Forum Telecontrollo Reti Acqua Gas ed Elettriche Torino, 3-4 novembre 2011

La telegestione GPRS WEB degli scarichi conciari della Valle del Chiampo

Un controllo efficiente per un processo industriale ecosostenibile

Ing. Massimiliano Cravedi – General Manager Xeo4 s.r.l.

La sfida del mercato M2M

Complessità

Bisogni Business

• Alti livelli di servizio • Informazioni accurate• Contenimento costi• ROI

Distribuzione Territoriale

Trasmissione dati

Parametri eterogenei

Gestione IT

MonitoraggioTelecontrolloTelegestione

• Monitoraggio continuo• Rapido start-up• Integrazione• Flessibilità

Il Committente

Acque del Chiampo S.p.A. è il gestore del servizio idrico integrato dell’A.T.O. Valle del Chiampo. La società si occupa della gestione dei servizi acquedotto, fognatura e depurazione di 10 comuni in provincia di Vicenza.

Il territorio su cui opera la Società è caratterizzato dalla presenza del polo conciario vicentino, che determina un notevole impatto ambientale.

Il progetto• Acque del Chiampo S.p.A. provvede al

controllo dello scarico delle industrie del polo conciario, circa 160 aziende allacciate ad una rete fognaria specifica, confluente all’impianto di depurazione di Arzignano

• Il controllo dello scarico delle varie aziende è fondamentale per la valutazione del carico inquinante, pari a circa 1.500.000 abitanti equivalenti, e per il corretto funzionamento dell'impianto di depurazione di tali scarichi

• Allo scopo ogni azienda collegata alla fognatura è dotata di sistemi di misura della portata e campionamento dello scarico, il tutto gestito da sistemi automatici

Il depuratore di Arzignano

Le esigenzeIl sistema di telecontrollo richiesto deve essere scalabile e adattabile alle

varie tipologie di impianti, e soddisfare le seguenti esigenze:

• trasmissione dei dati in tempo reale• immediatezza e qualità del dato raccolto• tecnologia della connessione “always-on” su rete GPRS• comunicazione GPRS ottimizzata ed immune ai vincoli di rete IP• telecontrollo in service, senza onere di acquisto e gestione delle

apparecchiature e dei software• accesso ai dati mediante portale WEB• alto livello di continuità del sistema (SLA 99,9%)• trasferimento automatico dei dati raccolti nel sistema informativo

aziendale per successive elaborazioni• sistema di telecontrollo unico e standard per tutti gli impianti

(anche se tecnicamente molto differenti tra loro)

La soluzione

Software

Servizi

Hardware

La Soluzione

Performance elevate

Accelerazione del ROI

Fruibilità worldwide

Bassi costi operativi

Semplicità d’uso

Sicurezza elevata

La soluzione proposta è una combinazione di più elementi: hardware, software e servizi. Semplice ed innovativo. L’hardware di campo (RTU GPRS ModBus oppure con I/O) viene fornita in comodato d’uso. I dati rilevati, opportunamente codificati, sono trasmessi ai server centrali attraverso un router GPRS integrato. Le informazioni raccolte ed immagazzinate nel centro di telecontrollo sono protette da opportuni livelli di sicurezza che consentono l’accesso esclusivo agli operatori direttamente interessati. L’utente collegandosi ad Internet entra nel sito Web digitando una password e interagisce in “tempo reale” con le stazioni remote senza dover allestire un proprio centro di telecontrollo e senza dover installare alcun software sul proprio personal computer. Tutto questo a fronte di un contenuto canone di servizio e senza alcun investimento iniziale.

L’architettura

• Monitoraggio continuo in tempo reale

• Accesso simultaneo a tutti i dispositivi

• Network di punti monitorati• Accesso ai dati via web tramite

browser standard

Innovazione tecnologica

Field

Rep

osito

ry

Clien

te•Tutto sempre sotto controllo

•Zero costi di Infrastruttura

RTU FieldFunzionalità:

• Stazione remota collegata al PLC di campo mediante protocollo ModBus RTU

• Stazione remota collegata ai segnali di campo mediante I/O on-board

• Acquisizione dati in “real time” e trasmissione su rete GPRS su APN pubblico

• Parametri di misura configurabili dall’utente

• Connessione always-on con il centro di telecontrollo

• Algoritmo di compressione dati per minimizzare il traffico e i costi di trasmissione

• Datalogging in memoria tampone per evitare la perdita dei dati in caso di mancata connettività

Hardware

Sicurezza

Bassi costi operativi

Performance elevate

Il Software

Software

Indipendenza

Semplicità d’uso

Performance elevate

I tre applicativi principali che consentono la massima funzionalità del sistema sono:

Engine: per la gestione della comunicazione simultanea con i dispositivi in campo

Database: MS SQL Server centralizzato

Web: è l’HMI del sistema fruibile da un comune browser Internet ed è composto da differenti moduli software liberamente configurabili

Il livello utenteE’ costituito da un personal computer o un dispositivo mobile connesso ad Internet.

