Automazione Industriale – Impianti Elettrici e Tecnologici – Energia Rinnovabile – Energy Management & Saving – General Contractor

ElektroBMS

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BMS (Building Management System)
Gli edifici nell’ambito industriale e del terziario presentano esigenze e servizi crescenti e sempre più legati anche agli impianti tecnologici di cui devono essere dotati. Se da un lato aumenta la complessità degli impianti tecnologici, sia come gestione che come manutenzione, dall’altro aumenta l’importanza della loro efficienza, in termini di funzionalità e di obblighi di legge e normativi.

In questo ambito si sviluppa la necessità di sistemi di automazione di edificio ed il concetto di sistema integrato, indicato come building automation e supervisione di impianto, dove le figure di riferimento possono essere il gestore di edificio (facility manager), il responsabile di produzione e di stabilimento, con esigenze complesse di gestione e manutenzione dell’immobile e degli impianti tecnologici contenuti. Con i moderni sistemi di automazione e telecontrollo di edificio è possibile controllare le funzioni di sicurezza, allarmi, energia, climatizzazione, accessi, illuminazione, comunicazione, ecc. Gli impianti possono essere comandati in maniera semplificata grazie ad automatismi e monitorati tramite videoterminali presenti nell’edificio stesso (control room / desk o reception) oppure da postazioni operative remote. Grazie a questi sistemi è possibile ottenere vantaggi economici nei costi di gestione in conseguenza del miglioramento dei processi di gestione e manutenzione, con benefici in termini di personale addetto, risparmio energetico, produzione, logistica.

Generalità
Le problematiche considerate in ambito di edifici e stabilimenti industriali e del terziario sono relative alla gestione e manutenzione degli impianti tecnologici. Può essere necessario controllare:
• CABINE DI TRASFORMAZIONE MT/BT
• DISTRIBUZIONE ENERGIA E CURVE DI CARICO
• QUADRI ELETTRICI DI REPARTO / DI ZONA
• ALLARMI / PRE-ALLARMI E SEGNALAZIONI DI EMERGENZA
• CONTINUITÀ / GENERAZIONE ELETTRICA (gruppo elettrogeno– soccorritori – UPS– cogeneratore)
• LOCALI TECNOLOGICI – CENTRALE TERMICA
• MONITORAGGIO ALLARMI E PARAMETRI DI STABILIMENTO AI FINI DEI PROCESSI DI PRODUZIONE (esempio depurazione, aria compressa, acqua, gas, ecc.)
• IMPIANTO RIVELAZIONE INCENDI (safety)
• IMPIANTO ANTINTRUSIONE (security)
• IMPIANTO CONTROLLO ACCESSI
• IMPIANTO TELECAMERE TVCC
• TEMPERATURA E CLIMATIZZAZIONE REPARTI / UFFICI (HVAC – confort)
• ILLUMINAZIONE DI EMERGENZA
• ILLUMINAZIONE REPARTI / UFFICI ED ESTERNA
• ACCESSI ED APERTURE MOTORIZZATE REPARTI / UFFICI
• ecc.

La gestione può essere locale (control room / desk o reception) oppure REMOTA per ottenere la tele gestione e la tele manutenzione da altro stabilimento o da centrale operativa esterna, via internet / intranet o modem.
Le tecnologie proposte hanno l’effetto di razionalizzare, semplificare e personalizzare la gestione degli impianti installati nello stabilimento, con lo scopo di ottenere i seguenti vantaggi:
per gli operatori gestori

• unica interfaccia uomo-macchina: invio comandi, allarmistica, analisi degli stati, archiviazione e reporting (user friendly);
• intuitiva interfaccia operativa: rappresentazione grafica delle aree, delle protezioni e dei dispositivi in essere (colori ed animazioni multimediali);
• rapidità di apprendimento: utilizzo di modalità operative standard Windows;
• chiarezza di presentazione degli eventi;
• facilità di comprensione.

per l’ente gestore
• risparmi gestionali: semplificazione nell’addestramento del personale e intercambiabilità dei ruoli;
• risparmi manutentivi: riduzione tipologie apparecchiature;
• valorizzazione risorse umane: minore impegno a comprendere gli eventi, maggiore focalizzazione sulle procedure conseguenti;

Architettura di sistema
L’architettura di un sistema integrato per l’automazione di edificio fondamentalmente si suddivide in:
1. INFRASTRUTTURA DI BASE
2. LIVELLO DI SUPERVISIONE
3. INTERFACCIAMENTI EVOLUTI
Di seguito si analizzano i diversi livelli.

