Marco Maglionico

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Marco Maglionico

INTERFACCIAMENTO TRA STRUMENTAZIONE
E STAZIONI REMOTE, PLC, DATA LOGGER
E/O SISTEMI DI ACQUISIZIONE
Milano, Settembre 2007
Luciano Caviglia - Marco Maglionico
rev.0
1 / 53
Indice
1.
2.
Introduzione ................................................................................................................................3
Misure analogiche .......................................................................................................................3
2.1.
Acquisizione di un segnale analogico .................................................................................3
2.2.
Relazione tra ingresso analogico e valori forniti dal convertitore A/D ..............................6
2.3.
Risoluzione/quantizzazione dei convertitori A/D ...............................................................9
2.4.
Catena di collegamento tra sensore/trasmettitore e scheda ingressi
analogici relativa alla misura del livello ...........................................................................11
2.5.
Frequenza di campionamento dei segnali analogici .........................................................12
2.6.
Trasduttori .........................................................................................................................14
2.7.
Interfacciamento tra la strumentazione/trasduttori e la scheda ingressi
analogici ............................................................................................................................14
2.7.1.
Strumentazione/trasduttori attivi...............................................................................15
2.7.2.
Strumentazione/trasduttori passivi............................................................................15
2.7.3.
Trasduttori autoalimentati.........................................................................................15
2.8.
Convertitori di segnali analogici in segnali seriali RS232/RS485....................................16
2.9.
Interfacciamento di segnali analogici non standard..........................................................17
3.
Parametri caratteristici della strumentazione/trasduttori...........................................................18
4.
Verifica funzionalità catena: trasduttore – trasmettitore – scheda ingressi
analogici ....................................................................................................................................19
5.
Metodi di acquisizione ..............................................................................................................21
5.1.
Media ................................................................................................................................21
5.2.
Mediana.............................................................................................................................22
5.3.
Moda .................................................................................................................................24
5.4.
Deviazione standard ..........................................................................................................24
6.
Errori sistematici nelle misure dirette .......................................................................................28
7.
Errori di acquisizione e loro prevenzione .................................................................................28
8.
Schede uscite analogiche...........................................................................................................30
9.
HART (protocollo di comunicazione di campo).......................................................................31
9.1.
Reti HART ........................................................................................................................32
10. Convertitori di tensione in frequenza........................................................................................32
11. Accuratezza complessiva delle misure nei sistemi di telecontrollo ..........................................33
12. Protezioni per la strumentazione 4 – 20 mA.............................................................................34
13. Gestione di rete fognaria mediante controllo in tempo reale ....................................................36
13.1.
Descrizione del sistema fognario ......................................................................................36
13.2.
Il telecontrollo nelle stazioni di sollevamento ..................................................................37
13.3.
Raccolta dei dati................................................................................................................38
13.4.
Analisi della parte di rete fognaria telecontrollata ............................................................39
13.5.
Conclusioni .......................................................................................................................44
14. Monitoraggio delle acque di “prima pioggia” in un’area industriale........................................45
14.1.
Premessa............................................................................................................................45
14.2.
Il sito sperimentale ............................................................................................................45
14.3.
La strumentazione installata..............................................................................................47
14.4.
La campagna di misura .....................................................................................................48
14.5.
Conclusioni .......................................................................................................................51
Ringraziamenti ...................................................................................................................................52
Bibliografia.........................................................................................................................................53
2 / 53
1.
Introduzione
Lo scopo di questo quaderno è quello di fornire una descrizione relativa
all’interfacciamento tra la strumentazione e stazioni remote di telecontrollo, PLC, data
logger e/o di sistemi di acquisizione.
Il quaderno è diviso i due parti: nella prima sono riportate le modalità di interfacciamento
e nella seconda parte sono descritti due esempi di applicazioni significative (paragrafi 13
e 14).
In particolare sono esaminate le seguenti funzioni:
• Acquisizione dei segnali analogici da stazioni remote, PLC, data logger, ecc.;
• Conversione analogica/digitale di segnali analogici;
• Risoluzione dei convertitori analogici/digitali;
• Errore di conversione;
• Interfacciamenti attivi, passivi e autoalimentati tra la strumentazione e le schede
di ingressi analogici;
• Parametri caratteristici della strumentazione;
• Metodi di acquisizione di segnali analogici;
• Errori sistematici nell’acquisizione di segnali analogici;
• Errori di acquisizione e loro prevenzione;
• Caratteristiche delle schede di uscita analogiche delle stazioni remote, PLC, ecc.;
• Convertitori di tensione/frequenza;
• Convertitori di segnali analogici in segnali standard;
• Convertitori di segnali analogici in collegamento seriale RS232/RS485;
• Verifica della funzionalità della catena sensore – trasmettitore – scheda analogica.
Il quaderno si rivolge in particolare agli utilizzatori di sistemi di telecontrollo, di
supervisione e di acquisizione con lo scopo di fornire le conoscenze di base dei
collegamenti tra le varie apparecchiature.
2.
Misure analogiche
2.1. Acquisizione di un segnale analogico
Le stazioni remote di telecontrollo, i PLC, i data logger ed i sistemi di acquisizione sono
in grado di gestire, per mezzo di schede di ingressi analogici, i segnali generati dalla
strumentazione preposta alle rilevazioni delle grandezze fisiche dell’impianto.
I segnali analogici possono fornire misure di portata, temperatura, pressione, livello, ecc.
e forniscono in “continuo” le variazioni rilevate dai trasduttori corrispondenti.
In determinate configurazioni, gli ingressi analogici, sono direttamente integrati nei
sistemi di acquisizione, stazioni remote, PLC, sonde multiparametriche, ecc..
Nella figura 1 sotto riportata è rappresentato un segnale analogico fornito da un
trasduttore di pH che viene acquisito dalla scheda ingressi analogici.
3 / 53
pH
14
13
12
11
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
tempo (sec.)
Figura 1 – Esempio di un segnale analogico fornito da un trasduttore di pH
La catena relativa alla connessione di un segnale analogico di una misura di PH ad una
stazione remota e/o ad un sistema di acquisizione viene rappresentata nella figura 2 sotto
riportata.
4 – 20 mA.
PH
1° ingresso
TRASMETTITORE
2° ingr.
SCHEDA
INGRESSI
ANALOGICI
STAZIONE
REMOTA
2° ingr.
PH
mA.
14
20
0
t
4
t
Figura 2 – Catena sensore – trasmettitore – sistema di acquisizione
Nell’esempio considerato è installato un trasduttore in grado di rilevare le variazioni del
pH dell’acqua.
4 / 53
Tale trasduttore è collegato ad un trasmettitore che converte il segnale di ingresso in un
segnale elettrico in corrente 4 ÷ 20 mA. Questo segnale viene acquisito dalla scheda
ingressi analogici della stazione remota e/o dai sistemi di acquisizione.
Sono disponibili diversi tipi di trasduttori in funzione del tipo di misura da acquisire. La
scheda ingressi analogici del sistema di acquisizione può acquisire segnali in corrente ed
in tensione.
Tipicamente i segnali analogici forniti dalla strumentazione sono i seguenti:
• 4 – 20 mA
• 0 – 20 mA
• 0 – 10 Volt
• 1 – 5 Volt
La scheda ingressi analogici trasforma il segnale analogico in un valore interpretabile
dalla stazione remota e/o dagli altri sistemi di acquisizione.
Il segnale analogico in corrente o in tensione, con periodicità determinata dalla
“frequenza di campionamento” definita nel sistema di acquisizione, è convertito in un
valore digitale (binario) proporzionale al segnale di ingresso fornito dalla
strumentazione.
La conversione viene realizzata per mezzo di un convertitore analogico/digitale (A/D)
presente nella scheda. Nella figura 3 sotto riportata è rappresentato un segnale analogico
in corrente con la frequenza di campionamento “fc” avente periodicità di 1 secondo.
pH
14
13
•
•
•
•
•
•
12
•
•
•
•
11
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
tempo (sec.)
Frequenza di campionamento (fc)
Figura 3 – Esempio di campionamento di un segnale analogico (fc – frequenza di
campionamento eseguita dal sistema di acquisizione sul segnale fornito dalla
strumentazione)
Nella figura 4 sotto riportata viene indicata la conversione analogica/digitale di un
segnale analogico che utilizza un convertitore A/D di 12 bit. Il segnale analogico viene
convertito in un valore binario di 12 bit (212 che consente di rappresentare un campo di
misura 0 ÷ 4095).
5 / 53
bit 0
bit 1
bit 2
INGRESSO ANALOGICO
(CORRENTE, TENSIONE, ECC.)
bit 3
bit 4
bit 5
bit 6
CONVERTITORE
A/D 12 bit
bit 7
bit 8
bit 9
bit 10
bit 11
REGISTRO STAZIONE REMOTA, PLC, ECC.
2048 1024 512
256
128
64
32
16
8
4
2
1
Fig. 4
Figura 4 – Schema a blocchi del convertitore analogico-digitale (A/D)
2.2. Relazione tra ingresso analogico e valori forniti dal convertitore A/D
Y
mA.
°C
20
100
18
90
16
80
14
70
52 °C
12
60
10
50
8
40
6
4
2
0
30
28 °C
20
10
0
0
409
819
1229
1638
2048
S1
S2
2457
2866
3276
3686
4095
X
VALORI A/D
Soglie di allarme
Figura 5 – Relazioni tra ingresso analogico ed i valori forniti dal convertitore A/D
6 / 53
Nella figura 5 sopra riportata è rappresentata la relazione tra i valori forniti dal
convertitore A/D ed il segnale analogico di ingresso 0 – 20 mA che corrisponde alla
misura di temperatura con scala 0 – 100 °C.
I valori del segnale di ingresso ed i valori corrispondenti al convertitore A/D sono
calcolati in base all’equazione della retta: Y°C = mx punti + b.
Per trovare la relazione tra il segnale analogico in ingresso relativo alla temperatura ed i
valori forniti dal convertitore A/D sono disponibili due metodi:
1° METODO
Viene utilizzata l’equazione della retta Y = m x + b dove m è la pendenza della retta.
Y2 – Y1
°C2 – °C1
100 – 0
100
m = ------------ = ------------------ = ----------- = -------X2 – X1
V2 AD – V1 AD
4095 – 0
4095
Dove Y2, Y1, X2 e X1 sono valori conosciuti (valori di inizio e fondo scala della
temperatura e valori di inizio e fondo scala del convertitore analogico/digitale).
Il termine b è definito come l’intersezione di Y0 °C quando X0 , valore dell’A/D, è uguale
a 0 pertanto:
b può essere calcolato come segue:
b = Y°C - m X AD
dove Y e X sono valori conosciuti (per esempio a 0 °C il valore dell’A/D è 0) e quando X
assume il valore 0 sappiamo che Y corrisponde a 0 °C per cui:
100
------ * 0
4095
b= 0-
b=0
e
Y°C
100
= -------- * VAD
4095
Se consideriamo il valore 4095 del convertitore analogico/digitale corrispondente al
valore di temperatura di 100 °C (fondo scala), possiamo calcolare i valori S1 e S2
corrispondenti, per esempio, a soglie di allarme riportate nella figura 5 utilizzando
l’equazione:
Y°C
100
= -------- * XAD
4095
4095* Y°C = 100* XAD
7 / 53
XAD
4095
= ------- * Y°C
100
per cui i valori XAD del convertitore analogico/digitale corrispondenti a 28 ed a 52 °C
risultano:
4095
XAD = -------- * 28 = 1146,6 (arrotondati dal convertitore a 1147)
100
XAD
4095
= -------- * 52 = 2129,4 (arrotondati dal convertitore a 2129)
100
2° METODO
Il secondo metodo consiste nel calcolare il valore fornito del convertitore A/D
corrispondente a 1 °C.
