Quali sono i tipi di strumenti di automazione?

Molte persone nuove all'instrumentazione si sentono sopraffatte quando vedono per la prima volta la moltitudine di strumenti in loco.

Con nomi come manometri, termometri, misuratori di portata, misuratori di livello, valvole di controllo, trasmettitori, PLC, DCS, allarmi e analizzatori, è facile confondersi su come categorizzarli.

In realtà, l'instrumentazione di automazione non è così complessa. Da una prospettiva in loco, ruota principalmente attorno a un unico obiettivo: misurare i parametri di processo, trasmetterli, visualizzarli e controllarli, fornendo anche allarmi e protezione delle apparecchiature quando necessario.

In base alla funzione, gli strumenti di automazione possono essere generalmente suddivisi in sei categorie principali:

Strumenti di misurazione sul campo, strumenti di controllo sul campo, attuatori sul campo, strumenti di visualizzazione e registrazione, strumenti di regolazione/controllo e strumenti di misurazione specializzati.

Gli strumenti di automazione non sono semplicemente dispositivi per "leggere valori".

In un anello di controllo completo, gli strumenti di misurazione raccolgono i parametri sul campo, il controllore esegue analisi e calcoli, l'attuatore esegue azioni e gli strumenti di visualizzazione/registrazione presentano i dati agli operatori e li memorizzano per il sistema.

Prendiamo ad esempio un anello di controllo della temperatura: una termocoppia o un termometro a resistenza misura la temperatura; un trasmettitore di temperatura invia il segnale a un PLC o DCS; il controllore calcola la risposta richiesta ed emette un segnale; e infine, una valvola di controllo regola il flusso di vapore, acqua calda o acqua di raffreddamento.

Pertanto, gli strumenti non esistono in isolamento. Durante la risoluzione dei problemi in loco, non ci si può semplicemente concentrare su un singolo indicatore; lo strumento deve essere analizzato nel contesto dell'intero anello di controllo.

Gli strumenti di misurazione sul campo fungono da sorgente dati per i sistemi di automazione. Se le misurazioni sono imprecise, le successive funzioni di visualizzazione, registrazione e controllo saranno compromesse.

I comuni strumenti di misurazione sul campo includono quelli per la misurazione del livello del liquido, della pressione, della temperatura e della portata, nonché strumenti di analisi di gas e liquidi.

Gli strumenti di livello sono utilizzati per misurare i livelli dei liquidi, i livelli dei materiali o le posizioni di interfaccia in serbatoi di stoccaggio, torri, reattori e silos. I tipi comuni includono indicatori di livello a lembo magnetico, indicatori di livello a galleggiante, misuratori di livello radar, misuratori di livello ultrasonici, misuratori di livello capacitivi, misuratori di livello a pressione differenziale e interruttori di livello.

Gli strumenti di pressione sono utilizzati per misurare la pressione, la pressione differenziale o i livelli di vuoto in tubazioni, recipienti e apparecchiature. I tipi comuni includono manometri, trasmettitori di pressione, trasmettitori di pressione differenziale, sensori di pressione e pressostati. I manometri sono utilizzati principalmente per letture in loco, i trasmettitori di pressione per la trasmissione di segnali remoti e i pressostati per allarmi e funzioni di interblocco.

Gli strumenti di temperatura misurano la temperatura di un mezzo o della superficie di un'apparecchiatura. I tipi comuni includono termometri bimetallici, termometri a vetro, termocoppie, rilevatori di temperatura a resistenza (RTD), trasmettitori di temperatura, termostati e termometri a infrarossi. Le termocoppie sono adatte per applicazioni ad alta temperatura, mentre gli RTD sono più adatti per misurazioni a bassa e media temperatura.

Gli strumenti di portata misurano la portata di gas, liquidi o vapore. I tipi comuni includono misuratori di portata elettromagnetici, vortex, a turbina, ultrasonici, di massa, a piastra di orifizio e a area variabile (rotametro). La selezione richiede un'attenta verifica del mezzo, del campo di portata, della pressione e della temperatura, della viscosità, della conducibilità e dei requisiti di condotta rettilinea.

