Insegnamento obbligatorio per la Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica, collocato nel I periodo didattico del II anno.

Nella prima parte dell’insegnamento 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 (PFD e P&ID).

La seconda parte dell’insegnamento è dedicata alla progettazione basata sulla valutazione del rischio, con particolare riferimento ai sistemi di controllo e protezione delle apparecchiature e degli impianti.

Obiettivo dell’insegnamento è far sì che l'allievo acquisisca le seguenti conoscenze:

- metodologie a disposizione per identificare un processo che si vuole controllare ed identificarne i comportamenti critici dal punto di vista della sicurezza;
- caratteristiche dei sistemi non-lineari e delle problematiche di controllo che ne derivano;
- metodologie e tecniche di progetto di sistemi di controllo multivariabile decentralizzato e di tipo MPC (Model Predictive Control);
- schemi di controllo delle più comuni apparecchiature dell'industria di processo;
- problematiche di controllo di un processo;
- formalismo e delle normative da impiegarsi per redigere PFD e P&ID.

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;
- 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 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;
- ottimizzare il sistema di controllo e protezione sulla base della valutazione dei rischi;
- redigere PFD e P&ID per descrivere il sistema di controllo di una apparecchiatura o di un processo.

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.

- Identificazione di processi lineari mediante l'analisi della risposta a variazioni dell'ingresso a gradino e ad impulso (0.2 crediti).

- Sistemi non lineari: studio della dinamica. della stabilità. Sistemi di controllo per processi non lineari (0.5 crediti).

- Sistemi multivariabile lineari: studio della dinamica e di controllori decentralizzati (1.5 crediti).

- PFD e P&ID: convenzioni delle rappresentazioni, normative, esempi (0.2 crediti).

- Controllo di apparecchiature dell'industria di processo (scambiatori di calore, condensatori, colonne di assorbimento, colonne di distillazione, reattori, essiccatori, cristallizzatori) (1.6 crediti).

- Tipologie di controllori industriali (a relé, PID. PLC, SCADA, DCS) (0.2 crediti).

- Controllo di processi chimici: linee guida per la progettazione (0.4 crediti).

- Model Predictive Control: formulazione del problema, modelli del processo a tempo discreto, caratteristiche dei controllori MPC, modulo di ottimizzazione stazionaria e di ottimizzazione dinamica (0.4 crediti).

- 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 affidabilitstici (1.2 crediti).

- Metodologie per l'identificazione dei pericoli negli impianti di processo. HazOp, FMEA, Dot Chart per gli impianti discontinui (1.3 crediti).

- Tecniche avanzate: Monte Carlo, Reti di Petri, l'Analisi Descisionale Dinamica Integrata (1 credito).

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 di tre / massimo quattro persone per definire il sistema di controllo di un impianto proposto dal docente: il risultato verrà consegnato al docente sotto forma di PFD e P&ID unitamente al progetto del sistema di protezione di un impianto proposto dal docente a partire dalla valutazione dei rischi del processo.

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.

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 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 i l15% 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.

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 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 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 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.