L'insegnamento intende introdurre gli studenti del terzo anno alle problematiche di base del controllo automatico e della sicurezza dei processi. L'insegnamento parte dallo studio della dinamica dei processi chimici ed alimentari, trattati con i modelli semplificati studiati negli insegnamenti precedenti di fenomeni di trasporto, termodinamica e reattori chimici. Tali modelli vengono quindi risolti analiticamente con strumenti matematici adeguati, quali trasformate di Laplace, e numericamente, utilizzando simulatori dinamici quali simulink e matlab. Vengono poi analizzate le logiche di controllo feed-back classiche con particolare attenzione a stabilità e progettazione dei sistemi controllo. Infine vengono brevemente presentate le tecniche di controllo avanzate, la strumentazione industriale (con particolare attenzione all'industria alimentare) e le nozioni di base relative a stesura e lettura di un Piping and Instrumentation Diagram. Il modulo di sicurezza verte sui concetti base di prevenzione dei rischi nell'industria di processo. Si presentano sommariamente le norme vigenti, gli obblighi e le relative responsabilòità che un Ingegnere dovrà sostenere nel corso della propria carriera. Succesivamente si presentano i concetti di rischio e pericolo, i concetti di rischi chimico e le proprietà pericolose delle sostanze (tossicità, infiammabilità, ecc.) affinchè l'allievo possa valutare i pericoli derivanti dall'uso di prodotti tossici e/o infiammabili al fine di proteggere sia la salubrità dell'ambiente di lavoro che l'ambiente circostante uno stabilimento. Si presentano le principali tipologie di incidenti industriali (esplosioni, incendi, rilasci tossici, reazioni fuggitive) e si forniscono gli strumenti metodologici e operativi per valutare l'entità delle conseguenze. Particolare attenzione verrà anche prestata agli aspetti del controllo dei processi per la conduzione in sicurezza.

L'obiettivo principale è lo sviluppo della capacità di progettare e gestire autonomamente sistemi di controllo automatico. In particolare gli allievi acquisiranno le conoscenze e le abilità volte a: - ricavare modelli matematici dettagliati e semplificati per lo studio della dinamica dei processi chimici - programmare attività industriali di sperimentazione per l'identificazione parametrica (cioè la determinazione delle costanti e dei parametri che compaiono in tali modelli) - scegliere e progettare il tipo di strumentazione industriale necessaria per il controllo automatico scegliere e progettare gli attuatori più comuni - progettare sistemi di controllo feed-back proporzionali, proporzionali integrali, proporzionali derivativi e proporzionali integrali derivativi - avere familiarità con le tecniche di controllo avanzate (feed-forward, rapporto, auctioneering, ...) - simulare il comportamento dinamico dei processi al calcolatore - leggere e comprendere un Piping and Instrumentation Diagram - quantificare il rischio e il pericolo - valutare le proprietà pericolose di sostanze e preparati - individuare rischi e pericoli connessi con la presenza di determinate sostanze considerate le condizioni di processo - stimare le conseguenze di un evento incidentale - discutere la compatibilità ambientale di un sito

Gli studenti potranno proficuamente seguire l'insegnamento solo se capaci di: - risolvere equazioni e disequazioni di secondo grado, risolvere integrali e derivate semplici in variabile singola, risolvere equazioni differenziali e sistemi di equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti, effettuare studi di funzione in campo reale e semplici calcoli con numeri complessi. - risolvere equazioni di bilancio macroscopiche (in condizioni dinamiche) di materia, energia e quantità di moto utilizzare i modelli fluidodinamici semplificati di flusso a pistone e perfettamente miscelato ed i modelli cinetici più comuni (ad esempio legge di Arrhenius) - tradurre in equazioni algebriche condizioni di equilibrio termodinamico - utilizzare ambienti di simulazione quali matlab

