L’impianto elettrico domotico, l’evoluzione tecnologica dell’impianto elettrico tradizionale

Introduzione

Con il trascorrere degli anni e con la continua evoluzione tecnica dei materiali e dei componenti, l’impianto elettrico negli edifici civili e non solo ha integrato sempre più il suo ambito originario di semplice distribuzione di energia elettrica con la moderna tecnologia Home and Building Automation (HBA) più conosciuta con il termine Domotica, parola composta dall’insieme di  “domus”, che in latino significa casa, e “robotica” disciplina dell’ingegneria  che si occupa di studiare i metodi che permettono ad una macchina di realizzare il lavoro umano; nello specifico dello sviluppo di tutte quelle tecnologie mirate a migliorare la qualità della vita in tutti i luoghi abitati.

In realtà la Home Automation riguarda tutti i sistemi di automazione che interessano una singola abitazione fornendo servizi soprattutto a persone che in genere non hanno grande dimestichezza con sofisticate apparecchiature elettroniche per cui generalmente è composta da dispositivi che non necessitano di particolare competenza tecnica specifica, si pensi ad esempio a persone anziane o disabili che attraverso un semplice telecomando o un comando vocale possono utilizzare tutte le funzionalità di un impianto; mentre la Building Automation riguarda tutti i sistemi di automazione riferiti alla gestione di interi edifici in ambito residenziale (grandi condomini, alberghi), produttivo (fabbriche), assistenziale (ospedali, scuole), commerciale (negozi, centri commerciali) rivolgendosi prevalentemente ad operatori particolarmente esperti e per questi motivi gestisce funzionalità tecnicamente molto più complesse ed avanzate.

Tramite l’utilizzo combinato di elettrotecnica, elettronica, informatica e telecomunicazioni la domotica studia e realizza sistemi integrati per l’automazione di processi e controlli attraverso i quali è quindi possibile ottenere una migliore qualità della vita, maggiore sicurezza e soprattutto un notevole risparmio dei consumi energetici, Fig.1.

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Fig.1 Architettura di un sistema domotico

Le funzionalità che possono essere automatizzate attraverso l’impiego di un sistema domotico si possono distinguere nelle seguenti categorie:

  • gestione e controllo dei carichi fanno parte di questa categoria tutti gli elettrodomestici cosiddetti “bianchi” ovvero frigoriferi, forni, lavatrici, lavastoviglie, scaldabagni, ecc; per ogni carico è possibile oltre alla gestione e la diagnosi manutentiva anche il controllo a distanza;
  • gestione ambientale rientrano in questa categoria l’illuminazione, la climatizzazione e la gestione dell’acqua; ad esempio per l’illuminazione è possibile regolare l’intensità luminosa artificiale negli ambienti interni in funzione della luce naturale alzando o abbassando tapparelle o tende esterne, oppure è possibile regolare l’intensità luminosa di un punto luce in funzione di un evento come l’accensione del televisore; per la climatizzazione è possibile coordinare il sistema di riscaldamento o di raffrescamento con la ventilazione artificiale o l’apertura e la chiusura di finestre permettendo la regolazione della temperatura di ogni ambiente indipendentemente dalle condizioni atmosferiche presenti all’esterno; per la gestione dell’acqua è possibile programmare nel tempo e in funzione delle condizioni metereologiche l’irrigazione di giardini, piante e serre;
  • gestione della sicurezza rientrano in questa categoria le attività di antintrusione e videosorveglianza, la protezione da incendi, fughe di gas e allagamenti, richieste automatiche di soccorso per via telefonica soprattutto nel caso di persone anziane sole o a rischio;
  • gestione dell’informazione e della comunicazione ricadono sotto questa categoria il citofono, il videocitofono, il telefono, la fibra ottica, la ricezione televisiva e satellitare, la diffusione sonora, i servizi a distanza (teleservizi); con l’impiego di un sistema domotico ad esempio è possibile ascoltare in qualsiasi punto della casa un programma radiofonico o vedere su un monitor un dvd, oppure indirizzare e/o registrare le comunicazioni telefoniche e/o televisive su determinate apparecchiature.

