Regolazione Temperatura tramite due parametri

[davegali62]

Buongiorno, sto svolgendo un progetto per la regolazione della temperatura ambiente di una determinata area.

Ho a disposizione una sonda ambiente per la misurazione della temperatura (PT1000), il controllo di una serranda per la regolazione della portata d'aria immessa nell'ambiente e il controllo di una valvola per l'immissione di acqua riscaldata in un circuito interno al flusso d'aria per la fase di riscaldamento. In estate questa valvola rimane naturalmente chiusa, mentre in inverno devo raggiungere il mio setpoint di temperatura tramite due PID che regolino sia l'apertura della serranda che l'apertura della valvola. L'operatore può agire sui parametri proporzionale ed integrale di ogni singolo PID per poter regolare il processo come meglio crede.

La mia domanda è questa, non avendo ancora avuto modo di provare nulla in ambiente finale. Per gestire questa situazione basta gestire due PID indipendenti (il primo con in ingresso la temperatura ambiente e il setpoint da raggiungere e in uscita il comando della valvola e il secondo con in ingresso sempre la temperatura ambiente e il setpoint da raggiungere e in uscita il comando della serranda)? Quali problemi potrei incontrare?

Grazie

Davide

 

[ETR]

Ciao Davegali, questo mi sembra tanto un gruppo UTA che tanto odio, perché solitamente vengono gestisti ad hoc con sistemi tipo Siemens (ex Landys&Stefa) che hanno tutto per farli funzionare, ma non hanno niente di uniformato al normale ambiente di processo (se volete pubblico un manuale e poi ne parliamo).

 

Comunque tornando al problema concreto, tecnicamente stiamo parlando di due processi in cascata che rimanendo nella teoria, non sono per nulla separati. L'acqua è l'elemento scaldante e l'aria l'elemento riscaldato (come fosse una miscelatore con riscaldamento con olio diatermico, per capirci). 

 

Se non hai praticità ti consiglio i sistemi pre confezionati, ne trovi, specialmente in ambiente termo tecnico. Se devi deviare invece da questi sistemi, che sono a tutti gli effetti chiusi, puoi adottare una soluzione blanda con due PID separati, oppure legarli in un sistema che gestisca un po' di logica (ti consiglierei se non hai dimestichezza programmazione stile CFC).

 

Non vorrei offendere nessuno, ma saremmo ben lungi dal lasciare all'operatore l'uso dei parametri di regolazione, perché se veramente si vuole modulare il sistema (e non come dico io gestirlo come una caldaia con termostato ON-OFF), la sua gestione è ben lungi dall'essere semplice. La parte integrale in questi sistemi è prevalicante sulla proporzionale (aria) mentre sull'acqua dipende dallo scambiatore. Poi c'è il dimensionamento della valvola, i volumi di aria ecc...

 

Ripeto, servirebbe capire quale possa essere il target del progetto.

 

Ciao, Ennio

[davegali62]

Grazie Ennio, hai centrato in pieno il problema. Si tratta proprio di un gruppo UTA con batteria di post riscaldo.
Lo scopo dell'applicazione è mantenere una temperatura costante in un ambiente molto ampio, si parla di un termial di un aeroporto.
Purtoppo ho alcuni punti vincolanti che il cliente ha precisato, nessun sistema ad hoc ma gestione tramite PLC (tra l'altro prestabilito in un Micro820 di Allen Bradley) e la possibilità di agire sui parametri proporzionale e integrale del PID. Quindi diciamo che la mia scelta è piuttosto obbligata. In merito hai qualche suggerimento che io possa seguire?
Grazie 
Davide

[SandroCalligaro]

Mi intrometto anche se non ho nessuna esperienza di questo tipo di impianti (ma so qualcosina di controllo ).

 

Da quanto scrivete si intuisce che, avendo due gradi di libertà, le vie per raggiungere lo stesso scopo potrebbe essere tante (infinite), cioè si potrebbe lavorare con meno flusso d'acqua e più portata d'aria o viceversa.

 

Se è così, mi sembra che il problema principale sia capire qual è il vero obiettivo, cioè cosa si vorrebbe ottimizzare.

Usare banalmente due PID entrambi per regolare la temperatura dell'ambiente a me sembra insensato, e se ci ho capito qualcosa potrebbe solamente portare a problemi (soprattutto coi guadagni lasciati in mano al cliente).

 

L'importante è la rapidità nell'inseguimento del setpoint e nella reiezione dei disturbi? Ci sono considerazioni sull'efficienza? Ci sono vincoli sulla portata d'aria (che immagino sia anche la ventilazione dell'ambiente), legati al comfort?

