Viene riportata una panoramica dei sistemi di Building Automation attualmente in commercio prendendo in esame quei sistemi prodotti da aziende leader nel settore delle apparecchiature elettrotecniche al servizio delle civili abitazioni.
3.1 – ABB i-bus EIB/KNX
[3] [S21]
Il sistema che viene analizzato è quello prodotto dalla ABB SACE S.p.A., basato sullo standard Konnex (KNX), ed esso risponde alle Norme EN 50090-4-1, EN 50090-4-2, EN 50090-5-2 e EN 50090-7-1. La sua denominazione commerciale è i-bus.
Nel suddetto sistema si distinguono i vari dispositivi raggruppati in “Linee”, a loro volta appartenenti ad una delle “Zone” o “Aree” che costituiscono il sistema completo. La linea che unisce tutte le apparecchiature è il Bus, costituito da un doppino, che viene utilizzato sia per la trasmissione dei segnali che per l’alimentazione dei dispositivi. La struttura di un generico sistema EIB/Konnex è riportata in Figura 3.1.
Figura 3.1 – Struttura di un generico sistema EIB/Konnex Dalla Figura 3.1 si evince che:
- ogni linea può raggruppare fino a 64 dispositivi - ogni area può raggruppare fino a 15 linee
- ogni sistema può comprendere fino a 15 aree distinte.
In ogni singolo sistema EIB/Konnex possono essere connessi oltre 14400 dispositivi diversi.
Le linee vengono collegate alle principali mediante gli accoppiatori di linea, denominati AL; inoltre più linee principali possono poi essere accoppiate fra loro usando una linea dorsale e gli accoppiatori di area, denominati AA. Si osserva che i singoli dispositivi possono essere connessi in qualunque punto del cavo bus, su qualunque livello di collegamento, cioè su qualsiasi tipo di linea.
I dispositivi vengono tutti collegati in parallelo, inoltre essi vengono identificati mediante con n°3 cifre che costituiscono l’indirizzo fisico mentre le funzioni
Se vengono rispettati gli standard di seguito elencati:
- lunghezza massima della singola linea non superiore a 1000 m (Figura 3.2) - numero massimo di dispositivi sulla singola linea non superiore a 64 (Figura 3.2)
Figura 3.2 – Lunghezza massima della singola linea e numero massimo di dispositivi sulla singola linea
- distanza massima fra 2 dispositivi non superiore a 700 m (Figura 3.3)
Figura 3.3 – Distanza massima fra 2 dispositivi
Figura 3.4 – Distanza massima di un dispositivo dall’alimentatore
- numero massimo di alimentatori per linea non superiore a 2 e posti ad almeno 200 metri l’uno dall’altro (Figura 3.5)
Figura 3.5 – Numero massimo di alimentatori per linea
si ha che ciascun tratto di linea, sia essa di tipo principale o dorsale, che definisce una sezione del sistema, può avere qualsiasi tipo di distribuzione, cioè lineare, a stella, ad albero o una loro qualsiasi combinazione; in questo modo il sistema risulta completamente decentralizzato.
Se il sistema risulta composto da 30 o più dispositivi collegati fra loro su di un cavo bus avente lunghezza inferiore o uguale a 10 metri occorre posizionare l’alimentatore nelle immediate vicinanze; inoltre poiché la trasmissione di segnali e comandi si effettua attraverso il bus di sistema, la linea di potenza a 230Vac per l’alimentazione delle utenze elettriche comandate, quali motori, lampade, condizionatori, deve essere portata esclusivamente a ridosso delle utenze stesse, senza coinvolgere nel cablaggio gli interruttori e gli altri apparecchi di controllo. In questo modo viene garantita una
sicura interfaccia tra uomo e sistema poiché sono alimentati solo dalla tensione a 24Vdc SELV presente sul bus.
