La regolazione e il controllo dei processi sono indispensabili per assicurare alti livelli di sicurezza e di performance che concorrono al raggiungimento di elevati standard operativi in ambito industriale a sostegno di obiettivi di efficienza e produttività.

Il controllo di processo nell’industria 4.0

Come è noto, attualmente è in atto una propria e vera trasformazione digitale che ha coinvolto sia il mondo produttivo che quello dei servizi.
Regolazione e controllo dei processi in ambito industriale vuol dire applicare i principi teorici ed applicativi relativi all’automazione industriale nel contesto della quarta rivoluzione industriale che stiamo vivendo.

Attualmente in Italia esiste un piano nazionale industria 4.0 che mira ad aumentare il livello tecnologico introducendo tecnologie altamente innovative basate sull’integrazione tra macchine, processi, prodotti, persone e catena del valore.
Gli asset aziendali e i sistemi di gestioni interessati identificati all’interno del piano nazionale sono:

• Beni strumentali del patrimonio tecnologico aziendale controllati da sistemi computerizzati (CNC e PLC), ovvero i beni strumentali connessi
• Sistemi aziendali per l’assicurazione della qualità dei prodotti, la gestione della produzione e la sostenibilità ambientale “monitoraggio e controllo”
• Dispositivi tecnologici predisposti per l’interazione uomo-macchina e la sicurezza sul posto di lavoro.

 

Variabili da controllare all’interno di un processo

Nella pratica industriale moderna ogni processo industriale è opportunamente controllato attraverso la misura e la regolazione delle variabili operative di processo quali:
– Portata del fluido circolante
– Pressione operativa
– Livello nei serbatoi
– Caratteristiche fisiche delle sostanze in circolazione come temperatura, densità, pH
– Quantità di sostanza
– Umidità
Il controllo di processo si basa fondamentalmente sulla misura dei valori delle variabili, effettuata attraverso opportuni strumenti inseriti nel sistema che si interfacciano meccanicamente al processo ed elettricamente al sistema di misura, e sulla regolazione manuale o automatica, che agisce per riportare le variabili all’interno dell’intervallo desiderato.

Il controllo dei processi industriali ha diverse, importanti finalità:

• Assicurare in maniera efficace la sicurezza dell’intero impianto e degli operatori
• Massimizzare la produttività
• Minimizzare gli scarti e i sotto prodotti di lavorazione
• Contenere gli impatti sul processo per effetto della variazione della qualità delle materie prima, dei fluidi di servizio e dell’efficienza delle apparecchiature di processo
• Assicurare la qualità dei prodotti
• Razionalizzare il consumo energetico

Nell’industria moderna tutte le fasi del processo di produzione industriale sono controllate da un sistema di controllo di processo in grado di mantenere il valore delle grandezze di processo al valore prefissato, consentendo accettabili variazioni intorno a tale valore.

Grandezze che definiscono il sistema di controllo

Riportiamo di seguito le grandezze in un sistema di regolazione, che costituiscono gli elementi essenziali per l’esecuzione delle operazioni di controllo inteso come la misura e la regolazione delle variabili operative d’interesse ingegneristico:

• Variabile controllata: Grandezza che si vuole mantenere sotto controllo
• Disturbo: Causa che genera la variabilità della variabile controllata
• Elemento di misura: Apparecchiatura o dispositivo di misura
• Variabile misurata: Valore che viene restituito dall’elemento di misura
• Set point: Valore di riferimento
• Errore: Differenza tra variabile misurata e set point
• Controllore: Componente che esegue il confronto e determina il tipo di azione
• Elemento finale di controllo: Elemento su cui agisce l’azione inviata dal controllore
• Variabile manipolata: Grandezza controllante, che mantiene sotto controllo la variabile controllata

Fasi del controllo di processo

Ecco le varie fasi relative ad un generico processo di controllo.