Nell’esempio considerato si ha una scala compresa nell’intervallo 0 ÷ 100 °C
corrispondente ai valori dell’A/D compresi tra 0 ÷ 4095 per cui:
differenza valori A/D
massimo valoreAD – minimo valoreAD
4095
----------------------------- = ----------------------------------------------- = ------- = 40,95
differenza valori gradi
massimo valore°C – minimo valore°C
100
questo significa che ogni grado equivale a 40,95 punti dell’A/D che viene arrotondato a
41 per cui i valori del convertitore A/D XAD a 28 ed a 52 °C corrispondono a:
28 * 40,95 = 1146,7 (arrotondati dal convertitore a 1147)
52 * 40,95 = 2129,4 (arrotondati dal convertitore a 2129)
Nel caso in cui la corrente del segnale analogico di ingresso è compresa tra 4 ÷ 20 mA, il
valore del convertitore analogico/digitale (A/D) in corrispondenza di 4 mA è 819.
Facendo riferimento all’esempio precedente il campo di misura del convertitore
analogico/digitale è:
3276 = 4095 – 819
(dove 819 corrisponde a 0 °C)
Il valore fornito dal convertitore analogico/digitale ad 1 °C viene calcolato come segue:
differenza valori A/D
massimo valoreAD – minimo valoreAD 3276
--------------------------- = ---------------------------------------------- = ------- = 32,76
differenza valori gradi massimo valore °C – minimo valore °C
100
8 / 53
Pertanto i valori del convertitore analogico/digitale corrispondenti a 28 ed a 52 °C
risultano:
28 * 32,76 + 819 = 1736
52 * 32,76 + 819 = 2523
avendo eseguito gli arrotondamenti come nei casi precedenti.
Nella figura 6 sotto riportata è rappresentata la relazione tra i valori forniti dal
convertitore A/D ed il segnale analogico di ingresso 4 – 20 mA che corrisponde alla
misura di temperatura con scala 0 – 100 °C.
Y
mA.
°C
20
100
16
75
52 °C
12
50
28 °C
8
25
4
0
819
1229
1638
S1
2048
2457
2866
3276
3686
4095
X
S2
VALORI A/D
Soglie di allarme
Figura 6 - Relazione tra ingresso analogico e valori forniti dal convertitore A/D
2.3. Risoluzione/quantizzazione dei convertitori A/D
Nel paragrafo precedente è stata descritta la conversione analogica/digitale di un segnale
analogico in cui il sistema di acquisizione utilizza un convertitore di 12 bit in valori
digitali (binari) compresi tra 0 ÷ 4095.
La risoluzione di un convertitore analogico/digitale (A/D) è determinata dal numero di
bit impiegati per la conversione analogica/digitale del segnale analogico.
•
•
La risoluzione di un convertitore analogico digitale (A/D) di 16 bit corrisponde ad
un campo di misura compreso nell’intervallo 0 ÷ 65535.
9 / 53
•
•
La risoluzione di un convertitore A/D può essere definita anche come la più piccola
variazione rilevabile all’uscita del convertitore analogico/digitale (A/D).
Ad esempio un convertitore di n bit è in grado di convertire il segnale analogico in 2n
stati (valori) distinti e quindi la sua risoluzione è 1/2n = 2-n.
Ad esempio un convertitore A/D di 12 bit ha seguente risoluzione:
1
1
risoluzione = ------ = -------- = 0,000244
212
4095
Esempi
La risoluzione relativa alla misura del livello dell’acqua in una vasca con scala 0 ÷ 6
metri utilizzando un convertitore analogico/digitale la cui risoluzione è di 12 bit risulta:
6
risoluzione = ------- = 0,00146 metri
4095
Supponendo di avere un campo di misura di una tensione compresa tra 0 ÷ 60 Volt
utilizzando un convertitore A/D di 12 bit la risoluzione è:
60
risoluzione = ------ = 0,0146 Volt
4095
Supponendo di avere un campo di misura di una temperatura compresa tra 0 ÷ 500 °C
utilizzando un convertitore di 12 bit la risoluzione è:
500
risoluzione = -------- = 0,122 °C
4095
La conversione analogico/digitale di un segnale eseguita da un convertitore a 12 bit può
assumere i valori compresi tra i due limiti prefissati (0 ÷ 4095) e viene convertito in una
informazione digitale caratterizzata da un numero finito di valori.
Il segnale analogico pertanto subisce una conversione definita “quantizzazione” che
corrisponde alla “risoluzione” sopra esaminata. La quantizzazione consiste nel
trasformare una grandezza analogica, che può variare con continuità, in una grandezza
quantizzata.
Poiché il convertitore analogico/digitale (A/D) è in grado di quantizzare 2n valori discreti
e l’intervallo di variabilità di una grandezza analogica è compreso tra 0 ed il fondo scala
(FS) della misura, la “quantizzazione” viene suddivisa in 2n parti che corrisponde a:
10 / 53
Q = FS/2nNell’operazione di conversione si ottiene un errore, detto errore di
quantizzazione, che è uguale a:
E = +/– Q/2
Tale errore viene anche indicato come:
E = ± 1/2 LSB
(dove LSB corrisponde al bit meno significativo del convertitore analogico/digitale)
2.4. Catena di collegamento tra sensore/trasmettitore e scheda ingressi
analogici relativa alla misura del livello
Si consideri un segnale analogico (4 ÷ 20 mA) fornito da un trasmettitore che
corrisponde alla scala 0 ÷ 4 metri relativa alla misura del livello di una vasca. Esso è
collegato alla scheda ingressi analogici del sistema di acquisizione. La conversione del
convertitore analogico digitale è di 12 bit che corrisponde al campo di misura 819 ÷
4095.
LIVELLO
VASCA
SEGNALE INGRESSO
SCHEDA INGRESSI ANAL.
0m
|
|
|
4m
CONVERSIONE
ANALOGICA / DIGITALE
4 mA
|
|
|
20 mA
819
|
|
|
4095
4 *100 (cm)
1 (cm)
Vale la proporzione ----------------- = ----------16 (mA)
x (mA)
16 (mA) * 1 (cm)
da cui = x(mA) = ----------------------- = 0,04 mA
4 * 100 (cm)
16
1 punto del convertitore A/D = ------- = 0,00488 mA
3276
per cui:
3276
1 cm = --------- = 8,19 (8 punti)
400
Un esempio di calcolo del valore digitale di 1 centimetro riferito al livello di una vasca
con scala 0 ÷ 4 metri risulta:
11 / 53
massimo valoreAD – minimo valoreAD
3276
---------------------------------------------- = ----------- = 8,19 (8 punti)
massimo valorem – minimo valorem
4 * 100
Pertanto i valori del convertitore analogico/digitale corrispondenti a 10, 100, 350 e 400
centimetri risultano:
10 * 8,19 = (81,9 + 819) =
100 * 8,19 = (819 + 819)
=
350 * 8,19 = (2866,5 + 819) =
400 * 8,19 = (3276 + 819) =
901
1638
3685
4095
2.5. Frequenza di campionamento dei segnali analogici
La scheda ingressi analogici della stazione remota e/o dei sistemi di acquisizione
converte il segnale analogico a tempi di campionamento definiti nel sistema di
acquisizione. Tali valori sono definiti campioni (“samples”) e la periodicità con cui
vengono acquisiti è denominata frequenza di campionamento che viene indicata come fc.
L’operazione di campionamento (acquisizione dei segnali analogici da parte del sistema
di acquisizione) deve essere eseguita in accordo al teorema di Nyquist che recita quanto
segue: la minima frequenza di campionamento deve essere due volte quella della più alta
frequenza presente nel segnale da campionare.
Il teorema del campionamento attribuito a Nyquist ed a Shannon si riferisce ad un
segnale che sia funzione continua del tempo e con spettro di frequenza di larghezza
limitata (cioè non contenente frequenze maggiori di una determinata frequenza f2).
Il teorema asserisce che, se il suddetto segnale è campionato con frequenza:
fs = 1 / T > 2 f2
la successione dei valori acquisiti deve contenere tutta l’informazione del segnale
originario. Si ha pertanto la possibilità di trasmettere un’informazione continua sotto
forma di una successione di valori.
La figura 7 sotto riportata indica un esempio di campionamento di un segnale analogico.
12 / 53
mA.
20
•
• •
•
•
•
•
• •
•
•
•
Vu(t)
•
•
•
•
•
•
•
•
• • • •
•
• • • •
4
t
Figura 7 – Campionamento corretto di un segnale analogico
La frequenza di campionamento del segnale risulta adeguata in quanto consente al
sistema di acquisizione di riprodurre fedelmente il segnale originario.
Nella figura 8 sottostante viene riportato un esempio di campionamento errato.
•
•
•
•
•
Figura 8 – Campionamento insufficiente di un segnale analogico
La frequenza di campionamento del segnale risulta inadeguata in quanto non consente la
riproduzione nel sistema di acquisizione del segnale originario. La curva tratteggiata di
13 / 53
figura 8 che rappresenta la ricostruzione del segnale acquisito, è totalmente alterata
rispetto al segnale in ingresso al sistema di acquisizione.
La frequenza di campionamento deve essere definita di volta in volta in funzione del
segnale analogico da acquisire.
2.6. Trasduttori
I trasduttori sono dispositivi che hanno la proprietà di convertire una forma di energia in
un’altra. La loro funzione consiste nel rilevare il valore di una grandezza di ingresso e di
trasformarla in un valore di un’altra grandezza in uscita secondo gli standard più
utilizzati nella strumentazione. I trasduttori sono anche definiti sensori o trasduttori di
misura.
Il collegamento tra i trasmettitori e la scheda ingressi digitali viene realizzato mediante
cavo schermato e twistato per garantire l’immunità ai disturbi.
2.7. Interfacciamento tra la strumentazione/trasduttori e la scheda ingressi
analogici
E’ opportuno evidenziare che una parte importante della strumentazione, qui nel seguito
esaminata, è costituita dal trasduttore che è l’elemento che converte una grandezza fisica
in un segnale elettrico. Pertanto nel seguito si usa la denominazione
strumentazione/trasduttori per rilevare le grandezze fisiche dell’impianto.
Il collegamento tra la strumentazione/trasduttori e la scheda degli ingressi analogici del
sistema di acquisizione viene realizzato mediante cavo schermato e twistato. La massima
distanza ammissibile del suddetto collegamento è normalmente inferiore a 200 metri.
La strumentazione/trasduttori tipicamente fornisce segnali standard (4 ÷ 20 mA, 0 ÷ 20
mA, 1 ÷ 5 Volt e 0 ÷ 5 Volt). Sia la strumentazione/trasduttori sia la scheda ingressi
analogici sono dotati di “microswitches” che permettono di selezionare il tipo segnale
disponibile. La strumentazione/trasduttori e la scheda ingressi analogici di ultima
generazione possono essere configurati mediante personal computer dotato di programmi
idonei forniti dai produttori delle apparecchiature/strumentazione stesse.
Il segnale di uscita della strumentazione/trasduttori (ingresso della scheda analogica)
deve essere dotato di separazione galvanica.
Nel caso in cui sia il suddetto segnale fornito dalla strumentazione e sia la scheda
ingressi analogici non siano dotati di separazione galvanica è necessario interporre un
convertitore dotato di separazione.
Sono possibili i seguenti tipi di interfacciamento tra la strumentazione/trasduttori e la
scheda ingressi analogici:
• strumentazione/trasduttori: attivi
• strumentazione/trasduttori: passivi
• strumentazione/trasduttori: autoalimentati.
Nel primo caso la strumentazione/trasduttori sono in grado di fornire la corrente e/o la
tensione alla scheda ingressi analogici.
Nel secondo caso l’uscita della strumentazione/trasduttori è costituita da componenti
passivi ad esempio resistenze.
Nell’ultimo caso è la scheda ingressi analogici che provvede a fornire l’alimentazione
alla strumentazione/trasduttori.
14 / 53
Nei paragrafi seguenti vengono descritti in dettaglio i suddetti tipi di interfacciamento.
2.7.1.
Strumentazione/trasduttori attivi
Si definiscono attivi i trasduttori dotati di circuito (trasmettitore) che generano segnali in
corrente o in tensione. Gli standard più utilizzati sono in grado di fornire una corrente
compresa tra 0/4 e 20 mA e/o una tensione compresa tra 0/1 e 5 Volt.
Nella figura 9 sotto riportata viene indicato il collegamento tra un trasmettitore attivo e la
scheda ingressi analogici. Si noti che lo schermo del cavo viene collegato a terra solo sul
lato scheda ingressi analogici.