Gli analizzatori di gas rilevano la composizione e la concentrazione dei gas. I tipi comuni sul mercato includono analizzatori di ossigeno, rilevatori di gas combustibili, rilevatori di gas tossici, analizzatori di gas a infrarossi, analizzatori di gas a conducibilità termica, analizzatori di gas laser e gascromatografi.

Gli analizzatori di liquidi misurano parametri come pH, conducibilità, torbidità, concentrazione, densità, viscosità, ossigeno disciolto, COD e azoto ammoniacale. Questi strumenti richiedono una manutenzione relativamente elevata; la pulizia, la calibrazione e l'ispezione delle linee di campionamento sono compiti essenziali.

Gli strumenti di controllo sul campo sono responsabili dell'elaborazione dei segnali in loco, della conversione dei segnali e del controllo locale.

I tipi comuni includono strumenti di controllo pneumatici, elettrici e idraulici.

Gli strumenti di controllo pneumatici utilizzano aria compressa come fonte di alimentazione; hanno strutture relativamente semplici e rimangono preziosi nelle applicazioni antideflagranti. Gli strumenti di controllo elettrici utilizzano segnali elettrici, rendendoli più facili da integrare con PLC, DCS e computer di supervisione. Gli strumenti di controllo idraulici forniscono una forza di uscita elevata e sono tipicamente utilizzati in applicazioni con carichi pesanti o spinte elevate.

I fattori chiave nella selezione di questi strumenti includono segnali di ingresso/uscita, precisione di controllo, velocità di risposta, condizioni di alimentazione, classificazioni antideflagranti, ambiente sul campo e interfacce di sistema.

Gli attuatori sul campo sono i componenti di un anello di controllo che eseguono effettivamente l'azione fisica.

Dopo che il sistema di controllo emette un comando, l'attuatore lo esegue regolando valvole, serrande, paratoie o altre strutture meccaniche per alterare le condizioni di processo come portata, pressione, livello del liquido o temperatura. I dispositivi di attuazione comuni includono valvole di controllo pneumatiche, elettriche e idrauliche; valvole di intercettazione; valvole a farfalla; valvole a sfera; saracinesche; attuatori; posizionatori di valvole e posizionatori di valvole intelligenti.

Durante la manutenzione sul campo, è necessario guardare oltre il fatto che l'attuatore possa semplicemente aprirsi e chiudersi. È inoltre necessario verificare il funzionamento regolare, il posizionamento accurato, i segnali di feedback normali, i tempi di risposta appropriati e se la posizione di sicurezza soddisfa i requisiti di processo.

Molte fluttuazioni di controllo derivano non dalle impostazioni dei parametri del controllore, ma da problemi come valvole bloccate, posizionatori imprecisi, pressione di alimentazione dell'aria instabile o risposta lenta dell'attuatore.

Gli strumenti di visualizzazione e registrazione mostrano i parametri sul campo, lo stato delle apparecchiature e le informazioni sugli allarmi, memorizzando anche dati critici.

Esempi comuni includono display digitali, display analogici, display-controller, scanner multipunto, registratori cartacei, registratori senza carta, HMI touchscreen, terminali di stazione operatore e dispositivi di allarme acustici/visivi.

I display digitali sono adatti per il monitoraggio di parametri a punto singolo. I display-controller possono incorporare funzioni di allarme e controllo di base. I registratori senza carta sono ideali per il tracciamento delle tendenze di parametri come temperatura, pressione, portata e livello. Gli HMI e le stazioni operatore sono utilizzati per interfacce visive, configurazione dei parametri, monitoraggio degli allarmi e funzionamento delle apparecchiature.

I criteri di selezione chiave includono segnali di ingresso, metodi di visualizzazione, intervalli di registrazione, capacità di archiviazione, interfacce di comunicazione, uscite di allarme e protezione da interruzione di corrente.

Gli strumenti di regolazione e controllo fungono da "cervello" del sistema di automazione, gestendo la regolazione automatica, il controllo logico, il controllo di sequenza e la protezione di sicurezza.

I dispositivi sul campo comuni includono controllori PID, regolatori a anello singolo e multiplo, PLC, DCS, FCS, ESD, SIS e computer industriali.

