalenza: 8 bar
• La prevalenza dipende dalla caratteristica del circuito. A seguito del calcolo delle perdite di carico
complessive del circuito percorso dalla portata di progetto, è possibile individuare la prevalenza
della pompa richiesta; infatti la relazione che lega la prevalenza della pompa con le perdite di
carico è la seguente: ∆𝑝𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎= 𝜑∆𝑝𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜, dove 𝜑 è un fattore di sicurezza che tiene conto delle
approssimazioni effettuate nel calcolo della perdita di carico complessiva.
4. Fluido elaborato: acqua. In funzione della tipologia di fluido elaborato dipendo i materiali utilizzati per le
parti in contatto con il fluido, che dunque possono richiedere specifiche caratteristiche.
Esercitazione: regolazione selettiva
22/32
Dimensionamento pompa: scelta pompa
Si vuole lavorare in un
punto a massimo
rendimento
La pompa scelta è una pompa
centrifuga Grundfos caratterizzata da:
• Portata: 80 m3/h;
• Prevalenza: 8 bar;
• NPSH: 3 m;
• Potenza elettrica assorbita: 25 kW
Esercitazione: regolazione selettiva
23/32
Dimensionamento pompa: dati tecnici e dimensioni
• Pompa Grundfos NK 50-250/254
NK è la tipologia di pompa;
50 è il diametro nominale della bocca in mandata in [mm];
250 è il diametro nominale della girante in [mm];
254 è il diametro effettivo della girante in [mm].
Esercitazione: regolazione selettiva
24/32
Calcolo altezza minima per evitare il fenomeno della cavitazione
Esercitazione: regolazione selettiva
25/32
Per evitare fenomeni di cavitazione occorre verificare che l’altezza di installazione della pompa eviti il
raggiungimento della tensione di vapora in ingresso alla pompa.
Per la verifica, si suppongano validi i seguenti valori:
• pb: 1 bar (pressione barometrico che è presente sul serbatoio aperto).
• Hf: 0,5 m (valore calcolato attraverso la somma di perdite distribuite e concentrate alla portata nominale
nel tubo di aspirazione)
• HV (T=30°C): 0,4 m (da manuale)
• NPSH= 3,0 m (valore fornito dal costruttore)
• HS: 0,5 m (margine di sicurezza)
Inserendo i valori numerici nell’equazione fornita dal costruttore della pompa si ottiene:
𝐻 = 𝑝𝑏 × 10,2 − 𝑁𝑃𝑆𝐻 − 𝐻𝑓 − 𝐻𝑉 − 𝐻𝑆 = 1 × 10,2 − 3,0 − 0,5 − 0,4 − 0,5 = 5,8 𝑚
Dunque, per non avere fenomeni di cavitazione occorre installare la pompa ad un’altezza massima di 5,8 m
sopra il battente. Questa valutazione è valida in condizione di design, ossia portata uguale a quella di
progetto. Nel momento in cui si effettua una regolazione della portata si potrebbero verificare tuttavia
fenomeni di cavitazione e dunque la regolazione selettiva risulta necessaria.
Calcolo altezza minima per evitare il fenomeno della cavitazione
Esercitazione: regolazione selettiva
26/32
Scelta dei trasmettitori penumatici e dei regolatori
Il rilevamento delle pressioni p1 e p2 avviene tramite i trasmettitori pneumatici PT1 e PT2 che
presentano un elemento per la misura di pressione; questi trasmettitori forniscono in uscita un
segnale pneumatico in 3-15 psi Il segnale in pressione viene manipolato dai regolatori di
pressione RP1 e RP2 che inviano un segnale in pressione al relè pneumatico RLP passo basso.
Il relè pneumatico comanda quindi l’attuatore della valvola regolatrice.
Pompa
Segnale in pressione
(dall’impianto)
PT1
Segnale in pressione
3-15 psi
Aria compressa
20 psi
RP1
Valvola
Regolazione NC
Segnale in pressione
(dall’impianto)
Segnale in pressione
3-15 psi
Aria compressa
20 psi
RP2RLP
(PB)
PT2
Segnale in pressione
3-15 psiSegnale
3-15 psi
Esercitazione: regolazione selettiva
Acqua27/32
Trasmettitore pneumatico (PT): serie 200
Esercitazione: regolazione selettiva
28/32
Regolatore pneumatico (RP1 e RP2)
Esercitazione: regolazione selettiva
29/32
Relè pneumatico (RLP) passa basso (PB)
Esercitazione: regolazione selettiva
30/32
P&ID e definizione dei componenti
Legenda
PT Trasmettitore penumatico
VNR Valvola di non ritorno
VI Valvola di intercettazione
VR Valvola regolatrice di portata
Legenda
ME Motore elettrico
RP Regolatore di pressione
RLP Regolatore passa basso
20
psi
20 psi
20
psi
3-15 psi
3-15 psi3-15 psi
3-15 psi
Fluidomatic
BR10Spirax Sarco
serie 200
Spirax Sarco
serie 200
Spirax Sarco
serie 200
225
Spirax Sarco
serie 200
225
Esercitazione: regolazione selettiva
31/32
Corso di Strumentazione e Automazione Industriale
Modulo 1.4
Schemi di regolazione
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Ing. Marco Pellegrini
Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
top related