L’unico requisito è disporre di un comune browser web e di un collegamento ad Internet

Per ottenere questo livello di semplicità e per garantire alti livelli di affidabilità si è ritenuto opportuno alloggiare i server in co-location presso uno dei data center più all’avanguardia d’Italia con altissimi livelli di continuità del servizio erogato.

ServiziEconomicità

Flessibilità

Mobilità

L’implementazionePresso gli impianti della società Acque del

Chiampo S.p.A. sono attive le periferiche di telecontrollo installate a monitoraggio degli scarichi delle industrie conciarie e delle stazioni di sollevamento della fognatura civile.

La criticità più elevata del sistema è data dal costante controllo qualitativo e quantitativo dello scarico delle circa 160 concerie insediate nella valle del Chiampo.

Per aumentare la robustezza e l’affidabilità del sistema in campo si è progettata un’architettura standard e replicata per ogni conceria composta da:

• un PLC industriale con elevata capacità di calcolo ed in grado si svolgere localmente tutte le automazioni con alte performance

• una periferica in grado di mantenere una connessione permanente e bidirezionale con i server centrali

Il PLC e il dispositivo sono connessi tramite protocollo Modbus RTU, su bus RS-485.

L’interfaccia WEB

Caratteristiche del servizioLa soluzione installata presso la società Acque del Chiampo S.p.A. permette di:

• mantenere una connessione permanente e bidirezionale tra gli impianti telecontrollati ed il centro di telecontrollo indipendentemente dal tipo di indirizzo IP assegnato dall’operatore (IP dinamico pubblico o IP privato) e dalle proprie politiche di rete

• analizzare i dati dal campo (sia relativi agli I/O che al ModBus) e trasmettere unicamente le variazioni significative limitando il volume dei dati trasmessi

• incrementare in maniera consistente efficienza ed affidabilità nella comunicazione GPRS• utilizzare un qualsiasi operatore mondiale su APN pubblico• garantire un costante aggiornamento tecnologico del sistema• inviare comandi, setpoint ed azionamenti da remoto• accedere al sistema da più utenti simultaneamente (anche in mobilità)• visualizzare i dati degli impianti su comuni telefoni cellulari (smart-phone)• generare grafici aggregando dati da più stazioni differenti (con formule matematiche)• fruire di un sistema scalabile e con alti livelli di servizio (SLA del 99.9%)

GPRS: vantaggi e criticitàGPRS – General Packet Radio Service

Il GPRS è un sistema di comunicazione IP-based che utilizza il trasferimento di dati a pacchetto.Normalmente il costo delle comunicazioni GPRS viene calcolato in base alla quantità di dati ricetrasmessi, mentre nelle reti commutate il costo è in funzione del tempo di connessione. Questo perché, in quest'ultimo tipo di rete, l'intera larghezza di banda disponibile è occupata anche quando nessun dato è in corso di trasferimento.

La pacchettizzazione dei dati è realizzata dal GPRS occupando, per la trasmissione, le frequenze di una cella radio.Il massimo limite teorico per la velocità è di 171,2 Kbit/s (utilizzando tutti e gli 8 time-slot disponibili), ma più verosimilmente ci si attesta intorno a 30-50 kbit/s.La velocità dipende dal modello di cellulare/terminale usato (classe del cellulare) e dal numero di utenti collegati per cella fra cui è frazionata la banda che, a sua volta, è funzione della densità abitativa del luogo, della contemporaneità delle connessioni nella stessa BTS, dalla distanza fra il terminale e l'antenna più vicina.

Nonostante gli operatori telefonici assegnino una priorità più bassa al GPRS rispetto al canale audio (per la marginalità economica che la comunicazione audio consente di avere), il servizio dati viene comunque garantito pur con limitazioni sulla banda disponibile. Questo in termini pratici si traduce nella possibilità di comunicare anche in condizioni di elevata congestione della rete telefonica.

L’adozione della rete cellulare GPRS rappresenta una soluzione ideale nei sistemi di telecontrollo, nei quali devono essere gestiti un elevato numero di stazioni remote con un contenuto volume di dati da trasmettere.Tuttavia, a causa della scarsità degli indirizzi IP disponibili a livello mondiale, l’operatore telefonico applica quasi sempre delle politiche di NAT (Network Address Translation) e/o restrizioni (firewalling) sulla propria rete IP. Questo rende assai complessa l’identificazione di ogni singola stazione remota collegata alla rete pubblica internet via GPRS.

