2.3 – I processi Batch
2.3.1 - Introduzione
Per “processo Batch” si intende un processo con caratteristiche intermedie tra un processo discreto e un processo continuo.
L’automazione di processi Batch è finalizzata a gestire la produzione di “lotti” prestabiliti di materiali e prodotti. Per “lotto” si intende l’insieme delle operazioni che vengono eseguite da una o più macchine al fine di operare un trasferimento di una certa quantità di prodotto da una o più sorgenti a una o più destinazioni, con o senza lavorazioni o trasformazioni del prodotto. Per eseguire quanto richiesto il lotto ha la possibilità di utilizzo di diversi percorsi e lavorazioni (e quindi di ricette e/o dati di lavorazione più o meno complessi).
Tipicamente ogni lotto prodotto sarà identificato da un “report” di lotto che conterrà tutti i dati significativi dei materiali in ingresso al processo, delle lavorazioni eseguite, delle quantità prodotte.
Controllo batch [Batch controi)
Le terminologie e i formalismi descrittivi di un sistema di controllo Batch e delle ricette produttive sono regolate dagli S88, cioè gli standard ANSI/ISA-S88.1 (definizioni) e ANSI/ISA-S88.2 (modelli e formalismi). Sono standard approvati dalla ISA nel 1995 e aggiornati nel 2010; in particolare, gli standard ISA definiscono diversi possibili livelli di descrizione delle ricette. Nella sua versione originale la S88 è stata adottata dalla IEC nel 1987 come IEC 61512-1.
Tipici settori di applicazione dei processi Batch sono:
■ agroalimentare (farine di grano, mangimi, riso, cioccolato, prodotti da forno, gelati …);
■ vetro;
■ gomma;
■ tessile;
■ cemento;
■ cosmetica;
■ chimica.
2.3.2 - Il progetto del processo Batch
La progettazione dei sistemi di automazione di processi Batch, nel corso degli anni ’90, si è sviluppata attraverso la elaborazione di una serie di documenti atti a definire e descrivere in modo dettagliato le funzionalità operative del sistema al fine di fornire in modo univoco ed esaustivo tutti gli elementi per una corretta progettazione di un sistema di automazione di un processo Batch.
L’elenco utenze
Per elenco utenze si intende l’elenco di tutte le utenze elettriche coinvolte nel processo quali:
■ elementi di comando: pulsanti, selettori, potenziometri, impostatori numerici;
■ sensori: finecorsa meccanici, magnetici, induttivi, ottici, sensori di pressione e di vuoto, sensori di livello, sensori di temperatura, encoder, sensori di distanza;
■ elementi di segnalazione: lampade, colonnine luminose, dispositivi acustici rotanti, suonerie e sirene, visualizzatori numerici;
■ preattuatori: relè, contattori, azionamenti per motori, solenoidi per elettrovalvole;
■ attuatori: motori, elettrovalvole;
■ sottosistemi: dispositivi e macchine di pesatura, package.
Per ogni utenza saranno definite tutte le caratteristiche che risultano necessarie per la loro integrazione nel sistema di automazione.
Come esempio possiamo citare:
■ sensori digitali:
– tensione e frequenza di alimentazione;
– tipo di sensore:PNP 2 (a 2 o a 3 fili), NPN (a 2 o a 3 fili), contatto libero da potenziale;
■ sensori analogici:
– tensione e frequenza di alimentazione;
– fondi scala e unità di misura del sensore analogico;
■ sensori seriali:
– tensione e frequenza di alimentazione;
– tipo di interfaccia: rs232, rs422, rs485 ecc;
– tipo di protocollo di comunicazione: Modbus, Profibus ecc;
■ attuatori generici:
– tensione e frequenza di alimentazione;
– corrente assorbita a regime;
– corrente assorbita allo spunto;
■ motori:
– tensione e frequenza nominali;
– numero polarità e numero poli;
– potenza e corrente nominali;
– tipo avviamento e controllo velocità: avviamento diretto, avviamento stella/triangolo, avviamento con sofstart, avviamento e controllo di velocità con inverter;
– numero di direzioni di rotazione: monodirezionale, bidirezionale;
– tipo di montante: l’insieme degli apparecchi per la protezione e il comando del motore:
– interruttore con protezione magnetotermica – contattore;
– interruttore con protezione magnetica – contattore – relè termico;
– fusibili – contattore – relè termico.