 

Che misure sono disponibili, oltre alla temperatura dell'ambiente?

[davegali62]

Buongiorno Sandro, cerco di rispondere al meglio alle tue domande.

La rapidità nell'inseguimento del setpoint e l'efficienza sono sicuramente due parametri molto rilevanti. Credo che nessun cliente richieda qualcosa che non sia efficiente, ma non ci sono indicazioni precise in questo senso quindi direi che è compito mio preparare una soluzione che sia più efficiente possibile in termini di tempo di raggiungimento del setpoint e del risparmio energetico.

Gli unici vincoli sulla portata d'aria sono due parametri, impostabili da operatore, in cui si inserisce il limite minimo e massimo di apertura della serranda di regolazione flusso aria, se proprio vogliamo segnalare un vincolo questo è previsto sul delta fra la temperatura di mandata e quella ambiente anche questo parametro impostabile da operatore. 

Le misure disponibili sono: temperatura ambiente, temperatura mandata, portata aria, comando serranda aria, comando valvola acqua temperata.

Ciao

Davide

[ETR]

Ciao Sandro, quanto citi 

 

L'importante è la rapidità nell'inseguimento del setpoint e nella reiezione dei disturbi?

 

è proprio l'ultimo dei problemi per daveglai62, perché il master del loop è la temperatura del terminal, che praticamente non ha disturbo e un tempo di latenza, cosi grande, da saturare senza problemi il calcolo integrale (come le vasche idriche con la regolazione del cloro). 

 

Quindi approcciando il sistema in maniera ordinaria, si rischia di avere una batteria che chiederà il 101% perché la reazione del sistema stenterà ad arrivare, per poi avere una sovra elongazione data dal sovraccarico dell'integrale e quindi una pendolazione, stile caldaia, ma posticipata rispetto al superamento delle soglie. Per farla breve, uno schifo.

 

Partendo dalla parte più "semplice" (anello secondario), partiremo dalla batteria, che avrà il suo loop nella regolazione della temperatura di mandata con il suo attuatore. Questo loop è quello che risponde "meglio" e ci da la possibilità di filtrare le anomalie al loop primario (PD al limite PID).

 

Tecnicamente poi avremmo solo il loop master, dato dalla temperatura dell'ambiente del terminal che avrà il una regolazione PI sulla valvola di comando.

 

Inserito penso, ci sarà la regolazione di portata, magari unita ad un inverter ?

 

Tramite una similitudine con i forni, magari (dipende dalle dimensioni del ambiente riscaldato), avrei messo il collettore a pressione costante (per avere i medesimi flussi a monte delle bocchette) con una regolazione in cascata con il riscaldatore. L'inverter mi manterrebbe la portata e la valvola di riscaldo dell'acqua mi mantiene l'aria in temperature. Da li una serie di bocchette motorizzare, mi avrebbero creato diverse zone di lavoro, per far si di avere maggiore "risoluzione" e flessibilità, in un ambiente comunque unico, ma con diversi scambi termici a secondo delle varie zone. Trattasi di sola ed esclusiva elucubrazione mentale.

 

Ciao, Ennio

 

 

 

[SandroCalligaro]

Quote

 si rischia di avere una batteria che chiederà il 101% perché la reazione del sistema stenterà ad arrivare, per poi avere una sovra elongazione data dal sovraccarico dell'integrale e quindi una pendolazione, stile caldaia, ma posticipata rispetto al superamento delle soglie. Per farla breve, uno schifo.

OK, ma per risolvere quel problema (che è presente anche in tanti altri ambiti) si dovrà usare l'anti-windup.

Per un'applicazione del genere (che potrebbe lavorare in saturazione per tanto tempo) credo che sia fondamentale...

 

Giustamente la dinamica sarà l'ultimo dei problemi, ma allora mi aspetto che siano gli altri vincoli ad essere importanti.

 

Non conoscendo questo tipo di sistemi, per capire meglio mi servirebbe uno schema di massima...

Ad esempio, la temperatura della "mandata" è quella in entrata nella batteria? Misurata per il liquido o l'aria?

Scusate l'ignoranza e la curiosità, ma una volta che il quadro mi fosse chiaro, magari potrei dire la mia.

[davegali62]

Ciao Sandro, la temperatura di mandata è quella in uscita dalla batteria e immessa direttamente in ambiente (praticamente è l'aria già riscaldata e quindi misurata in aria).