GPRS: IP privati o pubbliciLo standard GPRS non prevede la possibilità di stabilire una comunicazione verso il terminale mobile (al contrario della modalità GSM dati). E' quindi indispensabile che la connessione venga instaurata ad opera del terminale remoto verso la rete dell'operatore (APN). Questo vincolo fondamentale implica che il terminale debba essere dotato di intellingenza a bordo (non può essere un semplice modem).

In base all’operatore telefonico utilizzato, verrà assegnato al modem GPRS un indirizzo IP pubblico o privato. L’indirizzo è comunque sempre dinamico.Se l’indirizzo IP è pubblico il modem GPRS può accedere ai servizi Internet e il centro di controllo può comunicare in maniera bidirezionale a patto di conoscere l’indirizzo IP temporaneamente assegnato alla stazione remota e se il provider non applica regole di firewalling in ingresso.Se l’indirizzo IP è privato significa che l’operatore applica una regola di NAT. In questo caso il centro di telecontrollo non potrà contattare il dispositivo remoto dall'esterno. Questa procedura è largamente diffusa tra gli operatori telefonici a causa della scarsità degli indirizzi IP (assegnarlo in maniera pubblica significa disporre di tanti indirizzi IP quante sono le connessioni attive GPRS/UMTS i tutti i clienti dell’operatore).

Una possibile soluzione consiste nell’utilizzo di un router che instauri una VPN (Virtual Provate Network) con il centro di telecontrollo. Questa soluzione tecnicamente valida non garantisce però alcun criterio di ottimizzazione dei flusso dei dati (il GPRS è tariffato a volume) in quanto risulta essere trasparente al protocollo che il centro di telecontrollo (SCADA) adotta.

La soluzione adottata nel progetto si basa sull'utilizzo di un router GPRS intelligente in grado di:• mantenere una connessione permanente e bidirezionale con il centro di telecontrollo indipendentemente dal tipo di indirizzo IP assegnato dall’operatore e dalle proprie politiche di rete• analizzare i dati dal campo (sia relativi agli I/O che al ModBus) e trasmettere unicamente le variazioni significative limitando il volume dei dati trasmessi

GPRS: accesso ai terminali

La rete GPRS non permette connessioni punto-punto verso il terminale mobile.

NATIl NAT (network address translation) è una tecnica che consiste nel modificare gli indirizzi IP dei pacchetti in transito su un sistema che agisce da router. Storicamente il NAT si è affermato come mezzo per ovviare alla scarsità e al costo di indirizzi IP pubblici disponibili. Le tecniche utilizzate per risparmiare indirizzi IP pubblici rendono i terminali non direttamente raggiungibili da Internet, per cui spesso questa configurazione viene scelta anche per ragioni di sicurezza.Una possibile soluzione per ovviare alla scarsità degli indirizzi IP è l’IPv6 come meglio descritto successivamente.

NAT

Router

Firewall

Private IP: 192.168.0.150

Private IP: 192.168.0.135

Private IP: 192.168.0.144

Public IP: 109.113.17.11

IPv6L’IPv6 è la versione dell‘Internet Protocol che succede a IPv4 (quella attuale).La sua caratteristica più importante è il più ampio spazio di indirizzamento: IPv6 gestisce fino a circa 4 × 1038 indirizzi, mentre IPv4 gestisce soltanto fino a circa 4 × 109 indirizzi.

Si prevede che il protocollo IPv4 verrà utilizzato fino al 2025 circa, per dare il tempo necessario ad adeguarsi e correggere gli eventuali errori, benché le predizioni di un completo esaurimento degli indirizzi IPv4 si attesti per l’anno 2016.

Le nuove richieste per dispositivi "always-on" (come ADSL) e la proliferazione di dispositivi mobile wireless come (PDA, smart-phone, blackberry), stanno accellerando il problema dell’esaurimento degli IP. Nazioni popolose come l’India e la Cina, inoltre, stanno rapidamente crescendo ed è probabile che presto ci saranno più di 4 miliardi di dispositivi privati "always-on" connessi ad Internet.

La soluzione a lungo termine per risolvere il problema è la transizione a IPv6 che si preannuncia come un processo lungo e complesso che richiederà molto tempo.Per le applicazioni di telecontrollo su rete GPRS, la soluzione proposta è immune alle problematiche di indirizzamento IP gestite con politiche di NAT.

