Teris Control 2.0: Industrial Internet of Things per il controllo di impianti fotovoltaici
Spazio Chirale Projects • 27 maggio, 2022
Il progetto Teris Control, appena completato da Chirale per il cliente Teris Energia, riassume in sé tutte le caratteristiche della Transizione 4.0, processo di innovazione digitale che sta interessando sempre più piccole e medie imprese del nostro territorio, anche in virtù delle numerose misure di sostegno finanziate sia dal PNRR che dalla programmazione ordinaria dei fondi europei.
Anche in questo caso, infatti, l’avvio del progetto è stato possibile grazie ad un contributo pubblico e in particolare al Bando relativo ai Voucher per l’Innovazione Digitale pubblicato dalla Camera di Commercio di Roma.
Gli elementi principali che caratterizzano Teris Control non potevano essere più attuali: energie rinnovabili, automazione digitale di processo, Industrial Internet of Things e Machine Learning, in pratica uno “use case” da manuale che merita di essere raccontato.
Ma procediamo con ordine e partiamo dalla descrizione del Cliente e della sua esigenza.
Teris Energia è un’azienda leader nel settore della consulenza, progettazione e installazione di impianti fotovoltaici, sia nel settore residenziale che nei settori agricolo e industriale.
Teris è in grado di valutare l’efficienza energetica di edifici e installazioni industriali e proporre soluzioni di miglioramento basate sull’impiego di pannelli fotovoltaici.
Da diversi anni, oltre alla progettazione e realizzazione di impianti di produzione energia, Teris offre ai propri clienti strumenti e servizi per il monitoraggio delle installazioni e il controllo del mantenimento dell’efficienza dell’impianto.
La piattaforma software che rende possibile questo servizio è denominata Teris Control e la prima versione è stata realizzata da alcuni anni utilizzando soluzioni tecnologiche che cominciavano a mostrare i propri limiti.
Il progetto affidato a Chirale ha permesso di realizzare una nuova versione del sistema Teris Control conforme ai paradigmi più recenti del settore Industrial Internet of Things (IIoT).
L’IIoT è l’evoluzione nell’ambito industriale del modello classico Internet of Things (IoT), solitamente utilizzato da applicazioni in ambito domestico o personale che coinvolgono dispositivi più o meno “smart” connessi ad Internet.
Nell’ambito industriale, i dispositivi connessi ad Internet sono sistemi di controllo di processi produttivi o di singoli impianti.
Nel caso specifico, i sistemi da controllare sono gli impianti fotovoltaici, costituiti dai pannelli, dalle batterie di accumulo dell’energia e dai numerosi apparati che controllano il processo e ne misurano l’efficienza.
Esempi di apparati utilizzati nell’ambito degli impianti fotovoltaici sono i controller di carica delle batterie, gli inverter che convertono la tensione continua in uscita dalle batterie nella tensione alternata di tipo domestico (Es, 220 Volt) o industriale (Es. 380 Volt Trifase) e i multimetri che permettono di misurare tensioni, correnti e potenze, disponibili ed erogate.
La maggior parte degli apparati di classe industriale sono in grado di comunicare con i sistemi elettronici di controllo attraverso il protocollo ModBus, solitamente implementato su collegamento seriale RS485.
Si tratta di un protocollo piuttosto datato, il cui primo standard risale al 1979, ma largamente diffuso e noto a tutti coloro che operano nei settori dell’automazione e della domotica.
Nelle applicazioni di controllo di tipo tradizionale, gli apparati vengono governati tramite sistemi a microcontrollore (PLC – Programmable Logic Control) oppure attraverso Personal Computer dedicati.
Con l’avvento di Internet, molti sistemi sono stati resi accessibili dalla rete e sono state sviluppate applicazioni di monitoraggio e controllo remoto.
La prima versione di Teris Control rientrava in questo tipo di architetture.
Il nuovo sistema progettato e realizzato da Chirale, al contrario, utilizza una architettura più flessibile e soprattutto più scalabile, basata su un modello IIoT.
I dati relativi ai parametri forniti dai diversi apparati sono letti periodicamente da appositi dispositivi di controllo basati su schede di sviluppo a microcontrollore, di classe industriale, modello Arduino PRO MKR WAN 1013, equipaggiate con interfaccia seriale RS485.