Il sistema domotico

La caratteristica principale di un impianto domotico è quella di utilizzare una vasta gamma di dispositivi capaci di comunicare tra loro all’interno di un sistema di gestione intelligente globale che comprende tutte le tipologie di impianto: elettrico, elettronico, idraulico, allarme e videosorveglianza, antincendio, dati; di conseguenza l’elemento fondamentale che caratterizza questo tipo di impianto è la rete di comunicazione ovvero un sistema composto da una linea fisica di comunicazione che collega i vari componenti denominata mezzo di trasmissione opiù genericamente BUS dal latino “omnibus” che significa per tutti ed è per questo motivo che la sua corretta pronuncia deve essere Bus e non erroneamente Bas come avviene in genere cercando di “inglesizzare” qualsiasi termine elettrico/elettronico; e una parte digitale che costituisce il linguaggio di comunicazione detta protocollo di comunicazione.

In pratica un sistema domotico è composto da una linea BUS che per mezzo di un protocollo di comunicazione digitale permette il dialogo tra le seguenti categorie di dispositivi, vedi figura 2:

  • dispositivi di uscita sono specifiche interfacce elettroniche che attraverso opportuni componenti vengono utilizzate dall’utente per attuare il controllo e la realizzazione delle varie necessità come ad esempio accendere le luci, programmare la temperatura ambiente, attivare l’irrigazione delle piante, ecc. Sono i dispositivi di comando come interruttori, pulsanti, deviatori, programmatori radio, schermi touch-screen e i dispositivi sensori che raccolgono i segnali provenienti dall’ambiente come i sensori di temperatura, di fughe di gas, di allagamento, gli anemometri, ecc;
  • dispositivi di ingresso sono specifiche interfacce elettroniche denominate attuatori che raccolgono i segnali provenienti dai dispositivi di uscita e interfacciano la rete elettrica con i vari componenti dell’impianto come ad esempio l’alimentazione delle luci, l’apertura di porte e finestre, l’accensione o lo spegnimento degli elettrodomestici, l’attivazione di una pompa antiallagamento o la chiusura di un’elettrovalvola in caso di eventuali fughe di gas.
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Fig.2: Collegamento di un sistema domotico

I vantaggi di un sistema domotico sono molteplici, dalla separazione fisica tra le linee di potenza e quelle di comando, alla semplicità dell’installazione e dei collegamenti fino alla notevole riduzione della quantità di cavi impiegati, ma quello più importante è senza dubbio la possibilità di cambiare in qualsiasi momento la configurazione dell’impianto senza intervenire sui collegamenti. Infatti sfruttando le potenzialità del protocollo di comunicazione ad ogni dispositivo dell’impianto viene assegnato un proprio “nome” (indirizzo), per cui ogni componente sa cosa deve fare e quando lo deve fare ma soprattutto con quali altri dispositivi deve farlo; in questo modo ad esempio si può variare in ogni momento la funzione di un interruttore o le azioni di un sensore semplicemente riprogrammando gli indirizzi a cui impartire i comandi, in questo modo ad esempio un interruttore può diventare un deviatore oppure un sensore di luminosità può intervenire sia sulle tapparelle che sull’illuminazione  crepuscolare del giardino semplicemente riprogrammando il sistema.

