DATA DI NASCITA DEL PROGETTO

05/2018

TEAM DEL PROGETTO

Stefania/Sella/IoT Project Manager
Paolo/Mollo/Sensors and Embedded Systems Senior Expert
Claudio/Ferrero/Embedded Systems Senior Expert
Simone/Scarafia/LoRaWAN and Embedded Systems Senior Expert
Marco/Boeris/Embedded Systems Senior Expert
Ferdinando/Ricchiuti/Architectures and applications Senior Expert
Carola/Grossi/Applications Senior Expert
Matteo/Maglioli/Infrastructures and Services Senior Experts

PARTNER

IREN S.p.A – società multiservizi, operante in particolare nella produzione e distribuzione di energia elettrica, nel servizio idrico integrato e ambiente, nella distribuzione gas e nei servizi di teleriscaldamento (TLR), di cui è il maggior operatore italiano, ed in altri servizi di pubblica utilità.

BREVE DESCRIZIONE DEL PROGETTO

Monitoraggio ambientale delle camere valvole del teleriscaldamento. Queste camere, classificate spazi confinati, sono poste nel sottosuolo, accessibili attraverso chiusini e, in genere, risultano prive di alimentazione e di accesso alla rete dati.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DEL PROGETTO

L’esigenza
L’esigenza di IREN è stata quella di testare soluzioni per il monitoraggio, in continuo e automatico, delle condizioni ambientali all’interno delle camere delle valvole del teleriscaldamento. Queste camere, classificate come spazi confinati, sono poste tipicamente nel sottosuolo, accessibili attraverso chiusini e, in genere, risultano prive di alimentazione elettrica e di accesso alla rete dati.
Sono caratterizzate dall’essere in cemento armato e, ospitando il passaggio di tubazione del teleriscaldamento, presentano, in genere, queste condizioni ambientali: temperatura dell’aria compresa tra 30-40°C con max di 40-50°C; umidità relativa compresa tra 30-70% con max di 85% e condizioni di gocciolamento/condensa dal soffitto della camera valvole; ossigeno in percentuale non sufficiente a garantire in sicurezza la permanenza degli operatori nel locale durante le consuete opere di manutenzione; radon anche significativo nella camere valvole prive di tubi per la ventilazione; possibili condizioni di allagamento della camera valvole dovuti sia ad acqua piovana che accede dalla zona chiusino sia ad opera di perdite sulla tubazione del teleriscaldamento (quest’ultima comporta l’immediato allagamento di tutto il locale nel giro di pochi minuti), presenza di chiusini di forme/materiali/strutture differenti e nella maggior parte dei casi non incernierati.
Questi ambienti, non progettati per la presenza continuativa di persone, possono presentare insufficiente o difficoltosa aerazione/ventilazione naturale. Inoltre non tutti i siti possono avere un collegamento diretto alla rete elettrica o un accesso ad una rete dati. All’interno di queste camere, ospitanti tubi e valvole di raccordo dei condotti del teleriscaldamento, si possono avere temperature e valori di umidità relativa elevati (superiori a 40°C e 80% rispettivamente). Affinché il personale possa accedere in sicurezza, è pertanto necessario adottare una specifica procedura per portare le condizioni ambientali entro determinati limiti.