+
SCHEDA
TRASMETTITORE
ATTIVO
•INGRESSI
ANALOGICI
–
SISTEMA DI
ACQUISIZIONE
•
•
Figura 9 – Interfacciamento tra trasmettitore attivo e sistema di acquisizione
2.7.2.
Strumentazione/trasduttori passivi
I trasduttori si definiscono passivi quando variano le loro caratteristiche in seguito alla
variazione di una grandezza fisica del trasduttore variando solo le caratteristiche dei
componenti passivi. Un esempio è costituito dalle sonde di temperatura che variano la
loro resistenza in funzione della temperatura. Nella figura 10 sotto riportata viene
indicato il collegamento tra un trasmettitore passivo e la scheda ingressi analogici. Si noti
che lo schermo del cavo viene collegato a terra solo sul lato scheda ingressi analogici.
SCHEDA
INGRESSI
ANALOGICI
TRASMETTITORE
PASSIVO
SISTEMA DI
ACQUISIZIONE
•
•
Figura 10 - Interfacciamento tra trasmettitore passivo e sistema di acquisizione
2.7.3.
Trasduttori autoalimentati
Fanno parte di questa categoria i trasduttori che vengono alimentati direttamente dalla
scheda analogica della stazione remota e/o dal sistema di acquisizione.
Nella figura 11 sotto riportata viene indicato il collegamento tra un trasduttore
autoalimentato e la scheda ingressi analogici.
15 / 53
VASCA
+ 12 – 24 Volt
SCHEDA
INGRESSI
ANALOGICI
SISTEMA DI
ACQUISIZIONE
•
•
Trasduttore autoalimentato
4 – 20 mA.
Figura 11 - Interfacciamento tra trasduttore autoalimentato e sistema di acquisizione
Nell’esempio si fa riferimento ad un trasduttore di livello che viene collegato alla scheda
di ingressi analogici del sistema di acquisizione. Il collegamento viene realizzato per
mezzo di due fili: il primo viene utilizzato per prelevare l’alimentazione dalla scheda
analogica; il secondo per fornire alla stazione la corrente 4 ÷ 20 mA proporzionale alla
variazione di livello.
2.8. Convertitori di segnali analogici in segnali seriali RS232/RS485
In determinate situazioni l’interfacciamento tra la strumentazione ed il sistema di
acquisizione viene realizzato utilizzando un convertitore di segnali analogici che li
trasforma in un collegamento seriale RS232/RS485 con protocollo MODBUS RTU
“slave” lato convertitore.
Il convertitore ha la funzione di trasformare il segnale analogico in ingresso in un
messaggio inviato in seriale su richiesta del sistema di acquisizione.
Il protocollo RTU MODBUS comporta lo scambio di due messaggi:
• Una richiesta da parte dell’apparecchiatura master (RTU, PLC, sistema di
acquisizione);
• Una risposta dello slave (strumentazione).
Ogni messaggio di richiesta contiene 4 tipi di informazioni:
• indirizzo dello slave “strumento” (1 byte) : 1 – 247
• codice funzione (1 byte)
: tipo di funzione richiesta (lettura,
scrittura, …)
• campi di informazione (n byte)
: dati legati alla funzione
• caratteri di controllo
: usati per rilevare gli errori di
trasmissione per mezzo dei caratteri di controllo CRC.
In pratica la conversione analogica/digitale viene eseguita direttamente dal convertitore
RS232/RS485 anziché nella scheda ingressi analogici del sistema di acquisizione.
Nella figura 12 sotto riportata viene indicato il collegamento tra la strumentazione ed il
sistema di acquisizione.
16 / 53
STRUMENTAZIONE
•
CONVERTITORE
ANALOGICO
SERIALE
•
Collegamento seriale
RS485
SISTEMA DI
ACQUISIZIONE
Collegamento ad altri
Dispositivi con porta
RS 485 protocollo
MODBUS RTU “slave”
Figura 12 - Collegamento tra la strumentazione ed il sistema di acquisizione per mezzo
del convertitore analogico seriale
Il sistema di acquisizione che prevede l’impiego del convertitore analogico in seriale
deve essere dotato di porta seriale RS485. Il sistema, in questo caso, è in grado di gestire
fino a 31 strumenti con il protocollo MODBUS RTU “master”.
2.9. Interfacciamento di segnali analogici non standard
In alcuni casi la strumentazione non è in grado di fornire segnali standard (0/4 ÷ 20 mA
e/o 0/1 ÷ 5 Volt).
CONVERTITORE
CORRENTE
A
RS
V1
4 – 20 mA
SISTEMA DI
ACQUISIZIONE
0 – 10 AMP.
0 – 60 mV
220 V AC
Figura 13 – Interfacciamento di segnali analogici non standard al sistema di
acquisizione
Un esempio è costituito dai segnali forniti dagli alimentatori relativi alla protezione
catodica non dotati di convertitori in grado di fornire i suddetti segnali standard.
I segnali forniti dall’alimentatore sono:
• Tensione struttura/dispersore 0 ÷ 50 volt;
• Potenziale di struttura – 6 ÷ +2 Volt;
• Corrente erogata 0 ÷ 10 Ampere.
La realizzazione del collegamento tra l’alimentatore e la stazione remota viene realizzato
interponendo opportuni convertitori di segnali analogici che trasformano i suddetti
segnali in ingresso in segnali di uscita standard 4 ÷ 20 mA.
I suddetti convertitori, relativi alla tensione del dispersore, alla corrente erogata ed al
potenziale di struttura, si collegano da un lato ai tre strumenti analogici, e dall’altro lato,
alla stazione remota e/o al sistema di acquisizione.
I convertitori di segnale sono inoltre dotati di tre tipi di separazioni galvaniche: lato
segnale di ingresso, lato segnale di uscita e lato alimentazione.
17 / 53
I convertitori sono in grado di gestire una serie di segnali in ingresso con scale che vanno
da 0 … fino a ± 100 V e da 0 … ± 50 A la cui selezione viene fatta predisponendo i dip
switches presenti nei convertitori stessi per le scale di misure richieste.
3.
Parametri caratteristici della strumentazione/trasduttori
Ogni strumento di misura è caratterizzato dai seguenti parametri:
- portata: la portata di uno strumento è il valore di fondo scala. Spesso la portata
viene espressa specificando il limite operativo superiore e quello inferiore. In
questo caso si usa il termine “range dinamico” e viene espresso in decibel e pari a
20 log10 N (con N si indica il rapporto tra il valore massimo ed il valore minimo).
- precisione: la precisione è un indice della dispersione delle acquisizioni eseguite
con lo stesso metodo di misurazione. La precisione di uno strumento viene
normalmente definita in percentuale di un valore di riferimento (normalmente il
fondo scala). Tale quantità o viene indicata direttamente o attraverso un indice di
classe. L’indice di classe rappresenta i limiti di errore percentuale che uno
strumento, appartenente ad una certa classe, nelle condizioni operative indicate
dal costruttore o dalle norme non deve superare.
Ad esempio uno strumento può essere indicato con l’indice di classe 0,1 che
corrisponde ad un errore ≤ 0,1 % oppure l’indice di classe 3 corrisponde ad un
errore ≤ 3 %.
- sensibilità: si definisce come sensibilità di uno strumento il rapporto tra
l’indicazione della variazione data dallo strumento e la variazione della grandezza
che ha determinato quella variazione di indicazione.
- stabilità: indica la proprietà dello strumento di mantenere costanti le proprie
caratteristiche in corrispondenza di variazioni delle condizioni operative (ad
esempio temperatura, umidità, tensione di alimentazione, ecc.).
- frequenza: le caratteristiche dei componenti che fanno parte di uno strumento
hanno un comportamento che dipende dalla frequenza; una caratteristica
importante è quindi l’intervallo di frequenza in cui lo strumento fornisce misure
attendibili.
- Tipo di segnale in uscita: Il segnale di uscita di uno strumento di misura è
costituito generalmente da un segnale analogico che può essere una tensione, una
corrente, una resistenza, ecc. ad esempio (4 – 20 mA, 1 – 5 Volt, ecc.)
- Potere di risoluzione: è la minima variazione della grandezza applicata
all’ingresso che fornisce una variazione rilevabile di indicazione dello strumento
di uscita.
Oltre ai parametri sopra citati, ha notevole importanza, per l’acquisizione del segnale di
uscita di uno strumento da parte del sistema di acquisizione, la risoluzione del
convertitore analogico/digitale della scheda ingressi analogici e la frequenza di
acquisizione (campionamento) del segnale.
Il convertitore A/D della scheda ingressi analogici, che ha la funzione di trasformare il
segnale analogico in un valore binario, è caratterizzato dal numero di bit che utilizza per
la conversione di un segnale analogico: maggiore è la sua risoluzione migliore sarà la
resa della misura. Si rimanda al paragrafo 2.3 per avere maggiori dettagli sulla
risoluzione/quantizzazione dei convertitori analogici/digitali.
18 / 53
4.
Verifica funzionalità catena: trasduttore – trasmettitore – scheda
ingressi analogici
Nelle fasi di messa in servizio, collaudo e manutenzione è necessaria la verifica del
corretto funzionamento della catena trasduttore – trasmettitore – scheda ingressi
analogici. Tale verifica consiste nel controllare la rispondenza dei valori forniti dai
trasduttori ai valori acquisiti dal sistema.
Nella figura 14 sotto riportata viene indicato il collegamento tra un trasmettitore di pH ed
il sistema di acquisizione.
VASCA
TRASMETTITORE
SCHEDA
INGRESSI
ANALOGICI
SISTEMA DI
ACQUISIZIONE
Personal Computer
portatile
Figura 14 – Esempio di catena trasduttore – trasmettitore – scheda ingressi analogici
Nell’esempio si fa riferimento alla misura di pH (scala 0 ÷ 14). Per eseguire la verifica
funzionale della catena è necessario immergere il trasduttore in una soluzione campione
in grado di fornire il valore di pH (ad esempio 7). I valori della catena dovranno essere i
seguenti:
Misura pH Uscita trasmettitore Valore digitale A/D Valore sistema di acquisizione
7
12 mA
2457
7
In questo caso il valore A/D è 2457 punti corrispondente al valore di pH 7, il
trasmettitore è in grado di fornire una corrente 4 ÷ 20 mA ed il convertitore analogico
digitale ha una risoluzione di 12 bit corrispondente ai valori dell’A/D compresi tra 819 ÷
4095.
Per verificare la linearità del convertitore A/D della scheda ingressi analogici è
necessario eseguire la verifica funzionale su più valori della scala immergendo il
trasduttore in più soluzioni campione.
Il valore del convertitore analogico/digitale avente risoluzione di 12 bit corrispondente al
valore di pH 7 è il seguente:
differenza valori A/D massimo valoreAD – minimo valoreAD
3276 (4095 – 819)
-------------------------- = ----------------------------------------------- = --------------------------- = 234
differenza valori pH
massimo valore pH - minimo valore pH
14
Il valore del convertitore analogico/digitale corrispondente ad 1 pH è 234.
19 / 53
Per cui a 7 pH corrispondono 234 x 7 = 1638 + 819 = 2457 punti del convertitore
analogico digitale.
La tabella sotto riportata fornisce infatti la corrispondenza tra i valori di pH (0 ÷ 14),
correnti in ingresso (4 ÷ 20 mA) ed i valori del convertitore analogico digitale della
scheda ingressi analogici.
Misura pH MilliAmpere Valore convertitore A/D
14
20,00
4095
12
17,71
3627
10
15,43
3159
8
13,14
2691
6
10,86
2223
4
8,57
1755
2
6,29
1287
0
4,00
819
Nel caso in cui si desideri verificare solamente il corretto funzionamento della scheda
ingressi analogici del sistema di acquisizione è necessario scollegare il trasmettitore dalla
scheda ingressi analogici e collegare un generatore di corrente calibrato in grado di
fornire valori di corrente compresi tra 0 ÷ 20 mA. L’impostazione della corrente si
effettua per mezzo di quattro selettori decimali che consentono di impostare i valori di
corrente compresi tra 0 e 20 mA (00,00 ÷ 19,99) con precisione pari allo 0,1 % del valore
di fondo scala.
Nella figura 15 sotto riportata viene indicato il collegamento tra il generatore di corrente
calibrato e la scheda ingressi analogici.
mA.