I dispositivi accoppiatori gestiscono il traffico di informazioni (dati, segnali, comandi) tra ciascun componente ed il bus di trasmissione nonché le diverse zone e sezioni del sistema. Il modulo base di accoppiamento è l’unità BCU, che permette la connessione dei dispositivi applicativi. L’unità BCU è microcomputerizzata ed è costituita da (Figura 3.6):
- un microprocessore;
- una memoria ROM dove è memorizzato il software di sistema del dispositivo;
- una memoria EEPROM non volatile dove vengono memorizzati i parametri di configurazione del dispositivo;
- una memoria RAM dove viene memorizzato lo stato del dispositivo ed i dati correnti;
- una ricetrasmittente che viene utilizzata come trasformatore per la trasmissione bilanciata e per il disaccoppiamento dei segnali dell’alimentazione del bus.
Figura 3.6 – Schema dell’unità BCU
Gli accoppiatori d’area e gli accoppiatori di linea sono concettualmente uguali e le loro funzioni specifiche sono definite a livello di software. In particolare ciascun accoppiatore, che assicura anche una separazione galvanica delle linee, può essere parametrizzato per filtrare le informazioni che interessano la linea controllata: in pratica filtra i telegrammi in entrata ed in uscita fra le linee connesse, lasciando transitare verso l’esterno solamente i telegrammi non destinati a dispositivi interni alla linea o all’area interessata e, di contro, permettendo l’ingresso dei soli telegrammi destinati alla linea o all’area interessata. Tale funzionalità fa sì che ciascuna linea o area possa funzionare in modo autonomo rispetto ad altre sezioni dell’installazione, inoltre viene ridotto il traffico di dati che comporta un miglioramento dei tempi di risposta del sistema.
Lo scambio di informazioni tra i dispositivi avviene mediante telegrammi i quali trasmettono le informazioni necessarie codificate sotto forma di bit. La loro
trasmissione può essere bilanciata, asincrona ed in banda base. Il telegramma viene immesso sul sistema ogni volta che vi sia la necessità di trasmettere delle informazioni (azionamento di un interruttore, eccitazione di un sensore d’allarme, ecc.) ed esso è costituito da più campi, ognuno dei quali contiene una specifica informazione. I campi principali sono i seguenti:
- indirizzo sorgente, esso specifica quale è il dispositivo che sta inviando il telegramma;
- indirizzo destinazione, esso indica il dispositivo o i dispositivi a cui il telegramma è destinato;
- informazioni operative, esse contengono i comandi da eseguire oppure i dati o segnali da trasmettere.
Ad ogni dispositivo corrisponde un indirizzo fisico univoco in tutto il sistema, che identifica l’area (linea principale), la linea e il dispositivo stesso all’interno della linea; l’indirizzo sorgente, nel telegramma, è sempre un indirizzo fisico.
L’indirizzo destinazione contiene quasi sempre un indirizzo di gruppo. Esso è un indirizzo comune a due o più dispositivi intercorrelati da una medesima logica funzionale. L’indirizzo di gruppo realizza il cablaggio logico tra i diversi dispositivi. Tramite software è possibile modificare gli indirizzi di gruppo e quindi modificare le funzioni degli impianti, cambiando gli abbinamenti tra dispositivi di comando, come gli interruttori, e utenze comandate, come le lampade. Ciò permette di non modificare il cablaggio dell’impianto interessato. La struttura del telegramma è riportata in Figura 3.7.
Figura 3.7 – Struttura del telegramma
La struttura dell’informazione, la quale viene trasmessa a pacchetti di gruppi di 8 bit di dati, è riportata in Figura 3.8.
Figura 3.8 – Struttura dell’informazione
Ogni dispositivo in caso di rilevazione dell’errore nella ricezione di un telegramma invia al dispositivo mittente l’informazione di non corretta ricezione. Ciò causa la
ritrasmissione del telegramma fino ad un massimo di tre volte. Se il dispositivo mittente non riceve la conferma di corretta ricezione entro un determinato intervallo di tempo interpreta l’accaduto come “telegramma non ricevuto dal destinatario” e lo ritrasmette automaticamente. Se il destinatario non è in grado di ricevere immediatamente il telegramma, invia un messaggio di “occupato” in modo che il dispositivo mittente ritrasmetta le informazioni dopo un periodo di attesa.
