Corso di Strumentazione e Automazione Industriale

Modulo 1.2

Automazione degli impianti

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Ing. Marco Pellegrini

Ing. Alessandro Guzzini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Automazione degli impianti: codice pneumatico

Agenda

Automazione degli impianti: codice elettrico

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Automazione degli impianti: architettura di un sistema di misura e controllo

Il controllo e l’automazione di un impianto può essere schematizzato nello schema seguente

dove sono presenti gli elementi principali. L’elemento di misura E deve estrarre la minima

potenza possibile dal sistema per non alterarlo e pertanto, E non potrà comandare direttamente

un attuatore (il quale necessita di potenze maggiori).

Risulta dunque necessario introdurre un regolatore R che si interfaccia tra l’elemento sensibile

e l’attuatore. Per fornire potenza all’attuatore, R viene alimentato da un segnale di potenza.

E

Segnale di

potenza

I codici di trasmissione del segnale dal regolatore

all’attuatore possono essere suddivisi in:

1)Codice pneumatico

2)Codice elettrico analogico

3)Codice elettrico digitale

Automazione degli impianti: codice pneumatico

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Il codice pneumatico

L’automazione pneumatica è nata nei paesi anglosassoni ed i segnali trasmessi mediante aria

compressa vengono misurati in libbre per pollice quadrato (PSI). I segnali pneumatici trasmessi

dal regolatore all’attuatore sono solitamente nell’intervallo di pressione compreso fra 3÷15 PSI

corrispondenti a circa 0,21÷1 bar. Conseguentemente, il segnale in ingresso al regolatore dovrà

avere una pressione superiore (20 PSI); nel caso particolare di presenza di più attuatori che

devono attuare in sequenza, le pressioni sono maggiori.

3-60 PSI

Automazione degli impianti: codice pneumatico

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Il codice pneumaticoNel caso in cui le distanze fra elemento sensibile e regolatore dovessero aumentare, si deve interporre

un’altra interfaccia fra elemento sensibile e regolatore, ossia un trasmettitore, che è una sorta di regolatore

di pressione che restituisce rapidamente all’ingresso del regolatore il segnale presente all’uscita

dell’elemento sensibile.

Rispetto all’elemento sensibile che preleva potenza dal processo, tuttavia, il trasmettitore è alimentato con

aria compressa e dunque è possibile inviare velocemente il segnale senza alterare il sistema in quanto la

potenza del segnale di trasmissione è fornita dall’esterno.

Il segnale dal trasmettitore, inoltre, può essere inviato ad un registratore e ad un manometro che funge da

strumento indicatore.

Automazione degli impianti: codice pneumatico

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Esempio: spinta necessaria per chiudere l’otturatore di una valvola pneumatica

Ipotizziamo un otturatore di 6’’ di diametro (DN 150).

Se a valvola chiusa si ha una differenza di pressione tra i due

ambienti a monte e valle della stessa pari a 10 bar, il fluido

esercita sull’otturatore una spinta pari a:

Ffluido =π d2

4∙ ∆p =

π 0,152

4∙ 106 = 17670 N ≃ 1800 kg

Considerando un coefficiente di sovraccarico dovuto alla

molla pari a 1,5 la spinta necessaria per tenere chiuso

l’otturatore sarà:

Fpneum = Ffluido ∙ c = 1800 ∙ 1,5 = 2700 kg

La pressione massima fornita dal regolatore, corrispondente

al segnale di 15 psi, è di circa 1bar (cioè 1kg/cm2 di spinta) e

pertanto servirebbe una membrana di diametro pari a :

Amembr =Fpneum

pmax=

2700

1= 2700 cm2

d =4 Amembr

π=

4 ∙ 3450

π= 59 cm

linea tratteggiata: installazione autoclavica.

Il flusso contribuisce alla chiusura

dell’otturatore ma si hanno problemi nella fase

di regolazione finale.

Per evitare un servomotore da 59 cm (ingombrante e costoso), conviene adottare un regolatore

che fornisca un segnale maggiore di 15 PSI oppure trim bilanciato, oppure a doppio seggio.

Automazione degli impianti: codice pneumatico

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Consumo energetico derivante dalla regolazione di un impianto: aria compressa

L’aria compressa utilizzata per trasferire il segnale nel codice pneumatico deve essere prodotta

da un impianto di aria compressa dedicato (P&ID di figura) che è responsabile di un

assorbimento elettrico non trascurabile, funzione del rapporto di compressione e delle portate

elaborate.

Il calcolo dell’energia spesa per la produzione di aria compressa può essere effettuato mediante

l’equazione energetica del moto dei fluidi.

