controllo di processo

8/15/2019 Controllo di Processo

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Lezione 1 - Introduzione al controllo di processo

Prof. Roberto Pisano

ntroduzione al corso di Controllo e

strumentazione per i processi

chimici

Roberto Pisano

Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia

e-mail: [email protected]

Tel. 011 0904679

POLITECNICO DI TORINO

Corso di Laurea in Ingegneria Chimica e Alimentare

Sinossi

1. Organizzazione del corso

2. Riferimenti e materiale didattico

3. Modalità di verifica dell’apprendimento

4. Calendario delle lezioni

5. Introduzione al controllo di processo

Politecnico di Torino – Controllo e strumentazione per processi chimici Lezione 01 – 2/41


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Lezioni ed esercitazioni

Lezioni in aula , che trattano gli aspetti teorici della dinamica e del

controllo di processo.

Esercitazioni in aula , che vertono a valutare la capacità dello

studente a eseguire calcoli applicativi che richiedono la

conoscenza degli aspetti teorici.

Esercitazioni al laboratorio informatico , che supportano quelle fatte

in aula e prevedono il progetto di un controllore per un processo

assegnato dal docente (lavoro di gruppo ).

Esercitazioni al laboratorio sperimentale , che prevedono il

progetto di un sistema di controllo in retroazione per un serbatoio

riscaldato e perfettamente miscelato (lavoro di gruppo ).

Esercitazioni di tutoraggio , al termine di ciascun argomento si

assegneranno degli esercizi (con risultato) per la verificadell’apprendimento. Coloro i quali riscontrassero difficoltà o

avessero dubbi, potranno risolverli con l’aiuto dello studente

coadiutore.


Riferimenti & Consulenza

Consulenza su aspetti teorici & esercizi


Lunedì, ore 14.30 – 16.00

Ufficio del docente presso DISAT, ingresso 3, piano 2

Per meglio gestire il tempo a disposizione, occorre prenotarsi via

e-mail ([email protected]).

Consulenza su Esercitazioni in aula

Dott. Luigi Carlo Capozzi

e-mail: [email protected]

Tel. 011 090 4695

Tutoraggio & Esercitazione di laboratorio

Andrea Arsiccio

L’orario e l’aula in cui si svolgeranno gli incontri di tutoraggio

saranno definiti durante il corso.



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Programma

Introduzione al controllo di processo

Specifiche e necessità del controllo per un impianto di processo

Configurazioni generali di sistemi di controllo: feedback e

feedforward

Struttura e componenti del sistema di controllo e risposta in

transitorio

Studio del comportamento dinamico di processi chimici

Modellazione matematica

Bilanci macroscopici e locali di materia, energia e quantità di

moto

Elementi introduttivi all’analisi dinamica: trasformata di Laplace

Dinamica dei sistemi lineari a basso ordine e di ordine superiore

Sistemi a risposta inversa e con ritardo

Analisi della risposta in frequenza

Derivazione di modelli semi-empiriciPolitecnico di Torino – Controllo e strumentazione per processi chimici Lezione 01 – 5/41

Programma

Controllo di processi chimici

Controllo di sistemi SISO (single-input/single-output)

Controllori in retroazione (feedback) e loro progettazione

Controllori in anteazione (feedforward) e loro progettazione

Controllori avanzati per processi con dinamiche “complesse”

Strumentazione di processo

Monitoraggio del processo: misura di portata, temperatura,

pressione, viscosità e composizione

Acquisizione di dati sperimentali nel laboratorio didattico e

simulazione dinamica di un processo reale



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Programma

Simulazione di processo

Introduzione ai simulatori dinamici (Simulink).

Diagrammi di Bode e Nyquist, calcolo di zeri di polinomi, e

calcolo del diagramma del luogo delle radici

Simulazione dinamica dei processi chimici con Simulink

Simulazione dinamica di sistemi di controllo feedback e

feedforward con Simulink


Sinossi








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Riferimenti e materiale didattico

Riferimenti bibliografici

Seborg, D.E., T.F. Edgar, D.A. Mellichamp and F.J. Doyle III,Process Dynamics and Control. John Wiley & Sons, New York,

2011.

Ogunnaike, B. A., Ray, H. E. Process Dynamics, Modeling and

Control. Oxford University Press, 1994.