1. INFRASTRUTTURA DI BASE
Il sistema di gestione dei segnali di ingresso ed uscita rappresenta l’infrastruttura di base della building automation. Viene realizzata con l’installazione di stazioni programmabili RTU (Remote Terminal Unit, simili a PLC ma dedicati alle esigenze di automazione di edificio, con caratteristiche di estrema affidabilità e totale apertura verso gli standard e le evoluzioni che si presenteranno), nodi sui quali vi è l’intelligenza del microprocessore assieme alla cosiddetta ‘morsettiera intelligente’ per la raccolta dei segnali e l’attuazione verso il campo. Questi nodi vengono collegati fra di loro dal bus di campo; possono quindi sia colloquiare fra di loro che essere gestiti da sistema di supervisione. I nodi / RTU vengono tipicamente installati all’interno dei quadri elettrici di distribuzione di Bassa Tensione e la quantità in un impianto dipende fondamentalmente dalla necessità di concentrare gli I/O necessari.

BUS DI CAMPO
L’infrastruttura di base di automazione di edificio può utilizzare come bus di campo diversi standard mondiali, tra i quali vi possono essere LON, ETHERNET, EIB / CONNEX, ModBus, PROFIBUS, bus proprietari.
E’ bene puntualizzare alcune considerazioni relativamente all’eventuale scelta verso l’infrastruttura di comunicazione ETHERNET con utilizzo della esistente rete aziendale (il protocollo di comunicazione è il ModNet, cioè ModBus su ethernet). In ambito building automation e supervisione l’adozione di reti ethernet non dedicate come bus di campo viene riservata ad applicazioni non critiche. Questo perché la condivisione del mezzo trasmissivo con altre funzioni ICT aziendali, specie applicazioni gestionali pesanti (ERP), può determinare situazioni di sovraccarico della rete con conseguente ritardo o addirittura perdita nella comunicazione relativa alle funzioni di gestione dei sistemi impiantistici. Questo è tanto più probabile tanto più si appoggia la gestione su dorsali condivise.
Al contrario, una scelta verso la soluzione bus di campo specificatamente dedicato alla Building Automation da più garanzie dal punto di vista della gestione di eventuali applicazioni critiche.
La soluzione proposta solitamente non è del tipo master–slave in quanto le stazioni RTU sono in grado di funzionare anche in isola (bus di campo down). Questo consente una maggior robustezza ed affidabilità di sistema.

Nodi RTU
I nodi RTU sono in grado di gestire eventi, legati ai segnali di I/O collegati, grazie alla programmazione software che risiede a bordo del nodo stesso. E’ quindi possibile avere indipendenza funzionale dal bus di campo a livello di I/O gestiti dal singolo nodo, con la possibilità di realizzare regolarmente tutti gli automatismi programmati localmente.
Questi dispositivi, essendo di origine industriale (controllo di processo), sono adatti ad applicazioni anche molto gravose per edifici (sono infatti dedicati alla Building Automation anche in ambito industriale pesante), sono modulari barra din (adatti ad installazione in normali quadri di distribuzione), possono essere interfacciati con i più diffusi bus di campo esistenti (fra cui ovviamente ethernet e LON).
E’ possibile prevedere la parte a microprocessore con associati diversi dispositivi I/O, in grado di essere predisposti ed ampliati in funzione di eventuali esigenze future. Quando diversi RTU devono colloquiare tramite bus di campo, è necessario realizzare il binding dei nodi (mappatura e collegamento punti), che non prevede ancora la necessità di un livello superiore di architettura di supervisione. Questa operazione è necessaria se, ad esempio, un comando dato su di un nodo deve far agire un carico connesso ad un diverso nodo. Sono quindi possibili scenari su tutti i sottosistemi gestiti anche senza la presenza della stazione di supervisione.
Al di sopra del livello di collegamento dei nodi è possibile prevedere un sistema di supervisione, dedicato all’infrastruttura di base I/O, oppure uno SCADA generale.