I controllori PID sono tipicamente utilizzati per regolare parametri continui come temperatura, pressione, portata e livello. I PLC sono comunemente impiegati per operazioni di avvio/arresto delle apparecchiature, controllo di sequenza, protezione di interblocco ed elaborazione di segnali discreti (on/off). I DCS sono adatti per il monitoraggio centralizzato e il controllo distribuito di unità di produzione continua su larga scala. SIS ed ESD sono utilizzati principalmente per interblocchi di sicurezza e arresti di emergenza; non dovrebbero essere trattati semplicemente come sistemi di controllo standard.

I fattori di selezione includono il processo controllato, il numero di punti I/O, la strategia di controllo, i protocolli di comunicazione, i requisiti di ridondanza, i livelli di integrità della sicurezza (SIL), la gestione degli allarmi e le capacità di manutenzione a lungo termine.

Gli strumenti di misurazione specializzati sono utilizzati principalmente per rilevare parametri unici, monitorare lo stato delle apparecchiature ed eseguire la calibrazione sul campo. Esempi comuni includono monitor di vibrazioni dell'albero, monitor di spostamento dell'albero, tachimetri, strumenti di pesatura, spessimetri, calibratori di segnale, rilevatori di fiamma, analizzatori di umidità online, densimetri online e strumenti di monitoraggio delle condizioni delle apparecchiature.

Gli strumenti per la misurazione delle vibrazioni dell'albero, dello spostamento dell'albero e della velocità di rotazione sono tipicamente utilizzati su apparecchiature rotanti come compressori, turbine a vapore, ventilatori e pompe. Gli strumenti di pesatura sono utilizzati in silos, bilance a nastro e sistemi di dosaggio o confezionamento. Gli spessimetri sono utilizzati per misurare lo spessore di lamiere, tubi e pareti di recipienti, nonché lo spessore dei rivestimenti. I rilevatori di fiamma sono comunemente utilizzati per la protezione della combustione in caldaie, forni di riscaldamento e inceneritori.

La selezione di questi strumenti richiede la considerazione di fattori quali il tipo di apparecchiatura, il parametro misurato, la posizione di installazione, la velocità di risposta, i segnali di uscita e i requisiti di protezione.

Quando si selezionano gli strumenti di automazione, non ci si dovrebbe concentrare solo sul numero di modello e sul prezzo.

Innanzitutto, identificare il parametro da misurare; quindi, determinare il campo di misurazione, la precisione, i materiali di costruzione, il metodo di installazione, l'alimentazione e il segnale di uscita.

Se il mezzo è corrosivo, le parti bagnate devono essere realizzate con il materiale appropriato. Per i mezzi ad alta temperatura, considerare la dissipazione del calore, la condensazione, l'isolamento e i pozzetti termometrici. Se il mezzo è incline alla cristallizzazione o all'intasamento, o contiene impurità, considerare l'uso di diaframmi, spurghi, lavaggi o pretrattamento del campione. Nelle aree con vibrazioni significative, considerare il montaggio su staffa e la posizione di installazione.

Una volta che lo strumento è in servizio, controllare regolarmente il punto zero, l'intervallo, il cablaggio, l'alimentazione, la messa a terra, la comunicazione, le uscite di allarme e lo stato di interblocco.

Durante la risoluzione dei problemi in loco, seguire questa sequenza: controllare l'alimentazione, quindi il segnale, quindi il cablaggio, quindi le impostazioni dei parametri e infine l'elemento sensibile e le condizioni di processo.

La classificazione degli strumenti di automazione non è difficile da ricordare, poiché ogni tipo svolge una funzione specifica.

Ad esempio, gli strumenti di misurazione raccolgono dati; gli strumenti di controllo gestiscono l'elaborazione dei segnali; gli attuatori eseguono azioni fisiche sul campo; gli strumenti di visualizzazione e registrazione mostrano e salvano dati; gli strumenti di regolazione e controllo gestiscono il controllo e gli interblocchi; e gli strumenti di misurazione specializzati rilevano parametri unici.

Quando si è effettivamente sul campo, non considerare uno strumento come un dispositivo isolato. Consideralo nel contesto dell'intero anello di controllo e molti problemi diventeranno più facili da diagnosticare.