[Livio Orsini]

La soluzione più corretta sarebbe avere un modello, anche rudimentale, del sistema in modo da regolare di feed forward, lasciando poi al feed back l'aggiustamento fine.

[SandroCalligaro]

Concordo con Livio.

Quello che cercavo di dire sopra (piuttosto banale, lo so), basandomi solo su quanto ho intuito dalle descrizioni (ma, ripeto, uno schema di principio, anche disegnato da altri, sarebbe utile), era che si ha un grado di libertà in più rispetto a quanto necessario per regolare la temperatura, e bisogna decidere come gestirlo.

Immagino che ci siano delle scelte "buone" (o migliori di altre), dettate da vincoli del sistema (ad esempio i limiti di temperatura e portata) o da caratteristiche dei vari elementi o della sorgente, che magari rendono il sistema più efficiente o veloce.

 

Continuo a considerare anche la velocità di risposta solo perché immagino che possa avere importanza nel momento in cui si avvia il controllo (ad esempio dopo un fermo), e quindi bisogna fare in modo che la temperatura raggiunga il setpoint il più velocemente possibile. E' anche vero che in quel caso magari si lavora in una modalità manuale.

 

Facendo qualche esempio "a naso", mi viene in mente che, visto l'accoppiamento tra i due circuiti (aria e liquido) magari ci sarà una combinazione "ottima" che garantisce il maggior scambio possibile, o meglio che magari a parità di calore immesso nell'ambiente c'è una condizione che minimizza la portata d'aria richiesta (cosa che, se la regolazione fosse tramite inverter sul ventilatore, corrisponderebbe ad un certo risparmio).

Non so poi se ci sia anche un valore di riferimento della ventilazione, da garantire. Questo naturalmente "ammazzerebbe" il grado di libertà in più.

 

Ipotizzo che avendo uno schema si possa costruire un modello, di un modello si possono identificare alcuni parametri (o punti di ottimo) con delle misure, e da lì si può costruire lo schema di controllo.

 

 

In pratica, cercavi risposte e hai trovato domande. 

 

 

[ETR]

Ciao Sandro, se si dispongono le informazioni che chiedi, allora non ti serve una regolazione, hai una curva o meglio, come diceva Livio, hai un modello a cui ricondurre IN e ottenere OUT certi.

 

Considera che nel 99% (ho eliminato il 9 periodico in fiducia) dei casi non li hai, perché non conosci nulla e il concetto è esattamente inverso, cioè, perché devo sviluppare un modello (studio ergo costi) se posso darlo in pasto ad un sistema che tanto si sistema da solo ! 

 

Sai quante litigate e manipolazioni di sistemi avrei evitato. Considera che di principio, non conosci ne risposte ne punti di equilibrio, quindi non puoi avere una mappatura del sistema, fin tanto che non lo metti in funzione. 

 

Ci sono troppe variabili in gioco che o non vengono rispettate o che non sono nemmeno citate. A questo punto se devo ricondurre un sistema ad un modello che mi introduce un errore non accettabile, ho perso del tempo. Avrò di fatto aumentato la conoscenza accademica, ma praticamente sono al punto di partenza.

 

Su processi veloci, il concetto delle prove ci può stare, ma in un sistema che dalla fase di partenza, arriva a regime in ore (non un paio ma decine) e hai una perturbazione solo tra la rampa di salita ed il mantenimento e ce l'hai una volta al giorno o una volta a settimana, è difficile eseguire dei test affidabili.

 

Con l'aumento delle capacità di calcolo, molti sistemi ora (io parlo di B&R e del loro R&D) cercano di ricondurre a modelli matematici, presupponendo l'eliminazione di regolazioni, ma sono considerazioni che vedo estrapolate e spesso forzate dalla meccatronica. Nel processo, la lentezza non è sinonimo di facilità, anzi, a volte scombina i ragionamenti di base, perché molte valutazioni di errore, moltiplicate in tempi di reazione grandissimi, generano azioni diverse dal calcolo. 

 

Poi la mia sarà la classica diffidenza del nuovo, ma aspetto di testare dei sistemi meno quadrati e un po' più flessibili di quelli che sino ad ora ho visto.

 

Non divagando troppo per davegali, che ha fatto una domanda, ricevendo tutt'altro, potresti almeno dirci la volumetria dell'ambiente da riscaldare e se effettivamente il punto di misura è singolo ?

 

Ciao, Ennio

[Livio Orsini]

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Ci sono troppe variabili in gioco che o non vengono rispettate o che non sono nemmeno citate. A questo punto se devo ricondurre un sistema ad un modello che mi introduce un errore non accettabile, ho perso del tempo. Avrò di fatto aumentato la conoscenza accademica, ma praticamente sono al punto di partenza.

