Il telecontrollo “intelligente” della rete fognaria

Si parla sempre più spesso di reti intelligenti a proposito di telecontrollo, ovvero di sistemi integrati ad alta tecnologia in grado di razionalizzare i consumi e migliorare i servizi. Nel caso di GISI spa, Società per la Gestione Integrata del Servizio Idrico Oglio, questo obiettivo è stato centrato affidando a Grundfos e Seneca la realizzazione del telecontrollo degli impianti di collettamento e depurazione. Un’infrastruttura caratterizzata dalla presenza di 5 depuratori e 12 stazioni di sollevamento, cui se ne stanno aggiungendo altre 10. Il sistema intercomunale tratta attualmente i reflui di una popolazione equivalente pari a circa 70.000 abitanti equivalenti, con un’estensione territoriale di circa 242 km² e una rete fognaria di alcune decine di kilometri.

Le aree comunali servite interessano sia la provincia di Mantova (comuni di Sabbioneta, Viadana, Dosolo, Pomponesco) che di Cremona (Casalmaggiore). D’altra parte i costi crescenti di beni quali l’energia elettrica, la forza lavoro o le parti di ricambio hanno reso necessario un cambio di strategia anche nella gestione delle reti di impianti di depurazione e di sollevamenti fognari. In sostanza si sono diffuse, nelle reti di pubblica utilità, gli stessi criteri di amministrazione utilizzati per gli impianti di produzione, cioè quelli tesi a minimizzare i costi e ad aumentare le prestazioni.

Attualmente le tecnologie informatiche e lo sviluppo delle comunicazioni consentono l’impiego di sistemi di telerilevamento efficienti e veloci, in grado di assicurare la massima funzionalità e affidabilità. Allo stesso tempo tali tecnologie puntano al minimo consumo di risorse energetiche e tendono a ridurre l’esposizione del personale a operazioni dispendiose, ripetitive e pericolose. Basti ad esempio pensare al fatto che gli automatismi di raccolta dei dati di impianto e di segnalazione di guasti e anomalie, offrono una risposta pronta e adeguata alle condizioni di emergenza, oltre a prevenire perdite idriche e possibili danni ambientali e agli impianti.

 Impianti di depurazione presso Cogozzo di Viadana (13.000 abitanti equivalenti)

Il controllo razionale degli impianti 
L’impiego di sistemi di controllo automatici e di telecontrollo diventa particolarmente interessante laddove l’impianto è effettivamente distribuito sul territorio e si compone di vari sotto sistemi. Ed è proprio il caso del sistema di deflusso di acque reflue e di trattamento gestito dal GISI. La rete fognaria è infatti costituita da più impianti di sollevamento e depurazione dislocati sul territorio del comprensorio e coordinati nel loro funzionamento. Va pure evidenziato che in assenza di telecontrollo il funzionamento degli impianti è legato esclusivamente alla presenza fisica del personale e ai relativi tempi di intervento. Il sistema di telecontrollo realizzato da Grundfos e Seneca assiste quindi una vasta rete fognaria, di cui vanno misurate le portate reflue di ogni singolo comune. Il sistema raccoglie inoltre i dati sul funzionamento dei singoli impianti. Grazie a questi dati è possibile valutare il corretto dimensionamento delle pompe e dei pozzetti, nonché il loro funzionamento. Il sistema consente tra l’altro di individuare i guasti e la relativa entità praticamente in tempo reale, e intervenire prima che essi causino sfiori, esondazioni e altri problemi.

Sul versante della gestione automatizzata, il sistema permette di ottimizzare la rete, calcolando le portate e intervenendo su di esse per rendere quanto più possibile costante il flusso all’ingresso dei depuratori. Il sistema di telecontrollo rappresenta in sostanza un efficace supporto alle attività di manutenzione e monitoraggio degli impianti. I nodi controllati sono attualmente 17. Ciascuna stazione è controllata da un quadro di telecontrollo. In ciascun sito sono inoltre presenti sensori a ultrasuoni, sistemi di pompaggio, unità di elaborazione e datalogger per l’archiviazione dei dati misurati e un sistema GSM / GPRS per il trasferimento dei dati al computer centrale e ai cellulari reperibili. Tra le funzionalità “intelligenti” del sistema realizzato vanno sicuramente annoverate la comunicazione continua e bidirezionale tra periferiche e centro di supervisione, e una serie di funzioni totalmente automatiche e preimpostate: totalizzazioni di misura, raccolta dati, turn-over di funzionamento delle pompe. Il sistema è inoltre progettato in modo da permettere la futura integrazione del telecontrollo sulle stazioni di sollevamento in via di sviluppo.