La soluzione
La risposta all’esigenza manifestata si è concretizzata, grazie alla collaborazione progettuale e tecnologica con CSP, nell’ideazione e realizzazione di una sensor board alimentata a batteria in grado di acquisire dati da sensori di temperatura, umidità, ossigeno, radon, allagamento, stato di apertura/chiusura tombini e di inoltrare i suddetti rilievi, mediante rete LoRaWAN, al Sistema di Acquisizione Centrale di IREN.
La soluzione, frutto della commistione di requisiti operativo-funzionali espressi dalle strutture di IREN che gestiscono le camere valvole con le potenzialità delle soluzioni tecnologiche declinate nel contesto sfidante di uno spazio confinato, è stata verificata in campo e ottimizzata sulla base dei dati raccolti in mesi di osservazione.
La soluzione sperimentale ha richiesto una progettazione ad hoc, vista l’assenza sul mercato di dispositivi alimentati a batteria rispondenti ai requisiti. I punti principali della progettazione e sviluppo della soluzione sono stati:
● l’individuazione di sensoristica attraverso una fase di scouting volta a selezionare i sensori adatti a lavorare in condizioni ambientali sfidanti;
● l’utilizzo del protocollo LoRaWAN per l’inoltro dei dati raccolti dai sensori, dei dati di telemetria relativi allo stato di carica delle batterie e della qualità del segnale LoRa disponibile al momento della trasmissione;
● l’adozione del processore STM32: microcontrollore Ultra Low Power programmabile per l’acquisizione personalizzabile di dati da sensore, l’attivazione di funzionalità su base interrupt, l’organizzazione personalizzabile del payload del pacchetto LoRaWAN al fine di ottimizzare l’uso del canale trasmissivo;
● l’adozione di involucri IP67 per preservare le funzionalità della componentistica elettronica adottata in ambienti con temperatura ed umidità elevate;
● l’utilizzo di soluzioni hardware modulari e l’impiego di connettori tali da impedire errati interventi di manutenzione ad opera di personale in campo senza l’impiego di alcuna strumentazione specifica di supporto;
● l’utilizzo di batterie ricaricabili a garanzia di una soluzione eco-sostenibile;
● la raccolta e il repository di dati dal campo all’interno di opportuno sistema di acquisizione centralizzato ove disporre di grafici di andamenti dei rilievi raccolti giornalmente e di dati puntuali raccolti in tempo reale;
● lo sviluppo di web app a disposizione degli operatori in campo per la visualizzazione in tempo reale dei parametri ambientali rilevabili dalla sensor board all’atto dell’apertura del chiusino.
Le camere valvole ospitanti la sensor board hanno richiesto test in campo approfonditi per consentire l’individuazione della soluzione tecnologica meglio rispondente alle necessità trasmissive. Si tratta infatti di ambienti altamente sfidanti e perfettamente riconducibili alla definizione di spazi confinati: ambienti presenti nel sottosuolo, in cemento armato, dalla struttura metallica assimilabile ad una gabbia di Faraday, accessibili solo attraverso piccole aperture richiuse da chiusini metallici. I test hanno individuato nel protocollo LoRa, la soluzione trasmissiva meglio rispondente alle necessità, vista la buona diffusione del segnale in ambiente urbano con elevata densità di unità abitative per km quadrato e con buone performance di penetrabilità anche nel sottosuolo.
Dovendo escludere la possibilità di modificare la zona del chiusino per la posa di piccole antenne a dipolo progettabili ad hoc per questioni di sicurezza (chiusini presenti nella maggior parte dei casi su corsie di marcia di vie cittadine, spesso soggetti a verifiche ambientali per segnalazioni di rumorosità al passaggio di veicoli), si è proceduto, laddove possibile, all’utilizzo dei pali di areazione per il passaggio del cavo, mentre la piccola antenna è stata fissata nella zona di sfiato del condotto.
La dimensione del payload del pacchetto LoRaWAN è stata studiata per garantire la trasmissibilità anche in condizioni di livello di segnale al limite della Sensitivity.
Al termine della fase di test di trasmissione dal campo, è stata avviata la fase ‘pilota’. Un’attività che ha declinato nell’ambiente reale delle camere valvole la soluzione progettata e realizzata in laboratorio. Questa fase è stata preceduta da sopralluoghi tecnico-valutativi realizzati da personale formato all’accesso in spazi confinati, presso ciascuna delle 3 camere valvole oggetto della sperimentazione, rappresentative di 3 differenti tipologie di camere valvole.
La messa in campo della soluzione ha seguito le linee guida degli operatori delle strutture di IREN che gestiscono e manutengono la rete di teleriscaldamento e, nello specifico, le camere valvole. L’installazione è stata fatta dalla ditta che normalmente opera per IREN in tali spazi e supervisionata nonché collaudata da personale CSP, formato per attività in spazi confinati. CSP, nello specifico che ha guidato passo passo le fasi installative, dalla posa dei sensori alla verifica della connettività e alla corretta trasmissione del dato nelle differenti condizioni operative.

I risultati
I risultati raggiunti nei mesi di osservazione delle sensor board installate presso i piloti sono i seguenti:
● la sensor board, nel caso di rilievo del Radon, rappresenta una soluzione che attualmente non trova strumentazione di mercato per confronti. Le soluzioni per i rilievi di Radon sono in genere rappresentate da strumentazione che, pur garantendo la certificazione della misura (la sensor board effettua rilievi non certificati della grandezza), non è in grado di trasmettere la misura stessa in tempo reale. Le campagne di misura vengono effettuate registrando i dati in locale ed obbligando lo specialista a recarsi sul luogo della misura per recuperare il dato, insieme allo strumento di misura. La sensor board oggetto di questa sperimentazione applicata può rappresentare una nuova soluzione per campagne di pre-verifica e/o di lunga osservazione adottabili da operatori del settore per individuare situazioni anomale a prezzi più contenuti;
● i sensori in campo, pur rispondendo da datasheet ai requisiti tecnico ambientali hanno evidenziato limiti di utilizzabilità una volta installati in campo (es. la presenza di chiusini senza punti di vincolo e dalla struttura metallica molto differente, comporta fasi di apertura/chiusura ad opera dei tecnici della manutenzione meno prevedibili da un punto di vista operativo e questo può sollecitare in modo anomalo alcune parti di cui è costituito il fine corsa adottato). Il progetto della sensor board è dunque frutto anche dell’esperienza acquisita sul campo;
● la sensor board, alimentata elettricamente, è stata ingegnerizzata al fine di garantirne il funzionamento anche in condizioni di interruzione dell’erogazione dell’energia elettrica (progettazione e realizzazione del circuito con batteria tampone e invio di specifico messaggio di allarme al fine di avvisare gli operatori del Sistema di Acquisizione Centrale di IREN dell’avvenuta sospensione dell’energia elettrica). Le camere valvole con la presenza di alimentazione elettrica sono, in genere, dotate di pompe che si attivano in caso di allagamento. L’invio tempestivo del messaggio di allarme permette un’ottimizzazione dei tempi di intervento e di ripristino del servizio ad opera delle squadre operative in campo con riduzione della probabilità di insorgenza di problematiche.
La soluzione così realizzata è in fase di valutazione per l’estensione su altre camere valvole. Può inoltre essere impiegata in svariati altri contesti in cui sia necessario il monitoraggio in continuo di grandezze ambientali e di campo anche in siti privi di elettricità e di connettività.