Caratteristiche sistema TLCS.L.A. Server Farm 99,9%

Numero max di utenti connessi contemporaneamente Illimitato

Numero max di RTU Illimitato

Numero max di variabili/segnali Illimitato

Criteri di sicurezza web SSL 128 bit

Data Base Centralizzato SQL esportabile via FTP/XML

Backup Incrementale giornaliero, totale settimanale

Datalogger interno per off-line period 40.000 campioni

Real Time Clock Sincronizzato al server e allineato all’orologio atomico

Aggiornamento firmware Automatico Server Broadcast via GPRS

Tipo di collegamento GPRS always-on – router radiomodem quadri-band

Tipologia di SIM TIM M2M a volume

Compatibilità con Operatori Telefonici Totale con tutti gli operatori worldwide

Lingua del portale WEB Riconosce automaticamente la lingua del browser e traduce il testo in Italiano, Inglese, Tedesco, Francese e Portoghese

Trasmissione dei dati RTU/Server Farm Crittografata e compressa

Un incremento d’efficienzaControllo degli impianti e tutela del depuratore dagli scarichi non autorizzati Costante

Accesso al sistema, lettura e forzatura delle variabili (anche in mobilità) Immediato

Accesso selettivo alle informazioni anche per i clienti della depurazione industriale Consentito

Trasferimento dei dati di telemetria al sistema informativo aziendale Automatico

Riduzione dei costi per la generazione dei rendiconti ai clienti 50 %

Riduzione dei tempi di fermo impianti e conseguenti disservizi all’utenza 45%

Soddisfazione percepita degli utenti industriali e civili Incrementata

Tempo necessario (time-to-market) per attivare il telecontrollo su una nuova stazione e ottenere i dati on-line

60 minuti

Tempo di fermo impianto in caso di sostituzione periferica per guasto

(un parco di dispositivi “spare” è sempre a disposizione dell’utente)15 minuti

Competenze specifiche richieste per l’installazione e configurazione Minime

Cost reductionRiduzione dei costi di gestione/manutenzione degli impianti e dei mezzi operativi 45%

Inserimento nell’organico di risorse specifiche dedicate al telecontrollo (sistemisti, programmatori, ecc)

Non necessario

Costo per acquisto hardware specifico di campo (RTU)Nullo (comodato d’uso

gratuito)

Costo per gestione del magazzino ricambi RTUNullo (spares a titolo

gratuito)

Costo per allestimento e manutenzione centro di telecontrollo Nullo

Costo per acquisto/aggiornamento licenze software Nullo (browser internet)

Ammortamenti e cespiti Nessuno

Canone di servizio per il sistema di telecontrolloRidotto e detraibile

nell’esercizio corrente

Costo medio mensile traffico dati GPRS / RTU <10 € su APN pubblici

La soddisfazione del Cliente

“Il servizio di telecontrollo ci ha consentito di essere operativi con un sistema di monitoraggio a distanza in poco tempo e senza nessun costo di investimento iniziale.

Ci sta permettendo di gestire in modo ottimale l’aspetto più critico della gestione dei nostri impianti, grazie al costante monitoraggio remoto in tempo reale.

Tutto ciò si traduce in un notevole aumento di efficienza, elevata certezza dei dati e massima sicurezza per tutto il sistema idrico integrato e per l’ambiente circostante.”

Ing. Lorenzo ASSO – Direttore Tecnico Acque del Chiampo S.p.A.

Tipologia di RTU

Digital & Analogue Input/Output

Protocols (Modbus) over RS232/RS485

Transparent Ethernet

Cloud VPN

GPRS

UMTS/HSDPA xDSL

Ethernet

Wi-Fi

SatelliteSMS

Carrier

Field

Rilheva STD

Rilheva ModBus

Rilheva Router

EECHORilheva

LAN

Rilheva ModBus-LAN

La modularità del software

• “Rilheva Profile” per definire illimitati livelli di accesso ad illimitati utenti

• “Rilheva Storico” per incrementare gli storici online fino a 60 mesi

• “Rilheva Backup” consente di avere ogni anno un backup su supporto ottico di tutti i dati storici di tutte le stazioni

• “Rilheva Esportazione” per trasportare i dati dai server Xeo4 al cliente attraverso XML e FTP

• “Rilheva Allarmi” consente di inviare allarmi con calendario di reperibilità ed escalation dell’allarme in modalità SMS, sintesi vocale, mail, fax

• “Rilheva Reports” consente di pianificare la generazione automatica di report personalizzati

• “Rilheva Mobile” per accedere, consultare e modificare i dati da cellulare e smart-phone

• “Rilheva GeoMap” consente la visualizzazione georeferenziata di tutti gli impianti con motore GoogleMaps integrato

• “My Rilheva” per effettuare pagine custom riepilogative, statistiche e bilanci correlando dati di più stazioni differenti

• “Rilheva Automazione Distribuita” permette di definire regole di automazione tra stazioni differenti

• “Rilheva Video” per ottenere immagini ad alta risoluzione in tempo reale

• “Rilheva Expression” è un editor online di formule matematiche per generare indici di efficienza degli impianti

Il modulo base di Rilheva® per il puro monitoraggio si completa di un vasto numero di moduli software aggiuntivi, modellando la soluzione alle proprie esigenze e ottimizzando i costi di servizio. Di seguito sono elencati alcuni dei moduli software disponibili: