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Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale
03NFNMW
A.A. 2023/24
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
Insegnamento obbligatorio per la Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica e dei Processi Sostenibili, collocato nel I periodo didattico del II anno. Vengono approfondite le problematiche legate al controllo di processi industriali, con particolare attenzione ai sistemi non-lineari e multivariabile. Verranno inoltre studiati gli schemi di controllo di apparecchiature e processi industriali, nonché la documentazione utilizzata per descriverli (Process Flow Diagram e Piping & Instrumentation Diagram). Lo studente avrà quindi modo di acquisire competenze fondamentali per l'esercizio dlella professione, sia come ingegnere di processo, sia come ingegnere progettista.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Tecnica della sicurezza ambientale)
Tecnica della Sicurezza Ambientale, è dedicata alla progettazione basata sulla valutazione del rischio, con particolare riferimento ai sistemi di controllo e protezione delle apparecchiature e degli impianti.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
This is a course of the 2nd year (1st Academic term) of the Master Degree in Chemical and Sustainable Processes Engineering. The course is focused on the design of process control systems, with particular emphasis on non-linear and multivariable systems. The typical control loops of single equipment and full plants are investigated, as well as the process diagrams used to describe them (Process Flow Diagram and Piping & Instrumentation Diagram).
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Tecnica della Sicurezza Ambientale, is devoted to the risk based design of a process and, in particular, of process control and safety systems.
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Obiettivo dell’insegnamento è far sì che l'allievo acquisisca le seguenti conoscenze: - problematiche di controllo di un processo; - caratteristiche dei sistemi non-lineari e delle problematiche di controllo che ne derivano; - metodologie e tecniche di progetto di sistemi di controllo multivariabile decentralizzato; - schemi di controllo delle più comuni apparecchiature dell'industria di processo; - normative da impiegarsi per redigere Process Flow Diagram e Piping & Instrumentation Diagram. Le abilità che lo studente deve acquisire sono pertanto le seguenti: - determinare i parametri di un processo lineare mediante procedure di identificazione in-linea; - studiare la dinamica di sistemi non lineari e proporre semplici schemi di controllo; - progettare un controllore multivariable decentralizzato; - definire lo schema di controllo di una apparecchiatura o di un processo. Ai fini dell'autonomia di giudizio e della comunicazione tecnica, al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di: - proporre uno schema di controllo per un processo; - redigere Process Flow Diagram e Piping & Instrumentation Diagram per descrivere il sistema di controllo di una apparecchiatura o di un processo; - progettare un sistema di controllo multivariable.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Tecnica della sicurezza ambientale)
In TSA, obiettivo dell’insegnamento è l'acquisizione delle seguenti conoscenze: - principi di gestione della sicurezza; - metodologie per analizzare un processo e identificarne i comportamenti critici dal punto di vista della sicurezza; - calcolo della probabilità di accadimento di eventi indesiderati; - criteri di progettazione dei sistemi di protezione. Le abilità che lo studente deve acquisire sono pertanto le seguenti: - condurre una valutazione dei rischi (identificazione dei pericoli; valutazione delle probabilità di accadimento degli eventi indesiderati, stimare la relativa criticità e il comportamento dell’impianto dal punto di vista della sicurezza). - definire lo schema di protezione di una apparecchiatura o di un processo; Ai fini dell'autonomia di giudizio e della comunicazione tecnica, al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di: - ottimizzare il sistema di controllo e protezione di un processo sulla base della valutazione dei rischi.
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The goal of the course is to provide the student with the knowledge of the following issues: - characteristics of non-linear systems and of the issues associated to the control of these processes; - methods that can be used to control a multivariable system using either a decentralized control system or a Model Predictive Control system; - control loops of the most frequently used pieces of equipment in industrial processes; - problems related to process control; - rules that have to be followed when designing Process Flow Diagram and Piping & Instrumentation Diagram. With respect to the skills that the student has to gain, the followings can be listed: - determination of the parameters of a linear process using in-line process identification; - study of the dynamics of non-linear systems and design of simple control loops; - design a decentralized multivariable controller; - design the control system of single piece of equipment and of full processes. With respect to the autonomy of judgment and the technical communication, at the end of the course the student has to be able to do the followings: - propose a control scheme for a process; - design a multivariable process control; - draw PFD and P&ID to describe the control system of equipment and processes; - identify a process, i.e. determine, through experiments, the transfer function between the controlled variable and the manipulated variable.
