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:
ANALISI DELL
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IMPATTO NELLA RIQUALIFICAZIONE ENERGETICA DI UN
EDIFICIO NON RESIDENZIALE ATTRAVERSO SIMULAZIONI DINAMICHE
R
ELATORIProf. Fabio Fantozzi
Ing. Giacomo Salvadori
Prof. Emanuele Crisostomi
Ing. Giancarlo Meleleo
A.A.
2018-2019
C
ANDIDATOSommario
PREFAZIONE 1
1. HOME AUTOMATION E BUILDING AUTOMATION 3
1.1 Definizioni, terminologia e descrizione 3
1.2 Benefici e campi di applicazione 5
1.3 Analogie e differenze tra home e building automation 7
1.4 Componenti 9 1.4.1 Hardware 9 1.4.1.1 Comandi e sensori 10 1.4.1.2 Mezzi trasmissivi 10 1.4.1.3 Attuatori 12 1.4.2 Software 13
1.5 Struttura gerarchica e topologie 14
1.5.1 Trasmissione nelle reti bus 17
1.6 Protocolli di comunicazione nei sistemi di automazione degli edifici 19
1.6.1 Livelli di Building Automation System (BAS) 19
1.6.2 La necessità di uno standard: il modello OSI 21
1.6.3 Sistemi di automazione basati su protocollo KNX 25
1.6.3.1 Cosa è Konnex 25
1.6.3.2 Architettura del sistema e tecnologie usate 27
1.6.3.3 Certificazione KNX 32
1.7 Progettazione 32
1.8 Quadro normativo 35
2. AUTOMAZIONE ED EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 37
2.1 Contesto energetico europeo ed obiettivi 37
2.1.2 Quadro normativo europeo e italiano 39
2.1.3 La direttiva 2018/844 45
2.1.3.1 Lo Smart Readiness Indicator 46
2.1.3 Il ruolo della Building Automation 48
2.2 La norma UNI EN15232 51
2.2.1 Contenuti e scopi della norma 51
2.2.2 Classificazione dei sistemi BACS 54
2.2.4 Metodi di calcolo 63
2.2.4.1 Metodo dettagliato 65
2.2.4.2 Metodo dei fattori BACS 68
2.2.4.3 Domanda energetica degli impianti tecnici 71
2.2.4.4 Metodi di calcolo dei fattori BACS 74
3. CASO STUDIO 76 3.1 Descrizione 76 3.1.1 Inquadramento territoriale 76 3.1.2 Inquadramento storico 77 3.1.3 Caratteristiche costruttive 78 3.2 Interventi di riqualificazione 81 3.2.1 Symphony di Nextworks 81
3.2.1.1 Controllo del sistema HVAC 84
3.3 Sistema di riscaldamento 85 4. MODELLAZIONE 88 4.1 Software e strumenti 88 4.2 Sistema di riscaldamento 90 4.2.1 Vettori bus 92 4.2.1.1 Thermo-Hydraulic Bus 92
4.2.1.2 Weather Data Bus 93
4.2.1.3 Fuel Vector 94 4.2.2 Generatori di calore 96 4.2.2.1 Pompa di calore 96 4.2.2.2 Caldaia a condensazione 102 4.2.3 Termo-accumulo 108 4.2.3.1 Sistema di distribuzione 113 4.2.4 Edificio 116
4.2.4.1 Parametri termo-fisici delle strutture costituenti l’involucro opaco 125
4.2.5 Intervallo temporale di simulazione 129
4.3 Parametri valutati 130
4.3.1 Energia primaria consumata dai generatori 132
4.3.2 Emissioni di CO2 136
4.3.3 Temperature e tempi di funzionamento 137
4.4 Sistemi di automazione 139
4.4.1 Sistema BACS 1: Classe D 139
4.4.2 Sistema BACS 2: Implementazione parziale SE9C, SE11C 145
4.4.4 Sistema BACS 4: Classe B 154
4.5 Modelli Simulink complessivi 159
4.5.1 Sistema BACS 1 160
4.5.2 Sistema BACS 2 161
4.5.3 Sistema BACS 3 162
4.5.4 Sistema BACS 4 163
5. RISULTATI 164
5.1 Sistema BACS 1: Classe D 164
5.2 Sistema BACS 2: Implementazione parziale SE9C, SE11C 171
5.3 Sistema BACS 3: Classe C 178
5.3 Sistema BACS 4: Classe B 184
5.3 Comparazione tra i Sistemi BACS 191
6. CONCLUSIONI 199
1
P
REFAZIONE
Il tema del miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici occupa una posizione di rilievo all’interno del quadro di sviluppo economico europeo. Il settore edilizio è riconosciuto, infatti, come strategico per la riduzione dei consumi di energia primaria e la riduzione delle emissioni di gas serra: gli edifici sono responsabili di oltre il 40% dei consumi di energia primaria della Comunità Europea e del 36% delle emissioni di CO2 dell’intero territorio
europeo1.
In questo contesto si inseriscono le Direttive Europee denominate EPBD (Energy Performance of Buildings Directive), la cui ultima revisione è rappresentata dalla Direttiva Europea 2018/844 del 30 maggio 2018, pubblicata il 19 giugno nella Gazzetta Ufficiale dell’Unione Europea. Lo scopo primario della Direttiva Europea è quello di integrare in un quadro comune le strategie di riqualificazione degli immobili e di progettazione dei nuovi edifici, incoraggiando l’uso delle tecnologie informatiche per migliorarne i livelli di efficienza, comfort e flessibilità, al fine di ottenere un settore edilizio idealmente de-carbonizzato ed un parco di edifici a energia quasi zero entro il 2050.
Appare, dunque, evidente l’importanza attribuita alle funzioni di controllo e monitoraggio delle risorse energetiche di un edificio, fornite dall’automazione e dall’applicazione al settore edilizio delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT), ormai adeguatamente sviluppate e mature.
Infatti, la Direttiva non solo promuove gli edifici intelligenti, ma prescrive l’installazione di sistemi di automazione e controllo (Building & Automation Control System - BACS) sia negli edifici di nuova costruzione, sia nella riqualificazione dell’esistente, al fine di migliorare l’efficienza e la sicurezza dei sistemi tecnici.
Contestualmente all’emanazione delle Direttive Europee EPBD, il Comitato Europeo di Normazione (CEN) è stato incaricato di elaborare delle norme di calcolo per valutare l’impatto di sistemi di automazione sulle prestazioni energetiche degli edifici. Nasce così, nel luglio 2007, la norma EN 15232 “Prestazione energetica degli edifici – Incidenza dell’automazione, della regolazione e della gestione tecnica degli edifici”, che definisce un metodo per definire i requisiti minimi ed ogni altra specifica riguardante le funzioni di controllo, automazione e gestione tecnica degli edifici che contribuiscono all’efficienza energetica.
La normativa (aggiornata, nell’ottobre 2017, alla versione UNI EN 15232:2017) è stata recepita a livello nazionale dal D.L.63/2013 e trova piena attuazione con il DM 26/06/2015, con il quale
2 viene introdotta l’obbligatorietà di sistemi di automazione e controllo avanzati all’interno di edifici del settore terziario, sia pubblici che privati.
La norma EN 15232, che è stata completamente tradotta in italiano e pubblicata come Guida CEI 205-18 “Guida per l’utilizzo della EN 15232 – Classificazione dei sistemi di automazione degli impianti tecnici negli edifici, identificazione degli schemi funzionali, stima dei contributi di detti sistemi alla riduzione dei consumi energetici”, definisce quattro diverse classi “BACS” di efficienza energetica per classificare i sistemi di automazione degli edifici, in ambito residenziale e non residenziale.
L’obiettivo della presente tesi è quello di quantificare, mediante delle simulazioni dinamiche, l’incidenza di differenti sistemi di building automation sulle prestazioni energetiche di un edificio storico non residenziale, posto nel centro storico della città di Pisa ed oggetto di una riqualificazione energetica che prevede l’installazione di un sistema di automazione.
Le simulazioni dinamiche verranno effettuate con il software Simulink, strumento parte di MATLAB®, mediante il quale verrà modellato l’impianto di riscaldamento a servizio dell’edificio ed il relativo sistema di automazione e controllo, in accordo con la normativa vigente.