Altri riferimenti

Stephanopoulos, G., Chemical process control : an introduction

to theory and practice. PTR Prentice Hall, 1984.

Douglas, J. M., Process Dynamics and Control, PTR Prentice

Hall, 1972.

Materiale didattico

I lucidi delle lezioni sono disponibili sulla pagina del corso.


Sinossi






Politecnico di Torino –Controllo e strumentazione per processi chimici Lezione 01 – 10/41


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Modalità di verifica dell’apprendimento

Organizzazione dell’esame

La verifica dell’apprendimento avviene mediante una provascritta e (facoltativo) un colloquio orale.

Se si è superato l’esame scritto, lo studente può decidere di

concludere l’esame (in questo caso il voto massimo ottenibile è

32/30, 30/30 esame scritto e 2/30 relazione di gruppo) oppure

sostenere il colloquio orale.

Esercitazione di calcolo e sperimentale

Lo studente è tenuto a partecipare al laboratorio sia informatico

sia sperimentale e dovrà presentare una relazione di gruppo

entro la fine del corso.

La relazione sarà valutata e darà diritto a un punteggio

aggiuntivo non superiore a 2 punti. La relazione di laboratorio, inoltre, potrà essere oggetto di

discussione durante il colloquio, e ciascun componente del

gruppo dovrà assumersene la completa responsabilità.Politecnico di Torino –Controllo e strumentazione per processi chimici Lezione 01 – 11/41

Modalità di verifica dell’apprendimento

Prova scritta

Per sostenere la prova scritta occorre aver conseguito una

valutazione sufficiente dell’esercitazione di laboratorio.

La prova scritta si basa su due/tre esercizi di tipo applicativo, che

richiedono una conoscenza congiunta degli aspetti teorici e di

quelli di calcolo, e di uno/due quesiti di teoria.

Lo svolgimento della prova richiede circa due ore durante le

quali lo studente non può consultare né libri né appunti.

Colloquio orale

Per sostenere il colloquio orale è necessario aver conseguito

almeno 18/30 nella prova scritta. Il colloquio prevede la discussione della relazione di gruppo, una

domanda di approfondimento sugli aspetti teorici, un esercizio di

tipo applicativo e un quesito sulla strumentazione industriale.

Il colloquio orale richiede 30/45 minuti.



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Sinossi


2. Riferimenti e materiale didattico3. Modalità di verifica dell’apprendimento




Calendario delle lezioni (1)


Il calendario delle lezioni sarà pubblicato sulla pagina del corso conla seguente notazione.

EA Esercitazione in aula

LAB Esercitazione al laboratorio sperimentale

LA B Esercitazione al laboratorio informatico

L Lezione in aula

TU Tutoraggio


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Sinossi


2. Riferimenti e materiale didattico3. Modalità di verifica dell’apprendimento


5. ntroduzione al controllo di processo


ntroduzione al controllo di processo

Ogni singola unità di processo, o combinazione di unità di processo,usata per la conversione di materie prime in prodotti finiti è un

processo chimico.

Il funzionamento di un processo/impianto

chimico è definito da fenomeni e

grandezze che possono cambiare nel

tempo.

Condurre l’impianto implica, quindi,

controllare il suo funzionamento in

accordo con le condizioni operative di

progetto (condizioni nominali) o, in

alternativa, secondo regimi alternativi

dettati da specifiche esigenze di processo.


Prodotto finito

EnergiaMaterie

prime


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Vi è stata assegnata la gestione di un miscelatore (perfettamente

miscelato) e dovete garantire che la composizione della corrente in

uscita dal serbatotio () resti costante nel tempo e pari a un valoredesiderato ().

A questo scopo ho due alternative:

1. Non tocco niente fino a quando non

si presenta un problema! E nel caso

si presentasse, lo ignoro.

2. Progetto un sistema automatico che

monitora la concentrazione in uscita

e interviene in caso di scostamenti

dal valore desiderato.

Politecnico di Torino – Controllo e strumentazione per i processi chimici Lezione 01 – 17/41

c1, f 1 c2, f 2

c3, f 3


Strategia 1 (Non seguirla!)

Politecnico di Torino – Controllo e strumentazione per i processi chimici Lezione 01 – 18/41

Tutto

procede

bene?

Non toccare!

Hai

toccato

qls?Idiota!

Sei spacciato!

