PID in cascata per impianto di sterilizzazione

[marco1278]

Ciao,

apro questa discussione perché avrei bisogno di un parere su un sistema di regolazione.

Ho un impianto di sterilizzazione per prodotti alimentari liquidi che in poche parole è composto da due tubi metallici coassiali.

Nel tubo interno scorre il prodotto mentre in quello esterno scorre acqua surriscaldata prodotta da uno scambiatore vapore/acqua.

 

Nel sistema sono presenti:

- sensori di temperatura in entrata e in uscita del prodotto

- sensori di temperatura in entrata e in uscita dell’acqua

- valvola modulante del vapore

- pompa dell’acqua a inverter

- sensore di portata dell’acqua 

 

Il programma a PLC gestisce il sistema in questo modo:

1. Un PID1 lavora sulla temperatura del prodotto in uscita e riceve in ingresso un SETPOINT_RICETTA. Questo pid genera in uscita un segnale 0-100%.

2. Un PID2 lavora sulla temperatura dell’acqua di riscaldo e genera un segnale 0-100% che comanda la valvola del vapore.

Questo pid riceve in ingresso un riferimento calcolato come: SETPOINT_RICETTA + K*OUT_PID1

3. Il valore K è impostato a nei parametri generali

4. Un PID3 gestisce la portata dell’acqua di riscaldo agendo sulla velocità della pompa.

 

L’impianto lavora con SETPOINT_RICETTA = 95 °C o 130 °C gradi e K =10 °C.

 

Con questo sistema la temperatura dell’acqua di riscaldo può variare  da 95-105 °C o 130-140 °C.

 

Da progetto il costruttore ha calcolato appunto 10 °C di delta tra acqua di riscaldo e prodotto, ma l’impianto è lentissimo a reagire e in alcuni casi anche se OUT_PID1 è al 100% la temperatura del prodotto non raggiunge il setpoint ma rimane piuttosto bassa di 5 °C.

 

Stavo pensando di variare la regolazione ma non saprei proprio come fare.

 

Qualcuno ha qualche consiglio da darmi?

 

Grazie 

 

Ciao

Modificato: ieri dalle 18:05 da marco1278

[drn5]

Così su due piedi senza altre info direi che c'è poca superficie di scambio e/o il prodotto transita troppo velocemente.

[acquaman]

Che differenza c'è tra la temperatura di ingresso e di uscita dell'acqua? puoi provare a variare la portata, per vedere se cambia qualcosa, alle volte un flusso troppo veloce non permette lo scambio di calore.

[Livio Orsini]

Per aumentare la velocità di riscaldo del prodotto bisogna agire sulle due portate: aumentare al massimo la portata dell'acqua di riscaldo, diminuire la portata del prodotto; inoltre cercare di mantenere la temperatura d'ingresso dell'acqua di riscaldo al massimo.

 

Però per un'analisi più precisa e puntuale del sistema mancano tutti dati.

Modificato: 16 ore fa da Livio Orsini

[marco1278]

Ciao, grazie per le risposte.

 

L’impianto riscalda il prodotto, lo mantiene alla temperatura per un tempo di sosta 10 secondi (facendolo scorrere in un tubo di lunghezza definita) e poi lo raffredda con un sistema uguale a quello di riscaldo ma con acqua gelida.

La portata del prodotto è 150kg/h e deve rimanere costante altrimenti cambia il tempo di sosta.

 

La differenza di temperatura dell’acqua di riscaldo è circa 5 gradi. Entra a 140 e esce a 135.

Ho provato a variare la portata e chiaramente varia anche la tramissione del calore e il delta T.

 

L’impianto prima di processare il prodotto viene messo a regime con acqua che continua a circolare ad anello (riscaldo, sosta, raffreddamento). C’è proprio questa fase di ASSESTAMENTO di 20 minuti che serve per far stabilizzare i PID.

Poi al momento della produzione viene pompato dentro il prodotto, che è alla stessa temperatura dell’acqua prima del trattamento termico, e il prodotto stesso spinge fuori l’acqua.

 

Il mio dubbio sono i due PID in cascata. Volevo provare a comandare la valvola del vapore direttamente dall’uscita del PID1 per vedere se si riesce a velocizzare la risposta.

 

Con acqua l’impianto riesci a raggiungere la condizione di regime, ma quando arriva il prodotto, che è più viscoso, inizia a perdere temperatura e non raggiunge più la temperatura di progetto.

 

[Livio Orsini]

21 minuti fa, marco1278 ha scritto:

l mio dubbio sono i due PID in cascata. Volevo provare a comandare la valvola del vapore direttamente dall’uscita del PID1 per vedere se si riesce a velocizzare la risposta.

 

La velocità di risposta non dipende dal PID che, tra l'altro da come lo hai descritto, è un proporzionale puro. La velocità di risposta dipende dalle costanti fisiche del processo.

Per elevare una quantità x di liquido di y gradi, è necessaria una ben determinata quantità di calore. Quindi per aumentare la velocità con cui il liquido raggiunge la temperatura voluta, o si accrece la temperatura delll'elemento riscaldante o si diminuisce la quantità di liquido da riscaldare. Questa è una legge fisica ben precisa e non c'è possibiità di fare altrimenti.

[acquaman]

Se non puoi cambiare le temperature puoi solo agire sulla portata di acqua, fai delle prove a portate differenti fino a trovare la soluzione migliore la temperatura in uscita più alta.
Oltre puoi solo agire sulla temperatura dell'acqua.