I sistemi oggetto delle comparazioni si differenzieranno soltanto per le differenti logiche di automazione e controllo: in questo modo è possibile quantificare il consumo energetico, le emissioni di CO2 e le prestazioni ottenute dal medesimo impianto di riscaldamento, per
3
1. H
OME AUTOMATION E BUILDING AUTOMATION
1.1 Definizioni, terminologia e descrizione
La domotica, o home automation, è l’applicazione delle Tecnologie dell'Informazione e della Comunicazione, o ICT (Information and Communications Technology), all’abitazione domestica al fine di migliorare la qualità della vita delle persone che la abitano.
Il termine “domotica” deriva dal neologismo francese domotique, a sua volta contrazione della parola greca domos (casa, costruzione) e di automatique (automatica; per altri “informatique”, informatica): quindi, letteralmente, “casa automatica”.2
Si intuisce come la domotica sia caratterizzata da una forte interdisciplinarità, abbracciando e coinvolgendo diverse tecniche, figure professionali e discipline: ingegneria edile, architettura, ingegneria energetica, automazione, elettrotecnica, elettronica, telecomunicazioni, informatica e design.
La domotica, o smart home (altro suo sinonimo) è, dunque, un sistema digitale integrato di gestione degli impianti in ambito domestico (elettrico, climatizzazione, automazioni, sicurezza, videosorveglianza ecc.) le cui caratteristiche distintive possono essere riassunte in: controllo, integrazione, digitalizzazione.
Controllo vuol dire che l’impianto domotico deve essere inteso come un’ulteriore impianto da installare nelle abitazioni, in grado di gestire e controllare tutti gli altri impianti, i quali continuano ad esistere in quanto tali e con le loro peculiarità, ma possono essere governati da un unico punto di supervisione e programmazione. Per fare ciò è necessario che il sistema domotico sia dotato di un’elevata affidabilità, superiore a quella di un semplice impianto autonomo, e garantire continuità di funzionamento nel tempo. Per facilitare il controllo all’utente finale il sistema deve essere semplice e sfruttare, in luogo degli innumerevoli dispositivi che controllano ogni utenza, interfacce “user friendly” mobili o fisse che siano. Altra caratteristica essenziale di un impianto di domotica è l’integrazione tra i sottosistemi che esso controlla, i quali devono essere in grado di scambiarsi informazioni ed interagire tra di loro in base a logiche comuni. Una delle conseguenza dell’integrazione tra le varie componenti è la possibilità di creare “scenari utente”, ovvero una sequenza di comandi che coinvolge, integrandoli, più impianti domestici: ad esempio, disinserendo l’allarme, l’antifurto è in grado di comunicare al sottosistema luci di accendere i faretti dell’ingresso, al sottosistema clima di
4 portare la temperatura al livello comfort, al sottosistema automazioni di alzare le tapparelle e al sottosistema audio di far partire della musica in sottofondo. Nella casa moderna coesistono molteplici impianti (antintrusione, Hi-Fi, riscaldamento, condizionamento, allarme, controllo degli accessi, rete dati e di collegamento ad Internet, tv satellitare ecc.), tradizionalmente indipendenti tra di loro, che hanno diverse centraline, diversi tipi di comandi e lavorano con diversi standard, con una ridondanza e complicazione che si traduce in costi maggiori di gestione, maggiore probabilità di disservizi e minore comfort. La domotica, integrandoli tutti, permette di gestirli in maniera univoca e semplice attraverso un’unica centrale di supervisione (logica “centralizzata”) o attraverso un’intelligenza “distribuita” (impianti controllabili in maniera indifferente da più punti); si ottiene così una semplificazione sostanziale che garantisce minori costi di gestione, massimizzando flessibilità e comfort. Sottolinea l’importanza dell’integrazione l’affermazione di una figura professionale specializzata distinta dagli impiantisti tradizionali: il system integrator.
La digitalizzazione è l’ultimo aspetto che permette di distinguere cosa è domotica da cosa non lo è: l’impianto domotico, infatti, è digitale, ovvero le informazioni tra i componenti devono essere trasmesse sotto forma di bit.
L'utilizzo della domotica, oltre all’ambito residenziale, può essere esteso anche al terziario; si parla in questo caso di building automation o "automazione degli edifici".
Per building automation si intende il controllo automatico del riscaldamento, della ventilazione e dell'aria condizionata (HVAC: heating, ventilation and air conditioning), dell'illuminazione, della sicurezza e di altri sistemi di un edificio attraverso un unico sistema di gestione degli edifici (BMS: building management system) o sistema di automazione degli edifici (BAS: building automation system), al fine ottenere un elevato comfort degli occupanti, una migliore efficienza, una riduzione dei consumi energetici e dei costi di gestione.
L’installazione di un sistema di regolazione e supervisione (BMS) risulta essenziale nella gestione delle risorse energetiche negli edifici non residenziali, come alberghi, uffici, scuole, università, edifici polifunzionali, in cui i dati in entrata e in uscita sono maggiori rispetto ad un appartamento.
Il sistema di regolazione permette, tramite la programmazione, la parzializzazione e la modulazione del funzionamento degli impianti, di ottimizzarne il funzionamento e la manutenzione mediante la registrazione dei periodi di funzionamento delle apparecchiature, di visualizzare i dati storici e l'impiego di allarmi automatici. Infatti, l'interfaccia del sistema di controllo può essere usata come database di informazioni per la manutenzione dell'edificio, in essa sono archiviate sotto forma di documenti elettronici le guide di conduzione e
5 manutenzione e le prestazioni di esercizio dei vari componenti come, per esempio, le curve di funzionamento delle pompe.
Rispetto ad una singola unità abitativa, negli edifici non residenziali hanno una maggiore incidenza, in termini di efficienza e risparmio, la gestione intelligente dell’illuminazione, la termoregolazione, il controllo degli accessi, la rilevazione d’incendi ecc. In tal modo, è possibile sapere quando un'area è occupata e quante persone sono in una stanza, permettendo di regolare l’aria condizionata, oppure è possibile sapere quando illuminare un ambiente, attraverso sensori di movimento, oppure impostare lo spegnimento dell'aria condizionata quando una finestra si apre.
1.2 Benefici e campi di applicazione
I vantaggi derivanti dall’applicazione di sistemi di Home e Building automation sono molteplici e possono essere sintetizzati come di seguito.
Incremento del comfort all’interno degli spazi antropizzati. Le tecnologie utilizzate permettono di gestire e controllare i parametri che incidono sensibilmente sulla qualità di vita dell’uomo, adattandoli alle abitudini degli utenti.
Maggiore sicurezza su più livelli. È possibile gestire gli accessi di una abitazione e attuare misure preventive e consequenziali in caso di tentativi di intrusione, furto o aggressione (Security); così come è possibile migliorare la capacità della casa di rispondere in maniera attiva alle emergenze, in caso di incendio, fughe di gas, allagamenti ecc. (Safety). Da non sottovalutare è, inoltre, la sicurezza dell’impianto elettrico in termini di riduzione del rischio di folgorazione e di corti circuiti in quanto, rispetto agli impianti tradizionali, un sistema domotico opera a basse tensioni.
Risparmio energetico. Consente di risparmiare notevolmente sui costi di gestione degli impianti e ridurre sprechi nei consumi di corrente elettrica ed energia per il riscaldamento attraverso il controllo totale dell’energia presente in un edificio.
Prolungamento dell’autonomia di utenze deboli. Innumerevoli soluzioni permettono di venire in contro alle esigenze di anziani e disabili al fine di incrementare la loro indipendenza, integrando sistemi di telesoccorso, sistemi ed arredi agevolativi, sensoristica per interventi di safety e security, intefacce utente specifiche, strumenti per la comunicazione facilitata ecc.
Home enterteinment. La domotica garantisce il facile accesso a contenuti di intrattenimento audio, audio-video, video-ludici, multimediali, attraverso la loro integrazione nell’impianto domestico.
6 Controllo remoto. Con un sistema domotico è possibile estendere il controllo dell’abitazione e di tutte le sue variabili di funzionamento anche al di fuori di essa, con conseguente risparmio di tempo e di semplicità di gestione delle attività quotidiane. Semplicità e versatilità. La semplicità nel cablaggio dell’impianto si traduce in una
riduzione di fili all’interno della casa e in una maggior cura del design dei componenti terminali. L’impianto domotico, inoltre, è molto più versatile di un impianto tradizionale in termini di espandibilità e facilità nel variare la propria configurazione.