In caso di rilevazioni di errore o altri messaggi urgenti il sistema assegna una priorità di trasmissione ai relativi telegrammi. I telegrammi contenenti informazioni di allarme hanno la priorità su tutti gli altri telegrammi operativi ed i dati ritrasmessi hanno una priorità maggiore rispetto ai dati normali. I livelli di priorità previsti sono quattro e sono i seguenti:
- Low Operational, per comandi normali; - High Operational, per comandi rapidi; - Alarm, per allarmi;
- System, per la gestione della rete.
3.2 – GEWISS Chorus – Easy EIB
[4] [S22]
Il sistema analizzato è quello realizzato dalla GEWISS S.p.A.. Il primo sistema immesso sul mercato è stato il Play Bus Domotica [5], basato sullo standard EIB, ma dopo la nascita dello standard Konnex (KNX) nel 2005 è stato presentato ed immesso sul mercato il sistema denominato Chorus Easy EIB rispondente alla Norma EN 50090. Data la sua recente produzione la gamma di dispositivi disponibili del sistema non è molto ampia, ma ciò è dovuto prevalentemente alla necessità di
Automation conforme alla Norma EN 50090 ha comportato il quasi totale annullamento del gap esistente tra tale sistema e quelli esistenti, limitando la produzione ai soli dispositivi di interfaccia utente come i touch-screen, i comandi, i sensori, alcuni attuatori, ecc.. L’unità principale del sistema è l’alimentatore che ha integrata la funzionalità di auto riconoscimento dei dispositivi; ciò in alternativa alla configurazione con il software ETS. Il sistema risulta limitato ad una sola linea bus al quale possono essere collegati al massimo n°63 dispositivi anche prodotti da altri costruttori ma compatibili con lo standard EIB/KNX, inoltre esso permette l’integrazione dell’impianto videocitofonico, antintrusione, termoregolazione ed il controllo da postazione remota tramite la rete internet. Le raccomandazioni di installazione inerenti le distanze massime risultano identiche a quelle descritte per il sistema di Building Automation del capitolo 3.1.
3.3 – VIMAR – By-Me KNX
[6] [S23]
Il sistema analizzato è quello realizzato dalla VIMAR S.p.A. la cui denominazione commerciale è By-Me. Esso è basato sullo standard Konnex (KNX) ma la sua architettura risulta implementata rispetto a quella dei sistemi precedentemente analizzati (Figura 3.9).
Figura 3.9 – Architettura massima del sistema By-Me
Il sistema di Building Automation By-Me risulta quindi strutturato nel seguente modo: - ogni linea può essere composta da un massimo di 128 dispositivi (comando,
segnalazione, attuazione);
- ogni linea necessita di un alimentatore (fino a 64 dispositivi) o due alimentatori (fino a 128 dispositivi) e la lunghezza massima del cavo BUS non deve superare i 1000 m;
- il numero massimo di linee che possono comunicare tra loro è pari a 240, suddivise in 15 aree più una linea dedicata al sistema antintrusione (linea 00). La centrale di controllo, se viene utilizzato anche il sistema antintrusione, deve essere installata nella linea 00; in caso contrario questa può essere installata in una linea qualsiasi tra le 240 disponibili. La centrale gestisce fino a 254 dispositivi su una qualsiasi delle 241 linee.
La configurazione del sistema prevede la creazione di gruppi di dispositivi che condividono una funzione quale, ad esempio, un attuatore a relé ed il relativo dispositivo di comando; i gruppi che possono essere configurati sono circa 480 suddivisi in 400 gruppi di automazione, 40 zone climatiche, ecc.
Il sistema antintrusione consente di realizzare un impianto d’allarme che comprende: - fino a 60 dispositivi che possono essere suddivisi in 30 zone distinte.