L’elenco segnali
Per elenco segnali si intende l’elenco di tutti i segnali che devono essere interfacciati agli ingressi, alle uscite, alle schede di comunicazione dei PLC di controllo del processo.
Per ogni segnale saranno definite tutte le caratteristiche che risultano necessarie per la loro integrazione con i PLC.
Come esempio possiamo citare:
■ ingressi digitali di stato: corrispondenza fra lo stato del segnale e lo stato del componente controllato (per esempio 1=serranda chiusa; 0=serranda non chiusa);
■ ingressi digitali di misura: peso dell’impulso, ovvero quantità misurata dalla variazione di stato 0-1 del segnale e unità di misura della grandezza misurata (1i=1,273 mm);
■ ingressi analogici: corrispondenza fra la misura e il segnale elettrico in ingresso (per esempio 0 mA = 0,000 m / 20 mA = 20,000 m);
■ uscite digitali: corrispondenza fra lo stato del segnale e lo stato del preattuatore controllato (per esempio 1=chiusura serranda chiusa); modalità del comando: azione mantenuta/azione impulsiva
■ uscite analogiche: corrispondenza fra la misura e il segnale elettrico in ingresso (per esempio 0 mA = 0,0° C / 20 mA = 800,0° C).
La specifica allarmi
Per specifica allarmi si intende il documento che riporta tutti gli allarmi gestiti dal sistema.
Su questo documento, per ogni allarme, vengono riportate le seguenti informazioni:
■ item l’item rappresenta in modo univoco il numero dell’allarme;
■ descrizione viene riportata la descrizione dell’allarme; la descrizione dell’allarme, accompagnata dall’item e dalla data-ora di rilevamento o di reset formeranno il testo del messaggio di allarme visualizzato sul terminale operatore;
■ logica di rilevamento vengono indicate, con un’equazione booleana, le condizioni logiche con la quali viene rilevato l’allarme; nell’equazione vengono utilizzati:
– notazioni dell’algebra booleana:
P: condizione vera se il segnale è presente,
NOT: condizione vera se il segnale non è presente,
AND: operatore logico di intersezione,
OR: operatore logico di unione, T: temporizzazione,
– indirizzi delle variabili del PLC.
■ reazione del sistema viene descritta la reazione del sistema elettromeccanico al verificarsi dell’allarme;
■ modalità di reset viene descritta la modalità di reset dell’allarme;
■ note viene indicato il numero dell’eventuale nota esplicativa relativa all’allarme in oggetto; le note sono riportate alla fine del documento;
■ rev. viene indicato l’indice di revisione dell’allarme in oggetto.
La specifica funzionale
La specifica funzionale è il documento base del progetto di un sistema di automazione.
La specifica viene generalmente redatta dal project manager del sistema di automazione in stretta collaborazione con:
■ il tecnologo del processo che a volte si identifica con il fornitore di tutto o parte del macchinario del processo;
■ gli altri fornitori significativi del sistema (parte idraulica, pneumatica, eventuali sottosistemi package);
■ il cliente utente finale.
La specifica funzionale avrà quindi il primo obiettivo di condivisione delle funzionalità del sistema di automazione fra tutti gli attori coinvolti nel progetto.
La specifica dovrà quindi definire e descrivere in modo dettagliato:
■ la suddivisione del sistema in sottosistemi funzionalmente ed operativamente autonomi,
■ le funzionalità tecnologiche del sistema e dei sottosistemi,
■ le logiche e i cicli di funzionamento dei sottosistemi e le interazioni fra gli stessi,
■ le modalità operative per la conduzione del sistema,
■ i dati per il controllo della produzione.
La specifica funzionale, unitamente a elenco utenze, elenco segnali, specifica allarmi, sarà il documento d’ingresso per:
■ la definizione dell’architettura del sistema di controllo,
■ l’analisi e lo sviluppo del software,
■ la definizione delle modalità di FAT (Factory Acceptance Test) e SAT (Factory Acceptance Test),
■ la redazione del manuale operatore.
Esempi di processi Batch
Viene riportata di seguito una presentazione contenente una raccolta di pagine sinottiche di alcuni processi Batch raccolte nel corso degli ultimi vent’anni.
