MM Spa: il piano di telelettura della città di Milano per una gestione smart della misura idrica

 


 
   

Fabio Marelli – MM Spa
Enrico Luigi Parodi
– Watertech Spa

MM Spa sta sviluppando il piano di sostituzione massivo dei contatori in smart metering su rete fissa della città di Milano. Il progetto verrà completato entro il 2021 e, già oggi, la telelettura raggiunge più del 30% degli utenti finali. Obiettivo finale è il miglioramento del servizio acquedottistico offerto puntando sulle nuove tecnologie abilitanti il paradigma dell’industria 4.0 quali l’Internet of things e le soluzioni di Big Data Analytics e integrando i sistemi di supervisione degli impianti (DSS-SCADA) con i dati acquisiti giornalmente dagli smart meter.

Il progetto si configura come un sistema complesso costituito dai seguenti componenti:

  • Smart meter: gli smart meter installati sono di due tipologie:
  • Smart meter meccanico MID dotato di emettitore lancia-impulsi e centralina elettronica di acquisizione e trasmissione dati in radiofrequenza 169 MHz
  • Smart meter statico elettromagnetico MID dotato di centralina elettronica di acquisizione e trasmissione dati in GPRS (per grandi utenze)

Gli smart meter permettono la rilevazione dei volumi giornalieri e mensili erogati all’utenza, delle portate orarie, la gestione di allarmi e alert in caso di manomissione e/o guasto, presunta perdita a valle del contatore e rilevazione dello stato della batteria.

  • Sensori di pressione: i sensori di pressione sono installati nei punti critici della rete e sono di due tipologie:
  • Trasduttore di pressione completo di centralina di controllo dotata di alimentazione elettrica e collegamento alla rete di fibra ottica aziendale;
  • Trasduttore di pressione completo di datalogger a batteria e comunicazione UMTS (3G/4G) verso il database aziendale Historian;

La prima tipologia di sensori permette una misurazione in continuo della pressione di rete e risulta direttamente interfacciata con il sistema SCADA aziendale. La seconda tipologia di sensori prevede un campionamento della misura di pressione con frequenza configurabile (fino ad un minimo di un minuto) ed una comunicazione giornaliera con il Database Historian dei dati di pressione massima-minima-media giornaliera e pressione campionata con georeferenziazione del punto di misura. Inoltre, i sensori prevedono l’impostazione di livelli soglia di allarme con comunicazione istantanea.

  • Concentratori: i concentratori raccolgono e accentrano i dati trasmessi in radiofrequenza dagli smart meter meccanici distribuiti lungo la rete idrica e li trasmettono ai server per l’elaborazione degli stessi; servono quindi da interfaccia tra gli smart meter meccanici e il Sistema di Accesso Centrale delle Telecomunicazioni (SAC-T).
  • Sistema di Accesso Centrale delle Telecomunicazioni (SAC-T): i dati provenienti dai concentratori vengono inviati al sistema SAC-T, costituito da server dedicato e relativo software, che gestisce la rete radio ed i concentratori al fine di monitorare la corretta trasmissione dei dati al sistema SAC-M.
  • Sistema di Accesso Centrale delle Misure (SAC-M): il SAC-M, costituito da server dedicato e relativo software, riceve i dati dagli smart meter statici e dal SAC-T ed effettua il processo di data cleansing con eventuale rimozione dei dati corrotti e/o duplicati. Pertanto, il SAC-M predispone correttamente i dati per il database aziendale Historian.
  • Database Historian: il sistema prevede un database dedicato (i.e. database Historian) per la raccolta e l’archiviazione di tutti i dati resi disponibili dai sensori di portata e pressione sulla rete, per poi trasmetterli in maniera organizzata al software di monitoraggio e controllo.
  • Software DSS: il software di elaborazione DSS è basato su un approccio matematico con programmi di ottimizzazione lineare, misto-intera ed euristici in combinazione con programmi di modellizzazione idraulica. Tale software è necessario al funzionamento del bene complesso in quanto effettua le analisi dei dati resi disponibili dai sensori di campo per monitorare lo stato della rete in termini di pressioni e portate trasportate. In particolare, i dati messi a disposizione dagli smart meter, in combinazione con i dati di pressione rilevati ai punti critici di rete, vengono analizzati per verificare (e se necessario correggere) il profilo della curva di domanda inserita nel modello idraulico. Inoltre, il software DSS monitora le portate immesse in rete dalle differenti stazioni di pompaggio gestite da MM, attraverso lo SCADA, e li confronta con i dati di consumo evidenziando se vi siano eventuali incongruenze che devono essere analizzate al fine di migliorare la gestione della risorsa idrica; ad esempio adeguando il modello idraulico utilizzato dall’algoritmo del software DSS. Una volta eseguite le eventuali modifiche ai profili di domanda del modello idraulico viene eseguito un loop di controllo per verificare che le anomalie emerse dalla comparazione dei dati siano state risolte.

Il DSS, con una frequenza di 30 minuti, interroga lo SCADA contenente i dati di campo e li analizza al fine di calcolare un profilo ideale di distribuzione ottimizzando lo scheduling di azionamento dei differenti pompaggi per le 24 ore successive; inoltre offre la possibilità di considerare eventuali vincoli operativi in caso di fuori servizi o manutenzioni di eventuali stazioni di pompaggio, garantendo il livello di servizio richiesto con il minore costo energetico disponibile, attraverso la migliore pianificazione di ogni singola pompa.