Automazione degli impianti: codice pneumatico

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Automazione degli impianti: codice pneumatico

Agenda

Automazione degli impianti: codice elettrico

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Il codice elettrico analogico

Con la comunicazione mediante codice elettrico, all’uscita dei regolatori si utilizza un codice in

corrente o un codice in tensione: nel caso di codice in tensione l’intervallo di segnali che arriva

all’attuatore è 0-10 V, mentre nel caso di codice in corrente è 4-20 mA.

• Comunicazione in tensione: 0 - 10V

Quando la natura del segnale proveniente dallo strumento

di misura è in tensione, il regolatore utilizza un codice

elettrico in tensione, per evitare di introdurre errori a seguito

di passaggi di conversione.

È importante osservare che nel caso di comunicazione in

tensione si induce un errore sistematico (ineliminabile

perché è l’architettura del sistema che lo impone) variabile

ΔV. La caduta di tensione lungo i cavi è variabile perché

dipende dalla corrente che circola.

Questa, a sua volta è funzione della differenza di tensione

ai capi del circuito che è funzione del segnale ricevuto al

regolatore dall’elemento sensibile.

Automazione degli impianti: codice elettrico

𝟎 ± ∆𝑽𝟏𝟎 ± ∆𝑽′

R

0-10 V

Doppino

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Il codice elettrico analogico

• Comunicazione in corrente: 4-20 mA

Nel caso di comunicazione in corrente, il regolatore trasmette all’attuatore un segnale in

corrente il cui valore è determinato dal segnale in ingresso al regolatore ed è controllato da un

amperometro di misura all’interno del regolatore.

Per ottenere questa corrente si dovrà spendere una certa potenza elettrica.

La scelta del valore minimo pari a 4 mA piuttosto che quello di 0 mA consente di non

confondere l’assenza di segnale (per esempio un danneggiamento) con il segnale di minimo.

R

Doppino

s

4 - 20 mA

Automazione degli impianti: codice elettrico

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Il codice elettrico digitale.

A differenza del codice elettrico analogico, in cui il segnale assume un qualsiasi valore

all’interno dell’intervallo definito (in corrente o in tensione), il segnale digitale è un segnale in

tensione discreto che assume due valori, per esempio 0V e 5V.

La strumentazione analogica deve avere un convertitore A/D per le comunicazioni con un PLC o

un PC. Viceversa un PC o un PLC per comunicare con un attuatore analogico deve disporre di

un convertitore D/A.

I convertitori A/D e D/A sono caratterizzati da due parametri:

• Numero di campionamenti nell’unità di tempo. Definisce ogni quanto tempo vado a

campionare il segnale.

• Numero di bit. Rappresenta in quanti intervalli si va a suddividere il campo di variazione

massima della variabile.

Andando a campionare un segnale analogico si ottiene un segnale digitale caratterizzato da un

unico valore per ogni intervallo di campionamento.

Più frequentemente vado a campionare l’onda analogica, tanto maggiore è il numero di bit

utilizzato e tanto migliore sarà l’approssimazione dell’onda analogica con un’onda quadra.

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Esempio di conversione analogico - digitale

All’istante t=0 la funzione a gradini assume il valore della variabile analogica misurata (ipotizziamo un

segnale in tensione). Tale valore rimane costante per il tempo di campionamento. Al termine del tempo di

campionamento, la funzione a gradini assume il nuovo valore corrente della variabile analogica, che rimane

costante per il successivo tempo di campionamento, e così via.

Segnale analogico

Segnale a gradiniTempo di campionamento

Tempo

Ten

sio

ne

t=0

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Il codice elettrico digitale

La scelta della comunicazione digitale rispetto alla comunicazione analogica comporta alcuni

vantaggi fra cui:

• Non è influenzata dal rumore elettrico che nel caso analogico obbliga l’utilizzo di cavi armati

con conseguente aumento dei costi.

• Si può comunicare più di un’informazione dal singolo strumento; nel caso analogico è

necessario utilizzare un doppino diverso per ogni informazione ricevuta e inviata dallo

strumento alla sala comandi. In questo caso si ha una riduzione dei costi di cablatura.

• Un singolo doppino può trasferire più di un’informazione da più di uno strumento fra cui

anche lo stato dello strumento derivante da diagnostica.

• È una comunicazione bidirezionale. Posso ricevere informazioni dallo strumento, ma posso

anche inviare comandi allo strumento. Questa proprietà è di fondamentale importanza

laddove l’impianto si trovi in ambienti difficilmente raggiungibili o ad elevato rischio per

l’operatore.

Nonostante questi indubbi vantaggi, la comunicazione analogica è ancora molto utilizzata a

causa del costo maggiore degli strumenti digitali rispetto agli strumenti analogici.

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