2. LIVELLO DI SUPERVISIONE
E’ necessaria la presenza di Personal Computer, meglio se da utilizzarsi esclusivamente per la supervisione, completo di gruppo di continuità, tipicamente installati nella postazione del facility manager o del responsabile di stabilimento / produzione, oppure nel locale di reception / portineria / guardiania (control room).
Sulla stazione PC è possibile prevedere un sistema di supervisione dedicato all’infrastruttura di base I/O, oppure uno SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) generale. Nel caso venga installato un programma di supervisione e telegestione (SCADA), grazie all’ausilio di grafica elementare è possibile accedere alla gestione di tutti gli impianti controllati, con dati storici, allarmi e chiamate. Tale stazione è tipicamente collegata all’infrastruttura di base tramite il bus di campo. La presenza del livello superiore di architettura di supervisione non preclude le funzionalità dei sottosistemi gestiti, quindi tutte le funzioni di utilizzo base od avanzate dello stabilimento operano correttamente anche quando la supervisione non sia attiva per aggiornamenti o quant’altro.

3. INTERFACCIAMENTI EVOLUTI
L’architettura di sistema deve essere strutturata in modo che sia possibile aggiungere agevolmente la gestione integrata di sottosistemi impiantistici evoluti, grazie ad interfacciamenti tramite protocolli di comunicazione. E’ quindi possibile una gestione avanzata di impianti come HVAC – Riscaldamento Ventilazione & Aria Condizionata, carichi e consumi energetici, videocontrollo, antintrusione, controllo accessi, rivelazione incendi, ecc. se questi sottosistemi presentano la possibilità di essere supervisionati.
Sono supportate tutte le modalità di interfacciamento presenti nei dispositivi impiantistici:
• collegamenti seriali (RS232, RS485)
• protocolli (LON, ModBus, ecc.)
• rete ETHERNET (standard OPC o disponibilità di librerie di interfacciamento)
Al fine di ottenere queste architetture di comunicazione e controllo, sono necessari gli opportuni moduli hardware e software. In fase di ingegneria del sistema e di programmazione devono essere previsti e realizzati questi moduli per ottenere le migliori prestazioni di interfacciamento verso i livelli di architettura di automazione base, supervisione e telegestione.

Modalità di gestione
L’architettura del sistema di Building Automation e la relativa supervisione / telegestione è fondamentalmente formata da:
a) INFRASTRUTTURA DI BASE (nei quadri elettrici / in campo)
b) LIVELLO DI SUPERVISIONE (Personal Computer presso la postazione del facility manager, del responsabile di produzione, in reception, ecc.)
c) INTERFACCIAMENTI EVOLUTI (verso sottosistemi impiantistici)
Va osservato che la gestione degli impianti può essere fatta:
a) tramite la sola infrastruttura di base ® gestione limitata per mezzo di comandi in varie zone dei reparti / uffici (pulsanti, sensori, ecc.)
b) tramite la stazione di supervisione ® gestione semplificata e completa a video per mezzo di mappe e segnalazioni grafiche, di testo e sonore
c) gestione di funzioni evolute tramite la stazione di supervisione (videocontrollo, monitoraggi, regolazioni, curve di carico, impostazioni, ecc.)
Al fine di stabilire cosa si possa effettivamente gestire con la sola infrastruttura di base e cosa invece con la stazione di supervisione e gli interfacciamenti evoluti, si potrebbe grossolanamente affermare che il sistema di automazione di edificio / stabilimento possa essere suddiviso in:
a) comando
b) gestione semplificata + segnalazione e memorizzazione di allarmi e stati
c) comando evoluto
ed associare:
a) INFRASTRUTTURA DI BASE ® comando
b) LIVELLO DI SUPERVISIONE ® gestione semplificata + segnalazione e memorizzazione di allarmi e stati
c) INTERFACCIAMENTI EVOLUTI ® comando evoluto

Una gestione tramite la sola infrastruttura di base permette un controllo limitato, ma comunque un primo livello di Building Automation in quanto consente, ad esempio, il comando “intelligente” di finestre, illuminazione e temperatura (“accendi / spegni tutto”, ecc.). Il limite della gestione tramite la sola infrastruttura di base è la difficoltà a segnalare e memorizzare allarmi e stati (ausilio alla manutenzione), in quanto risulta possibile farlo solo tramite spie luminose e/o segnalazioni sonore, non convenienti quando le segnalazioni siano molteplici e quando sia utile memorizzare eventi per la manutenzione di stabilimento (necessità del livello di supervisione).
Le esigenze e possibilità di comando / comando evoluto e segnalazione e memorizzazione di allarmi e stati dipendono ovviamente dagli impianti tecnologici di stabilimento che si è deciso di integrare e gestire in maniera automatica, oltre che dall’approfondimento delle tecniche di comando che si è deciso di implementare.