1
5
5
0
,
SCHEDA
INGRESSI
ANALOGICI
SISTEMA DI
ACQUISIZIONE
Generatore di corrente
calibrato
Personal Computer
portatile
Figura 15 - Collegamento tra il generatore di corrente calibrato e la scheda ingressi
analogici
In caso di impostazione di 12 mA nel generatore di corrente, il valore digitale teorico
della scheda ingressi analogici fornito deve essere 2457.
Per verificare la linearità del convertitore della scheda ingressi analogici è necessario
eseguire la verifica funzionale su più valori della scala impostando sul generatore di
corrente i valori di corrente desiderati.
20 / 53
Pertanto i valori del convertitore analogico/digitale corrispondenti ai valori di corrente in
ingresso sono riportati nella tabella seguente.
MilliAmpere Valore convertitore A/D
20
4095
18
3685
16
3276
14
2866
12
2457
10
2047
8
1638
6
1228
4
819
Il valore reale del convertitore A/D è ottenuto dal valore teorico ± gli errori introdotti dal
generatore di corrente 0,1 % e dall’errore complessivo della scheda ingressi analogici che
è stimato pari all’1%.
Qualora il valore digitale fornito dal convertitore analogico/digitale non rientri nei limiti
di tolleranza previsti è necessario sostituire la scheda ingressi analogici.
5.
Metodi di acquisizione
L’acquisizione dei segnali analogici forniti dalla strumentazione/trasduttori da parte del
sistema di acquisizione a volte deve essere filtrata mediante opportune elaborazioni al
fine di ridurre al minimo errori dovuti a disturbi ed interferenze.
Le principali funzioni impiegate per trattare i dati acquisiti e per ridurre i suddetti errori
sono i seguenti:
•
Media
•
Mediana
•
Moda
•
Deviazione standard
5.1. Media
Vengono acquisiti una determinata serie di valori in un determinato periodo di cui si
calcola il valore medio per mezzo della formula:
X1 + X2 + X3 · · · · + Xn
X = ------------------------------n
21 / 53
oppure:
n
∑ Xi
i=1
X = -------n
supponendo di acquisire i dati sotto riportati
14 – 14,5 – 15 – 14.7 – 14,8 in milliVolt
il valor medio risulta pertanto:
14 + 14,5 + 15 +14,7+ 14,8
X = ------------------------------------- = 14,6 milliVolt
5
Ad esempio nell’arco di un minuto vengono acquisiti 60 valori (uno ogni secondo) sui
quali viene eseguito il calcolo del valor medio.
Considerando il caso in cui il primo valore della serie sia 20 milliVolt anziché 14 i dati
acquisiti diventano:
20 – 14,5 – 15 – 14.7 – 14,8 in milliVolt
il valor medio diventa pertanto:
20 + 14,5 + 15 +14,7+ 14,8
X = ----------------------------------- = 15,8 milliVolt
5
Si nota che il primo valore di 20 millivolt, causato probabilmente da un disturbo, non
produce un significativo cambiamento del valor medio (incremento di 1,2 milliVolt
rispetto alla media calcolata in precedenza).
5.2. Mediana
Vengono acquisiti una determinata serie di valori in un determinato periodo di cui si
calcola il valore mediano.
La mediana è il valore centrale di una serie di misure ordinate in modo crescente (dal
valore minimo al valore massimo). Facendo riferimento all’esempio dei dati sotto
riportati:
14 – 14,5 – 15 – 14,7 – 14,8 in milliVolt
la mediana si ottiene ordinando i dati in ordine crescente prendendo il valore di centro:
22 / 53
14 – 14,5 – 14,7 – 14,8 – 15
1
2
3
4
5
la mediana è :
M = 14,7 che corrisponde al terzo valore
Il calcolo della mediana per un numero di acquisizioni dispari è il seguente:
m+1
------2
M=X
dove m è il numero totale delle letture.
Nel nostro esempio il numero di acquisizione dei dati è dispari. Il valore X3 corrisponde
al terzo valore acquisito delle misure ordinate in modo crescente.
Il calcolo della mediana per numero di acquisizioni pari è il seguente:
m
m
X ---+ X ------ +1
2
2
M = ---------------------------------2
dove m rappresenta il numero totale delle acquisizioni.
Esempio di acquisizione pari (6 misure)
14,1 – 15 – 16 – 14,8 – 14,4 – 14,6 in milliVolt
1
2 3
4
5
6
ordinando i dati in ordine crescente abbiamo:
14,1 – 14,4 – 14,6 – 14,8 – 15 – 16
1
2
3
4
5
6
la mediana è:
14,6 + 14,8
M = ------------------ = 14,7 milliVolt
2
In questo caso il valore della mediana è calcolato in base alla media dei due valori di
centro.
Considerando il caso in cui il primo valore della serie sia 20 milliVoll anziché 14,1 i dati
diventano:
20 – 15 – 16 – 14.8 – 14,4 – 14,6
la serie ordinata diventa:
23 / 53
14,4 – 14,6 – 14,8 – 15 – 16 – 20
1
2
3
4
5
6
la mediana è:
14,8 + 15
M = --------------- = 14,9 milliVolt
2
Si nota che il primo valore di 20 milliVolt, causato probabilmente da un disturbo, non
produce un significativo cambiamento della mediana (incremento di 0,2 milliVolt
rispetto alla mediana calcolata in precedenza).
5.3. Moda
Questa funzione statistica fornisce il valore più ricorrente in una serie di misure.
Esempio
14 – 15,8 – 13,1 – 14,45 – 18 – 19 – 16 – 15,1 – 14,45 – 15,2
I valori più ricorrenti sono 14,45 in quanto ripetuti due volte rispetto agli altri valori
acquisiti.
5.4. Deviazione standard
Spesso non è sufficiente conoscere il valore medio di una serie di misure acquisite dalla
strumentazione, ma è necessario conoscere come questi valori sono distribuiti rispetto al
valore medio.
Supponendo di acquisire le seguenti misure in milliVolt:
9 – 9,5 – 15 – 19,7 – 19,8
il valor medio diventa :
9 + 9,5 + 15 +19,7+ 19,8
X = -------------------------------- = 14,6 milliVolt
5
la deviazione standard (σ) calcola la distribuzione rispetto al valor medio e può essere
espressa come:
24 / 53
σ =
n
∑ ( X – Xi)2
i =1
-----------------n-1
dove X è il valore della media ed i è il numero corrispondente ad ogni lettura partendo da
1 fino ad n (ultima lettura).
La formula calcola sostanzialmente la deviazione esistente di ciascun valore acquisito
rispetto al valore medio.
(14,6 – 9)2 + (14,6 – 9,5)2 + (14,6 – 15)2 + (14,6 – 19,7)2 + (14,6 – 19,8)2
-----------------------------------------------------------------------------------------4
σ=
σ=
5,62 + 5,12 + 0,42 + 5,12 + 5,22
--------------------------------------4
σ=
31,36 + 26,01 + 0,16 + 26,01 + 27,04
----------------------------------------------4
σ=
27,645
=
110,58
---------4
= 5,257
il valore della deviazione standard può fornire informazioni addizionali sulle misure e
pertanto consentire di eseguire valutazioni quantitative sui valori acquisiti.
I dati acquisiti sono essenzialmente distribuiti intorno al valore medio della curva di
distribuzione “Gaussiana” a forma di campana.
Dalle curve di distribuzione “Gaussiane” riportate nella figura 16 sono determinati i
seguenti valori tipici
•
68 % di tutte le misure è compreso entro ± σ
•
95 % di tutte le misure è compreso entro ± 2σ
•
99 % di tutte le misure è compreso entro ± 3σ
La prima relazione vedi figura (16a) indica che la probabilità che lo scarto dal valore
medio di una misura sia compreso tra – σ e + σ è pari al 68 %.
25 / 53
La seconda relazione vedi figura (16b) indica che la probabilità che lo scarto dal valore
medio di una misura sia compreso tra – 2σ e + 2σ è del 95 %.
La terza relazione figura (16c) indica che la probabilità che lo scarto dal valore medio di
una misura sia compreso tra – 3σ e + 3σ è del 99 %.
X
CURVA NORMALE DI DISTRIBUZIONE
68 %
X -1s
X
X + 1s
(a)
95 %
X
X - 2s
X + 2s
(b)
99 %
X - 3s
X
X + 3s
(c)
Figura 16 – Esempi di distribuzione Gaussiana
26 / 53
Esempio: se la misura della portata in una tubazione è di 228 l/s e la relativa deviazione
standard è di 38 l/s e se la misura della portata di una seconda tubazione è ancora di 228
l/s e la deviazione standard è di 15 l/s, sappiamo che i dati acquisiti relativi a
quest’ultima sono distribuiti in modo più vicini intorno al valore medio. Infatti il 68%
delle acquisizioni delle misure relative al secondo valore di portata sono comprese tra
213 l/s e 243 l/s, mentre le acquisizioni delle misure della prima tubazione sono
comprese tra 190 l/s e 266 l/s.
Nelle tabelle seguenti sono riportati i trend di una serie di acquisizioni di cui sono stati
calcolati il valore medio, la mediana, la moda la deviazione standard il valore minimo ed
il valore massimo.
27 / 53
6.
Errori sistematici nelle misure dirette
Le misure sono definite dirette quando il valore della grandezza da misurare si ricava
direttamente dalla lettura dalla strumentazione installata correttamente e calibrata.
L’errore sistematico si ricava in questo caso in base alle specifiche fornite dai costruttori
della strumentazione/trasduttori e del sistema di acquisizione.
Si rammenta che la precisione della misura dei segnali analogici in ingresso di un sistema
di acquisizione è determinata dai seguenti fattori:
• errore definito dal produttore della strumentazione;
• errore introdotto dal convertitore analogico/digitale della scheda ingressi
analogici del sistema di acquisizione;
• coefficiente di temperatura dei circuiti relativi alla strumentazione ed alla scheda
ingressi analogici.
La possibilità di introdurre errori nell’acquisizione delle misure nei sistemi di
automazione e di telecontrollo è sempre presente. Gli errori possono essere imputati alla
strumentazione non calibrata o ad acquisizioni non rispondenti alla frequenza di
campionamento appropriata.
L’errore di misura può essere definito come una variazione o deviazione di una lettura
rispetto ad un valore vero o previsto.
Gli errori possono essere classificati in tre categorie:
• errori grossolani;
• errori di sistema;
• errori random.
7.
•
errore grossolano: viene in genere introdotto dal personale durante la fase di
messa in funzione e di manutenzione (ad esempio scala sbagliata nella
parametrizzazione del sistema di acquisizione, applicazioni improprie delle
formule di filtraggio dei dati, …).
•
errore di sistema: è quello derivato dagli errori introdotti dalla strumentazione,
dalle schede ingressi analogici del sistema di acquisizione, dalle condizioni
operative, …
•
errore random (casuale): è quello derivato da fenomeni imprevisti che si
verificano nell’impianto per cui non è possibile prevederne l’andamento. Ad
esempio interferenze e/o disturbi generati da altre apparecchiature.
Errori di acquisizione e loro prevenzione
Viene di seguito riportata una breve descrizione in cui sono evidenziati i tipi di errori che
possono verificarsi durante l’acquisizione di segnali analogici e la loro possibile
prevenzione.
28 / 53
Errori grossolani
Esempi:
• acquisizione delle misure con scale sbagliate;
• errata acquisizione del segnale dello strumento (per esempio interfacciamento
hardware non predisposto correttamente);
• taratura dello “0” dello strumento non corretta;
• applicazione di una formula sbagliata nel sistema di acquisizione;
• incorretta installazione della strumentazione per l’utilizzo previsto;
• acquisizione impropria delle misure da parte del sistema (ad esempio frequenza di
campionamento del segnale in ingresso non corretta).
E’ difficile eseguire la prevenzione per gli errori sopra riportati in quanto possono essere
causati dai tecnici che operano sull’impianto nella fase di messa in funzione, di collaudo
e di manutenzione.
Prevenzioni e/o riduzione degli errori grossolani:
E’ necessario porre molta attenzione nella fase di messa a punto del sistema, di collaudo
e di manutenzione coinvolgendo più tecnici nelle suddette fasi e nelle verifiche
funzionali applicando procedure scritte. Inoltre è necessario avere una adeguata
conoscenza della strumentazione.