Architettura del sistema di telecontrollo degli impianti di collettamento e depurazione dei comuni della Destra Oglio mantovana

Scheda del sistema di telecontrollo

La tecnologia di telecontrollo utilizzata 
Serie Z-PC, la tecnologia SENECA per la gestione dati e il controllo a distanza, si basa su standard aperti e internazionalmente riconosciuti. Di essa fanno parte apparati e sistemi che supportano lo stato dell’arte dei protocolli di comunicazione (ppp. ftp, http, smtp, TCP, Ethernet, OPC, IEC 870), a costi contenuti e con un occhio alla facilità di gestione. L’hardware della Serie Z-PC, tanto in versione modulare che in quella integrata, è altamente performante. L’unità master racchiude 4 moduli funzionali integrati (PLC, RTU, Web Server, Datalogger). L’I/O, optoisolato, ad elevata risoluzione, in grado di alimentare i trasduttori è realmente distribuito e flessibile. In particolare, tutte le stazioni della rete fognaria GISI sono controllate di Z-RTU, un apparato dotato di 30 segnali isolati galvanicamente con morsettiera integrata, 3 porte di comunicazione seriale e 1 porta Ethernet 10/100 Base T. Nella configurazione base Z-RTU dispone di 8 ingressi digitali (con alimentazione interna o esterna), 2 ingressi analogici (con alimentazione del loop selezionabile), 4 uscite digitali (a relè SPDT), 1 uscita analogica (in tensione o corrente). Tale densità di I/O è raddoppiabile (16 DI, 4AI, 8 DO, 2 AO) con scheda opzionale e ampliabile con i moduli I/O distribuiti su bus e guida DIN della serie Z-PC. Z-RTU è dotata di un modem GSM/GPRS industriale a bordo (o in alternativa PSTN) per consentire la gestione remota degli allarmi, della diagnostica e dell’invio dati su evento o su chiamata in modo automatico su qualunque rete di comunicazione standard (PSTN, ISDN, GSM, ADSL, ecc.). In dimensioni particolarmente contenute (185 x 242 x 37 mm) e un robusto case di alluminio, Z-RTU offre eccellenti capacità di calcolo (CPU μP RISC 32 bit – 20 MIPS) e memoria (Flash dati 16 MB, RAM 8 MB, 64 variabili ritentive mediante batteria di backup), le stesse della versione modulare.

Quanto al software, la strategia di programmazione Seneca è basata sui concetti di integrazione e apertura nel trattamento delle informazioni. Configurazioni, programmazione e telecontrollo sono sviluppati su base IEC 61131 e offrono massima compatibilità verso ogni SCADA e applicativi Windows Runtime grazie allo standard OPC. Vengono inoltre supportate tecnologie di tunnelling per l’incapsulamento e lo scambio dati bidirezionale su rete VPN (Virtual Private Network). L’ambiente di configurazione e ingegneria (Z-NET3) eroga una suite di funzioni di telecontrollo (gestione allarmi, file, eventi via SMS, email, voce ecc.) e automazione (rotazione pompe, contaore, totalizzatore impulsi, calcolo portata ecc.) precompilate e pronte all’uso.

 SENECA Z-RTU, integrated remote control device, heart of peripheral stations

Le stazioni periferiche 
Le stazioni periferiche sono complessivamente 17, di cui 12 sollevamenti e 5 depuratori. I sollevamenti sono assistiti dalla gestione automatizzata di 31 pompe di rilancio con potenze variabili da 2 a 18,5 kW. La rete depuratori comprende invece 4 impianti principali a fanghi attivi. Del ciclo di depurazione fanno parte le operazioni meccaniche (sollevamento e grigliatura), i trattamenti primari (dissabbiatura, disoleatura, decantazione primaria), i processi biochimici (denitrificazione, ossidazione, nitrificazione) e i trattamenti finali (sedimentazione, filtrazione, disinfezione UV, ispessimento, digestione anaerobica, disidratazione meccanica). Le stazioni periferiche, monitorate dalla sede centrale di Vicomoscano di Casalmaggiore tramite rete GPRS, comprendono oltre 1.000 segnali di I/O. Il cuore delle stazioni periferiche è rappresentato dall’apparato di telecontrollo Z-RTU che acquisisce fino 16 ingressi digitali e fino a 8 canali analogici, tra cui le misure provenienti dalle sonde di livello magnetiche.