Ausilio alla manutenzione e risparmio nei costi di gestione
Se il comando non ha forti implicazioni nella manutenzione dello stabilimento, la gestione di allarmi e stati tramite un livello di supervisione ne è invece un importante ausilio.
Il sistema di supervisione può avere le funzioni di:
• visualizzazione grafica (tramite lay-out e/o schemi elettrici/impiantistici) dello stato (ON/OFF/ALLARME) dei dispositivi controllati;
• gestione allarmi (e pre-allarmi): visualizzazione e registrazione storica degli allarmi verificatisi, con data, ora, messaggio di allarme, durata;
• storico: ogni accensione o spegnimento operato, manualmente od automaticamente, tramite la supervisione sarà registrato in un archivio storico consultabile dall’operatore.
Si possono distinguere tre tipi di manutenzione:
• la manutenzione correttiva (o d’emergenza);
• la manutenzione preventiva (o programmata);
• la manutenzione predittiva (o controllata).
In questi casi, l’ausilio della supervisione è utile per prevenire problemi e per rimediare quando si verifichino, al fine di garantire per quanto possibile i processi di produzione.
Ad esempio, sapere se la cabina elettrica è in pre-allarme per sovratemperatura o per sovraccarico elettrico, permette di ricorrere a procedure preventive che evitino il problema del fermo di produzione (manutenzione predittiva). Se poi ad esempio avviene l’intervento di una protezione elettrica per guasto, averne la segnalazione immediata sul supervisore permette di isolare tempestivamente il problema ed intervenire opportunamente (manutenzione correttiva). Inoltre, la gestione dello ‘storico’ dei dati di stabilimento agevola gli interventi programmati e periodici, focalizzandoli dove sia più importante (manutenzione preventiva).
Analizzando da parte di chi ne sia delegato (facility manager o responsabile di produzione) la traccia storica degli eventi anche non di guasto, ma che lo potrebbero divenire (pre-allarmi, temperature, interruttori intervenuti riarmati senza avvertire, ecc.) è possibile mantenere la conoscenza delle criticità di stabilimento ed evitare con gli opportuni interventi problemi di diversa origine.
La presenza di un sistema di supervisione e la conoscenza di questi parametri storici sulle criticità permette di ottenere risparmi economici nei costi di gestione in quanto, ad esempio, è possibile valutare se intervenire a costo maggiore con la manutenzione preventiva / predittiva (alta criticità) o se applicare la manutenzione correttiva a costo minore quando il guasto si sia verificato (bassa criticità). Questi processi di gestione sono possibili con minore impiego di personale addetto (interno od in outsourcing / global service) grazie alla centralizzazione delle informazioni. Inoltre, la maggiore garanzia di continuità dei processi industriali, è un risparmio inteso come non perdita per mancata produzione.

Legame fra processo produttivo ed edificio
Si osserva un legame sempre più forte fra il processo produttivo e le componenti di impiantistica tecnologica dell’edificio sede del processo stesso. Ne sono testimonianza i nomi commerciali dati a questo nuovo concetto dalle principali aziende multinazionali fornitrici di componenti e sistemi elettrici per stabilimenti industriali, come Industrial IT di ABB eTransparent Factory di Schneider.
I concetti di ERP – Enterprise Resource Planning – già acquisiti dalle Aziende (esempio SAP), legati al processo da soluzioni MES – Manufacturing Execution System, contengono nuove implicazioni con l’edificio ed i suoi impianti tecnologici (fonte ANIPLA).
L’obiettivo principale che sembra trasparire da questa convergenza in atto tra automazione di processo ed automazione di edificio è il miglioramento della logistica con conseguenti vantaggi in termini di:
• minori costi;
• miglioramento della produzione e della manutenzione (maintenance);
• miglioramento dei rapporti verso l’esterno (CRM – Customer Relationship Management).
In termini di edificio, si sta assistendo alla evoluzione dei sistemi verso il CIB (Computer Integrated Building – il cosiddetto edificio intelligente) dove le funzioni di building automation si integrano ed interfacciano con le soluzioni ICT – Information & Communication Technology.
Il passaggio fondamentale è lo sviluppo della logistica, che pare essere una delle evoluzioni principali delle Aziende e dei territori nel prossimo futuro.