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The goal of the TSA module is to provide the student with the knowledge about: - safety management system principles; - methodologies for the analysis of the process and plant for the identification of safety critical behaviours; - estimation of the probability of occurrence of unwanted events; - design criteria for the process protection system. With respect to the skills that the student has to gain, the followings can be listed: - risk assessment techniques (to identify the hazards, assess the probability of occurrence of undesired events, estimate their criticalities and possible critical behavior from the safety point of view); - develop the protection scheme for a piece of equipment or a whole plant. With respect to the autonomy of judgment and the technical communication, at the end of the course the student has to be able to do the followings: - optimize the control and protection scheme on the base of risk assessment.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
Lo studente deve essere a conoscenza dei seguenti argomenti: - trasformata di Laplace; - dinamica di sistemi lineari e funzione di trasferimento; - analisi di stabilità di un sistema lineare (luogo delle radici, diagrammi di Bode e Nyquist); - progetto di un controllore PID; - metodi di risoluzione di equazioni non lineari e di equazioni differenziali. Sono richieste inoltre le conoscenze di base di impiantistica chimica e di controllo dei processi.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Tecnica della sicurezza ambientale)
Sono richieste le conoscenze di base di impiantistica chimica e di controllo dei processi.
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The course can be followed if the student has the basic knowledge of: - Laplace transform, - dynamics of linear systems and transfer function, - stability analysis of a linear system (root locus, Bode and Nyquist diagrams), - design of a PID controller, - numerical methods used to solve non-linear equations and differential equations. A basic knowledge of process plants’ components and major equipment is required.
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A basic knowledge of process plants’ components and major equipment is required.
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- Identificazione di processi lineari mediante l'analisi della risposta a variazioni dell'ingresso a gradino e ad impulso e ad altre sollecitazioni. - Sistemi multivariabile lineari: studio della dinamica e di controllori decentralizzati. - PFD e P&ID: convenzioni delle rappresentazioni, normative. - Controllo di apparecchiature dell'industria di processo (scambiatori di calore, condensatori, colonne di assorbimento, colonne di distillazione, reattori, essiccatori, cristallizzatori). - Tipologie di controllori industriali (a relé, PID. PLC, SCADA, DCS). - Controllo di processi chimici: linee guida per la progettazione. - Sistemi non lineari: studio della dinamica. della stabilità. Sistemi di controllo per processi non lineari.
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- Rischio tecnologico. Definizione. Valutazione. Criteri di Tollerabilità (0,5 crediti). - Definizione e uso dell'affidabilità e della disponibilità di componenti e sistemi (1 credito). - Alberi dei guasti e Alberi degli Eventi. Quantificazione di affidabilità, disponibilità e rischi a supporto del risk based design. Dati affidabilistici (1 credito). - Metodologie per l'identificazione dei pericoli negli impianti di processo. HazOp, FMEA, Dot Chart per gli impianti discontinui (1 credito). - Sicurezza Funzionale e cybersicurezza (0.5 crediti) - Tecniche avanzate: Monte Carlo, Reti di Petri, l'Analisi Decisionale Dinamica Integrata. La gestione dei rischi (1 credito).
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- Identification of linear processes by means of step, impulse and other responses. - Multivariable linear processes: interactions and pairing, design of decentralized controllers. - PFD and P&ID. - Control of equipment (heat exchangers, condensers, absorption columns, distillation columns, chemical reactors, dryers, crystallizer). - Industrial controllers (relé, PID. PLC, SCADA, DCS). - Plantwide control systems. - Model Predictive Control: problem formulation, discrete-time process model, steady-state and dynamic optimization. - Non-linear systems: dynamics and stability. Control systems for non-linear processes.
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- Technological risk. Definition. Assessment. Tolerability criteria (0,5 credits). - Definition and use of reliability and availability for single components and systems. The definition of technological risk (1 credit). - Methodologies for hazard identification in process plants. HazOp, FMEA, Dot Chart for batch processes (1 credit). - Fault trees and Event Trees. Quantification of Reliability Availability and risk for risk based design. Reliability data (1 credit). - Functional Safety (1 credit) - Advanced techniques: Monte Carlo, Petri net and Integrated Dynamic Decision Analysis. Risk management (1 credit).