Errori di sistema
Esempi:
• errore dovuto alla precisione (classe) dello strumento;
• non linearità del segnale fornito dalla strumentazione;
• componenti usurati;
• perdita delle prestazioni della strumentazione a causa di installazioni non
rispondenti alle specifiche del costruttore.
Controlli:
• verifica in fase di installazione, di collaudo e di manutenzione delle misure
acquisite dalla strumentazione con valori di riferimento;
• verifica periodica delle misure acquisite dalla strumentazione con valori di
riferimento;
• verifica periodica che l’errore complessivo del sistema non superi il valore
massimo dell’errore previsto tenendo conto degli errori introdotti dalla catena
sensore/sistema di acquisizione.
Prevenzioni e/o riduzione dell’errore di sistema:
• controllare la validità delle tecniche di filtrazione sulle misure acquisite;
• porre particolare attenzione alla manutenzione ordinaria seguendo procedure
interne redatte in base alle norme ISO 9000;
• calibrare periodicamente con idonei strumenti la catena strumentazione – sistema
di acquisizione.
29 / 53
Errori random (accidentali o casuali)
Esempi:
• cambiamento delle condizioni operative (temperatura, pressione, ecc.);
• disturbi elettromagnetici dovuti all’installazione di altre apparecchiature;
• alterazioni delle misure dovute a vibrazioni, infiltrazioni, ecc..
Prevenzioni degli errori accidentali:
• utilizzo di adeguati algoritmi statistici per il filtraggio delle misure acquisite;
• installazione delle apparecchiature in accordo alle specifiche dei fornitori della
strumentazione; sistema di acquisizione installato in modo tale da evitare le
interferenze dovute ad eventuali disturbi generati da altre apparecchiature.
Questi tipi di errori non possono essere corretti, ma si può rilevare la loro presenza
ripetendo le misure più volte. L’analisi statistica sui dati acquisiti ne può permettere la
stima.
8.
Schede uscite analogiche
Il controllo del processo da parte del sistema di acquisizione e controllo viene effettuata
mediante schede di uscite analogiche che possono fornire segnali in corrente od in
tensione ad esempio (4 – 20 mA o 1 – 5 Volt).
Esempi di segnali di uscite analogiche possono essere: preset di apertura % di una
valvola, preset di una temperatura in un loop di regolazione, ecc..
Analogamente a quanto descritto per la scheda ingressi analogici, la scheda uscite
analogiche è dotata di un convertitore digitale/analogico che provvede alla conversione
dei valori digitali forniti dal sistema di controllo in segnali analogici. I suddetti segnali
pilotano direttamente la strumentazione installata in campo se predisposta.
Nella figura 17 viene indicata la conversione digitale/analogica di dati digitali in segnale
analogico.
I valori digitali di ingresso (n bit) al convertitore D/A vengono trasformati in uscita del
convertitore in un segnale analogico standard 0/4 ÷ 20 mA.
La risoluzione del convertitore D/A della scheda di uscita analogica è legata a quanti bit
vengono messi a disposizione dal convertitore per la conversione.
Se il convertitore digitale/analogico ha una risoluzione di 12 bit, i valori digitali sono
compresi tra 0 ÷ 4095 che vengono convertiti in un segnale analogico compreso tra 0 ÷
20 mA. Nel caso in cui è prevista l’uscita in corrente 4 ÷ 20 mA i valori digitali in
ingresso al convertitore D/A sono compresi tra 819 ÷ 4095.
Per i convertitori digitali/analogici valgono le analoghe considerazioni fatte per i
convertitori A/D esaminati in precedenza per le schede ingressi analogici (risoluzione,
frequenza, collegamenti al campo, convertitori digitali/analogici, ecc..).
30 / 53
bit 11
bit 10
bit 9
bit 8
CONVERTITORE
D/A – 12 bit
bit 7
bit 6
bit 5
bit 4
USCITA ANALOGICA
bit 3
bit 2
bit 1
bit 0
2048 1024 512
256
128
64
32
16
8
4
2
1
REGISTRO STAZIONE REMOTA / PLC
Figura 17 - Schema a blocchi del convertitore digitale/analogico
9.
HART (protocollo di comunicazione di campo)
Il protocollo HART prevede un collegamento del tipo “master-slave” in cui durante le
normali operazioni la comunicazione è iniziata dal master a cui risponde lo slave
selezionato.
Il protocollo di comunicazione HART è basato sulla procedura di trasmissione Bell 202 e
funziona usando la modulazione di frequenza FSK (Frequency Shift Keying). In questo
tipo di modulazione la portante viene trasmessa ad una frequenza f1 quando è presente il
segnale “1” ed ad una frequenza f2 in assenza del segnale “0”; in pratica è una
modulazione di frequenza, in cui la portante muta tra due frequenze f1 e f0 (vedi figura
18).
F1 1200 Hz = bit 1
FSK
F0 2200 Hz = bit 0
Figura 18 – Trasformazione da segnale digitale a FSK
Le due frequenze sono: 1200 Hz per il bit 1 e 2200 Hz per il bit 0.
31 / 53
Le forme d’onde di queste due frequenze sono sovrapposte al segnale analogico 4 ÷ 20
mA in modo da consentire contemporaneamente le comunicazioni analogica e digitale.
Questo è possibile in quanto il valor medio del segnale FSK è zero per il segnale
analogico 4 ÷ 20 mA che non subisce alterazioni.
Nella figura 19 viene riportato il collegamento contemporaneo della trasmissione digitale
ed analogica.
Segnale digitale
20 mA.
Segnale analogico
4mA.
“1”
“0”
“0”
“1”
“1”
“0”
0
“0”
“1”
tempo
Figura 19 - Collegamento contemporaneo della trasmissione digitale ed analogica
9.1. Reti HART
Sono disponibili sia il collegamento punto a punto sia il collegamento multipoint.
Quest’ultimo necessità di soli due fili e possono essere gestiti fino ad un massimo di 15
dispositivi.
Nel collegamento punto a punto, il tradizionale segnale analogico 4 ÷ 20 mA viene
utilizzato per l’interfacciamento con il sistema di acquisizione.
Il protocollo HART dispone di più classi di comandi: generali e di comandi specifici per
il dispositivo gestito.
Il tipo di comunicazione disponibile in HART permette di disporre del segnale analogico
4 ÷ 20 mA e nello stesso tempo del segnale digitale che permette il collegamento
bidirezionale con i dispositivi installati in campo.
10. Convertitori di tensione in frequenza
I convertitori di tensione/corrente in frequenza hanno la proprietà di convertire un
segnale analogico in ingresso in un treno di impulsi in uscita aventi una frequenza
proporzionale al segnale analogico in ingresso.
Il segnale digitale ottenuto, poiché è costituito da impulsi, è meno influenzato dai disturbi
rispetto ad un segnale analogico.
32 / 53
I convertitori di tensione/frequenza (V/F) sono usati per esempio nei misuratori di portata
per fornire al sistema di acquisizione segnali impulsivi che permettono di conteggiare
direttamente la quantità di acqua erogata senza dover eseguire delle elaborazioni locali.
I circuiti dei convertitori V/F sono dotati di optoisolatori per garantire la separazione
galvanica tra il misuratore ed il sistema di acquisizione. Nella figura 20 sotto riportata
viene indicato lo schema a blocchi del convertitore tensione/corrente in frequenza.
INGRESSO ANALOGICO
USCITA DIGITALE IMPULSIVA
V
F
Figura 20 - Schema a blocchi del convertitore tensione/corrente in frequenza
Nella figura 21 sotto riportata viene indicato il collegamento tra un convertitore
tensione/corrente in frequenza e la scheda ingressi digitali. Il collegamento tra il
convertitore di tensione/frequenza e la scheda ingressi digitali deve essere effettuato con
cavo schermato e twistato.
CONVERTITORE
TENSIONE
FREQUENZA
SCHEDA
INGRESSI
DIGITALI
SISTEMA DI
ACQUISIZIONE
Uscita impulsiva
(open collector o reed relè
Figura 21 - Collegamento tra un convertitore tensione/corrente in frequenza e la scheda
ingressi digitali
Possono essere fatte le seguenti osservazioni:
•
Il convertitore tensione/corrente in frequenza svolge la funzione di integrazione del
segnale analogico;
•
la totalizzazione degli impulsi svolta dal sistema di acquisizione deve corrispondere
al valore complessivo del totalizzatore dello strumento che viene visualizzato dal
display locale integrato nello strumento stesso;
•
più alto è il numero di impulsi generati nell’unità di tempo; maggiore è la risoluzione
del convertitore tensione/frequenza.
11. Accuratezza complessiva delle misure nei sistemi di telecontrollo
L’accuratezza complessiva dell’informazione elaborata è definita come lo scarto tra i
valori alla destinazione ed alla sorgente, espressa in percentuale del fondo scala
33 / 53
nominale. Questa definizione si applica a tutte quelle informazioni che sono sottoposte,
tra la sorgente e la destinazione, ad una conversione da rappresentazione analogica a
digitale o viceversa.
La trattazione dell’accuratezza complessiva implica di considerare le sezioni individuali
della via di trasmissione dell’informazione dalla sorgente alla sua destinazione.
Il termine “classe di accuratezza” si riferisce in effetti all’errore prodotto nelle
apparecchiature, cioè classe 1 è equivalente ad un errore dell’1%.
Se le singole fonti di errore sono casuali ed indipendenti tra di loro, l’errore complessivo
si calcola come:
E=±
E2A + E2B + …………. + E2F
Dove EA , EB , ecc. sono i singoli errori corrispondenti alle sezioni della figura 22.
Con riferimento alle prescrizioni (CEI 57-8) l’accuratezza richiesta per l’acquisizione, la
trasmissione e l’uscita dei valori misurati e dei set point deve essere legata alle
prescrizioni del processo.
Al fine di raggiungere l’accuratezza complessiva richiesta le prescrizioni di accuratezza
delle varie sezioni riportate nella figura 22 devono essere più alte del valore complessivo.
APPARECCHIATURE
DI PROCESSO
CENTRO DI
CONTROLLO
APPARECCHIATURE
DI TELECONTROLLO
CANALE DI
TRASMISSIONE
SENSORI
TRASDUTTORI
ECC.
A/D
ELABORAZIONE
LOCALE
INFORMAZIONE ANALOGICA
ELABORAZIONE
DEL CENTRO
DI CONTROLLO
INFORMAZIONE DIGITALE
A/D – CONVERTITORE ANALOGICO / DIGITALE
Figura 22 – Elaborazione del segnale analogico
12. Protezioni per la strumentazione 4 – 20 mA
Per proteggere la strumentazione e le schede analogiche di ingresso dei sistemi di
acquisizione devono essere installate opportune protezioni che agiscono in “modo
comune e differenziale” contro le scariche atmosferiche, sovratensioni ed eventuali
disturbi elettromagnetici.
In particolare per i sensori installati all’esterno dei locali in cui sono presenti i sistemi di
acquisizione (ad esempio per i misuratori di livello installati nei serbatoi). Le protezioni
34 / 53
devono essere poste tra gli ingressi analogici del sistema di acquisizione e la
strumentazione che fornisce 0/4 – 20 mA.
35 / 53
13. Gestione di rete fognaria mediante controllo in tempo reale
Di seguito viene riportato un esempio applicativo di come le tecnologie di telecontrollo e
acquisizione dati possono essere impiegate da un Gestore di un sistema fognario.
L’esempio comprende la descrizione del sistema di telecontrollo e di acquisizione dei
dati e l’utilizzo che può esserne fatto all’interno di un software di simulazione idraulica
per ricavarne informazioni utili ad una più corretta gestione dell’intero sistema.
Partendo quindi da un sistema di telecontrollo esistente si sono esportati i dati dal centro
di telecontrollo per mezzo di supporto magnetico in formato ASCII o Excel compatibile,
ed elaborati in modo da ottenere informazioni che, opportunamente trattate, hanno
permesso di valutare il funzionamento della rete idraulica sia in condizioni di tempo
secco, sia durante eventi piovosi.
13.1. Descrizione del sistema fognario
Il sistema di telecontrollo ha lo scopo di gestire gli impianti di sollevamento della rete
fognaria nera, ossia destinata alla raccolta dei reflui.