 

Nella nostra descrizione, come modello di riferimento considereremo un generico impianto industriale di processo per il quale è necessario tenere sotto controllo il livello dei liquidi nei serbatoi, dove essi sono puntualmente identificati nello schema di marcia d’impianto P&ID.

La prima fase è la misura della variabile controllata che si vuole tenere sotto controllo nel processo; questa avviene utilizzando lo strumento di misura più idoneo, che traduce in segnale elettrico, pneumatico oppure digitale il valore della variabile da controllare.
Gli strumenti di misura devono essere scelti seguendo dei criteri specifici e hanno le seguenti caratteristiche:

• Si interfacciano meccanicamente al processo ed elettricamente al sistema di misura
• Presentano la parte sensibile a contatto con il processo e con il prodotto
• Trasmettono l’informazione mediante segnale normalizzato elettrico normalizzato (analogico 4 ÷ 20mA /digitale Fieldbus)
• Trasformano le grandezze fisiche in una o più grandezze elettriche che costituiscono le variabili ingegneristiche

Nella pratica industriale, la sicurezza degli impianti è un aspetto fondamentale, quindi gli strumenti di misura a bordo degli impianti devono essere opportunamente certificati; nonché verificati e manutenuti per accertare la loro efficienza e disponibilità.
A questo proposito possiamo enunciare che lo scopo della misura è conoscere, controllare e mantenere il livello di sicurezza previsto.

Dopo aver misurato la variabile da controllare, si passa alla seconda fase, che consiste nel confronto della misura rilevata (variabile misurata) con il valore impostato di set point ad opera del controllore. In caso di eventuali errori rilevati, il controllore invia un’azione all’elemento finale di controllo.

La terza fase consiste nella vera e propria regolazione della variabile manipolata per riportare il valore della variabile misurata al set point, annullando l’azione di disturbo sulla variabile controllata.

Sistemi di controllo automatici

Normalmente nell’industria possiamo trovare fondamentalmente due tipologie di processo di controllo, manuale o automatico.
Certamente nell’industria moderna prevale il controllo automatico programmabile sostenuto dalla strumentazione elettronica di elevata precisione; questo tipo di controllo è sempre presente negli impianti di processo continui, con ottimi risultati in termini di efficienza operativa.

Questa tipologia di controllo offre i seguenti vantaggi:

• Aumenta significativamente la produzione per effetto della sincronizzazione degli impianti
• Permette la centralizzazione dei comandi (pannello di controllo operativo)
• Permette la riduzione degli scarti di lavorazione (efficienza di sistema)
• Contribuisce ad avere una maggiore uniformità delle caratteristiche degli output,
• Permette di eseguire e controllare le manovre d’impianto, evitando potenziali errori di manovra in caso di azionamento manuale.

Un generico processo di controllo automatico può essere rappresentato come illustrato in figura 2, dove in gioco troviamo sia le variabili in entrata, sia quelle uscita precedentemente descritte.

Si identificano due sistemi automatici di controllo:

• Ad anello aperto (Open Loop)
  Sistema di controllo potenzialmente insensibile ad eventuali disturbi esterni
• Ad anello chiuso (Closed Loop)
  Sistema di controllo a retroazione o feedback (controllo correttivo);
  Anteazione o feedforward (controllo predittivo)

Il sistema di controllo ad anello chiuso risulta sensibile ad eventuali disturbi esterni, quindi è idoneo dove le specifiche di processo risultano più restrittive. In questo sistema la misura della variabile controllata, impiegata per assicurare il controllo del processo, viene confrontata dal controllore con il valore desiderato (set point) in modo continuo; in caso di errore, il controllore agisce sull’attuatore per ripristinare il set point (valore prefissato).

Occorre sottolineare che il sistema a retroazione con il nodo di misura posizionato a valle del processo è quello più utilizzato nella regolazione automatica per i vantaggi che offre; nell’industria, però, si prevedono anche dei sistemi di controllo manuale che assicurano la continuità del processo in caso di guasto nel sistema automatico.