Ciascuna periferica remota comanda 4 uscite digitali: 1 per l’abilitazione del controllo elettromeccanico (che quindi esclude la logica implementata a bordo), e 3 di comando pompe. La configurazione di base delle 18 stazioni periferiche (hardware e dati) avviene tramite software di configurazione Z-NET conforme allo standard IEC 61131. Per tutti gli impianti è implementato il controllo di accensione delle pompe, in funzione di un livello acquisito dal misuratore di livello a ultrasuoni. La logica PLC che gestisce la rotazione delle pompe controlla continuamente il tempo di funzionamento delle pompe. Al raggiungimento della soglia di partenza (confrontata con il livello rilevato dal misuratore), l’algoritmo seleziona l’accensione della pompa disponibile che ha totalizzato il minor tempo di funzionamento. Analogamente, al raggiungimento di una soglia di spegnimento (confrontata con il livello rilevato dal misuratore), viene selezionato lo spegnimento della pompa che ha totalizzato il maggior tempo di funzionamento. Il numero di pompe controllato in ogni stazione varia da 2 a 5. La totalizzazione oraria è progressiva, ma quotidianamente viene storicizzata la totalizzazione dei dati giornalieri. Sono archiviati tutti gli eventi provenienti dalla commutazione dei segnali di ingresso (allarmi e stati impianto) e di uscita. I dati memorizzati nei file di log includono anche gli andamenti delle misure di livello e di portata. È importante evidenziare che la routine di rotazione pompe è un service pronto all’uso che non richiede alcuna programmazione aggiuntiva. Si tratta oltretutto di una funzione estremamente flessibile. Consente di gestire automaticamente fino a 8 pompe e di scegliere fra 3 differenti modalità di controllo (basate su alternanza, tempo o priorità di funzionamento). Il trigger di evento può essere scelto su soglia di misura, oraria o contatto digitale.

 Dettaglio quadro di controllo presso Depuratore di Vicomoscano di Casalmaggiore (40.000 abitanti equivalenti)

La rete di comunicazione
La rete di comunicazione primaria del sistema di telecontrollo è basata sulla tecnologia di telefonia mobile GPRS (General Packet Radio Service). Le stazioni sono sempre connesse in modalità bidirezionale. Quando si collegano alla rete GPRS, comunicano ad un server specifico l’indirizzo IP che il gestore del servizio ha loro assegnato. La trasmissione degli stati di funzionamento avviene tramite tecnologia OPC (OLE for Process Control). In particolare, il software OPC SERVER IO, sviluppato da Seneca, provvede ad acquisire l’indirizzo IP dinamico, pubblico e memorizzato sul server.

A quel punto il centro di controllo inizia a comunicare in modo bidirezionale con la stazione remota. Il controllo sistemistico della comunicazione GPRS è fondamentale. Il telecontrollo è infatti progettato in modo da monitorare la qualità del segnale ed eseguire una procedura automatica di rilevazione errori. Nei siti dei depuratori sono presenti sottoreti wireless UHF basate su Z-LINK, apparati radio Seneca LPD (low power device) che operano a 434 / 869 MHz. Questi dispositivi remotano gli stati di funzionamento delle pompe, ritrasmettendo il dato in prossimità dei quadri di controllo, in modo sicuro e affidabile, e senza fili, fino ad alcune centinaia di metri.

La supervisione
Presso la stazione del depuratore di Vicomoscano è presente il centro di controllo. Da questo, attraverso il supervisore Movicon 11, sono monitorati i parametri di impianto di tutte le stazioni. La nuova versione installata dello Scada Movicon permette la gestione di variabili e dati per migliaia di byte I/O, oltre alla possibilità di sviluppare e controllare un numero illimitato di pagine sinottiche.

Particolarmente interessante la presenza del pacchetto “Alarm Dispatcher”, il componente di Movicon per la notifica eventi, il quale permette l’invio degli allarmi al personale tramite sintesi vocale, SMS, E-Mail, Fax e servizi di messaggistica in tempo reale. Il tutto con un alto livello di personalizzazione (gruppo utenti, invii in funzione di orari, calendari, turni e personale reperibile a rotazione). Per ogni stazione è presente una maschera che permette di abilitare o meno l’invio di SMS ai reperibili, in funzione dell’allarme o dello stato corrispondente.

La registrazione e la gestione dei dati di processo in modo semplice e veloce avviene tramite tecnologia Ftp Server e tool software Seneca quali Z-NET RTU e OPC Server IO. Z-NET RTU è un servizio di telecontrollo preposto alla schedulazione oraria, giornaliera e settimanale del download dei dati storici su uno o più anelli di connessione paralleli. Z-NET RTU gestisce i collegamenti con le stazioni remote (anche in caso di allarme) e la creazione del database nell’unità centrale da cui poi vengono elaborate, tramite tecnologie OCX, le pagine di visualizzazione degli allarmi e dei trend delle grandezze acquisite. La gestione dei dati sfrutta infine un tool Seneca denominato OPC Server IO. Si tratta di un software OPC server in grado di interfacciarsi con qualsiasi strumentazione che supporti il protocollo ModBUS slave RTU o ModBUS TCP e in particolare con le unità di telecontrollo Z-RTU. OPC Server IO offre dunque un unico ambiente integrato di scambio dati tra le stazioni remote e lo Scada. Inoltre, appoggiandosi a un server FTP pubblico (su internet), OPC Server IO è in grado di effettuare la connessione diretta via internet tramite rete GPRS (TIM) alla strumentazione Seneca situata in campo. In pratica, questo tipo di OPC Server permette al PC di supervisione di funzionare come un nodo Modbus Master.

Pagina sinottica con cartografia generale degli impianti

Pagina sinottica controllo stazione di sollevamento

Trend delle misure di livello e portata