Introduzione al controllo di processo: - Specifiche e necessità del controllo per un impianto di processo; - Configurazioni generali di sistemi di controllo: feedback e feedforward; - Struttura e componenti del sistema di controllo e risposta in transitorio. Studio del comportamento dinamico di processi chimici - Bilanci macroscopici e locali di materia, energia e quantità di moto; - Elementi introduttivi all’analisi dinamica: trasformata di Laplace; - Dinamica dei sistemi lineari a basso ordine e di ordine superiore; - Sistemi a risposta inversa e con ritardo. Analisi della risposta in frequenza. Controllo di processi chimici - Controllo di sistemi SISO (single-input/single-output); - Sistemi di controllo a retro-azione (feedback) e loro progettazione; - Sistemi di controllo avanzati per processi con dinamiche "complesse"; - Controllo con sistemi digitali e controllo digitale diretto; - Significato, utilizzo e strutture di P&ID (Piping and Instrumentation Drawings); - Esemplificazioni particolari per impianti e apparecchiature tipiche dell’industria di processo; - Monitoraggio del processo: misura di portata, temperatura, pressione, viscosità e composizione; - Acquisizione di dati sperimentali nel laboratorio didattico e simulazione dinamica di un processo reale. Simulazione di processo - Introduzione ai simulatori dinamici (Simulink). Sicurezza Industriale - Il fenomeno infortunistico e quello delle malattie professionali. - I rischi nell'industria di trasformazione. - La tossicità delle sostanze. - Prevenzione e protezione contro gli incendi. - Problematiche di sicurezza nella gestione di reattori chimici

Nella seconda parte del corso è previsto che gli studenti si organizzino in gruppi e si occupino dello studio del comportamento dinamico di un processo chimico assegnato con l’ausilio di programmi di simulazione quali matlab. E’ inoltre previsto lo studio sperimentale di un riscaldatore: identificazione di processo e progetto di un sistema di controllo in retroazione. I risultati ottenuti nel corso delle esercitazioni dovranno essere presentati al docente nella forma di una relazione scritta.

I seguenti testi sono consigliati per chiarimenti sugli argomenti trattati a lezione: 1. Ogunnaike, B. A., Ray, H. E. Process Dynamics, Modeling and Control. Oxford University Press, 1994. 2. Seborg, D.E., T.F. Edgar, D.A. Mellichamp and F.J. Doyle III, Process Dynamics and Control. John Wiley & Sons, New York, 2010. 3. Daniel Crowl, Joseph F. Louvar, Chemical Process Safety, Prentice Hall eds., 3rd ed., 2011

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

Exam: Written test; Compulsory oral exam;

... La verifica dell’apprendimento avviene mediante due prove scritte e due colloqui di cui uno facoltativo come dettagliato nel seguito. La prima verte su “Controllo e strumentazione per i processi chimici” e accerta la capacità dello studente di eseguire calcoli applicativi e, per un processo assegnato, scegliere e progettare una strategia di controllo appropriata. La prova scritta si basa su due/tre esercizi di tipo applicativo, che però richiedono una conoscenza congiunta degli aspetti teorici e di quelli di calcolo, e di una dimostrazione di teoria. Lo svolgimento della prova richiede circa due ore, durante le quali lo studente non può consultare né libri né appunti. Per accedere alla prova scritta occorre aver conseguito una valutazione positiva della relazione relativa all’esercitazione di laboratorio sperimentale e a quella di calcolo. La valutazione di queste ultime sarà pubblicata sul portale della didattica prima della sessione d’esame e potrà essere “SUPERATO” oppure “NON SUPERATO”. Nel primo caso, lo studente riceverà un bonus di 1 punto da aggiungere al voto della prova scritta. Nel caso in cui la valutazione della relazione fosse “NON SUPERATO”, lo studente non potrà usufruire di alcun bonus. Nello specifico, l’esercitazione sperimentale prevede che lo studente progetti un controllore in retroazione per la regolazione di temperatura in un serbatoio riscaldato e perfettamente miscelato. L’esercitazione di calcolo, invece, prevede lo studio del comportamento dinamico di un processo assegnato utilizzando MatLab. Qualora lo studente avesse ottenuto almeno 18/30 alla prova scritta, potrà chiedere di registrare il voto oppure sostenere un esame orale integrativo. In quest’ultimo caso il colloquio prevede due domande di approfondimento sugli aspetti teorici trattati a lezione e un ultimo quesito sulla strumentazione industriale. La durata del colloquio è di circa 20 minuti. Il voto finale sarà la media pesata della prova scritta (70%) e di quella orale (30). La seconda parte verte su “Sicurezza nei Processi Industriali”. La seconda prova scritta verte sui contenuti del modulo di sicurezza e si compone di 20 domande a risposta chiusa ed una a risposta aperta. il risultato di questa prova è espresso in trentesimi e fa media col voto del colloquio orale obbligatorio relativo alla parte sicurezza. Al fine di superare il modulo di sicurezza occorre conseguire almeno 18/30 sia nella prova scritta che durante il colloquio orale. Al fine di superare l’esame occorre conseguire almeno 18/30 per entrambi i moduli del corso. L'unione pesata dei due voti (Controllo e strumentazione pesa il 60%, mentre Sicurezza il 40%) produce la valutazione finale.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.