Home automation e Building automation possono applicarsi a tutte le attività che si svolgono in una unità abitativa. Vengono qui riportati i campi di applicazione e le principali funzioni di un sistema domotico:
Gestione luci: possibilità di gestire l’illuminazione attraverso pochi semplici pulsanti; di modificare il funzionamento di un pulsante senza interventi di cablaggio o opere murarie, in qualsiasi momento, intervenendo solo sulla programmazione; di scegliere tra postazioni di comando di elevato valore estetico svincolandosi dal design delle serie civili tradizionali; di collegare le accensioni a specifiche condizioni rilevate dai sensori dall'impianto.
Controllo e monitoraggio del clima: il controllo si applica a qualsiasi tipo di impianto di riscaldamento e raffrescamento (termoarredi, pavimento, fan coil, splitter con pompa di calore, espansione diretta). Il monitoraggio del sistema HVAC permette di misurare l'efficienza di un impianto e di individuare errori e malfunzionamenti in esercizio. La gestione del clima può essere arricchita dal controllo della qualità dell'aria con sensori di CO2 e VOC (Volatile Organic Compounds) che attivano funzioni di ricircolo.
Gestione automazioni: è possibile controllare la movimentazione di tapparelle, lucernari, veneziane, tendaggi, cancelli, irrigazione. La gestione dell'automazione delle tapparelle, o meglio delle lamelle, in funzione dell’incidenza dei raggi solari porta, in combinazione con la gestione della climatizzazione, un notevole risparmio energetico. Mediante un sensore meteo si possono programmare funzioni evolute come la chiusura dei lucernari in caso di pioggia, la chiusura delle tapparelle in caso di vento eccessivo, il blocco dell’irrigazione giardino in caso di pioggia, la chiusura automatica delle tende in caso di irraggiamento solare diretto.
Antintrusione e sistemi di sicurezza: l’impianto gestisce la sicurezza dell'edificio sia il livello attivo che passivo. La centralina antifurto rileva chi e quando è entrato in casa, se ci sono meno persone in una stanza o quali finestre sono aperte. Il controllo degli accessi può essere implementato attraverso l'installazione di sistemi biometrici quali il riconoscimento del volto, lettura della mano, controllo vocale, scansione dell'iride,
7 lettura dell'impronta digitale (security). L'inserimento e il disinserimento dell'antifurto può essere comandato a distanza, via internet, dalla stessa schermata utilizzata per controllare le luci o il clima. È possibile migliorare la prontezza di risposta dell'edificio nei confronti di guasti tecnici come fughe di gas, allagamento, rischio incendio, attraverso sistemi di rilevazione, sensori ed eventuali stazioni riceventi con attuatori ed elettrovalvole necessarie per chiudere la mandata del gas o dell'acqua in caso di allarme (safety). Alla sicurezza attiva e passiva contribuiscono anche i sistemi di videocitofonia e videosorveglianza.
Controllo dei carichi elettrici: è possibile gestire la massima potenza impiegata scollegando automaticamente in caso di sovraccarico tramite gli attuatori, gli elettrodomestici meno importanti per evitare il blackout.
Le funzioni e i campi di applicazione sono, dunque, numerosi ed in grado di rispondere alle esigenze di diverse tipologie costruttive a seconda della destinazione d’uso. Sicurezza e protezione saranno, ad esempio, essenziali in un’azienda, per monitorare gli accessi alle diverse aree e identificare il personale ed i mezzi in transito e gestire la loro presenza in una struttura, riducendo i rischi di collisione uomo-macchina. La gestione dell’illuminazione e del condizionamento sarà importante in ambienti destinati ad uffici, al fine di ridurre gli sprechi e garantire condizioni di lavoro ottimali in funzione delle condizioni climatiche esterne o del numero di persone presenti nell’ambiente interno. Negli alberghi, in cui è necessario un controllo completo di ogni punto della struttura, la building automation è essenziale per il raggiungimento di elevati standard qualitativi dei servizi, per garantire la totale sicurezza in tutte le aree della struttura e risparmiare sui consumi. La building automation risponde in maniera efficiente alla necessità delle strutture sanitarie, consentendo una migliore gestione delle chiamate dei degenti e delle comunicazioni interne tra il personale e riducendo i tempi di risposta, così come in strutture così grandi risulta importante gestire tutte le funzioni base come il controllo degli accessi, dei parametri ambientali, della climatizzazione.
1.3 Analogie e differenze tra home e building automation
Home automation e building automation, pur lavorando con logiche comuni presentano delle differenze applicative. La principale differenza è la distanza d’azione, ovvero la dimensione dell’applicazione, da una parte un intero edificio con tutta la sua complessità (building), e dall’altra un appartamento (home). La composizione interna degli spazi in un ufficio, ad esempio, tende a cambiare e ad evolversi con grande rapidità mentre nelle abitazioni è molto statica. È differente, inoltre, la finalità di chi decide di utilizzare un sistema di automazione:
8 un’azienda con un’organizzazione più o meno complessa nel caso della building automation o una famiglia nel caso della home automation, ed in base all’utenza cambiano le esigenze. Nelle attività produttive l’efficienza è motivazione principale, contrapposta alla ricerca di una maggiore qualità della vita nelle abitazioni. In un ambiente lavorativo, l’età può essere relativamente omogenea, gli orari in cui è utilizzato l’ambiente sono costanti nel tempo, a differenza di una civile abitazione nella quale vivono persone di età molto variabile, con attività molto diversificate e tempi differenziati. La building automation può essere un sistema complesso che fa riferimento ad un supervisore specializzato, mentre in casa la semplicità è obbligatoria perché il sistema deve essere utilizzato da tutti. Inoltre, la building automation ha generalmente un miglior rapporto costo/benefici. Le analogie e le differenze tra home e building automation possono essere schematizzate come di seguito.
HOME AUTOMATION BUILDING AUTOMATION
DECISORE abitante azienda
UTENTE abitante lavoratore
GESTORE SISTEMA abitante building manager
UTILIZZO semplice complesso
DISTANZA D’AZIONE singola unità abitativa edificio
GESTIONE SPAZI statica dinamica
FINALITÀ comfort sicurezza status symbol intrattenimento efficienza sicurezza risparmio energia gestione accessi
Tabella 1. Differenze tra Home automation e Building automation 3
3 Tabella tratta dalle slides del corso “Sistemi domotici per l'edilizia residenziale e pubblica” a cura del
prof. Crisostomi E., Università di Pisa, DESTEC, lucidi di Bandinelli R.B., Laboratorio di domotica, Istituto di Scienza e Tecnologie dell’Informazione “A. Faedo”, Consiglio Nazionale delle Ricerche.
9
1.4 Componenti
1.4.1 Hardware
Ogni impianto di domotica, a prescindere dalla sua complessità, è sempre costituito da tre componenti fondamentali che operano secondo la stessa logica di base: un componente rileva un’informazione, un secondo componente la trasmette ad un terzo componente, il quale effettua un’operazione consequenziale all’informazione ottenuta. Quindi un impianto presenta sempre i seguenti elementi:
Comandi: componenti che rilevano l’ordine si eseguire una determinata operazione, si includono in questa categoria anche i sensori, i quali misurano una certa grandezza fisica.
Mezzi trasmissivi: mezzi fisici attraverso cui le informazioni rilevate vengono veicolate. Attuatori: dispositivi che svolgono, attuano, una determinata funzione.
Figura 1. Schema logico di base di un impianto domotico
Un esempio di funzionamento di questi componenti è il seguente: un sensore di umidità (comando) rileva il superamento della soglia di umidità preimpostata nell’ambiente, trasmette questo segnale attraverso un cavo bus (mezzo trasmissivo) ad un attuatore, il quale chiude il circuito che va ad alimentare la ventilazione.
Non sempre risulta possibile collegare in maniera diretta un’utenza ad un attuatore. È possibile, infatti, che i sottosistemi da controllare dispongano già di elettroniche interne evolute, è il caso degli split dell’aria condizionata o dei sistemi di climatizzazione in generale. In queste circostanze l'integrazione del componente all'interno dell'impianto di domotica non può avvenire direttamente ma deve realizzarsi attraverso un’interfaccia (gateway). L'interfaccia è un componente hardware che consente a due sistemi di controllo (quello domotico e quello specialistico della singola macchina) di dialogare tra di loro a livello informatico.