La rete nera termina all’impianto di trattamento, mentre esiste una rete per la raccolta
delle acque meteoriche che immette le acque direttamente in corpi idrici superficiali.
In linea teorica si ha quindi una rete fognaria di tipo separato con due reti distinte: una
per la raccolta delle acque reflue ed una per la raccolta delle acque meteoriche.
Purtroppo la separazione completa tra la rete nera e la rete bianca non è facile da
realizzarsi nella pratica in quanto nella maggior parte delle reti esistenti separate, gli
scarichi abusivi di acque nere nella rete bianca sono frequenti, compromettendo così i
parametri qualitativi dei corpi idrici ricettori; così come sono frequenti gli scarichi di
acque piovane nella rete nera, provocando così un aumento della portata in arrivo
all’impianto di trattamento, cioè un sovraccarico che il depuratore deve smaltire,
causando un abbassamento del rendimento o addirittura compromettendone il regolare
funzionamento.
Situazioni di questo genere, una volta instaurate, sono difficili da risanare. La rete
fognaria della città presa in considerazione presenta anch’essa questo problema, ed è
praticamente impossibile cercare di correggere gli allacciamenti sbagliati nella rete nera,
soprattutto negli edifici del centro storico. In termini di numeri si può osservare che, per
un bacino complessivo di circa 180 ettari, di cui circa 100 di superficie impermeabile, la
portata in ingresso al depuratore aumenta significativamente, arrivando, nei giorni di
precipitazioni intense, addirittura oltre il limite della capacità massima che può
sopportare in ingresso (1600 m3/ora, ovvero 450 litri al secondo per una popolazione
servita di circa 90.000 abitanti equivalenti - abitante equivalente, convenzionalmente
definito come la quantità di carico inquinante corrispondente a quella prodotta da un
individuo nell’arco di 24 ore per un anno; tale carico equivale a circa 60 g di BOD5
(Domanda Biochimica di Ossigeno in 5 gg., misurata in g di O2)). I dati raccolti relativi
alle portate in arrivo al depuratore hanno mostrato fino a 2300 metri cubi all’ora nei
periodi di forte pioggia contro un carico ordinario durante i giorni di tempo secco
dell’ordine dei 1100 m3/ora, ovvero circa 300 l/sec.
Il problema è dovuto in parte anche alla presenza nella rete nera di portate parassite,
ovvero:
36 / 53
-
portate dovute ad acque superficiali che giungono in rete durante i periodi di
pioggia dai chiusini dei pozzetti e si annullano nei periodi di tempo asciutto;
- portate dovute ad acque di falda che risalendo si infiltrano dai giunti non a
perfetta tenuta delle tubazioni.
Mentre le prime si annullano nei periodi di non pioggia, le seconde possono persistere
anche molto tempo dopo la fine dell’evento meteorico.
La città presenta falde acquifere ad una profondità dell’ordine di qualche metro, per cui
risente notevolmente di infiltrazioni durante i periodi di pioggia. L’altimetria del
territorio è tale per cui non si ha la possibilità di avere un funzionamento a gravità, e
quindi lo smaltimento delle acque avviene tramite 45 stazioni di sollevamento distribuite
su tutto il territorio.
13.2. Il telecontrollo nelle stazioni di sollevamento
Alcuni impianti di sollevamento fognari sono dotati di un sistema di telecontrollo che
prevede l’installazione di stazioni remote presso gli stessi impianti, evidenziate nello
schema seguente in arancione.
Figura 23 – Schema della rete degli impianti di sollevamento
I vantaggi derivanti dall’installazione del sistema di telecontrollo sono molteplici:
- limitare e/o diminuire lo spreco delle risorse economiche disponibili;
- migliorare l’impiego delle risorse umane;
- disporre di una analisi completa dei costi relativi alla conduzione/manutenzione
degli impianti;
- disporre di dati certi del funzionamento degli impianti.
A questo primo gruppo di obiettivi se ne aggiunge un secondo, il cui raggiungimento è
indispensabile per ottenere ulteriori vantaggi economico-gestionali ovvero:
- limitare e/o diminuire il costo di esercizio per l’applicazione di tecnologie
innovative;
- aumentare il livello di sicurezza operativa.
Nel caso specifico dei sistemi di telecontrollo/telegestione dedicati al settore del
pompaggio fognario alcune delle funzioni innovative sono:
37 / 53
-
calcolo della portata di ingresso, in uscita e di sfioro della stazione di
sollevamento (senza l’installazione di misuratori di portata aggiuntivi) mediante il
solo misuratore di livello in vasca);
- segnalazione in tempo reale di guasti e malfunzionamenti degli impianti di
sollevamento;
- gestione dell’alternanza automatica dei comandi delle pompe per mantenere
omogenei le ore di lavoro ed il numero degli avviamenti;
- soglie di assorbimento della corrente, del livello, della portata, separate per le
singole pompe e configurabili separatamente per ciascuna pompa;
- archiviazione dei dati;
- supervisione del processo dal centro di telecontrollo con possibilità di modificare
i set point del processo in tempo reale.
Il sistema è poi strutturato nel modo seguente: ogni stazione di sollevamento è dotata di
quadri elettrici, di controllo e di automazione esterni in cui è stata installata tutta la
strumentazione necessaria per la gestione dell’impianto. La stazione remota esegue
l’acquisizione delle misure, l’automazione dell’impianto e la trasmissione dei dati
acquisiti/elaborati al centro di telecontrollo. Il controllo della marcia/arresto delle pompe
è impostato sulle soglie del misuratore ultrasonico di livello (con precisione del
millimetro) che fornisce il livello del liquame nel pozzetto. La stazione remota
attiva/disattiva le pompe in base alle soglie di livello impostabili sia localmente che dal
centro di telecontrollo. Gli impianti di sollevamento sono dotati di due pompe per
garantire il funzionamento dell’impianto di sollevamento in caso di fuori servizio di una
pompa. Inoltre vengono monitorate dalla stazione remota la tensione e la corrente
assorbita e la rilevazione di eventuali allarmi viene inviata in tempo reale al centro di
telecontrollo.
E’ prevista la logica elettromeccanica di riserva che entra in funzione in caso di fuori
servizio della stazione remota. Per garantire il funzionamento dell’impianto di
sollevamento in caso di fuori servizio del misuratore di livello sono installati due
rilevatori di minimo e massimo livello che provvedono ad avviare/fermare le pompe.
13.3. Raccolta dei dati
I dati relativi al livello del liquame nel pozzetto (vasca) vengono acquisiti localmente
dalle stazioni remote in base a frequenze di campionamento impostabili dal gestore del
servizio e successivamente vengono trasmessi e archiviati al centro di telecontrollo
(figura 24), su richiesta di quest’ultimo che acquisisce i valori relativi alle portate in
ingresso al depuratore (figura 25). Sono stati raccolti inoltre i dati relativi alle piogge
sulla città.
38 / 53
1,70
1,60
1,50
livello (m)
1,40
1,30
1,20
1,10
1,00
0,90
0,80
06/12/2000
04.00.00
06/12/2000
04.10.00
06/12/2000
04.20.00
06/12/2000
04.30.00
06/12/2000
04.40.00
06/12/2000
04.50.00
06/12/2000
05.00.00
giorno-hh,mm,sec
Figura 24 – Schema di un impianto di sollevamento e dei dati di livello in grado di
fornire.
700
600
Q(l/sec)
500
400
300
200
100
0
06/12/2000 06/12/2000 06/12/2000 06/12/2000 06/12/2000 06/12/2000 06/12/2000 06/12/2000 07/12/2000
00.00.00
03.00.00
06.00.00
09.00.00
12.00.00
15.00.00
18.00.00
21.00.00
00.00.00
hh,mm,sec
Figura 25 – Portata in ingresso al depuratore in un giorno senza pioggia
13.4. Analisi della parte di rete fognaria telecontrollata
Dalle misure relative all’andamento dei livelli nei vari impianti, è stato possibile
ricostruire l’andamento delle portate medie giornaliere di tempo secco in ingresso nelle
stazioni di sollevamento. Il riferimento alla media si è reso necessario per due motivi: il
primo perché i dati relativi al livello non vengono archiviati in modalità continua, il
secondo perché l’andamento delle portate ha delle variazioni dovute al numero di pompe
in funzione poste a monte dell’impianto. Quindi in qualunque momento del giorno
l’accensione contemporanea di tre o quattro o cinque pompe comporta variazioni
significative a causa delle quali non si può fare a meno di calcolare la portata media. La
ricostruzione si basa sull’osservazione degli andamenti dei livelli nelle stazioni nei giorni
di non piovosità preceduti da almeno dieci giorni di non pioggia per evitare l’influenza
delle portate parassite. Inoltre sono stati esclusi dallo studio il sabato e la domenica in
quanto l’andamento si presuppone diverso e quindi avrebbe potuto creare spostamenti
causanti uno scarto quadratico medio troppo elevato. Per la ricostruzione si è utilizzato
un programma di calcolo, che sulla base dell’equazione di continuità nel pozzetto, simula
39 / 53
l’andamento del livello. I risultati sono stati confrontati poi con quelli rilevati dal
misuratore ad al ultrasuoni.
La simulazione si basa sull’equazione di continuità valida nel pozzetto. In particolare:
Qe − Qu = dW
dove:
Qe
Qu
W
t
dt
portata entrante;
portata uscente;
volume di liquido all’interno del pozzetto;
tempo.
Il programma di calcolo legge il contenuto di alcuni files di dati, che descrivono:
- la geometria del pozzetto;
- la curva caratteristica delle pompe presenti nel pozzetto;
- la prevalenza delle pompe (prevalenza geodetica + perdite di carico), i livelli di
attacco e stacco, la portata entrante.
In particolare, quest’ultima è stata ipotizzata sulla base dei dati di livello.
Dall’osservazione dei rami di crescita si può già intuire un primo valore di tentativo da
assegnare al programma.
Per quanto riguarda il calcolo delle perdite di carico:
- distribuite, si è utilizzata l’espressione:
∆H
Q2
= βr 5
L
D
con L lunghezza del tubo di mandata, Q portata pompata, D diametro del tubo, βr
coefficiente di resistenza dimensionale (m-1 s2). Quest’ultimo è stato calcolato mediante
l’espressione di Gaukler-Strickler, secondo cui:
βr = 10,3 k 2 D1 / 3
dove k parametro di scabrezza (m1/3 s-1) il cui valore dipende dal tipo di materiale. Per
tubazioni in acciaio in servizio corrente k = 90 m1/3 s-1.
- accidentali, costituite dalla accidentalità presenti nel tubo di mandata, come le curve a
gomito e le brusche variazioni di sezione dovute all’innesto del tubo con la pompa, sulla
base dell’espressione:
∆H = ξ
U2
2g
con ξ coefficiente adimensionale dipendente dalla geometria a monte e a valle della
variazione, U velocità del fluido, g accelerazione di gravità.
Le figure 26 e 27, mostrano esempi di confronto con le misure effettivamente rilevate.
40 / 53
6/12/00 impianto 22 ore 4;00/4;30
1,8
livello (m)
1,7
1,6
simulata
1,5
registrata
1,4
prevalenz
a 13.7 m
1,3
Qentr 30
l/sec
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0
5
10
15
20
25
30
tempo (min)
Figura 26 – Esempio di ricostruzione del livello nella vasca dell’impianto di
sollevamento.
E’ importante osservare che le modalità di acquisizione del livello della vasca presenta
un intervallo temporale troppo grande per cui, senza una ricostruzione modellistica del
livello, non sarebbe possibile fare nessun tipo di considerazione sul funzionamento del
sistema.
6/12/00 impianto 36 ore 4;00/4;30
2,6
2,4
simulata
2,2
Registrata
livello (m)
2
1,8
prevalenz
a 10 m
1,6
Qentr 50
l/sec
1,4
1,2
1
0,8
0
5
10
15
20
25
30
tempo (min)
Figura 27 – Esempio di ricostruzione del livello nella vasca dell’impianto di
sollevamento.
Per verificare la validità dei risultati conseguiti, è stata effettuata una simulazione della
rete analizzata mediante un codice di calcolo (Hydroworks sviluppato da Wallingford
Software) in grado di eseguire la simulazioni delle reti di drenaggio sia dal punto di vista
quantitativo che qualitativo. Definita la portata in ingresso ai vari nodi la propagazione
all’interno dei condotti avviene risolvendo le equazioni di De Saint Venant complete.