Attraverso il protocollo ModBus over RS485 i dati vengono acquisiti dagli apparati e indirizzati verso il sistema centrale di monitoraggio e controllo, raggiungibile attraverso un’apposita URL HTTP, conforme al paradigma REST API.
Il Sistema Centrale è un’applicazione Cloud Computing utilizzabile dal personale tecnico di Teris Energia e dai Clienti che hanno sottoscritto un apposito contratto.
Le caratteristiche distintive che rendono il sistema innovativo, flessibile e scalabile risiedono nell’architettura utilizzata per l’interconnessione ad Internet.
Per definizione, nelle applicazioni IIoT o IoT è necessario implementare il collegamento tra lo smart object o dispositivo e la rete Internet.
Le soluzioni immediate e apparentemente più ovvie che vengono subito in mente sono lo sfruttamento di una rete LAN cablata (Ethernet) o Wi-Fi che offra il routing verso Internet, se il dispositivo si trova all’interno di una abitazione domestica, un ufficio o una fabbrica, oppure l’utilizzo di connettività cellulare GPRS o LTE se il dispositivo si trova in spazi aperti non coperto da reti Wi-Fi.
Questo tipo di soluzioni, tuttavia, in casi come quello in esame, presentano numerosi svantaggi.
Innanzitutto si tratta di connessioni a larga banda, in grado cioè di trasmettere milioni di bit al secondo e pertanto solitamente costose e dispendiose in termini energetici.
Un sistema come Teris Control necessita al contrario di acquisire qualche centinaio di bit all’ora se non al giorno, per cui una banda Wi-Fi o anche solo GPRS sarebbe occupata per solo qualche milionesimo della sua capacità!
Inoltre, la configurazione del sistema risulterebbe dipendente dalla configurazione della rete domestica o aziendale del cliente, entità che solitamente non è sotto il controllo di Teris, specie dopo il completamento dei lavori di installazione dell’impianto.
Il problema dell’inutilità e costo della banda larga nell’ambito dei sistemi IoT è un fatto ben noto che ha portato negli ultimi anni allo sviluppo di protocolli denominati LPWAN, cioè Low Power Wide Area Network.
Si tratta di standard basati su connettività in radiofrequenza in grado di connettere con una banda molto limitata, ma con elevata qualità e affidabilità, centinaia di dispositivi remoti a pochi gateway a loro volta dotati di connessione a banda larga verso Internet.
Tra tutte le proposte presenti sul mercato, la nostra scelta è ricaduta sul protocollo LoRaWan, che sembra essere quello attualmente in fase di maggiore diffusione.
Tra i numerosi vantaggi che offre LoRaWan vi è quello di poter realizzare la propria infrastruttura di rete e installare i dispositivi gateway senza dover richiedere licenze o disporre di concessioni.
La banda di frequenza utilizzata in Europa dal protocollo radio LoRa, su cui si basa LoRaWan, è quella a 868 Mhz, che nel rispetto dei limiti previsti dalla legge è libera e utilizzabile da chiunque.
Nel progetto Teris Control, Chirale ha provveduto a progettare e realizzare una infrastruttura di rete privata che consente a Teris di estendere nel corso del tempo la copertura per le proprie esigenze di connettività dati, man mano che nuovi clienti vengono acquisiti e nuovi impianti realizzati.
I costi per la realizzazione e mantenimento della rete LoRaWan di Teris Control sono molto bassi e soprattutto hanno un modello perfettamente scalabile.
Le schede a microcontrollore Arduino MKR WAN 1013 dispongono nativamente di connettività LoRA.
Ultimo elemento distintivo del nuovo sistema è la raccolta e l’utilizzo dei dati di monitoraggio per addestrare una rete neurale in grado di riconoscere autonomamente situazioni di allarme o che necessitano di attenzione, implementando nel contempo un sistema di manutenzione predittiva.
Attualmente le tecnologie di machine learning sono utilizzate a livello di sistema centrale, poiché la fase di addestramento principale non è ancora completata.
Successivamente, le reti neurali preaddestrate saranno installate a bordo di dispositivi a microcontrollore più potenti, come ad esempio gli Arduino Portenta H7, in modo da implementare un paradigma di Edge Computing/Tiny Machine Learning.