10 1.4.1.1 Comandi e sensori
I comandi sono informazioni più meno complesse, come la pressione di un pulsante da parte dell’utente oppure la temperatura ambiente rilevata da una sonda (termostato). Tali informazioni non sempre sono inviate all’attuatore, che fornisce l’azione conseguente, ma possono essere inviate a moduli logici. I moduli logici sono controller programmabili che fanno sì che le macchine effettuino dei processi senza la necessità di intervento umano, elaborando le informazioni presenti sull’impianto. Ad esempio, la pressione di un tasto può essere inviata ad un modulo logico che elabora l’informazione ed invia il comando di accensione delle luci all’attuatore soltanto se è notte, informazione che proviene da un sensore crepuscolare esterno. Ormai quasi tutti i sensori hanno integrato al loro interno anche i trasduttori, ovvero i componenti che trasformano la grandezza fisica misurata in segnale elettrico.
I componenti di comando possono essere distinti in comandi azionati dall’utente, ovvero pulsanti e interfacce pulsanti, e strumenti di comando automatici, come i sensori.
Il comando elementare è il pulsante, il quale può essere direttamente integrato nell’impianto domotico oppure può essere di tipo tradizionale. In quest’ultimo caso è necessaria un’interfaccia per contatti, chiamata in gergo ragnetto, installata alle spalle del pulsante tradizionale per trasformarlo in pulsante domotico. I tastierini sono pulsanti digitali che incorporano l’interfaccia per dialogare con l’impianto domotico e svolgono diverse funzioni oltre a quella di pulsante, possono fungere da sensore, da ricevitore per un telecomando, da inseritore per l’antifurto. I tastierini riducono il numero di componenti da installare, offrono una maggiore flessibilità nella programmazione e sono prodotti dal design particolarmente curato inoltre, con lo sviluppo della tecnologia touch, essi rappresentano sempre di più il volto della domotica.
I sensori presenti sul mercato sono di diverse tipologie, tra i principali si citano: sensori di temperatura, di presenza, di luminosità, stazioni meteo, sonde di umidità dell’aria, sonde di CO2 e VOC, sonde ad immersione per parametri chimici. Possono considerarsi sensori anche
i contatori digitali usati per la lettura del consumo di acqua o di gas e le centraline per la lettura dei carichi elettrici dell’impianto.
1.4.1.2 Mezzi trasmissivi
I mezzi trasmissivi costituiscono la piattaforma fisica attraverso la quale circolano le informazioni trasmesse tra i vari componenti di un impianto domotico. Esistono tre categorie di fenomeni fisici che possono essere sfruttati per connettere dispositivi elettronici:
11 1. Proprietà conduttive dei metalli, i bit vengono trasmessi con differenti valori di tensione
e corrente che si propagano nel mezzo fisico metallico; 2. Campi elettromagnetici;
3. Ottica, le fibre ottiche ed i laser possono trasmettere milioni di bit al secondo usando la propagazione della luce.
I principali mezzi trasmissivi sono:
cavo dedicato alla trasmissione dati onde radio
cavo di alimentazione elettrica
Il cavo dedicato alla comunicazione tra i componenti di domotica è il mezzo più diffuso, si parla generalmente di cavo bus. Un bus (acronimo di Binary Unit System) in elettronica e informatica, indica un canale di comunicazione che permette a periferiche e componenti di un sistema elettronico di interfacciarsi tra loro scambiandosi informazioni o dati di sistema attraverso la trasmissione di segnali.4 Quando i dispositivi non sono fisicamente sullo stesso
circuito stampato ma sono distribuiti a una certa distanza tra loro, come nel caso della domotica, allora si parla di bus di campo. Il bus può essere fisicamente cablato in parallelo, daisy chain (in serie) o a stella, tuttavia nell'ambito della domotica il cablaggio bus si intende eseguito sempre in parallelo. Dunque, il termine bus, in domotica, indica sia un modo di effettuare il cablaggio dei dispositivi, sia il cavo stesso usato per la comunicazione. Ciò che permette di identificare un cavo bus come tale, non sono le caratteristiche intrinseche del cavo (che può essere di diversi tipi), bensì la sua funzione svolta all'interno dell'impianto. Le caratteristiche del cavo vengono poi determinate in base alle specifiche dei sistemi informatici che su di esso dovranno dialogare. Può essere utilizzato come bus un qualunque cavo elettrico a tre fili, oppure un cavo a doppino intrecciato (twisted pair). È sempre più frequente l'uso come cavo bus del cavo UTP (acronimo di Unshielded Twisted Pair, cavo intrecciato non schermato) in quanto semplice da cablare, resistente alle interferenze elettromagnetiche e soprattutto, essendo il cavo standard utilizzato per le reti dati ethernet, semplice da reperire ed economico.
Le onde radio permettono di eliminare a monte il problema del cablaggio e risultano la scelta ottimale nelle situazioni in cui l’intervento murario risulta impossibile. Le onde radio possono anche essere usate, oltre che come unico mezzo trasmissivo di un impianto di domotica, anche per estendere la portata del bus ad aree che non sono accessibili via cavo. Tuttavia un sistema wireless presenta anche svantaggi che talvolta possono limitarne o impedirne l’uso: primo fra
12 tutti, la stabilità della comunicazione. Esse risentono delle interferenze elettromagnetiche che sono generalmente imprevedibili e dovute a fattori esterni all’impianto, l’uso di frequenze lontane da quelle utilizzate dalle più comuni tipologie di comunicazione riesce solo ad arginare il problema, ma non ad eliminarlo. Un altro limite è costituito dalla portata del segnale, i segnali radio attenuano con la distanza e in base al tipo di ostacolo incontrato; il problema è risolvibile con l’installazione di repeater, ovvero di dispositivi che estendono la portata della comunicazione. Affinché un sistema sia wireless, esso non deve essere cablato con l’alimentazione elettrica, si pone, allora, il problema della durata delle batterie. Un sistema ad onde radio incontra anche la diffidenza degli utenti per il possibile inquinamento elettromagnetico, in realtà gli spazi in cui viviamo sono già invasi da un altissimo livello di inquinamento elettromagnetico, l’incidenza dell’impianto domotico sarebbe minimo rispetto alle condizioni al contorno.
Il sistema di comunicazione ad onde convogliate (PLC, Power Line Communcation) sfrutta la rete di alimentazione elettrica come mezzo trasmissivo. Si frutta lo zero cross della corrente elettrica alternata (230 V a 60 Hz) per inviare, sullo stesso cavo, un bit di comunicazione. Le onde convogliate sono state uno dei primi mezzi utilizzati per le applicazioni di domotica, esse presentano il chiaro vantaggio di avere un unico cavo per l’alimentazione e la comunicazione. Le PLC presentano, però, lo svantaggio di essere soggette ad un’instabilità di fondo, essendo il mezzo di trasmissione condiviso con l’alimentazione, che può essere risolta con l’adozione di filtri e ripetitori.
1.4.1.3 Attuatori
Gli attuatori, chiamati in gergo anche uscite, sono dispositivi che convertono il segnale di controllo in un’azione sull’elemento di controllo finale. Gli attuatori possono essere installati in diverse modalità: su barra DIN all’interno dei quadri elettrici, il che rende la programmazione e la manutenzione semplice ed immediata; integrati nelle serie civili da installazione; da incasso, semplificando ulteriormente il cablaggio. In base alla funzione svolta si distinguono essenzialmente in:
Attuatori digitali. Si tratta dell’attuatore più comune presente in qualsiasi impianto di domotica. Il nome “digitale” non sta ad indicare la logica di funzionamento interna ma il fatto che l’attuatore si comporta come un bit, ovvero l'uscita (relè) può essere aperta (0) o chiusa (1). Gli attuatori digitali vengono usati per svolgere qualsiasi azione che possa essere gestita dall'apertura o dalla chiusura di un contatto elettrico, come l'accensione di una luce, l'apertura di una valvola, l'apertura di cancelli e serrature.
13 Attuatori analogici. Forniscono un'uscita determinati valori elettrici (tensione o corrente) controllati dall' impianto di domotica e trovano una maggiore applicazione in ambito industriale piuttosto che nel campo della domotica.
