CD Automation offre un’ampia gamma di regolatori per il controllo e la regolazione di impianti industriali single loop, multi loop, programmabili, universali e a più zone di intervento. La gamma comprende prodotti di CD Automation, ma anche Fuji, West, PMA e CAL.
Indaghiamo oggi il funzionamento dei regolatori, concentrandoci sulle diverse tipologie di controllo proporzionale disponibili per applicazioni di processo e di temperatura.
Un ripasso sui regolatori
Innanzitutto, un regolatore è un dispositivo che controlla le uscite di un sistema di riscaldamento o raffreddamento. Questo controllo si ottiene collegando i sensori di temperatura installati nell’area riscaldata o sul sistema al controller. I dati acquisiti dai sensori vengono poi confrontati con un riferimento predefinito dall’utente, il dato di setpoint.
Per assolvere tale compito esistono tre categorie principali di funzionamento dei regolatori: controllo on/off, controllo proporzionale e controllo PID. I tre sistemi di controllo svolgono la stessa operazione di base, ma offrono livelli differenti di raffinatezza e funzionalità.
Per conoscere il funzionamento dei regolatori on/off recupera qui la nostra spiegazione.
Il controllo proporzionale
Analizziamo oggi, invece, le diverse tipologie di controllo proporzionale. Questa categoria di controller riduce la potenza alla quale il riscaldatore funziona quando si avvicina al setpoint di riferimento. Ciò evita che le temperature del sistema superino il setpoint, come nel caso del tipo di controller acceso/spento. Se la temperatura si allontana troppo dal setpoint a causa di problemi ambientali, il controller funziona come unità on/off, mantenendo accesa o spenta la potenza del riscaldatore.
Il controllo proporzionale viene di rado impiegato singolarmente; di solito è utilizzato in combinazione con funzioni integrali e derivative ed assume perciò la sigla PID (controllo Proporzionale-Integrale-Derivativo).
Che cosa sono le azioni integrali e derivative?
Il solo controllo proporzionale non rappresenta sempre la migliore delle soluzioni. Si consideri, infatti, un controller, con banda proporzionale, centrato nominalmente attorno al setpoint e regolato per un controllo stabile, ma reattivo. Man mano che il processo si innalza, attraverso la banda proporzionale, verso il setpoint, la potenza in uscita viene ridotta.
Se qualcosa dovesse causare la caduta del processo, la potenza in uscita aumenterebbe notevolmente per riportare il processo al valore di controllo. Parimenti, se il processo fosse troppo elevato, la potenza verrebbe ridotta.
Va precisato che tale dinamica potrebbe funzionare correttamente solo se la potenza richiesta per mantenere il setpoint fosse esattamente pari al 50%. In realtà, è improbabile che ciò accada. Con maggiore probabilità, il processo si stabilizza, infatti, al di sopra o al di sotto del setpoint, generando un offset (errore) sulla grandezza controllata, che deve essere rimosso dall’utente. Si parla, in questo caso, di reset del regolatore, ossia della regolazione delle banda proporzionale e della sua posizione rispetto al setpoint. Ne consegue che, al variare delle condizioni, l’utente è chiamato a ripetere il processo di ripristino del controller manualmente e diverse volte al giorno.
Perché?
Il motivo è semplice: al cambiamento delle condizioni ambientali, il controller potrebbe richiedere più o meno energia per mantenere il processo al setpoint. Per proporre un esempio semplice, in un impianto di acqua calda può accadere che in determinate ore del giorno gli utenti prelevino una maggiore quantità di acqua riscaldata rispetto ad altri momenti. Dunque, la percentuale di potenza richiesta per mantenere il setpoint risulta essere diversa nel corso della giornata. Ecco spiegato perché è necessario ricorrere al reset del controller.
Come si evita tutto questo?