41 / 53
Figura 28 - Schema della rete simulata
Le portate in ingresso ai vari nodi sono quelle ricostruite mediante l’equazione di
continuità valida nei vari pozzetti degli impianti di sollevamento. La simulazione ha
rivelato la validità della ricostruzione delle portate in gioco nella rete.
Scelti quattro eventi piovosi dei quali erano noti gli ietogrammi, si è analizzata la risposta
della stessa parte di rete nera analizzata in tempo asciutto. Più precisamente si è studiato
l’aumento della portata in ingresso al depuratore rispetto a una portata media calcolata su
più giorni di tempo secco (figura 29) e l’aumento di portate nei rami tramite il solito
programma di calcolo utilizzato per la ricostruzione delle portate in tempo secco (figura
30). E’ stato quantificato il contributo della pioggia sulla rete nera e il contributo della
falda.
Pioggia (mm)
0
10
20
800
Esaurimento della falda
Q(l/sec)
600
400
200
0
19/11
20/11
21/11
22/11
23/11
24/11
25/11
26/11
27/11
28/11
29/11
30/11
1/12
Data (gg/mm)
Figura 29 – Esempio di portata in arrivo al depuratore in un periodo piovoso
42 / 53
I dati relativi all’influenza delle piogge nella rete sono mostrati nella seguente tabella:
Evento
Durata
(h )
Pioggia
( mm )
Volume
pioggia
3
(m )
Volume Volume
totale relativo
defluito
alla
in rete portata
3
media
(m )
nera
Volume
% del
totale di volume
pioggia totale di
in rete
pioggia
3
in rete
(m )
Volume
relativo alla
pioggia
3
(m )
Volume
%
relativo relativa
alla
alla falda
falda
3
(m )
3
02/11/00
14/11/00
15/11/00
19/11/00
273
13
103
288
206.4
10.2
34.6
206.6
375039
10565
62873
375403
330300
14572
127450
403136
(m )
225870
11700
83064
226940
104430
2872
44386
176196
28
27
71
47
66010
2872
13343
117161
38420
10
31043
59035
49
16
Tabella 1 – Rappresentazione dei contributi di acqua parassita nella rete fognaria nera.
27/11/00 impianto 37 ore 11;00/14;00
5,3
simulata
4,8
registrata
4,3
livello (m)
3,8
portata 120
l/sec
3,3
prevalenza
6m
2,8
2,3
1,8
1,3
0,8
10
30
50
70
90
110
tempo (min)
Figura 30 – Esempio di ricostruzione delle portate in un impianto di sollevamento in un
giorno piovoso
Lo schema seguente mostra il confronto tra portate in tempo asciutto e dopo un evento
pluviometrico:
Figura 31 – Confronto tra portate in tempo secco e in tempo di pioggia per gli impianti
di sollevamento simulati
43 / 53
E’ evidente che il ramo relativo alle stazioni n. 32 e n. 36 è interessato da infiltrazioni di
portata dovute ad innalzamento della falda (non ci sono allacciamenti di abitanti tali da
causare una differenza di 21 l/sec tra il ramo subito prima e subito dopo l’impianto n.
32).
13.5. Conclusioni
I risultati conseguiti mettono in luce molteplici aspetti inerenti alla gestione della rete
derivanti dall’impiego di un sistema telecontrollato. La possibilità di monitorare e
archiviare i dati relativi all’evoluzione dinamica del processo consente l’analisi del
sistema e permette di intervenire sui parametri del processo oltre che consentirne la
modellazione matematica. E’ opportuno sottolineare inoltre come ciò si ripercuota con
effetti benefici sull’ambiente, da un lato perché permetterebbe di diminuire le portate
sfiorate direttamente ai corsi d’acqua ricettori, e dall’altro permetterebbe di intervenire
tempestivamente qualora si verifichino situazioni di allarme.
E inoltre significativo evidenziare come le modalità di acquisizione dei dati, soprattutto
in termini di frequenza di campionamento, siano importanti, in quanto la validità di
questi dati è direttamente legata alla modellazione matematica successiva per ricostruire
le portate in gioco.
44 / 53
14. Monitoraggio delle acque di “prima pioggia” in un’area industriale
14.1. Premessa
La problematica della gestione delle acque di prima pioggia è oramai divenuta un tema
fondamentale nell’ambito della tutela dei corpi idrici ricettori. In molti casi infatti, le
concentrazioni delle sostanze inquinanti sversate in corrispondenza degli istanti iniziali
degli eventi di pioggia, superano quelli degli impianti di depurazione e delle stesse acque
reflue di tempo secco come testimoniato da numerosi studi presenti in letteratura (Artina
et al., 1997; Sansalone and Buchenberger, 1998; Beretta et al., 2003; Barco et al., 2004).
Al fine di poter proporre una strategia gestionale delle acque di prima pioggia e dei
provvedimenti ingegneristici atti a mitigarne l’impatto, è necessario migliorare la
conoscenza sulle sostanze in esse contenute e sui processi di dilavamento delle superfici
in funzione dei diversi utilizzi del territorio. Le modalità operative ed i principali risultati
di un’indagine di monitoraggio idraulico-ambientale, effettuata in una vasca di prima
pioggia a servizio di un’area commerciale-industriale in provincia Bologna, sono
descritti nei paragrafi che seguono.
L'attività sperimentale ha cercato di determinare le modalità ottimali di monitoraggio,
confrontando i risultati derivanti da un monitoraggio tradizionale con campionatore
automatico rispetto all’uso di sonde multiparametriche.
L’obiettivo dei paragrafi successivi è, oltre che descrivere le problematiche connesse con
l’inquinamento delle acque di “prima pioggia”, evidenziare come le diverse grandezze
idrologiche e i parametri qualitativi monitorati richiedano strumenti e procedure di
monitoraggio molto differenti tra loro al fine di ottenere risposte significative.
14.2. Il sito sperimentale
L’area di studio prescelta si trova all’interno di una zona industriale, compresa fra la S.S.
n. 9 (Via Emilia) e la ferrovia Bologna – Milano (Figura 32). La sua caratteristica
distintiva risiede nel fatto che il bacino drenato all’interno di una vasca di “prima
pioggia” è composto di un piazzale adibito al movimento ed al transito di numerosi
mezzi pesanti (mediamente 200 al giorno) ed una piccola parte della copertura del
limitrofo capannone e non riceve reflui di tipo civile od industriale.
45 / 53
Figura 32 – Vista di una parte del piazzale drenato dalla vasca
L’area drenata all’interno della vasca è composta da due parti distinte del piazzale, aventi
superficie rispettivamente di 4499 m2 e di 4985 m2. Le acque meteoriche scolano
attraverso un sistema di caditoie e giungono alla vasca mediante una condotta in
calcestruzzo avente diametro di 600 mm e due condotte del medesimo materiale aventi
diametro di 500 mm. Alla vasca vengono recapitate anche le acque provenienti da una
piccola porzione di copertura di 1639 m2, le quali confluiscono nel maggiore dei tre
condotti sopra citati.
La vasca di prima pioggia ha una pianta rettangolare i cui lati misurano 3 e 10 metri
(Figura 33). La sua copertura si trova a circa 3 metri dal fondo ed il volume utile è
vincolato alle quote dei condotti in uscita. Si tratta in particolare di una condotta in
calcestruzzo di diametro 600 mm, posto ad 1,60 m dal fondo della vasca, che svolge
sostanzialmente la funzione di scarico di troppo pieno e recapita in una vasca di
laminazione a lato del piazzale. E’ inoltre presente una tubazione in PVC di diametro 125
mm, posta a circa 40 cm dal fondo, avente funzione di scarico di fondo non regolato, che
recapita nella fognatura nera comunale.
Figura 33 – Planimetria e sezione della vasca di prima pioggia
46 / 53
Il volume della vasca è pertanto quantificabile in 48 m3, tuttavia a causa del volume
morto dovuto alla quota dello scarico di fondo, il volume utile si attesta a circa 36 m3.
14.3. La strumentazione installata
Per il monitoraggio degli aspetti quantitativi e qualitativi delle acque, si è resa necessaria
l’istallazione di un pluviometro, un misuratore di livello, un campionatore automatico, un
torbidimetro e, in una fase successiva, di una sonda multiparametrica.
Il pluviometro istallato in sito è un modello “ISCO 674 Rain Gauge” del tipo a bascula.
Può registrare precipitazioni con intensità fino a 200 mm/h e ha una sensibilità pari a 0.1
mm, la cui precisione è stata verificata in laboratorio. Un rilevante problema riscontrato è
stato l’intasamento dello strumento da parte di polveri e pollini, che ha quindi richiesto
una frequente (almeno settimanale) pulizia manuale.
Per il prelievo dei campioni di acqua è stato istallato un campionatore modello ISCO
6712 Sampler che permette di campionare 24 bottiglie ad intervalli temporali
programmati. Ad esso sono collegati il pluviometro ed un misuratore di livello
piezoresistivo posto sul fondo della vasca ed ivi stabilizzato mediante una zavorra. La
centralina del campionatore registra sia i dati di pioggia, sia quelli di livello con cadenza
temporale pari ad 1 minuto.
L’inizio del campionamento è stato vincolato in una prima fase al raggiungimento di una
determinata altezza in vasca, successivamente al superamento di una determinata
intensità di pioggia. Il torbidimetro è costituito da una sonda Endress+Hauser CUS 41 e
da una centralina, la quale però, non consentendo la registrazione dei dati di torbidità, ha
richiesto l’istallazione di una ulteriore unità di visualizzazione ed immagazzinamento
dati.
Batteria di
alimentazione
Campionatore
automatico
Figura 34 – Alloggio per gli strumenti e l’alimentazione.
La sonda multiparametrica Troll 9000 è in grado di gestire diversi parametri, quali pH,
torbidità, livello, conducibilità, redox, ecc. che possono essere registrati localmente nel
“data logger” di cui è dotata la sonda. E’ possibile definire, per ogni parametro, la
frequenza di campionamento più appropriata. La sonda è alimentata da batterie interne
che permettono di assicurare un’autonomia di funzionamento di diverse settimane.
Poiché nel sito non era disponibile la tensione di rete 220 Vac, l’alimentazione per gli
strumenti è stata fornita mediante un accumulatore a 12V avente capacità di 200Ah..
Essendo presenti anche apparati funzionanti a corrente alternata si è reso necessaria
47 / 53
l’installazione di un inverter. Gli strumenti sono stati installati nel preesistente manufatto
prefabbricato di ispezione alla rete (Figura 34).
14.4. La campagna di misura
Durante gli 8 mesi di sperimentazione, si sono succedute diverse condizioni operative
degli strumenti, in ragione delle difficoltà pratiche incontrate, ma anche in base alle
informazioni desunte man mano dai dati raccolti.
Le diverse modalità di monitoraggio sono state schematizzate in fasi ordinate
cronologicamente, per illustrare le condizioni operative che hanno portato alla raccolta
delle misure in continuo per l’intero periodo ed ai risultati delle indagini chimiche
analitiche, relative a 5 degli eventi verificatisi.
Nella prima fase, dopo un periodo in cui è stata testata l’efficienza degli strumenti e
l’affidabilità del sistema di alimentazione, si è provveduto alla pulizia della vasca e
successivamente sono stati istallati sul fondo della stessa:
- il misuratore di livello;
- il torbidimetro;
- la sonda di prelievo del campionatore.
Il campionatore, collegato anche al pluviometro, è stato quindi programmato per attivarsi
al superamento di un prefissato livello in vasca, in corrispondenza dell’inizio dell’evento.
In una seconda fase, in seguito all’analisi dei livelli registrati in vasca, si è constatata una
non regolarità di funzionamento dello scarico di fondo. Pertanto, in occasione di un
secondo svuotamento della vasca e pulizia della stessa, è stato istallato un dispositivo di
chiusura del condotto di scarico, in modo da ridurre le incertezze legate al suo
funzionamento.
La terza fase del monitoraggio si distingue dalla precedente per l’inserimento in vasca
della sonda multiparametrica Troll 9000. Ai fini dello studio in atto, le funzionalità di
maggiore interesse di tale strumento risiedevano nella misura del livello e della torbidità.