1.4.2 Software
La programmazione, la configurazione e la gestione delle componenti di un impianto di domotica vengono effettuate tramite software, ovvero l’insieme dei linguaggi e dei programmi che permettono all'elaboratore elettronico di svolgere le operazioni desiderate.5 Si riportano di
seguito le tipologie di software usati in ambito di home/building automation e le relative funzioni.
Software di monitoring dei sistemi. Usato in fase di configurazione per:
acquisire dati dai software dei sottosistemi e definire i relativi protocolli specifici importare e gestire le immagini di tipo vettoriale o raster
programmare gli scenari
testare i moduli connessi e gli scenari definiti In fase di esercizio viene utilizzato per:
trasmettere al pc o alla rete le informazioni rilevate ricevere dal PC o dalla rete i comandi
gestire i controlli da remoto
fornire ed accettare informazioni e comandi gestire gli scenari
gestire gli archivi storici ad eventi o realizzare report
Software per il controllo degli impianti: Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA).
Sono anche chiamati interfaccia uomo macchina, servono per la supervisione ed il controllo di impianti industriali, permettono agli operatori di supervisionare e controllare ogni organo in movimento e di archiviare eventi e allarmi. I pacchetti SCADA hanno una struttura di tipo client/server, nel quale il server gestisce un database in tempo reale ed il client permette all'operatore di visualizzare, attraverso delle pagine, le grandezze significative in forma grafica.
Server. È un software che aggiorna costantemente un database interno (real time) che contiene dati (record) il cui valore dipende da una grandezza fisica dell'impianto.
14 L’aggiornamento viene effettuato attraverso driver di comunicazione che si occupano del dialogo con i dispositivi industriali.
Client. Detto anche di Viewer, esso rappresenta l'impianto controllato tramite pagine grafiche, nelle quali il contenuto varie dinamicamente con il variare delle grandezze associate. Il client coesiste con il server, infatti le grandezze visualizzate sono collegate ai record del database, ma può essere installato anche su più PC collegati ad una rete locale.
1.5 Struttura gerarchica e topologie
Quando l'impianto domotico è composto da più sottosistemi di controllo specialistici integrati, a loro volta, in un sistema di controllo superiore, si parla di struttura gerarchica. Siamo in presenza di struttura gerarchica quando un mini sistema digitale di controllo dedicato ad una funzione specifica, come ad esempio l'impianto di climatizzazione, è inserito, attraverso un'interfaccia, in un impianto digitale di controllo superiore 6. È possibile passare da una
struttura totalmente gerarchica, in cui tutti i sottosistemi riportano ad un sistema di controllo superiore, ad una struttura totalmente piatta, in cui tutti i sottosistemi sono uguali tra loro. I sistemi specialistici deputati al controllo di una funzione specifica sono più rapidi nell'elaborare le informazioni, più affidabili ed efficienti, ma le interfacce necessarie ad inserirli in una struttura gerarchica possono rappresentare dei colli di bottiglia, che rallentano il funzionamento complessivo del sistema. Generalmente, dunque, un impianto è il risultato della combinazione di questi due schemi logici di funzionamento.
I dispositivi di un impianto domotico possono essere connessi tra di loro in differenti configurazioni geometriche o layout, dette topologie. Ogni topologia di rete si differenzia, quindi, da un'altra per il modo in cui vengono connessi i dispositivi (detti anche nodi) e rappresenta una particolare soluzione di cablaggio. Alcune reti utilizzano i collegamenti punto a punto (point to point), cioè la connessione diretta tra coppie di nodi, con canali riservati, senza stazioni intermedie, altre prevedono i collegamenti multipunto, ovvero utilizzano un canale comune su cui possono accedere più nodi (reti broadcast).
Si analizzano di seguito le principali topologie realizzabili, con interesse particolare nei confronti della topologia a Bus, che è quella usata in ambito domotico.
6 Ricci Luca, "Sistemi di domotica applicata per una casa intelligente: nuove tendenze nel settore dalla
15 Topologia a stella.
È costituita da un punto centrale, che nelle reti LAN (Local Area Network) prende il nome di HUB, attraverso il quale passano tutte le comunicazioni dati. Ciascun nodo è collegato al nodo centrale tramite una coppia di fili, uno dedicato alla trasmissione del segnale ed uno dedicato alla ricezione. Il principale vantaggio di questa topologia di rete è dato dal fatto che un’eventuale guasto di un ramo, che collega un nodo all’HUB, determina soltanto l’isolamento del dispositivo interessato, ma non si riflette sul resto della rete. Di contro, nel caso di malfunzionamento del nodo centrale, l’intera rete va fuori servizio. La topologia a stella semplifica la gestione della rete, perché l’HUB ha il controllo di tutti i nodi e del traffico e può vedere se un dispositivo periferico risulta operativo, ciò rende particolarmente efficiente l’individuazione di problemi. Altro vantaggio importante della topologia a stella è l'elevata scalabilità, infatti è possibile aggiungere o togliere nodi e connessioni senza modificare la rete né la sua funzionalità; tuttavia, essendo ogni sistema periferico direttamente collegato al nodo centrale, è necessario l’impiego di grandi quantità di cavo.
Figura 2. Topologia di rete a stella 7
Topologia ad anello.
Nella rete ad anello i dispositivi sono collegati in serie lungo una maglia chiusa, nella quale ogni nodo è collegato punto a punto con i due nodi adiacenti, quello precedente e quello successivo. Questa topologia presenta forti svantaggi: un eventuale guasto sul nodo apre l’anello e manda fuori servizio la rete, così come l’aggiunta o la rimozione di un nodo presuppone l’apertura dell’anello, ciò comporta pesanti problemi di scalabilità. Non essendo presente poi un HUB centrale, l’individuazione dei problemi risulta difficile.
16
Figura 3. Topologia di rete ad anello 7
Topologia a maglia.
Tale topologia prevede che i dispositivi siano variamente interconnessi tra di loro per mezzo di canali bidirezionali, dando origine ad uno o più anelli, in modo tale che ci siano più percorsi disponibili che portano ad un singolo nodo. Il grado massimo di complessità si raggiunge con la topologia di rete completamente magliata (fully connected), nella quale ogni nodo è direttamente connesso con tutti gli altri nodi della rete. La notevole ridondanza di connessioni porta ad avere un sistema particolarmente robusto: in caso di guasto di un collegamento, la connessione tra due nodi è garantita da altri percorsi di collegamento. Di contro, tale configurazione presenta il grosso svantaggio della scalabilità: oltre un certo limite, aggiungere un nodo a una topologia completamente magliata, richiede l'aggiunta di un numero sempre maggiore di rami, aumentando anche la complessità dell'intera rete.
Figura 4. Topologia di rete a maglia 7
Topologia a bus.
La topologia a bus è quella utilizzata in domotica, tutti i nodi sono collegati tra di loro per mezzo di un unico ramo condiviso. Il cavo comune collega tutti i dispositivi in modo
17 bidirezionale, ovvero ogni dispositivo può sia tramettere che ricevere sullo stesso singolo cavo.
La presenza di un unico canale di comunicazione rende molto semplice e poco costoso il cablaggio. La topologia a bus è una molto efficiente dal punto di vista della scalabilità e della robustezza: l'aggiunta di un nodo non comporta aggiunta di collegamenti né interruzione dei collegamenti esistenti e la rottura del bus porta ad avere un partizionamento della rete in due topologie a bus.
Figura 5. Topologia di rete a bus 7
1.5.1 Trasmissione nelle reti bus
In una configurazione bus quando un nodo trasmette, tutti gli altri ricevono simultaneamente, si tratta quindi di una rete broadcast costituita da un unico canale nella quale i brevi messaggi inviati da un elaboratore sono ricevuti da tutti gli altri dispositivi. I messaggi, detti anche pacchetti o trame, sono costituiti da una sequenza di bit, ovvero informazione in formato digitale, modulati poi in maniera numerica (0 e 1) per la trasmissione sul canale fisico e presentano una struttura in campi prestabiliti.
START DESTINATARIO MITTENTE N DATI PAD CRC
Figura 6. Struttura di un pacchetto di informazione
Start: costituito da un preambolo per sincronizzare i clock dei ricevitori e uno startig delimiter che segnala l'inizio del frame;
Destinatario: indirizzo del nodo cui è diretto il messaggio;
18
N: numero dei byte di dati;
Dati: caratteri che compongono il corpo del messaggio;
PAD: caratteri ridondanti necessari per raggiungere la minima lunghezza del pacchetto.