I principali dati che il DSS riceve in ingresso per fornire in output la pianificazione ottimale della rete sono i dati relativi alle stazioni di pompaggio resi disponibili dallo SCADA e le misure di pressione e portata provenienti dai sensori di campo (smart meter e sensori di pressione precedentemente citati).

  • Pannello di controllo dedicato: il pannello di controllo dedicato al sistema in oggetto è stato installato nella control room di MM e consente la visualizzazione da remoto dei trend di consumo raccolti su base giornaliera, suddivisi a seconda delle 5 aree precedentemente definite (Nord, Sud, Ovest, Est, Centro). Alcuni dei trend visualizzabili sono riportati di seguito:
  • Profili di domanda nelle 24 ore
  • Volume consegnato su base oraria e giornaliera
  • Evoluzione consumi di rete
  • Volume erogato per singola stazione
  • Confronto tra consumi previsti e consumi reali
  • Percentuale scheduling eseguiti
  • Livello vasche di accumulo
  • Impostazione avanzate gruppi di spinta

Oltre alla visualizzazione geografica è disponibile un grafico del volume giornaliero per ogni settore. La generazione dei trend è di tipo automatico, con la possibilità di scegliere la finestra temporale richiesta e di personalizzare le scelte di visualizzazione. Il pannello inoltre permette la gestione degli allarmi modificando e personalizzando le soglie ed i limiti per ogni zona prescelta.

In alternativa alle componenti SAC-M e DB Historian, MM sta valutando di acquisire un sistema di Meter Data Management (MDM), costituito da hardware dedicato e relativo software, che presenta le stesse funzionalità (i.e. data cleansing e storage) e modalità di trasmissione dati delle due componenti sopra citate.

Schema che illustra graficamente il sistema di telecontrollo e telecomando degli impianti dell’acquedotto di Milano integrato con i dati provenienti dagli smart meter.

Come mostrato nella figura, il sistema di monitoraggio descritto (costituito da sensori di pressione, smart meter, concentratori, SAC, DB Historian, software DSS e pannello di controllo dedicato) scambia dati con il sistema informativo aziendale SCADA attraverso il protocollo di comunicazione TCP/IP. Tale protocollo permette l’identificazione univoca degli assett (visto come sistema complesso) e di tutte le sue componenti. In particolare, la comunicazione è bidirezionale e prevede lo scambio dei seguenti dati principali:

  • Dati di pressione provenienti dai sensori di pressione con centralina di controllo che, attraverso lo SCADA, sono resi disponibili per il software DSS
  • Dati relativi allo scheduling di azionamento delle differenti stazioni di pompaggio, che dal software DSS, attraverso lo SCADA, arrivano alle stazioni.

Inoltre, il sistema prevede l’interconnessione di tutte le componenti che lo costituiscono per mezzo di standard di comunicazione disponibili sul mercato, di seguito elencati.

  • I dati relativi alla portata sono trasmessi in radiofrequenza dagli smart meter meccanici (protocollo Wireless M-Bus EN13757-4 mode N, 169 MHz o similari) ai concentratori che comunicano con il SAC-T mediante rete mobile GPRS/UMTS (o similare). Un sistema di crittografia permette inoltre di garantire la sicurezza del dato e la visibilità differenziata a seconda delle impostazioni di ciascun utente.
  • Il sistema SAC-T invia i dati al sistema SAC-M tramite la fibra ottica
  • Gli smart meter statici comunicano direttamente con il SAC-M mediante rete mobile GPRS.
  • Il sistema SAC-M interroga e comunica con il DB Historian tramite il linguaggio SQL.
  • Il Database Historian riceve i dati dai sensori di pressione a batteria attraverso la rete mobile (protocollo UMTS 3G/4G o simili) e comunica con il software DSS tramite protocollo Modbus TCP/IP (o protocolli similari).

Al fine di un’esatta identificazione dello stato della rete e di una corretta attuazione della strategia di distribuzione pianificata, ogni singolo componente viene identificato univocamente per mezzo di un codice tag che permette di identificarlo anche dal pannello di controllo.

Finalità e benefici

Le principali finalità che il progetto permetterà di perseguire sono riportate di seguito:

  • Tracciatura della qualità del servizio offerto in maniera documentata in termini di:
    • monitoraggio costante delle portate e pressioni della rete di distribuzione dell’acquedotto
    • individuazione di perdite, prelievi abusivi, guasti, frodi e altre problematiche anche al fine di migliorare la tempestività di interventi;
  • analisi automatizzata del bilancio idrico con conseguente analisi delle perdite e ottimizzazione della gestione idraulica della rete;
  • gestione delle stazioni di pompaggio al fine di ottimizzare il consumo energetico e di rispettare i necessari livelli di qualità del servizio.

Tuttavia data la grande quantità di dati che il sistema in oggetto elabora e la versatilità delle indicazioni che fornisce, esso trova riscontro pratico anche per finalità a corollario come ad esempio:

  • analisi puntuale e automatizzata delle inefficienze per consentire l’individuazione di successivi interventi localizzati o su grande scala volti al risparmio energetico (progetti d’efficientamento);
  • ottimizzazione del processo di Budgeting, Planning and Forecasting dei consumi energetici;
  • personalizzazione, implementazione e monitoraggio dei principali KPI e dei risparmi energetici derivanti da eventuali investimenti di miglioramento dell’efficienza energetica;
  • quadratura del vettore, tra misure distribuite e misure immesse, per verificare le congruenze delle varie letture.

 

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