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Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
Un ciclo di esercitazioni affianca le lezioni in aula. Nelle esercitazioni lo studente è chiamato a risolvere alcuni esercizi proposti dal docente con l'obiettivo di applicare i concetti presentati a lezione. In questa fase viene fornita assistenza continua da parte del docente. Nella parte finale dell’insegnamento è previsto che gli studenti si organizzino in gruppi per definire il sistema di controllo di un impianto proposto dal docente: il risultato verrà consegnato al docente sotto forma di Process Flow Diagram e Piping & Instrumentation Diagram.
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Un ciclo di esercitazioni affianca le lezioni in aula. Nelle esercitazioni lo studente è chiamato a risolvere alcuni esercizi proposti dal docente con l'obiettivo di applicare i concetti presentati a lezione. Una delle esercitazioni in aula sarà dedicata alla gestione dei rischi legati alla cybersecurity dei sistemi di controllo e protezione, nell'ambito del PE7 PNRR SERICS. In questa fase sarà fornita assistenza continua da parte dei docenti e collaboratori in aula. Nella parte finale dell’insegnamento è previsto che gli studenti si organizzino in gruppi di tre / massimo quattro persone per definire il sistema di protezione di un impianto proposto dal docente.
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Lectures are integrated with numerical exercise where students are asked to solve simple problems connected with the subject of the lesson: the students are requested to solve simple exercises about process identification, design of single-input-single-output and of multivariable controllers and reliability assessment. In the final part of the course, the class is divided into groups of three/maximum four students, and each group designs the control system of a simple process, and prepares a short report, containing the Process Flow Diagram and the Piping & Instrumentation Diagram
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Lectures are integrated with numerical exercise where students are asked to solve simple problems connected with the subject of the lesson: the students are requested to solve simple exercises about process identification, design of single-input-single-output and of multivariable controllers and reliability assessment. In the final part of the course, the class is divided into groups of three/maximum four students, and each group designs the protection system of a simple process, and prepares a short report, containing the PFD and the P&ID; the design of the protection system will complete the report.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
Poiché questo insegnamento è una sintesi di molti aspetti del controllo di processo, è stato sviluppato materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili sul mercato. A questi si fa comunque esplicito riferimento nel materiale fornito, dove vengono consigliati testi per approfondimenti. Dispense con i contenuti delle lezioni ed i testi degli esercizi proposti vengono messi a disposizione agli studenti iscritti all'insegnamento mediante il Portale della Didattica all'inizio delle lezioni.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Tecnica della sicurezza ambientale)
Poiché questo insegnamento è una sintesi di molti aspetti della sicurezza di processo, è stato sviluppato materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili sul mercato. Dispense con i contenuti delle lezioni ed i testi degli esercizi proposti vengono messi a disposizione agli studenti iscritti all'insegnamento mediante il Portale della Didattica durante le lezioni.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
As the subject of this course covers various aspects of control theory, it is not possible to find a textbook covering the various contents of the lessons. The slides used by the professor during the lessons, as well as course handouts are given to the students at the beginning of the course.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Tecnica della sicurezza ambientale)
As the subject of this course covers various aspects of process safety, it is not possible to find a textbook covering the various contents of the lessons. The slides used by the professor during the lessons, as well as course handouts are given to the students during the course.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
Slides; Dispense; Libro di testo; Esercizi; Esercitazioni di laboratorio; Video lezioni tratte da anni precedenti;
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Tecnica della sicurezza ambientale)
Slides; Esercizi; Strumenti di simulazione; Strumenti di collaborazione tra studenti;
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
Lecture slides; Lecture notes; Text book; Exercises; Lab exercises; Video lectures (previous years);
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Lecture slides; Exercises; Simulation tools; Student collaboration tools;