Puoi

scarica re

responsabil

ità? Ignora il

problema

I tuoi

colleghi

lo sanno?

Non c’è alcun

problema

Sei in

pericolo

?

Nascondi il

problema

Sì No

Sì No

No

Sì

Sì

No

Sì

No


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Strategia 2. Controllo automatico del processo

1. Monitorare le variabili indicatrici dello stato del processo;2. Manipolare quelle variabili di processo, che sono legate alla

sicurezza, la produttività e qualità del prodotto, in modo da

migliorare le condizioni del processo stesso.

La dinamica e il controllo dei processi chimici è

quella parte dell’ingegneria chimica che si occupa

dell’analisi, della progettazione e implementazione

dei sistemi di controllo che facilitano il

raggiungimento di obiettivi specifici quali operare in

sicurezza e garantire la quantità (e qualità) della

produzione.

Babatunde A. Ogunnaike



Nella conduzione del processo occorre, inoltre, tenere conto diaspetti tecnici, economici, sociali e di legge. In particolare, le unità di

processo devono operare in:

1. Sicurezza: occorre operare lontano da condizioni che possono

rivelarsi pericolose per la sicurezza degli operatori e della

popolazione limitrofa all'impianto. A tale scopo è necessario

tenere sotto controllo tutte le emissioni, e prevenire anomalie,

malfunzionamenti e incidenti.

2. Nel rispetto delle specifiche di produzione: l'impianto deve

essere gestito in modo da mantenere il livello di qualità e

produzione desiderato. Infatti, il prodotto che non rispetta lespecifiche di qualità è trattato come un rifiuto o, dove possibile,

riprocessato a fronte di un costo aggiuntivo.



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3. tenendo conto degli aspetti economici: la conduzione

dell’impianto deve adeguarsi alle specifiche di mercato che

cambiano con la richiesta, la disponibilità delle materie prime e

la quotazione prodotto finale.

4. nel rispetto dei vincoli di legge e operativi: occorre tenere conto

dei vincoli di legge relativi alle emissioni, produzione di reflui e

scarti di produzione, e smaltimento dei rifiuti di processo, nonché

di quelli operativi necessari per una corretta conduzione

dell’impianto e l’esercizio adeguato delle apparecchiature.

In generale, il controllo di processo deve rispondere a varie

necessità:

‒ soppressione dei disturbi esterni;

‒ garantire la stabilità del processo;

‒ ottimizzazione del processo;

‒ …


Problema di regolazione vs asservimento


Si possono distinguere due problemi di controllo: i problemi diregolazione e quello di asservimento.

La differenza tra un regolatore e un controllore ad asservi-

mento risiede nel fatto che il valore desiderato della variabile

che si vuole controllare (setpoint ) è costante in un caso e

variabile nell’altro.

Esempio. Si consideri il controllo della temperatura dell’acqua

per la doccia di casa. Definire in quali condizioni il problema di

controllo è di regolazione e in quali è di asservimento.


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Gerarchia del controllo di processo


Variabili di processo


Cos’è una variabile di processo?

E’ una grandezza fisica (pressione, temperatura, composizione,

portata massica o molare, etc..) che descrive lo stato di un processo

e il cui valore può variare nel tempo.

E un parametro di processo?

Come si classificano le variabili di processo?

variabili di

processo

variabili di

ingresso

variabili

manipolate

variabili

misurabili

variabili non

misurabili

Variabili

disturbo

variabili

misurabilivariabili non

misurabili

variabili distato

variabili di

uscita

variabili

misurabili

variabili non

misurabili


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Vapore

N

Vapore

OUT

Fluido di

processo

N

Fluido di

processo

OUT

Variabili di processo. Esempio


Identificare e classificare le variabili per i seguenti processi:

Processo 1. Scambiatore di calore coassiale

? Obiettivo del sistema di controllo? Attuatori

? Elementi di misura

Identificare e classificare le variabili per i seguenti processi:

Processo 2. Reattore chimico (con reazione esotermica)

? Obiettivo del sistema di controllo

? Attuatori

? Elementi di misura

Variabili di processo. Esempio



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Controllo di processo – Esempio


Si consideri un miscelatore a cui convergono due correnti:

1. La linea 1 è una miscela di due componenti (A e B) la cui portatamassica (w 1) è costante, mentre la frazione massica di A cambia

nel tempo (x 1);

2. La linea 2 contiene solo il componente A (x 2=1). La sua portata è

modulabile per mezzo di una valvola di controllo.