Il controllo proporzionale si combina con l’azione integrale per ottenere un controllo PI. Il controller misura la deviazione controllata e cerca di integrare questo errore nell’arco di tempo. Di fronte a un errore di deviazione del controllo negativo, l’azione integrale polarizza ulteriormente la banda proporzionale verso l’alto, aumentando la potenza fornita al controller e riportando il processo verso il controllo. Inoltre, ad ogni esecuzione dell’algoritmo è aggiunta un’ulteriore azione integrale, fino a quando l’errore non viene eliminato.
Se dovesse verificarsi un superamento oltre il setpoint, la direzione dell’azione integrale verrebbe invertita. In questo caso l’azione integrale spingerebbe il punto di lavoro più in basso, riducendo la potenza immessa nel processo e iniziando ad eliminare l’errore positivo. Si comprende dunque come l’azione integrale esegua automaticamente la funzione di ripristino che l’utente era tenuto a compiere manualmente con il solo controllo proporzionale.
E l’azione derivativa?
Sappiamo che il controllo proporzionale riduce la potenza quando il processo si avvia verso il setpoint, ma se aumenta rapidamente si presenta il pericolo di un superamento. L’azione integrale non aiuta in questo caso; anzi, essa rischierebbe di aggiungere ulteriore potenza al processo, che si colloca ancora al di sotto del setpoint, nonostante la crescita repentina. Solo una volta che il processo ha superato il setpoint, infatti, l’azione integrale si inverte e inizia a ridurre la potenza.
È in tale circostanza che si rende necessaria un’azione derivativa. Essa agisce sulla velocità di cambiamento nel processo, riducendo o incrementando la potenza nel caso in cui il processo stia aumentando o diminuendo rapidamente.
Cosa possiamo fare per prevenirlo?
L’azione derivativa non è condizionata dalla posizione del processo o dall’errore di deviazione del controllo, essa è influenzata solo dal movimento del processo e dalla sua velocità di variazione nel tempo. L’azione derivativa può essere combinata con il controllo proporzionale per creare un controllo PD oppure può essere combinata anche con l’integrale per creare un controllo PID.
Perché non utilizzare sempre un controllo PID?
Quindi, se il controllo PID risulta essere la migliore forma di controllo, perché si dovrebbe ricorrere a regolatori con funzionamento PI, PD o unicamente proporzionale? Alcuni processi non richiedono la complicazione aggiuntiva di un controller PID a tre termini ed è possibile che le funzioni integrali e derivative possano, in alcuni casi, influenzare negativamente il controllo. Ad esempio, è noto che il derivativo causa un’usura prematura nelle valvole modulanti; ciò è dovuto al numero eccessivo di piccoli movimenti nella valvola, prodotti dalla reazione della derivata al disturbo nel segnale. In questo caso si consiglia l’uso di un controller PI.
Il know-how di CD Automation
Al netto di queste considerazioni piuttosto basilari sul controllo differenziale e l’articolato mondo dei controller, risulta evidente come la scelta del regolatore adeguato per ciascun processo debba essere eseguita con il supporto di un team di esperti nell’ambito della termoregolazione industriale.
In questo settore, CD Automation si impegna da oltre trent’anni a progettare sistemi di controllo della potenza elettrica specializzati per ottimizzare i consumi, ridurre i disturbi sulla rete elettrica e pilotare le diverse zone di termoregolazione con il minimo ingombro nel quadro elettrico.
La sfida odierna dell’azienda è infatti quella di realizzare e vagliare moduli di controllo della potenza elettrica facilmente configurabili ed integrabili, ma anche affidabili e semplici, per fornire ai propri clienti prodotti di primissima categoria e soluzioni atte a rispondere alle esigenze di ciascun processo e a incrementare il ciclo di vita dei diversi componenti.
Sei dunque interessato a ricevere una consulenza dall’équipe di CD Automation per scegliere il regolatore e la varietà di controllo proporzionale più adatti per i tuoi obiettivi? Contattaci! Riceverai indicazioni strategiche per garantire la maggiore stabilità ai tuoi processi e allungare la vita di relè, contattori e valvole.