[Marco Fornaciari]

Si, va bene tutto, ma con quei numeri relativi a portate e temperature stiamo parlando di tolleranze attorno/minore al 5%, è dura fare qualcosa di più preciso in ambiente industriale di produzione.

Tra l'altro 150 l/h sono una portata molto piccola: 0,041 litri al secondo, è dura fare un sistema di regolazione a PID che funzioni come desidera il tecnologo o/e il processo di produzione.

Lì bisogna riprogettare tutta quella parte di macchina, magari usando come riscaldante delle resistenze elettriche suddivise in più sezioni, e comandate in PWM.

 

Meglio PID indipendenti ovvero non usare proprio i PID: già nel 1990 ho risolto qui problemai senza PID ma utilizzandole media continue a facendo modificare la macchina (c'erano proprio degli errori di base da meno che principianti: ho ottenuto curve piatte di pressione e portata vapore dopo una rampa in autoacquisizione e autoregolazione di meno di un minuto, parlo di 5000 + 5000 mc/h di vapore.

Il sistema lo ho utilizzato anche in altri contesti con gli stessi risultati.

 

 

[marco1278]

L’impianto è in un laboratorio pilota per cui è normale che sia piccolo.

 

Durante delle prove in cui l’impianto doveva sterilizzare a 130 gradi, la temperatura di uscita del prodotto era stazionaria a 127.

Il PID1 aveva l’uscita al 100% e quindi indicava al PID2 di regolare l’acqua di riscaldo a 140 gradi, cioè 130 + 10*100%.

 

Ho provato a impostare quel 10 gradi a 15 e l’acqua è arrivata a 145 gradi portando il prodotto a 130.

 

Secondo me è proprio il concetto dei due PID in cascata che si sommano la maggiorazione che non va bene. 
 

 

[Marco Fornaciari]

Lì c'è un insieme di fattori che rendono difficoltosa quella regolazione:

- portata molto bassa

- variazioni di temperatura e portata veloci e a picchi molto brevi

- magari eccessiva sensibilità delle sonde di temepratura

- tempo di elaborazione da parte del PLC troppo lenta rispetto alle grandezze delle riche sopra

- con quelle portatre 10 ms fanno differenza

- tempi di rispostabdella valvole penalizzanti

- ecc. ecc..

 

Minimo devi fare due PID indipedenti:

- uno tiene costante la temperatura del prodotto

- l'altro quella dell'acqua di riscaldamento.

 

Poi registrando le curve ogni secondo regolare i valori PID per ottenere il risultato finale, ma questa è materia del tecnologo.

 

Ma per darti altri suggerimenti dovrei essere lì e vedre cosa succede, con i PID il modello matematico è un cosa i reale funzionamento tutt'altra cosa.

Che poi l'impianto pilota darà dei risultati non repplicabili sull'impianto di reale produzione, aumentando le quantità, quindi le inerzie, il modello matematico cambia completamente.

 

Come ti ripeto, a prescindere dal modello matematico, certe problematiche non si riesce a risolverle con il PID, e il PLC in quasti casi permette tante altre soluzioni dedicate e ben più efficaci.

Modificato: 3 ore fa da Marco Fornaciari

[marco1278]

57 minuti fa, Marco Fornaciari ha scritto:

Minimo devi fare due PID indipedenti:

- uno tiene costante la temperatura del prodotto

- l'altro quella dell'acqua di riscaldamento.

 

ok, ma come faccio a farli agire entrambi sulla valvola del vapore?

 

In azienda ho un impianto in produzione che è usato pochissimo e ha lo stesso funzionamento di questo pilota.

La regolazione però è diversa: in questo esiste un solo PID che regola la temperatura dell’acqua e il suo setpoint è dinamico e calcolato.

Il calcolo del setpoint viene eseguito ogni 15 secondi ed è SETPOINT_PRODOTTO + 5 + (SETPOINT_PRODOTTO - REALE_PRODOTTO)

Usandolo poco non so se la logica teorica è migliore di quella che ho al pilota, però su questo la temperatura dell’acqua può salire quanto vuole fino al limite massimo.

 

Modificato: 2 ore fa da marco1278

[Marco Fornaciari]

Il problema è appunto il set point dinamico in combinazione con la curva di funzionamento della valvola del vapore.

Da spiegare è complicato, da vedere sul posto è di contro semplice.

Tutto il SW deve essere in funzione dell'HW presente a cominciare dai tubi.

Le curve di portata delle valvola del vapore sono fondamentali.

 

Se l'impianto di produzione lavora a metri cubi ora va da se che non presenta i problemi di un impianto che lavora a litri ora; già il fatto che 1000 litri sono un metro cubo elimina il 90% dei problemi.

 

Ci vuole un minimo di esperienza e voglia di mandare a quel paese i modelli matematici, probabilmente dovrai litigare con il tecnologo e l'inventore di quallo sterilizzatore, ma se hai le idei chiare e tanta pazienza solo tu risolvi il problema, dato che il SW lo scrivi te.

 

Giusto per, alcune soluzioni dei miei impianto fanno parte di tecnologie proprietarie e alcune anche brevettate, quindi non posso darti degli esempi SW, che per essere compresi devono essere corredati dall'HW dell'impianto e da tutto il resto.

 

 

 

 

Modificato: 8 minuti fa da Marco Fornaciari