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato grafico prodotto in gruppo; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
Exam: Written test; Optional oral exam; Group graphic design project; Group essay;
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Exam: Written test; Optional oral exam;
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
La verifica dell’apprendimento avverrà in modi differenti per il modulo di Controllo Avanzato e per quello di Tecnica della Sicurezza Ambientale. Avuta una valutazione sufficiente (>18/30) per entrambi i moduli, la valutazione finale dell’insegnamento risulterà dalla media delle valutazioni conseguite in ciascun modulo. Per sostenere l’esame è richiesta la frequenza alle esercitazioni di calcolo che saranno svolte durante il corso. Per il modulo di Controllo Avanzato la verifica dell'apprendimento avverrà mediante i seguenti strumenti: - un esame scritto, che ha l'obiettivo di verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese e l'autonomia di giudizio. A tal fine lo studente dovrà mostrare di essere in grado di risolvere problemi di identificazione di processo, di studiare sistemi non lineari e di progettare sistemi di controllo multivariabile decentralizzati, di proporre schemi di controllo per semplici processi chimici e di saper leggere/produrre un P&ID. La durata massima dell’esame scritto è di 2 ore, e non è consentito l’impiego di materiale didattico (libri, appunti, …). - una esercitazione di gruppo relativa allo sviluppo di un sistema di controllo multivariabile decentralizzato per un processo industriale consentirà di valutare la conoscenza degli schemi di controllo delle apparecchiature dell'industria di processo, delle problematiche di controllo di un processo e del formalismo e delle normative da impiegarsi per redigere PFD e P&ID, nonché l'autonomia di giudizio (necessaria per la scelta dello schema di controllo) e della comunicazione tecnica, attraverso l'elaborato finale. Trattandosi di un lavoro di gruppo, la valutazione individuale coincide con quella del gruppo. La valutazione finale deriverà per il 20% dalla valutazione dell’esercitazione di gruppo e per l’80% dalla valutazione dell’esame scritto. Facoltativamente, lo studente potrà sostenere un esame orale, che consisterà nella discussione delle scelte adottate dagli allievi nella formulazione del sistema di controllo dell'impianto loro assegnato (esercitazione di gruppo), nonché di tutti gli argomenti dell’insegnamento. In questo caso, la valutazione che lo studente conseguirà deriverà per 1/3 dalla valutazione dell’esame orale, e per 2/3 dalla valutazione dell’esame scritto e della esercitazione di gruppo.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Tecnica della sicurezza ambientale)
La verifica dell’apprendimento avverrà separatamente per il modulo di Controllo Avanzato e per quello di Tecnica della Sicurezza Ambientale. Avuta una valutazione sufficiente (>18/30) per entrambi i moduli, la valutazione finale dell’insegnamento risulterà dalla media delle valutazioni conseguite in ciascun modulo. Per il modulo di Tecnica della Sicurezza Ambientale la verifica dell’apprendimento avverrà mediante i seguenti strumenti: - un esame scritto, che ha l'obiettivo di verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese. A tal fine lo studente dovrà mostrare di essere in grado di risolvere problemi di identificazione dei rischi di processo, e in base ad essi proporre schemi di protezione per semplici processi chimici, e di saper leggere/produrre un P&ID. La durata dell’esame scritto è di 1,5-2 ore, ed è consentito l’impiego di libri, appunti, ed altro materiale didattico; - una esercitazione di gruppo relativa allo sviluppo del sistema di protezione per un processo industriale consentirà di valutare la conoscenza degli schemi di controllo e protezione delle apparecchiature dell'industria di processo, delle problematiche di sicurezza di un processo, nonché l'autonomia di giudizio (necessaria per la scelta dello schema di controllo e protezione) e della comunicazione tecnica, attraverso l'elaborato finale. La valutazione finale deriverà per il 20% dalla valutazione dell’esercitazione di gruppo e per l’80% dalla valutazione dell’esame scritto. Facoltativamente, lo studente potrà sostenere un esame orale, che consisterà nella discussione dei diversi argomenti dell’insegnamento. In questo caso, la valutazione che lo studente conseguirà deriverà per 1/3 dalla valutazione dell’esame orale, e per 2/3 dalla valutazione dell’esame scritto e della esercitazione di gruppo.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
Exam: Written test; Optional oral exam; Group graphic design project; Group essay;
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Tecnica della sicurezza ambientale)
Exam: Written test; Optional oral exam;
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Controllo avanzato)
