Il controllo di processo oggi

Industry 4.0 e la digitalizzazione globale non tagliano e anzi incrementano la necessità di controllare strettamente i processi produttivi per garantirne la ripetibilità e per assicurare la qualità del prodotto.

Immaginiamo di dover regolare il flusso in transito attraverso una condotta; il controllo può vantaggiosamente essere realizzato tramite una comune valvola proporzionale. Se la valvola ammette un range per la tensione di comando, ad esempio, di dieci volt e se il rapporto fra la variabile di comando (la tensione in ingresso) e la variabile comandata (la percentuale di apertura della valvola) è perfettamente lineare, abbiamo un sistema nel quale fornendo una tensione di dieci volt alla valvola otterremo l’apertura totale, alimentando con cinque volt avremo un’apertura del 50% e così via.

Metodologia soltanto apparentemente perfetta in quanto non priva della possibilità di errori: una variazione della pressione a valle dell’unità controllata o un malfunzionamento della serranda della valvola provocherebbero un flusso non corretto del quale, però, l’unità di controllo non avrebbe notizia mancando un riscontro sulla correttezza della regolazione effettuata.

I segnali di feedback

Una regolazione come quello descritta viene comunemente indicata con il nome di “controllo in anello aperto” in quanto non è previsto alcun segnale di ritorno verso l’unità di comando; in altri termini una regolazione di questo tipo prevede soltanto l’uso di opportuni attuatori e la perfetta conoscenza della loro funzione di trasferimento.

Se però, istante per istante, si vuole essere certi della reale entità del flusso controllato, ovvero della reale apertura della valvola, l’installazione di un flussimetro a valle della valvola può fornire all’unità di controllo indicazioni sul valore reale della grandezza misurata, utili per la rimodulazione continua del segnale di comando. In tal caso il sistema descritto prende il nome “controllo in anello chiuso”. Questo tipo di regolazione fornisce i risultati più certi perché l’unità di controllo, anziché limitarsi ad imporre un segnale di comando, regola il proprio ordine al fine di mantenere il più piccolo possibile lo scarto fra il comando e il reale. Nel nostro esempio, grazie all’informazione fornita dal flussimetro, l’unità di comando comanderà la valvola con un segnale variabile al fine di minimizzare l’errore fra flusso comandato e flusso rilevato.

È evidente che alla realizzazione di un anello chiuso concorrono non solo attuatori ma anche, e soprattutto, opportuni sensori in grado di fornire una rilevazione della grandezza misurata.

Sensori a piacere

Provando allora a fare un passo nel mondo dei trasduttori di segnale troveremo tecnologie diverse o combinate (dispositivi meccanici, magnetici, elettrici, elettronici), con connessione diretta all’unità di controllo o via bus/rete, con caratteristiche particolari per il loro utilizzo in ambienti difficili (impermeabilità, insensibilità alle vibrazioni, ecc…); insomma un universo complesso e variegato per tutte le necessità e le situazioni applicative.

È abbastanza intuitivo che le tecniche e le tecnologie di regolazione trovano il loro campo applicativo, più che nell’industria manifatturiera, soprattutto nell’industria di processo, laddove il prodotto finale non deriva da successive fasi di costruzione e montaggio ma da un avvicendarsi di fasi di trasformazione delle materie iniziali.

Dunque, l’automazione di processo trova applicazione in diversi settori industriali con ciclo di produzione continuo: acque, gas, vapore, oli minerali, prodotti chimici (medicinali, carburanti, vernici, ecc…).

Il controllo di livello

Questa è un’applicazione molto diffusa nell’industria di processo in quanto consente di gestire la quantità di sostanze necessarie presenti in linea o a lato linea. Sul mercato si trovano moltissime soluzioni. Vediamone qualcuna.

Sensori di livello meccanici: sono composti da un dislocatore che fluttua nell’intorno del pelo libero del liquido; tramite opportuni leverismi il dislocatore aziona un contatto per fornire un segnale elettrico all’unità di controllo.

Nella versione potenziometrica, invece, un galleggiante che fluttua sul pelo libero del liquido, comanda la posizione del cursore di un potenziometro; la tensione d’uscita del potenziometro è quindi legata al livello del liquido.

Dislocatori e galleggianti hanno il difetto di essere influenzati dalle variazioni di densità e temperatura del liquido mentre i punti di misura meccanici sono soggetti a depositi che provocano misure non accurate o assenti (inceppamenti/blocchi); i costi di manutenzione sono relativamente alti, dovuti alla necessità di periodiche pulizie e smontaggi. Tipicamente questi dispositivi forniscono poche o nessuna informazione di diagnostica.

Sensori a ultrasuoni: vengono normalmente installati sul cielo del serbatoio ed il loro funzionamento è basato sulla misurazione del tempo di ritorno degli ultrasuoni trasmessi e rimbalzati sul pelo libero del liquido. Il funzionamento di questo tipo di sensori, affidabili in quanto non a contatto con il liquido, è però influenzato dall’eventuale non planarità del pelo libero del liquido dovuta, per esempio, alla presenza di schiuma, fumi pesanti o polvere pesante; anche le variazioni di temperatura, pressione o umidità all’interno del serbatoio, cambiando la velocità di propagazione degli ultrasuoni, possono provocare misurazioni errate.

Sensori ad emissione radar: il principio di funzionamento è analogo a quello dei sensori ad ultrasuoni con la differenza che, invece di frequenze audio, vengono utilizzate onde elettromagnetiche ad alta frequenza; in questo caso determinati valori della costante dielettrica del liquido o particolari forme geometriche del serbatoio potrebbero introdurre interferenze tali da impedire la corretta misurazione.

In molti casi i sensori di tipo elettrico ed elettronico sono in grado di fornire le proprie informazioni (ivi comprese quelle di diagnostica) anche via bus.

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