Il sistema inoltre, mediante l’utilizzo di apposite interfacce contatti ed interfacce a
radiofrequenza, permette di gestire allarmi tecnici (allagamento, fughe gas, ecc.) o di
integrare sensori utilizzanti come mezzo trasmissivo le onde radio.
La centrale di controllo è prodotta anche in un modello più economico, dove si ha che:
- il numero massimo di linee che possono comunicare tra di loro è pari a 48, suddivise in 3 aree più una linea dedicata al sistema antintrusione (linea 00) (Figura 3.10).
Figura 3.10 – Architettura minima del sistema By-Me
Il catalogo dei dispositivi, i quali sono tutti compatibili con lo standard KNX come previsto dalla Norma EN 50090, è molto ampio nonostante il sistema sia stato presentato e commercializzato da pochi anni.
L’impianto antintrusione, secondo quanto richiesto nella Norma CEI 79-2 “Impianti antieffrazione, antintrusione, antifurto e antiaggressione. Norme particolari per le apparecchiature”, deve garantire una autonomia di 24 ore in caso di mancanza rete; ciò comporta la necessità di verificare l’assorbimento dei dispositivi costituenti
Il collegamento dei dispositivi può avvenire senza alcun ordine particolare all’interno della linea stessa (Figura 3.11).
Figura 3.11 – Tipologie installative di una linea
Le precauzioni che devono essere rispettate per il corretto funzionamento sono le seguenti:
- la distanza massima tra un alimentatore e l’ultimo dispositivo non deve essere superiore a 350 m;
- la distanza massima tra due dispositivi non deve essere superiore a 700 m; - la distanza minima tra due alimentatori installati sulla stessa linea non deve
essere inferiore a 40 m;
- i dispositivi non devono essere installati su una linea chiusa ad anello.
3.4 – BTICINO – My Home SCS
[7] [S20]
Il sistema analizzato è quello che viene prodotto dalla BTICINO S.p.A. la cui denominazione commerciale è My Home.
Il sistema adotta uno standard proprietario denominato S.C.S. (Sistema a Cablaggio Semplificato) anche se recentemente è stato aperto rendendo pubblico il protocollo
Open Web Net [S24] ed esso risulta conforma alle Norme EN 50090-2-2 e EN
50090-2-3. Il sistema di Building Automation è stato sviluppato ed ampliato integrando i sottosistemi di seguito elencati:
- impianto di illuminazione e automazione; - impianto antintrusione;
- impianto videocitofonico e di videocontrollo; - impianto diffusione sonora;
- impianto di cablaggio strutturato; - impianto di gestione energia; - impianto di termoregolazione; - impianto di controllo remoto.
I singoli sottosistemi sono interconnessi tra di loro mediante opportune interfacce rendendo possibile l’interoperabilità dei dispositivi. Nel sistema di automazione i dispositivi vengono collegati mediante un doppino intrecciato (Figura 3.12), avente isolamento 300/500V, con una tipologia di installazione a stella, lineare o mista.
I dispositivi aventi la stessa configurazione dialogano tra di loro attraverso il bus dove transita l’informazione (Figura 3.13).
Figura 3.13 – Trasmissione dell’informazione nei dispositivi del sistema My Home La configurazione del sistema può essere fatta in due modalità:
- manuale, mediante l’ausilio di opportuni configuratori (Figura 3.14) i quali vengono inseriti nelle apposite sedi presenti nei dispositivi (Figura 3.15);
Figura 3.15 – Inserimento dei configuratori nei dispositivi del sistema My Home
- software, mediante opportuni software che provvedono alla configurazione delle unità di controllo (touch-screen, centrale antintrusione, centrale termoregolazione, ecc.).
La configurazione manuale ha la peculiarità di essere predominante rispetto a quella effettuata per mezzo del software.