La verifica dell’apprendimento avverrà in modi differenti per il modulo di Controllo Avanzato e per quello di Tecnica della Sicurezza Ambientale. Avuta una valutazione sufficiente (>18/30) per entrambi i moduli, la valutazione finale dell’insegnamento risulterà dalla media delle valutazioni conseguite in ciascun modulo. Per sostenere l’esame è richiesta la frequenza alle esercitazioni di calcolo che saranno svolte durante il corso. Per il modulo di Controllo Avanzato la verifica dell'apprendimento avverrà mediante i seguenti strumenti: - un esame scritto, che ha l'obiettivo di verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese. A tal fine lo studente dovrà mostrare di essere in grado di risolvere problemi di identificazione di processo, di studiare sistemi non lineari e di progettare sistemi di controllo multivariabile decentralizzati, di proporre schemi di controllo per semplici processi chimici e di saper leggere/produrre un P&ID. La durata dell’esame scritto è di 2 ore, e non è consentito l’impiego di materiale didattico (libri, appunti, …). - una esercitazione di gruppo relativa allo sviluppo di un sistema di controllo multivariabile decentralizzato per un processo industriale consentirà di valutare la conoscenza degli schemi di controllo delle apparecchiature dell'industria di processo, delle problematiche di controllo di un processo e del formalismo e delle normative da impiegarsi per redigere PFD e P&ID, nonché l'autonomia di giudizio (necessaria per la scelta dello schema di controllo) e della comunicazione tecnica, attraverso l'elaborato finale. La valutazione finale deriverà per il 15% dalla valutazione dell’esercitazione di gruppo e per l’85% dalla valutazione dell’esame scritto. Facoltativamente, lo studente potrà sostenere un esame orale, che consisterà nella discussione delle scelte adottate dagli allievi nella formulazione del sistema di controllo dell'impianto loro assegnato (esercitazione di gruppo), nonché di tutti gli argomenti dell’insegnamento. In questo caso, la valutazione che lo studente conseguirà deriverà per 1/3 dalla valutazione dell’esame orale, e per 2/3 dalla valutazione dell’esame scritto e della esercitazione di gruppo.
Controllo avanzato/Tecnica della sicurezza ambientale (Tecnica della sicurezza ambientale)
The assessment will be carried out in different ways for the module of Advanced Control and for that of Environmental Safety Technique. In case the grading of each module is >=18, the final grade will be the mean value of the scored obtained in each module. For the Advanced Control module the assessment will be carried out in the following way: - a written examination, whose goal is to check the knowledge and the skills gained by the students. Thus, the students will be requested to solve some simple exercises about process identification, design of control systems, both for singe-input single-output systems and for multivariable processes, for linear and non-linear processes. The written exam lasts 2 hours, and use of textbooks, handouts, etc. is not allowed; - a written report about the design of the control system of a simple process: it will allow to evaluate if the student is able to design the control system of pieces of equipment and full processes, as well as to draw process diagrams as the Process Flow Diagram (PFD) and the Piping & Instrumentation Diagram (P&ID). Such report will allow also to evaluate the technical communication. The final score will be obtained from that of the written report (15%) and that of the written exam (85%). The student has also the possibility to sit for an oral exam, focused on the discussion of the control system proposed by the student in the work group, and on the other topics of the course. In this case the score will be obtained from that of the oral exam (1/3) and that of the written exam + report (2/3). With respect to the module of Environmental Safety Technique, the grading will be obtained in the following way: - a written examination, with the goal of checking the knowledge and the skills gained by the students. The students will be requested to solve some simple exercises about hazard identification, logic trees solutions and at least one theoretical aspect discussed during the lessons. The written exam lasts 2 hours, and use of textbooks, handouts, etc. is allowed; - a written report about the design of the protection system of a simple process: it will allow to evaluate if the student is able to design the protection system of pieces of equipment and full processes, as well as to draw process diagrams as the Process Flow Diagram (PFD) and the Piping & Instrumentation Diagram (P&ID). Such report will allow also to evaluate the technical communication. The final score will be obtained from that of the written report (15%) and that of the written exam (85%). The student has also the possibility to sit for an oral exam, focused on theoretical aspects discussed during the course. In this case the score will be obtained from that of the oral exam (1/3) and that of the written exam + report (2/3).