CRC: codice per il controllo degli errori.
Nella topologia a bus, la presenza di un unico collegamento condiviso tra tutti i nodi richiede dei meccanismi di controllo dell'accesso che evitino le collisioni o le interferenze tra i nodi. Ogni dispositivo collegato al bus deve essere quindi interfacciato da un dispositivo elettronico che filtra i pacchetti del bus destinati allo specifico dispositivo: l’accoppiatore BCU (Bus Coupling Unit). L’accoppiatore BCU consente lo scambio dei segnali tra modulo applicativo e il resto del sistema e costituisce l’unità base sulla quale possono essere collegati numerosi dispositivi, dai sensori a infrarossi, ai termostati ambiente, ai pulsanti multi comando, ai pannelli multifunzione ecc.
Ogni BCU si attiva quando è interessata direttamente dall’informazione che transita nel bus e possiede un indirizzo che la identifica. Un segnale proveniente dalla sorgente viaggia in entrambe le direzioni verso tutte le macchine collegate sul cavo bus, fino a quando non trova il destinatario previsto. Se l'indirizzo della macchina non corrisponde all'indirizzo previsto per i dati, la macchina ignora i dati, se, invece, i dati corrispondono all'indirizzo della macchina, vengono accettati. I segnali viaggiano fino al termine del bus (end point), in tali punti è necessario un terminale che assorba i segnali e ne impedisca i rimbalzi, che sono causa di interferenze indesiderate.
Il cavo bus costituisce, dunque, un unico mezzo di comunicazione, separato dalla linea di alimentazione, che opera a bassa tensione e al quale sono collegati in parallelo tutti i dispositivi.
I vantaggi di un impianto su bus sono possono essere riassunti come di seguito:
Semplicità di cablaggio: un unico cavo per il collegamento in parallelo di tutti i dispositivi, senza alcun errore di cablaggio.
Maggiore sicurezza: l'utente agisce su dispositivi di comando alimentati con bassissima tensione di sicurezza.
Flessibilità: in qualsiasi momento è possibile modificare le funzionalità dell'impianto semplicemente variando la programmazione dei dispositivi o aggiungendone di nuovi. Continuità di esercizio: la sostituzione di un dispositivo a bus difettoso non interrompe
19 Economicità: il cablaggio di un solo cavo evita l'impiego di numerosi conduttori con
evidente riduzione della manodopera.
Figura 7. Confronto tra un impianto di tipo tradizionale e un impianto domotico su bus 8
1.6 Protocolli di comunicazione nei sistemi di automazione degli
edifici
1.6.1 Livelli di Building Automation System (BAS)
Il Comitato Tecnico CEN/TC 247 del CENELEC (Comité européen de normalisation en électronique et en électrotechnique, ovvero Comitato europeo di normazione elettrotecnica) ha definito un modello di struttura di un sistema di automazione edifici, mostrato nella seguente figura.
20
Figura 8. Modello di struttura di un sistema di automazione edifici 9
Le funzioni dal sistema di automazione edifici sono distribuite su tre diversi livelli 10:
Livello di campo (Field Level). I sensori e gli organi di campo con o senza microprocessore a bordo
Livello di automazione (Automation Level). I controllori DDC (Direct Digital Controller), le centrali anti-intrusione, le centrali di rivelazione fumi, ecc.
Livello digestione (Management Level). Il software di supervisione e controllo.
In un sistema di automazione edifici di dimensioni medie possono essere scambiate un’enorme quantità di informazioni tra i vari livelli e tra i vari dispositivi appartenenti allo stesso livello.
9 Immagine tratta da Schneider Electric, “Efficienza Energetica: impatto dell’automazione sulle
prestazioni energetiche degli edifici. Guida Schneider Electric all’utilizzo della norma UNI EN15232”, 2016, pag.173-174.
10 Schneider Electric, “Efficienza Energetica: impatto dell’automazione sulle prestazioni energetiche
21
Figura 9. Livelli di un sistema di automazione edifici 9
Questo scambio di informazioni, sia in senso orizzontale che in senso verticale, avviene grazie all’utilizzo di bus di campo (Field bus) e reti di comunicazione (Network) 10.
Il bus di campo è una connessione digitale che permette la comunicazione di periferiche a livello di automazione (Automation) e di campo (Field), come specificato dalle normative IEC61158 (Field bus for industrial control systems) e IEC61748 (Digital data comunication in control systems) 10.
Il Network (Rete) è una connessione digitale che permette la comunicazione tra un gruppo di nodi (calcolatori) collegati tra loro. Tuttavia, non è sufficiente soltanto collegare questi nodi con dei mezzi trasmessivi per permettere loro lo scambio di informazioni. È necessario, infatti, che sia definito un insieme di regole (protocollo di comunicazione) utile a definire le modalità con cui questi nodi possono scambiare dati 10. Il modello di riferimento per la definizione di un
protocollo di comunicazione è il modello ISO/OSI.
1.6.2 La necessità di uno standard: il modello OSI
Il modello OSI (Open Systems Interconnection, conosciuto anche come modello ISO/OSI) è uno standard per la progettazione delle reti stabilito nel 1984 dall'International Organization for Standardization (ISO), il principale ente di standardizzazione internazionale, con lo scopo di fornire un inquadramento per coordinare lo sviluppo degli standard e favorire l’inserimento in un ambito comune delle attività di standardizzazione già esistenti o in via di definizione. La struttura logica del modello di riferimento OSI è costituita da sette strati o livelli (layer), attraverso i quali viene ridotta la complessità implementativa di un sistema di comunicazione.
22
Figura 10. Modello OSI
I protocolli di basso livello (livelli degli host) hanno funzioni legate al trasporto dei segnali elettrici fra trasmettitore e ricevitore, mentre i protocolli d'alto livello (livelli dei mezzi) svolgono funzioni software d'elaborazione e trattamento dei dati. In pratica, i protocolli di trasporto si occupano del trasferimento dei dati da trasmettitore al ricevitore, consentendo al software d'elaborazione di dedicarsi esclusivamente alla manipolazione ed all'elaborazione delle informazioni.
Lo standard ISO/OSI realizza una comunicazione per livelli: dati due nodi A e B, il generico livello del nodo A può scambiare informazioni con il relativo livello del nodo B, ma non con gli altri. L’informazione che un mittente vuole inviare a un destinatario passa da un livello superiore a quello inferiore e subisce un processo detto l'incapsulamento (encapsulation). Quando un nodo A vuole inviare dati al nodo B, l'informazione passa da un livello superiore a quello inferiore ed ogni livello vi aggiunge un pacchetto di dati, chiamato header. Quando i dati sono trasferiti verso un livello più basso, vengono incapsulati a formare un'unità più grande, ciascun livello del sistema aggiunge ai dati le informazioni relative al suo livello. Ogni livello può, quindi, comunicare con quelli a lui adiacenti, attraverso un’interfaccia standardizzata,
23 chiamata SAP (Service Access Point), ovvero il punto di accesso ad un servizio che un livello OSI offre al suo livello superiore.
Figura 11. Comunicazione fra un sensore ed un attuatore secondo lo standard OSI 11
Un dispositivo che risponda al modello di riferimento OSI, può essere realizzato in un unico apparecchio che contiene tutti i livelli, ma può essere anche costituito da due o più apparecchi, nei quali saranno distribuiti i vari livelli. Tra i livelli la norma definisce tre punti di interfaccia:
interfaccia di processo, tra il livello applicazione e l’ambiente reale controllato; interfaccia universale, tra il livello trasporto e il livello rete;
interfaccia mezzo, tra il livello fisico e il mezzo.
I vari produttori presenti sul mercato utilizzavano inizialmente soltanto protocolli di comunicazione proprietari, rendendo difficile l’integrazione di sottosistemi e apparecchiature di natura diversa e di costruttori diversi. Il system integrator era, dunque, obbligato a sviluppare delle applicazioni hardware (gateway) e software (driver) per far convergere fra loro i protocolli di comunicazione proprietari, con grosso dispendio di risorse economiche e di tempo.