Un sistema può gestire fino ad un massimo di 9 indirizzi di ambiente e ciascun ambiente può gestire fino ad un massimo di 9 indirizzi e quindi 9 attuatori. In totale un sistema può gestire fino ad un massimo di 81 indirizzi, cioè n°9 punti luce (identificativo numerico del singolo attuatore all’interno di un ambiente), denominati PL, per ognuno dei n°9 ambienti (insieme dei dispositivi appartenenti ad una zona logica, ad esempio una camera, una sala, ecc.), denominati A. A questi indirizzi si aggiungono eventuali appartenenze a uno o più gruppi (insieme dei dispositivi appartenenti anche ad ambienti diversi, ma che devono essere comandati contemporaneamente, ad esempio l’illuminazione della zona giorno, le tapparelle del lato Nord dell’abitazione, ecc.), denominati G. I comandi di tipo Punto-Punto
raggiungere gli attuatori presenti in tutto l’impianto solo se inviati da un dispositivo di comando trasversale opportunamente configurato e presente sul montante principale o su uno dei singoli impianti (massimo n°9) collegati. In questo caso risulta possibile indirizzare fino ad un massimo di n°810 dispositivi, cioè n°81 dispositivi per n°9 impianti a cui si aggiungono n°81 dispositivi sul montante principale. Nel caso in cui vi sia la necessità di effettuare il controllo e la gestione del sistema in modo centralizzato mediante un Web Server, o un touch-screen o una centrale gestione energia, i dispositivi suddetti devono essere installati necessariamente sul montante principale. Nel montante principale è possibile installare dispositivi di comando configurati per inviare comandi di gruppo o generali, rispettivamente, ad alcuni o tutti gli attuatori presenti nei singoli impianti e nello stesso montante principale. L’architettura del sistema di automazione è riportata in Figura 3.16.
Se il sistema di Building Automation da realizzare risulta caratterizzato da un numero di dispositivi tale da superare il limite di indirizzi sopradescritto si può risolvere il problema mediante l’utilizzo di un’opportuna interfaccia. Tale interfaccia configurata nella modalità “espansione logica” permette di collegare fino ad un massimo di n°9 impianti di automazione ad un bus comune. Occorre tener presente che nel dimensionamento dell’impianto si deve porre attenzione alle seguenti raccomandazioni:
- il montante principale deve necessariamente essere costituito da un impianto di automazione;
- nella modalità espansione logica risulta possibile collegare al montante principale fino ad un massimo di n°9 interfacce, quindi si possono gestire fino a n°10 impianti come se fossero uno solo;
- il numero massimo di dispositivi collegabili al bus dipende dall’assorbimento totale degli stessi e dalla distanza tra il punto di connessione e l’alimentatore; quest’ultimo infatti può erogare una corrente massima di 1200 mA.
Nel computo degli assorbimenti risulta necessario considerare anche la disponibilità di corrente in funzione della lunghezza del cavo secondo quanto di seguito indicato:
- la distanza massima tra l’alimentatore ed un dispositivo non deve essere superiore a 250 m;
- la lunghezza totale dei collegamenti non deve essere superiore a 500 m; - per ottenere un’ottimale ripartizione delle correnti l’alimentatore deve essere
preferibilmente installato in una posizione intermedia della linea bus.
da un proprio alimentatore e connesse tra loro mediante un’opportuna interfaccia configurata in modalità “espansione fisica”. Ma si osserva che non risulta possibile alimentare con un solo alimentatore un impianto costituito da uno o più bus collegati tra di loro con interfacce configurate in modalità “espansione fisica”, anche se il numero ed il tipo di dispositivi connessi non comporta il superamento dell’assorbimento massimo di corrente previsto di 1200 mA, inoltre sullo stesso bus non possono essere connesse due interfacce in parallelo mentre risulta possibile inserire fino ad un massimo di n°5 interfacce in serie, che suddividono l’impianto in n°5 tratte distinte. Un’altra raccomandazione da seguire è quella dell’installazione di un’apposita interfaccia, configurata in modalità “separazione galvanica”, per l’interconnessione di un impianto di automazione con un impianto videocitofonico in modo da permetterne la supervisione tramite il Web Server.