Semplificazione della gestione e del comando
Avere informazioni circa i consumi e poter comandare in maniera ‘intelligente’ e con ausili automatici gli impianti tecnologici porta ad una loro gestione molto più semplice, razionale e con risparmi energetici e sui costi di gestione. E’ possibile monitorare costantemente gli assorbimenti ed i consumi per limitare la richiesta di potenza massima e per ottenere dall’Ente distributore o dal Consorzio di appartenenza le migliori condizioni contrattuali. Inoltre, nel caso di sistema di cogenerazione, il monitoraggio delle utenze diviene indispensabile, come pure la necessità di riportare ad un sistema di supervisione i parametri, stati ed allarmi del cogeneratore stesso.
Risulta più semplice controllare le procedure di ‘utilizzo’ dell’edificio in quanto diviene possibile delegare le diverse operazioni e verificare che i comandi siano stati correttamente eseguiti. Inoltre, l’automazione di alcune operazioni, garantisce che quanto deve essere eseguito venga fatto correttamente. E’ ad esempio il caso dell’interfacciamento tra il sistema di antintrusione e gli impianti elettrici, dove all’inserimento dell’impianto di antintrusione viene registrato l’operatore che attiva (l’autorizzato di zona), quindi si sa se è stato svolto il compito. A tale compito però si possono associare in maniera automatica anche ad esempio la chiusura delle serrande, la riduzione della temperatura e lo spegnimento delle luci. Il risultato è che con un’operazione ‘verificabile’ si è certi di avere eseguito la corretta ‘chiusura’ dello stabilimento.
La luce può essere suddivisa in diverse zone ed ogni zona può avere diverse accensioni. Questo significa che non si deve accendere la luce al livello massimo tutto il giorno, ma può essere gestita con ausili automatici. Ad esempio, si possono impostare automatismi che, in funzione del contributo della luce solare, spengano gruppi di lampade non necessari e per riaccenderli sia necessario un comando. Inoltre, i comandi di accensione possono essere abilitati solo se il contributo di luce artificiale richiesto sia necessario e sono possibili ‘scenari’ di accensione / spegnimento generali, associati a comandi su altri impianti, come temperatura, accessi motorizzati, ecc.
L’eventuale centralizzazione ad una stazione di supervisione con controllo su semplici mappe grafiche, consente un’ulteriore semplificazione e razionalizzazione della gestione in funzione delle direttive generali di stabilimento, evitando inoltre ‘il giro’ per la verifica che i comandi siano stati effettivamente eseguiti.

Incremento della sicurezza
Il terzo aspetto che viene evidenziato dalla presenza di un sistema di building automation e supervisione, oltre ai vantaggi sulla manutenzione / produzione e sulla gestione / comando, è l’aumento di efficacia dei sistemi di sicurezza installati. Infatti risulta evidente il beneficio che se ne può trarre con la centralizzazione ad una control room degli aspetti legati alla sicurezza delle persone ed ambientale (security & safety), come gestione delle telecamere TVCC, del controllo degli accessi (autorizzati, visitatori, zone riservate, ecc.), degli allarmi (incendio, gas, allagamento, ecc.), delle chiamate di soccorso, ecc.

Predisposizioni ed estensioni del sistema
Il sistema di automazione presenta il vantaggio della modularità, nel senso che può prevedere la sola parte di infrastruttura di base con il comando semplificato e con ausili automatici, su cui può essere aggiunta, anche in un secondo tempo, la stazione di supervisione Personal Computer per una gestione ulteriormente semplificata ed automatizzata anche per l’ausilio alla manutenzione.
Un altro vantaggio del sistema è la sua totale espandibilità verso la gestione di diversi aspetti degli impianti già controllati, come pure la possibilità di espansione verso altre tipologie di impianti tecnologici o altre zone dell’edificio. I protocolli associati ai bus di campo tipicamente scelti sono quanto si sta affermando come standard a livello mondiale, per cui anche sotto questo aspetto vi è la totale apertura verso evoluzioni e nuovi prodotti.
La stazione PC di supervisione può essere ridondata presso diversi locali presidiati dell’edificio. Si può infatti pensare che la gestione ai fini della manutenzione sia più indicata per il facility management mentre il comando sia più adatto a livello di reception.
Il sistema può essere inoltre predisposto per l’interfacciamento anche con le funzioni di gestione ed automazione del PROCESSO DI PRODUZIONE, in quanto si può riportare sullo stesso sistema di supervisione generale di stabilimento, anche il monitoraggio ed i report dei dati provenienti dal processo, circa la produzione e gli allarmi – preallarmi – anomalie, ecc.

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