Sia x la frazione di A nella

corrente in uscita e x d il suo

valore desiderato.

Controllo di processo – Esempio


Definire gli obiettivi dello controllo di processo.

? Sicurezza

? Specifiche di produzione

? Altro


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Soppressione dei disturbi esterni – Esempio


Si consideri il problema di mantenimento della composizione della

corrente in uscita (x ) al suo valore desiderato (x d

) a fronte di disturbi

esterni sulla composizione della corrente 1.

Sia la portata di alimentazione della corrente 1 un parametro di

processo.

Il problema può essere

studiato da due prospettive:

― Ingegnere di processo

― Ingegnere di controllo



Ingegnere di processo

Se il valore nominale di x 1 è , qual è il valore nominale di

w 2 richiesto per produrre il valore desiderato di concentra-

zione di uscita x d ?

Bilancio di materia in condizioni stazionarie

uscita + accumulo = entrata + generazione

globale:

componente A:

Si ricorda che e , quindi l’equazione di progetto

per il

sistema in esame risulta essere:

Se le nostre assunzioni sono corrette e , il valore di garantisce il

risultato x = x d . Questo sarebbe ancora valido se le condizioni operative

cambiassero?

1x

1 2

0 w w w

1 1 2 2

0 w x w x wx

2

1x d

x x

12 1

1d

d

x x w w

x

1 1x x 2w


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Ingegnere di controllo

Si consideri il caso in cui x d cambi nel tempo. Come possogarantire che la composizione della corrente in uscita sia

uguale (o in prossimità) al valore desiderato?

Soluzio e 1. Controllo in retroazione: misuro x e manipolo w 2 .

Come faccio a manipolare w 2 ?

1. Controllo manuale

2. Controllo automatico

2 2 c d w t w K x x t




Si consideri il caso in cui x d cambi nel tempo. Come posso

garantire che la composizione della corrente in uscita sia


Soluzio e 2. Controllo in anteazione: misuro x 1 e manipolo w 2 .

Come faccio a manipolare w 2 ?

Uso un modello matematico del

processo:

1

2 11

d

d

x x t w t w

x


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Si consideri il caso in cui x d cambi nel tempo. Come possogarantire che la composizione della corrente in uscita sia


Soluzio e 3. Misuro x 1 e x, manipolo w 2 . (Combinazione metodo 1 e

2)

Soluzio e 4. Collaborazione tra ingegnere di controllo e ingegnere di

processo.

Uso un serbatoio più grande in modo che un eventuale disturbo

sulla concentrazione in ingresso è smorzato da un più elevato

volume di liquido. Questa soluzione, però, comporta un aumento delcosto di investimento.

Schema a blocchi di un sistema di controllo


Processo

Controllore

outputinput

schema di controllo in retroazione

disturbo

Processo

Controllore

outputinput

schema di controllo in anteazione

disturbo

Processo

Controllore

outputinput

schema di controllo a ciclo aperto

disturbo


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Controllo in anteazione vs. retroazione


Controllo in retroazione Controllo in anteazione

Si basa sul monitoraggio della

variabile di uscita.

Si basa sul monitoraggio del

disturbo in ingresso.

Monitoraggio continuo delle

variabili di uscita e, quindi,

dello stato del processo.

Non considera lo stato del

sistema.

L’azione di controllo è

intrapresa dopo che l’effetto del

disturbo si è manifestato sul

processo.

Agisce anticipando l’effetto del

disturbo.

Progettazione di un sistema di controllo


1. Definizione degli obiettivi del controllo (variabile controllata).

2. Selezionare la variabile controllata.

3. Selezione delle variabili misurate:

― in modo da garantire un efficace monitoraggio della dinamica

del processo;

― sulla base di disponibilità di misure primarie (i.e. dirette) o

secondarie (i.e. inferenziali):

variabili di processo non misurabili direttamente;

strumenti di misura non affidabili o troppo costosi;

tempi di ritardo nella misura.

4. Selezione delle variabili manipolate, vale a dire individuare le

variabili di ingresso che si vuole modificare per conseguire

l’obiettivo del sistema di controllo.

controllo di processo

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