Il sistema funziona in modo corretto se vengono rispettate le seguenti indicazioni inerenti le distanze massime del cablaggio (Tabella 3.1) [8].
Distanza massima tra alimentatore e dispositivo più lontano
Lunghezza totale di cavo steso
Distanza massima tra posto esterno e posto interno più lontano
ILLUMINAZIONE 250 m 500 m
AUTOMAZIONE 250 m 500 m
DIFFUSIONE SONORA
300 m (200 m) tra sorgente sonora e amplificatore su barra DIN (da incasso)
800 m
ANTINTRUSIONE 175 m 350 m
VIDEOCONTROLLO 350 m (650 m) tra alimentatore e posto
interno (esterno) più lontano 3000 m 1000 m
GESTIONE
ENERGIA 150 m 300 m
VIDEOCITOFONIA 350 m (650 m) tra un alimentatore e
posto interno (esterno) più lontano 3000 m 1000 m
TELEFONIA INTEGRATA
550 m Si considerano i 350 m della videocitofonia + 200 m come distanza massima tra centralino e interno videocitofonico
3000 m + 200 m per ogni interno collegato al centralino
1200 m
TV E RETE DATI 91 m tra centralino centro stella e presa utilizzatore
90 m tra i punti di utenza ed il centro stella (Guida CEI 306-2)
WEB SERVER Non applicabile 150 m Non applicabile
Tabella 3.1 – Limiti installativi delle applicazioni My Home
3.5 – SIEMENS – Instabus EIB/KNX
[9] [S25]
Il sistema che viene analizzato è quello prodotto dalla SIEMENS S.p.A., basato sullo standard EIB/Konnex (KNX), ed esso risponde alle Norme EN 50090; la sua denominazione commerciale è Instabus.
dispositivi di costruttori diversi. In modo analogo a quanto descritto per gli altri sistemi di Building Automation basati sullo standard KNX tutti i dispositivi vengono installati su una stessa linea bus; la linea di potenza viene portata solo e direttamente alle utenze elettriche (Figura 3.17).
Figura 3.17 – Linea di Comando, Controllo e Segnalazione L’architettura del sistema risulta essere la seguente (Figura 3.18):
- la più piccola unità funzionante è la linea dove possono essere collegati fino ad un massimo di n°64 dispositivi;
- mediante gli accoppiatori di linea (AL) è possibile collegare fino ad un massimo di n°15 linee ed esse vanno a costituire un campo.
Figura 3.18 – Struttura della linea del sistema Instabus
Mediante l’utilizzo di dispositivi accoppiatori di campo (AC) risulta possibile collegare fino ad un numero massimo di 15 campi su di una linea dorsale, denominata linea di campo (Figura 3.19). La linea di campo viene utilizzata per collegarvi le interfacce eventualmente presenti verso altri impianti Instabus o altri sistemi di automazione dell’edificio. In tal modo il sistema permette il collegamento di 14400 dispositivi mantenendo chiara la sua logica Al momento della stesura di questo lavoro di tesi la capacità dichiarata dal costruttore nella massima configurazione possibile è di n°256 dispositivi per ogni linea, n°16 linee dalla 0 alla 15 e n°16 campi funzionali per un totale di n°65536 dispositivi, anche se tale limite
essere quella al servizio del grattacielo di n°80 piani della Commercial Bank di Francoforte dove sono stati installati circa 35000 dispositivi.
Figura 3.19 – Struttura del campo funzionale del sistema Instabus
Gli indirizzi fisici sono strutturati coerentemente con la disposizione topologica ed ogni dispositivo viene identificato univocamente mediante l’indicazione del numero di campo, di linea e di apparecchio. Per il coordinamento dei dispositivi secondo le funzioni operative gli indirizzi sono suddivisi in gruppi principali e sottogruppi. In fase di progettazione gli indirizzi di gruppo possono essere suddivisi in un numero