Nasce, quindi la necessità di adottare dei protocolli di comunicazione standard che semplifichino il lavoro degli installatori e degli integratori di sistema e consentano, limitando il numero delle diverse linee di comunicazione tra i diversi dispositivi e i diversi nodi del sistema,
24 di ridurre tempi e costi di produzione e gestione. L’utilizzo di protocolli di comunicazione aperti rappresenta anche una garanzia per l’investimento del cliente finale, il quale non è più vincolato alle sorti commerciali di dei singoli produttori, in termini di manutenzione, espandibilità futura dell’impianto e reperibilità sul mercato di dispositivi che si integrino con il sistema installato.
Negli edifici moderni, generalmente il livello Network è rappresentato dalla LAN Ethernet, che costituisce l’infrastruttura di comunicazione principale non solo per i sistemi di automazione dell’edificio (ovvero i sistemi BACS, Building Automation and Control Systems, e TBM, Technical Building Management), ma anche per altre applicazioni. Il livello Field Bus (bus di campo) è anch’esso rappresentato da un’unica linea di comunicazione, che connette i sensori e organi di campo ai controllori e alle centrali. Questa impostazione permette al system integrator di avere a disposizione, sulla linea di comunicazione, tutte le informazioni relative al funzionamento di tutti i dispositivi che compongono il sistema, con la possibilità di realizzare le logiche di funzionamento necessarie a rispondere ai requisiti normativi (come, ad esempio, la UNI EN15232).
I protocolli di comunicazione attualmente presenti sul mercato sono molteplici e si differenziano per le diverse specifiche tecniche, nel campo dei sistemi di controllo ed automazione degli edifici (BACS e TBM) i protocolli standard normati a livello internazionale e maggiormente diffusi sono: Lonworks, KNX, BACnet, Modbus, ZigBee, EnOcean.
25
Figura 12. Standard di riferimento per i sistemi di automazione nel modello OSI 12
1.6.3 Sistemi di automazione basati su protocollo KNX
1.6.3.1 Cosa è Konnex
Konnex, abbreviato in KNX, è un protocollo unificato aperto per la realizzazione di prodotti destinati alla home automation e alla building automation. Il controllo degli edifici con KNX si è affacciato al mondo nel 1990, quando attuatori e sensori, ciascuno dotato di un microchip interno, sono stati collegati tra di loro con un cavo bus. Il successo di questa nuova tecnologia è stato determinato dalla possibilità di controllare tutto ciò che è elettrico in un edificio attraverso un metodo di configurazione flessibile e facile 13.
12 Immagine rielaborata, fonte: Schneider Electric, “Efficienza Energetica: impatto dell’automazione sulle
prestazioni energetiche degli edifici. Guida Schneider Electric all’utilizzo della norma UNI EN15232”, 2016, pag. 178.
26 I tre principali standard presenti fino agli anni ’90 in ambito europeo erano:
BCI (BatiBus): BatiBus Club International, il primo protocollo Europeo, sviluppato in Francia alla fine degli anni ‘80 da un insieme di aziende del settore elettrico Merlin Gerin, Landis & GYR, EDF e Airelec. Basato sulla trasmissione su doppino con velocità di trasmissione di 4800 bps;
EIBA (EIB): European Installation Bus Association, nato a Bruxelles anche lui nel 1990, aperto a tutti i costruttori che intendevano sviluppare soluzioni per la Home & Building Automation, la cui trasmissione poteva appoggiarsi su doppino, onde convogliate, ethernet, infrarossi e radiofrequenza con velocità massime di trasmissione di 10 Mbs; EHSA (EHS): European Home System Automation, sviluppata sulla base dei progetti Eureka ed Esprit 2431 già dalla metà degli anni ’80, risultava un sistema basato sulla trasmissione su rete elettrica ad onde convogliate, ma comunque con la possibilità di interfacciarsi con tutti gli altri sistemi. A differenza rispetto agli altri sistemi, era dotato di funzionalità Plug & Play.
La costituzione del comitato tecnico CENELEC 105, denominato HBES (Home and Building Electronic System), fu il primo passo verso la normalizzazione dei processi di controllo degli edifici. Dall’unificazione dei tre consorzi-protocolli (DatiBus, EIB, EHS) nasce l’associazione Konnex, che definì i principali ambiti di standardizzazione e le priorità da affrontare durante la fase di convergenza:
scelta mezzi trasmissivi;
adozione delle regole di installazione definite dal CENELEC; definizione di un protocollo di comunicazione condiviso;
sviluppo del modulo di collegamento con la rispettiva applicazione; definizione delle specifiche di tre modi di configurazione;
garanzia dell’interoperabilità dei prodotti di differenti costruttori; generazione di un database di prodotti certificati.
Attualmente il consorzio cura:
la formazione dei system integrator partner;
lo sviluppo e la commercializzazione dei software di programmazione (ETS) e dei driver di comunicazione con i dispositivi;
la certificazione dei prodotti Konnex, autorizzando l’apposizione del marchio KNX; lo sviluppo del protocollo, aggiornandone costantemente funzioni ed applicazioni.
27 1.6.3.2 Architettura del sistema e tecnologie usate
L’unione in uno standard comune ha consentito alle varie associazioni di condividere la tecnica di trasmissione, coprendo totalmente il settore dell’automazione.
I mezzi trasmissivi disponibili sono i seguenti:
• TP-0 (Twisted Pair, tipo 0): mezzo trasmissivo basato su cavo a conduttori intrecciati con bitrate di 4800 bits/s, proveniente da BatiBUS. I prodotti certificati KNX TP-0 funzionano sulla stessa linea Bus dei componenti certificati BatiBUS, ma non scambiano informazioni con essi.
• TP-1 (Twisted Pair, tipo 1): mezzo trasmissivo basato su cavo a conduttori intrecciati con bitrate di 9600 bit/s, proveniente da EIB. I prodotti certificati EIB e KNX TP-1 funzionano e comunicano fra di loro sulla stessa linea Bus.
• PL-110 (Power Line, 110 kHz): mezzo trasmissivo ad onda convogliata con bitrate di 1200 bit/s, proveniente da EIB. I prodotti certificati EIB e KNX PL-110 funzionano e comunicano fra di loro sulla stessa rete di distribuzione dell'alimentazione elettrica. • PL-132 (Power Line, 132 kHz): mezzo trasmissivo ad onda convogliata con bitrate di
2400 bits/s, proveniente da EHS dove viene tuttora utilizzato. I componenti certificati KNX PL-132 ed EHS funzionano sulla stessa rete, ma non comunicano fra loro senza un convertitore di protocollo dedicato.
• RF (Radio Frequency, 868 MHz): mezzo trasmissivo in radiofrequenza con bitrate di 38.4 kbit/s, sviluppato direttamente all'interno della piattaforma standard KNX. • IrDA (Infrared Data Association): diodi emettitori di radiazione infrarossa,
comunemente detti LED infrarossi, che evitano interferenze con le onde radio. • Ethernet (KNXnet/IP): mezzo trasmissivo molto impiegato che può essere utilizzato
unitamente alle specifiche KNXnet/IP, che permettono il trasferimento del telegramma KNX nel protocollo standard IP.
Lo sviluppo di altri protocolli, più performanti per la comunicazione su onde radio, come lo ZigBee e l’EnOcean, hanno reso il cavo bus (doppino twistato a 1 o 2 coppie) il mezzo trasmissivo principale del sistema KNX, l’ormai famoso cavo verde che è diventato l'elemento identificativo di un impianto KNX. Il cavo bus è, infatti, il primo elemento che deve essere certificato Konnex all'interno dell'impianto.
L’architettura di un sistema bus KNX è composta da aree e linee. Il cavo bus, che parte da un alimentatore e collega i diversi dispositivi, costituisce la linea Konnex. La linea Konnex può avere la lunghezza massima di 1 Km e supportare fino a 64 componenti, considerando che nella somma vanno inclusi i segmenti che li collegano. Il numero massimo di dispositivi per
28 una singola linea arriva a 256, suddividendola in 4 segmenti di linea da 64 dispositivi (ed usando ripetitori). Per un numero di componenti maggiori, o per informazioni in transito particolarmente elevate, è necessario realizzare una seconda linea bus.