Pertanto, la sonda è stata posta a fianco del torbidimetro e del misuratore piezoresistivo,
in modo da rendere confrontabili i valori registrati (Figura 35).
24/03 00
25/03 00
26/03 00
27/03 00
29/04 12
0
Pioggia (mm/h)
Pioggia (mm/h)
23/03 00
5
10
15
20
2.0
250
30/04 12
01/05 12
02/05 12
03/05 12
0
20
40
60
80
2.0
900
1.0
150
Troll 9000 Pro XP
100
0.5
50
700
1.5
1.0
Livello in vasca
600
E+H CUS 41
Troll 9000 Pro XP
500
400
300
0.5
Torbidità (NTU)
E+H CUS 41
Livello in vasca (m)
Livello in vasca
Torbidità (NTU)
800
200
1.5
200
100
0.0
23/03 00
24/03 00
25/03 00
Tempo (gg/mm hh)
26/03 00
0
27/03 00
0.0
29/04 12
30/04 12
01/05 12
02/05 12
0
03/05 12
Tempo (gg/mm hh)
Figura 35 – Confronto fra i due diversi misuratori di torbidità
48 / 53
Per poter studiare l’andamento del carico inquinante pervenuto in vasca durante l’evento
meteorico, ci si è resi conto dell’effetto negativo prodotto dai 40 cm di acqua
costantemente presenti in vasca. Tale volume stagnante accresce fortemente la possibilità
di sedimentazione di sostanze sul fondo della vasca. Pertanto, in corrispondenza di un
evento meteorico, l’effetto (in termini di torbidità) dato dalla risospensione del materiale
sedimentato supera quello prodotto dal carico in ingresso, rendendone impossibile la
corretta comprensione. Per questo motivo, e per non ricorrere ogni volta a svuotamento e
pulizia della vasca, come fatto per i primi due eventi raccolti, si è deciso di installare la
sonda del campionatore e la multiparametrica direttamente sul principale dei condotti in
ingresso alla vasca, in modo da potervi registrare torbidità e livello. Le sonde, di forma
cilindrica, sono state affiancate l’una all’altra con l’asse parallelo a quello del condotto,
sul fondo dello stesso, in modo da minimizzare gli effetti di perturbazione della vena
fluida.
All’uscita del condotto è stata applicata una sorta di stramazzo, la cui scala di deflusso
ricostruita preventivamente in laboratorio, ha consentito di ricavare i valori della portata
da quelli di livello misurati dalla sonda.
Poiché la sonda multiparametrica non è collegabile al campionatore, l’istante di
attivazione del campionamento non è stato abbinato alla misura di portata, ma al
superamento di un prefissato valore di intensità di pioggia.
Durante la campagna sperimentale sono stati rilevati 57 eventi di pioggia (>1 mm) per un
totale di 451 mm caduti sull’area oggetto di studio (Figura 36).
Le intensità di pioggia registrate variano a partire da valori prossimi ad 1 mm/h, fino ad
un massimo di 66 mm/h.
I grafici di seguito esposti mostrano l’andamento delle grandezze idrauliche e di qualità,
limitatamente ai Solidi Sospesi Totali (SST) ed al COD, che caratterizzano i 5 eventi
oggetto di campionamento e di successive analisi di laboratorio. I risultati completi delle
analisi compaiono invece in Artina et al. (2005).
Pioggia osservata nel periodo 25/11/2003 - 25/07/2004
Pioggia giornaliera (mm)
30
25
20
15
10
5
0
25/11
25/12
24/01
23/02
24/03
Tempo (gg-mm)
23/04
23/05
22/06
22/07
Figura 36 – Altezza di pioggia giornaliera registrata durante il periodo di monitoraggio
Nelle figure 37 e 38 vengono esposti i risultati dei campionamenti effettuati sul
principale condotto in ingresso alla vasca. I valori di concentrazione sono posti a
confronto con la portata e la torbidità rilevate sul condotto stesso.
49 / 53
15.30
15.45
16.00
Evento 5 (24/07/2004)
16.15
16.30
0
3
6
9
12
15
400
Q ingresso
Troll 9000 Pro XP
SST
COD
Portata in ingresso (l/s)
4.0
3.5
3.0
2.5
300
200
2.0
1.5
100
1.0
0.5
0.0
14:45
15:00
15:15
15:30
15:45
16:00
16:15
20.30
21.00
21.30
22.00
22.30
0
4
8
12
16
20
0.70
500
Livello in vasca
0.65
4.5
20.00
400
TSS
COD
0.60
300
0.55
200
0.50
100
0.45
0
16:30
0.40
20:00
20:30
Tempo (hh.mm)
21:00
21:30
Torbidità (NTU) Conc (mg/l)
15.15
Pioggia (mm/h)
15.00
Pioggia (mm/h)
Evento 3 (28/05/2004)
14.45
0
22:30
22:00
Tempo (hh.mm)
Figura 37 – Evento 3: Intensità di pioggia, portata in ingresso, torbidità e
concentrazioni di COD e SST da prelievo nel condotto in ingresso; Evento 5: Intensità di
pioggia, livello in vasca, concentrazioni di COD e SST da prelievo nel condotto in
ingresso
Evento 4 (13/06/2004)
05.30
06.00
06.30
07.00
07.30
08.00
08.30
09.00
09.30
10.00
10.30
11.00
0
7
14
21
28
35
Portata in ingresso (l/s)
20
900
Q ingresso
Troll 9000 Pro XP
SST
COD
16
12
800
700
600
500
400
8
300
200
4
100
0
05:00
05:30
06:00
06:30
07:00
07:30
08:00
08:30
09:00
09:30
10:00
10:30
Pioggia (mm/h)
05.00
0
11:00
Tempo (hh.mm)
Figura 38 – Evento 4: Intensità di pioggia, portata in ingresso, torbidità e
concentrazioni di COD e SST da prelievo nel condotto in ingresso
I risultati evidenziano inoltre la stretta correlazione esistente fra i Solidi Sospesi Totali ed
alcuni metalli pesanti, quali zinco, rame (Figura 39). Questo aspetto è particolarmente
significativo in quanto testimonia che la maggior parte dei metalli pesanti si trova in
forma adesa ai sedimenti.
50 / 53
Correlazione fra SST e Zn
0.900
Correlazione fra SST e Cu
0.100
Cu (mg/l)
Zn (mg/l)
0.080
0.600
Zn Evento 5
Zn Evento 4
Zn Evento 3
Zn Evento 2
Zn Evento 1
0.300
0.060
Cu Evento 5
Cu Evento 4
Cu Evento 3
Cu Evento 2
Cu Evento 1
0.040
0.020
0.000
0.000
0
200
400
600
SST (mg/l)
800
1000
0
200
400
600
800
1000
SST (mg/l)
Figura 39 – Correlazioni fra Solidi Sospesi Totali, Zinco e Rame divise per evento
14.5. Conclusioni
Nel periodo compreso fra Novembre 2003 e Luglio 2004 è stata svolta una campagna
sperimentale in una vasca di prima pioggia in provincia di Bologna.
Numerosi dati sono stati raccolti al fine di studiare il fenomeno del “first flush” in un
bacino completamente impermeabile, di piccola estensione, facente parte di un’area di
transito e sosta per mezzi pesanti. Per cinque fra gli eventi di pioggia osservati, sono state
effettuate analisi chimiche su campioni prelevati in vasca o sul principale condotto in
ingresso ad essa. Il fenomeno del “first flush”, ossia un picco di concentrazione degli
inquinanti particolarmente elevato nella fase iniziale dell’evento pluviometrico, ha avuto
luogo per la quasi totalità degli eventi analizzati, manifestando inoltre una certa
dipendenza dall’intensità della pioggia: gli eventi caratterizzati da intensità maggiore,
presentano un “first flush” più evidente.
Risultati interessanti emergono anche dal confronto fra i valori di torbidità e quelli di
concentrazione dei SST. L’andamento in continuo delle curve di torbidità appare infatti
analogo a quello delineato dai valori puntuali dei campionamenti per i SST. Purtroppo
non è stato possibile definire un rapporto di proporzionalità stabile fra le due grandezze.
Inoltre, le misure effettuate in parallelo con due sonde differenti hanno dimostrato che il
valore della torbidità dipende sensibilmente dallo strumento utilizzato. Si sono infatti
riscontrate ottime corrispondenze in termini di andamento temporale e di valori di picco
misurati, ma non altrettanto per quanto riguarda la rapidità di ritorno ai valori di base,
ribadendo i problemi di incertezza sull’esistenza di relazioni affidabili fra i SST e la
torbidità.
In conclusione è utile rimarcare che nel monitoraggio degli aspetti qualitativi legati alle
acque di prima pioggia i fenomeni in gioco sono molto rapidi, rispetto ad esempio a ciò
che accade nei corsi d’acqua, e pertanto, al fine di poter acquisire con precisione i valori
delle grandezze di interesse è necessario usare intervalli temporali dell’ordine del minuto.
Analogamento il monitoraggio con strumenti in continuo non risulta ancora totalmente
affidabile e pertanto per avere una visione più corretta dei valori risulta indispensabile
ricorrere al campionatore automatico e alle successive analisi di laboratorio. Il
monitoraggio in continuo con sonde multiparametriche risulta comunque utile per avere
una visione completa di come evolvono nel le grandezze monitorate con dettaglio molto
maggiore di quanto possibile con un campionatore automatico.
51 / 53
Ringraziamenti
Si ringraziano per la collaborazione fornita:
• G.E.A.L. di Lucca (Ente gestione della rete fognaria) per quanto riguarda il
Capitolo 13 relativo alla “Gestione di rete fognaria mediante il controllo in tempo
reale”.
Per quanto riguarda il Capitolo 14 relativo al “Monitoraggio di acque di prima pioggia in
un area industriale”:
• il laboratorio CSA di Rimini per le analisi chimiche;
• IBAX per la concessione della sonda multiparametrica TROLL 9000 XP
(attualmente le sonde multiparametriche IN-SITU sono distribuite per il mercato
italiano dalla società NT Ambiente di Rovereto);
• l’ARPA Emilia-Romagna, sezione Ingegneria-Ambientale, per aver fornito alcuni
degli strumenti di misura utilizzati nella campagna sperimentale;
• Daniele Pagnani per la sua collaborazione durante l’intera campagna di
monitoraggio.
52 / 53
Bibliografia
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Guzzinati, (1997) “Le misure di qualità nel bacino urbano Fossolo”. L’Acqua, (2),
17-25.
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analysis of first foul flush in an industrial area; 10th International Conference on
Urban Drainage, Copenhagen, Denmark, 21-26 Agosto 2005.
Barco O.J., C. Ciaponi, S. Papiri, (2004) “Inquinamento delle acque meteoriche di
dilavamento. Il caso del bacino urbano residenziale di Cascina Scala (Pavia)”; XXIX
Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, Trento, Settembre 2004.
Berretta C., I. Gnecco, P. La Barbera, L.G: Lanza, (2003) "Studio sperimentale per la
caratterizzazione delle acque di prima pioggia nel comprensorio urbano genovese".
L'Acqua (6), 33-40.
Bertrand-Krajewski J.L., Chebbo G. e Saget A., (1998) “Distribution of pollutant mass vs
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32(8), 2341-2356.
CEI 57-8 Sistemi ed apparecchiature di telecontrollo parte 4 Prescrizioni di
funzionamento.
Deletic A., (1998). “The first flush load of urban surface runoff”. Water Research 32(8),
2462–2470.
Gupta K. e Saul A.J., (1996). “Specific relationships for the first flush load in combined
sewer flows”. Water Research, 30, 1244–1252.
Lee J.H. e Bang K.W., (2000). “Characterization of urban stormwater runoff”. Water
Research, 34, 1773–1780.
Manuale di elettronica e telecomunicazioni – HOEPLI.
PROGRAMMABLE CONTROLLERS – Theory and Implementation – An industrial
Text Co. Publication – Atlanta (1980).
Sansalone J.J. e Buchberger S.G., (1997). “Partitioning and first flush of metals in urban
roadway storm water”. Journal of Environmental Engineering ASCE 123, 134–143
53 / 53

Marco Maglionico

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