ELEMENTI DI INNOVAZIONE

Connettività LoRaWAN in spazi sotterranei: la tecnologia LoRaWAN ha dimostrato, sul campo, di acquisire i dati da sensori posti in locali sotterranei, sotto il livello stradale (tombini, cantine).
Monitoraggio Radon in continuo: la sensor board può rappresentare una nuova soluzione per campagne di pre-verifica e/o di lunga osservazione adottabili da operatori del settore per individuare situazioni anomale a prezzi più contenuti.
Ottimizzazione energetica: il cuore della sensor board è un micro controllore ultra low power ed il firmware sviluppato è frutto della commistione tra requisiti di warm-up e campionamenti per rilievi consistenti e politiche di power management ottimizzate.

CUSTOMER NEEDS

Verifica da remoto delle condizioni ambientali della camera valvole: la soluzione consente di acquisire dati in ambienti che richiede interventi in campo da parte di operatori per conoscerne le condizioni, con conseguente dispiegamento di risorse e tempi tecnici di intervento spesso incompatibili con le attività di manutenzione.
La soluzione rappresenta un modello di sensor board, costituito da un corpo centrale cui si interconnettono vari dispositivi periferici mediante differenti interfacce di comunicazione (ad es., seriale, I2C e digitale), che, opportunamente customizzato consente l’impiego in vari altri stadi degli impianti del Cliente (ad es., impianti elettrico/gas/acqua/rifiuti/tlr)..

BUSINESS MODEL

La sensor board permette di raccogliere e visualizzare dati da varie tipologie di sensore per svariati campi di utilizzo: monitoraggio di impianti industriali ma anche per monitoraggio di spazi dalle condizioni ambientali sfidanti e spesso non adatti alla permanenza prolungata degli addetti al lavoro.
I dati raccolti dalle sensor board consentono la modellazione di impianti di notevoli dimensioni con ricadute positive anche in termini di manutenzione preventiva e predittiva. Trattandosi di dati di monitoraggio ambientale è importante ricordare il valore aggiunto degli stessi quando condivisi in contesti smart city/smart village/smart land.

SCALABILITY & REPLICABILITY

La soluzione è stata progettata secondo principi che la rendono scalabile e replicabile:
• la frequenza di invio dei pacchetti di monitoraggio è impostabile dal Cliente, rendendo così adattabile la soluzione alle condizioni della rete LoRa
• tutti i sensori sono prodotti di mercato e sono esterni rispetto al corpo centrale di monitoraggio, unico cuore elettronico che si occupa di acquisire i rilievi dei sensori, di organizzarli all’interno del pacchetto dati e di inviarli interfacciandosi al transceiver LoRa. Questa impostazione consente anche di adeguare la soluzione alle evoluzioni/aggiornamenti di mercato
• il corpo centrale è dotato di un numero di interfacce digitali e analogiche superiori a quelle in uso al fine di consentire l’eventuale integrazione di altre tipologie di sensore con contenute modifiche firmware.

SVILUPPO SOSTENIBILE

La sensor board:
• permette di ottimizzare le attività di verifica/manutenzione: grazie ai dati acquisiti e visionabili da remoto è possibile ridurre al minimo necessario gli interventi in campo dei manutentori (contenimento degli spostamenti e riduzione del traffico);
• l’analisi del radon prevede campagne di misura di pochi giorni, uso di strumentazione costosa che memorizza in locale le acquisizioni la cui analisi è fatta a posteriori da parte di un operatore di settore. La sensor board sviluppata ha costo più contenuto, permette acquisizioni di lunga durata, su tutte le camere e permette l’analisi dei dati da remoto, con riduzione dei tempi di esposizione al radon degli operatori.