 

Per questo è importante l'esperienza su sistemi simili che possone essere la base di partenza per successive approssimazioni.

 

Quote

Ciao Davegali, questo mi sembra tanto un gruppo UTA che tanto odio, perché solitamente vengono gestisti ad hoc con sistemi tipo Siemens (ex Landys&Stefa) che hanno tutto per farli funzionare, ma non hanno niente di uniformato al normale ambiente di processo (se volete pubblico un manuale e poi ne parliamo).

 

Se sul mercato posso reperire un regolatore specifico per questi sistemi, è inutile perderci tempo e fatica per riscaldare della'cqua che posso reperire almeno già tiepida.

 

Potrebbe anche essere un modo per farsi una base di conoscienza tale da poter sostituire vantaggiosamente i sistemi preconfezionati che, in genere, sono ipervalutati in termini di €

[SandroCalligaro]

Capisco il punto di vista, non posso contestare il fatto che lo sviluppo di certe cose costi e magari il margine è già basso.

Sul fatto che per fare delle prove ci vogliano tempi lunghi... dipende da cosa vuoi misurare.

Se si trattasse di misurare delle caratteristiche dello scambiatore e/o della valvola e della serranda, allora forse i tempi non sono così lunghi.

 

Qualche ragionamento e qualche prova si dovrà comunque fare, sia che si voglia identificare qualcosa, sia che si vogliano solo tarare dei regolatori.

 

In ogni caso, questo tipo di approccio (considerare un modello, identificarlo e sfruttare quella conoscenza per il controllo) funziona anche nella pratica, non solo sulla carta (con un po' di buon senso, naturalmente).

In alcuni settori (vedi azionamenti) si fa l'auto-tuning di sistemi molto complessi, e non sempre è così difficile da sviluppare.

 

 

Quote

Potrebbe anche essere un modo per farsi una base di conoscienza tale da poter sostituire vantaggiosamente i sistemi preconfezionati che, in genere, sono ipervalutati in termini di €

Anche io la penso così, ma sono... di parte. 

 

[davegali62]

Buongiorno a tutti, mi sembra di capire che questa situazione non sia la più semplice da gestire.

La scelta di gestire il tutto tramite PID con PLC, e non sistemi preconfezionati, suppongo venga dal fatto che in aeroporto ci sono tanti "micro climi" da gestire a seconda della zona interessata (ad esempio ci può essere un'area chiusa che riesce a mantenere una temperatura piuttosto costante e un'altra, vedi vicino alle porte di ingresso/uscita che risente molto dell'influenza della temperatura esterna). Nel mio caso ad esempio ci sono una settantina di zone da controllare ognuna regolata dalla sua batteria.

Per spiegare meglio il funzionamento dell'intero sistema, ci sono delle UTA che forniscono aria ad una temperatura di 18 gradi a tutto l'aeroporto. Limitiamoci ad una singola UTA che serve una zona dell'aeroporto. All'interno di questa zona ci sono delle "sotto-zone" che vengono regolate da queste batterie di postriscaldo: in estate sono spente mentre in inverno immettono in un circuito acqua temperata per riscaldare l'aria immessa nella zona di riferimento. La mia regolazione si riferisce a queste batterie dove bisogna agire sull'apertura della serranda per regolare il flusso d'aria proveniente dall'UTA e regolare la valvola del circuito dell'acqua temperata per poter scaldare l'aria immessa in ambiente.

Non so quanto possa costare un sistema ad hoc, ma sicuramente questa somma va moltiplicata per le 70 zone ed è qui che salta fuori la soluzione software a mio avviso.

Per rispondere ed Ennio sulla volumetrica dell'ambiente quindi direi che varia da zona a zona mentre i punti di misura sono sempre singoli. Ho evitato di precisare i vari ambienti vista la molteplicità, sperando di poter seguire delle linee generali per la programmazione dei PID e poi affinare le regolazioni in loco a seconda del feedback ricevuto, sapendo che la situazione non era delle più semplici. Ho cercato di partire dal primo dubbio che mi è sorto su come poter gestire questi due PID apparentemente separati.

[Livio Orsini]

Quote

(ad esempio ci può essere un'area chiusa che riesce a mantenere una temperatura piuttosto costante e un'altra, vedi vicino alle porte di ingresso/uscita che risente molto dell'influenza della temperatura esterna).