Figura 13. Architettura del sistema Konnex: Le linee 14
Le linee secondarie saranno collegate, mediante dispositivi chiamati accoppiatori di linea, ad una linea principale (montante) e formeranno un’area Konnex. Ciascuna area può essere composta da un massimo di 15 linee, inclusa la montante. Qualora un’area bus non sia sufficiente, è possibile collegare più aree tra loro, tramite accoppiatori di area, fino ad un massimo di 15 aree. Il numero massimo di dispositivi di un impianto Konnex è di circa 57000. È evidente, dunque, l’elevata scalabilità del sistema Konnex, che costituisce uno dei suoi punti di forza, rendendolo adatto ad applicazioni di qualsiasi dimensione.
Recentemente i classici accoppiatori di linea sono stati affiancati da accoppiatori LAN/bus. Le linee e aree vengono, in questo modo, collegate tra loro utilizzando la rete. Questa soluzione presenta alcuni vantaggi significativi 15:
utilizzare la rete LAN come montante di collegamento tra linee KNX e tra aree KNX, permette di diminuire il carico di informazioni sul bus, mentre per le comunicazioni tra
14 Immagine tratta da: ABB Group, “ABB i-bus KNX”, presentazione del gennaio 2013.
15 Ricci Luca, "Sistemi di domotica applicata per una casa intelligente: nuove tendenze nel settore dalla
29 le linee di una stessa area si può utilizzare una piattaforma con una maggiore larghezza di banda, ovvero il TCP/IP 16;
la rete LAN consente di collegare tra loro componenti che si trovano in edifici anche lontani tra loro, con un cablaggio semplice;
utilizzando accoppiatori LAN e una VPN (Virtual Private Network) è possibile collegare tra loro edifici anche sparsi per il mondo.
l’architettura dell’impianto KNX risulta oltremodo semplificata, venendo meno la distinzione tra linee, aree e bus montanti. Ogni linea sarà indipendente l'una dall'altra e collegate tra loro tramite la rete LAN.
Figura 14. Architettura del sistema Konnex: Le aree 14
Lo standard Konnex si basa su una tecnologia di tipo distribuito e sull’intelligenza decentralizzata in tutti gli apparecchi, con un doppio vantaggio: ogni dispositivo è autonomo (ciò garantisce la continuità di servizio in caso di guasto di un apparecchio) e si ha la possibilità di scegliere il produttore che più interessa per la fornitura dell’apparecchio, data l’interoperabilità di questi ultimi.
Intelligenza decentralizzata significa che l’intera funzionalità dell’impianto è distribuita sui singoli dispositivi bus che compongono l’installazione, in altre parole: ciascun dispositivo bus
16 Il Transmission Control Protocol (TCP) e l'Internet Protocol (IP) sono i due più importanti protocolli
della suite di protocolli Internet, chiamata spesso, per sineddoche, suite di protocolli TCP/IP. Il modello di rete, a strati, della suite di protocolli TCP/IP rappresenta lo standard de facto nell'ambito delle reti dati, corrispondente allo standard de iure rappresentato dal modello ISO/OSI.
30 individualmente è “solo” informato del suo specifico ruolo nell’impianto 17. Questo concetto
rende flessibile una installazione KNX: cambiare, aggiungere o rimuovere dispositivi ha una influenza minore sulla funzionalità globale dell’impianto. I sistemi bus centralizzati hanno un’unità centrale che controlla l’intero impianto ed un problema sull’unità centrale avrà effetto su tutto l’impianto. Anche il semplice aggiornamento della centrale potrebbe compromettere il funzionamento dell’intero impianto. Tuttavia, sebbene KNX non richieda componenti centralizzati, è possibile comunque centralizzare il controllo a richiesta, come ad esempio connettendo all’impianto unità di visualizzazione, schedulatori, orologi centralizzati, stazioni per la gestione di applicazioni, ecc.
L’elettronica per la comunicazione dei dispositivi sul bus è dotata di un microcontrollore, che ha da un lato l’interfaccia verso l’applicazione, dall’altro il bus, (vedi fig. 15):
L’insieme dei componenti elettronici che interfacciano il bus è chiamato “bus transceiver” (unità di trasmissione bus).
L’insieme dei componenti elettronici che implementano l’applicazione è chiamato “modulo applicativo”.
Un dispositivo bus in KNX è composto da: Un microcontrollore (µC);
Un modulo trasmissivo; Un modulo applicativo.
La combinazione del microcontrollore e del modulo trasmissivo viene, poi, chiamata “unità di accesso al bus” (BAU, Bus Access Unit).
31
Figura 15. Dispositivo bus (KNX) 18
Per programmare o modificare un sistema bus è necessario disporre soltanto di un PC con un software di configurazione installato e di un’interfaccia che connetta il bus al PC.
Lo strumento software per programmare KNX è chiamato ETS, (Engineering Tool Software) ed è distribuito dall’associazione Konnex. La funzionalità di un dispositivo viene memorizzata all’interno della memoria di ciascun dispositivo individualmente. Per cambiare la funzionalità di un dispositivo, la sua memoria viene modificata tramite il software ETS, ciò vuol dire che modificare una installazione KNX significa semplicemente riprogrammarla.
Tuttavia per applicazioni meno complesse la configurazione può essere ancora più rapida, infatti, lo standard KNX prevede tre diverse metodologie di configurazione dell’impianto:
Modalità System (S-mode): configurazione con PC (software ETS); adatta ad integratori di sistema con numerose funzioni nel settore della building automation; Modalità Easy (E-mode): configurazione senza PC; adatta ad impianti di rapida e
intuitiva programmazione, con numero esiguo di funzionalità nel settore della home automation;
Modalità Auto (A-mode) configurazione automatica (Plug & Play) adatta ad applicazioni con numero minimo di dispositivi e funzioni per applicazioni end-user.
18 Immagine tratta da: “Principi del Sistema KNX”, pubblicazione sul sito ufficiale KNX:
32 1.6.3.3 Certificazione KNX
Konnex è che è uno standard internazionale per la Building Automation e la home automation riconosciuto in tutto il mondo, è infatti approvato come:
- Standard Internazionale (ISO/IEC14543-3)
- Standard Europeo (CENELEC EN50090 e CEN EN 13321-1 e 13321-2) - Standard Cinese (GB/Z 20965)
- Standard ANSI/ASHRAE (ANSI/ASHRAE 135 19)
- Standard Italiano (CEI 83) 20
La certificazione del prodotto KNX, che viene rilasciata solo in caso di soddisfacimento di una serie di requisiti (tra cui il sistema di qualità ISO 9001, conformità alla norma europea EN 50090-2-2, conformità al volume 3 e 6 delle specifiche KNX), garantisce la qualità e l’interoperabilità con tutti gli altri dispositivi KNX. A differenza di altri sistemi aperti, come ModBus21, per poter programmare il KNX è necessario acquistare un software su licenza.
Questo tutela sia i professionisti che i clienti, dall’azione di figure non qualificate, oltre a garantire lo sviluppo continuo e l’aggiornamento del protocollo e la formazione dei tecnici. Quanto detto per la certificazione dei dispositivi KNX si traduce immediatamente in vantaggi concreti per clienti ed istallatori, che saranno garantiti riguardo alla qualità dei prodotti, alla compatibilità a ritroso ed interoperabilità degli stessi.
1.7 Progettazione
La progettazione di un impianto domotico consiste nello studio di un sistema che deve rispondere a necessità e richieste ben definite e, come tale, deve sempre iniziare con l’analisi delle esigenze dell’utente finale, che spesso coincide con il committente. L’approccio alla realizzazione di un sistema domotico, soprattutto in ambito residenziale, può essere molto diverso da quello di un impianto tradizionale, non solo per questioni tecniche. Se con
19 La ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ovvero
Società americana degli ingegneri del riscaldamento, della refrigerazione e del condizionamento dell'aria), è un ente internazionale fondato nel 1894, con sede a New York, che si occupa di normative nei campi del riscaldamento, della ventilazione, del condizionamento dell'aria e della refrigerazione.
20 Il comitato elettrotecnico italiano (CEI) è un'associazione, con sede a Milano, fondata nel 1909,
riconosciuta sia dallo Stato Italiano, sia dall'Unione europea, per le attività normative e di divulgazione della cultura tecnico-scientifica.
21 Le specifiche dello standard ModBus sono pubbliche e reperibili da tutti, chiunque può realizzare un