 

 

La zona "chiusa" la puoi gestire prevalentemente di feed forward, la zona con ingressi e uscite deve rispondere velocemente ai disturbi quindi anche questa con feed forward e componente proporzionale elevata quasi al limite dell'instabilità e riparametrizzata dalla temperatura esterna.

[Davide-SB]

Proviamo a vederla in un modo più semplice.

Io farei una regolazione utilizzando soltanto un PID, o meglio solo un PI, da valutare meglio poi.

Come variabile di processo in ingresso al regolatore utilizzerei la temperatura ambiente, e in uscita piloterei la valvola miscelatrice modulante sulla batteria del post-riscaldamento.

Praticamente un classico sistema base di riscaldamento.

La serranda che regola la quantità del flusso dell'aria, la collegherei in modo diretto all'uscita del regolatore, in quanto tanto più ho necessità di immettere aria calda, aprendo la valvola dell'acqua calda, tanto più mi servirà maggior efficienza di scambio di calore aumentando il flusso di aria.

Questo come principio di base.

Poi per meglio adattare il sistema ai locali, occorrerà impostare il limite minimo di apertura della serranda, affinché anche con valvola miscelatrice chiusa, rimanga un minimo di passaggio di aria, sia per ricambiarla, ma anche per destratificare il calore nella stanza.

 

Spero che la UTA principale che alimenta le 70 stanze, sia equipaggiata di un sistema di regolazione di velocità a pressione costante sulla mandata, affinché possa "inseguire" la notevole differenza di portata che potrà trovarsi con 70 serrande quasi chiuse, o 70 aperte al 100%.

[SandroCalligaro]

Anch'io mi aspetto che si debba semplicemente legare la portata dell'acqua calda all'apertura della serranda, cioè alla richiesta di calore.

Come legare le due variabili (apertura serranda e apertura valvola), però, potrebbe non essere così scontato.

 

Per semplificare la taratura, in generale, è bene ricondursi ad un plant che sia lineare.

Questo sarebbe possibile se si trovasse una "legge" per i comandi di apertura di serranda e valvola che garantisse una potenza termica proporzionale (o quasi) ad una certa variabile di controllo.

 

La legge potrebbe venire trovata anche solo con delle misure (portata, temperatura in ingresso ed in uscita dalla batteria).

Se le batterie di scambio sono uguali, una volta trovata la legge per una la si potrebbe usare per tutte.

 

Sempre che io abbia capito come "funziona" la cosa...

[Livio Orsini]

Si può utilizzare l'apertura della valvola miscelatrice in feed forward in base alla temperatura esterna ed alla grandezza di errore, ed usare la regolazione della portata d'aria con reazione e regolazione in PI; niente derivativo, semmai usare un anticipo di reazione ovvero derivativo non sull'errore ma sulla reazione.

E' un tipico metodo di regolazione di temperatura.

[Volutamente Anonimo]

Ti consiglio di farti sottoscrivere bene la logica di controllo.

Questo pechè all'aumntare della portata di aria, non è detto che aumenti il calore trasmesso, in quanto va visto a che temperatura arriva l'aria a monte delle batterie di post riscaldo.

Una regolazione semplice (ma non sarà stabile in un ambiente del genere) è quella di usare 2 set point shiftati ad accettare lo scostamento.

Esempio il PID della valvola lo fai lavorare a un set di 20,5 °C, e il set dell'apertura delle serrande a 20 °C.

Questo se a monte hai un impianto VAV (volume d'aria variabile) diventa quindi cosa buona e giusta "risparmiare aria".

In questo modo ti ritrovi un sistema che prima apre la valvola e poi inizia ad aprire la la serranda, questo.

 

Tuttavia per esperienza personale, su ambienti con forte inerzia questo sistema non funziona in maniera ottimale.

Le regolazioni su impianti termici è bene che siano un po' lente, questo perchè alla fin fine la percezione delle persone non sono così esatte, quindi è inutile spingersi su sistemi precsi che poi possono diventare instabili.

 

Potresti tentare la strada di una ritaratura della temperatura di mandata, ma dovresti concrodare l'isntallazione di una sonda sulla temperatura di mandata.

 

In questo modo vai a modulare la temperatura di mandata (con un suo PID, senza usare la D) in funziona della temperatura ambiente.

 

E solito discorso di prima, man mano che la temperatura ti scappa, con 2 set point shiftati, la riconrri lavorando sull'integrale.

 

Parla con il committente, perchè se ti ha chiesto di agire sulle componenti P e I, segno evidente che sa di avere un problema e porbaiblmetne ancora non ha trovato la soluzione.