I sistemi domotici vengono classificati in base alla loro architettura, ovvero al modo in cui i vari dispositivi sono collegati e comandati nonché alla funzione dell’unità di comando, nei seguenti tipi:

  • centralizzata in questo tipo di architettura esiste una sola unità di comando centralizzata, i comandi sono gestiti unicamente dall’unità centrale in base alla programmazione della sua memoria interna; i vari dispositivi connessi al sistema non sono in grado di comunicare tra loro, le informazioni provenienti dai sensori e dai comandi e diretti agli attuatori sono sempre gestiti dall’unità di comando centralizzata, figura 3;
Architettura centralizzata

Fig.3  Architettura centralizzata

  • distribuita in questo tipo di architettura tutti i dispositivi possiedono una intelligenza propria per cui sono in grado di eseguire determinate funzioni autonomamente; ad ogni dispositivo viene assegnato un nome (indirizzo) univoco, in questo modo attraverso un protocollo di comunicazione tutti i dispositivi sono in grado di comunicare tra loro permettendo la realizzazione di determinate funzionalità, figura 4;
Architettura distribuita

Fig.4 Architettura distribuita

  • mista associa una unità di comando centralizzata ad una serie di centrali derivate dislocate nell’edificio che comunicano tra loro, è questa un’architettura molto efficiente ma molto complessa adatta soprattutto per la Building Automation, figura 5.
Architettura mista

Fig.5 Architettura mista

Il mezzo di trasmissione

Il mezzo di trasmissione più comunemente definito BUS (Binary Unit System), è il sistema impiegato per il collegamento fisico di tutti i dispositivi di un impianto domotico; in genere la scelta del mezzo trasmissivo più idoneo deve essere fatta in funzione dell’analisi dell’ambiente in cui deve essere effettuata la connessione, ovvero alla sua estensione, alla velocità di risposta ai comandi, all’immunità ai disturbi, non trascurando un giusto compromesso tra costi e prestazioni del sistema.

I mezzi trasmissivi possibili per la realizzazione di una rete domotica sono:

  • onde convogliate (PL, Power Line) consiste nell’utilizzazione della rete di distribuzione dell’energia elettrica che alimenta i vari componenti dell’impianto, in pratica la tensione di rete distribuita viene modulata con i segnali da trasmettere per cui tutti i componenti del sistema vengono collegati tra fase e neutro attraverso opportune interfacce di disaccoppiamento, la comunicazione è bidirezionale ma la trasmissione nelle due direzioni non può essere simultanea per questo motivo la velocità di trasmissione risulta notevolmente bassa; questo sistema è particolarmente adatto in caso di impianti esistenti dove non sarebbe possibile l’installazione di nuovi cavi, per contro questo sistema è potenzialmente molto instabile, la rete elettrica infatti è soggetta a distorsioni e disturbi imprevedibili che rendono necessaria l’adozione di particolari filtri di linea sull’impianto; le regole di connessione sono stabilite dalla norma EN 50065-1 “Trasmissione del segnale su reti elettriche a bassa tensione nella gamma di frequenza da 3 kHz a 148,5 kHz – Parte 1: Prescrizioni generali, bande di frequenza e disturbi elettromagnetici”;
  • radiofrequenza (RF, Radio Frequency) mediante questa tecnologia è possibile trasmettere informazioni tra un componente e l’altro senza un collegamento fisico ma impiegando le onde elettromagnetiche in genere di frequenza 433 MHz, 868 MHz e 2,4 GHz modulate in frequenza, ad esempio attraverso gli standard Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth. Questo sistema è particolarmente adatto in strutture di valore artistico in cui sarebbe problematica qualsiasi installazione muraria oppure nel caso di piccole modifiche in strutture esistenti; per contro i suoi limiti risiedono nel fatto che le bande di frequenza impiegabili non sono ancora standardizzate a livello mondiale, non è garantita un’adeguata sicurezza in quanto la comunicazione può essere facilmente disturbata e soprattutto si andrebbe ad accrescere notevolmente il livello di inquinamento elettromagnetico presente all’interno delle abitazioni;
  • Infrarossi (IR, Infra Red) è un sistema di collegamento senza fili che sfrutta le onde elettromagnetiche nel campo dell’infrarosso, al vantaggio dell’assenza di un collegamento fisico presentano lo svantaggio della comunicazione unidirezionale e la forte attenuazione in presenza di ostacoli;
  • fibra ottica è costituita da sottili e leggerissime fibre di vetro che sfruttano la trasmissione e la modulazione della luce (led o laser), risulta totalmente immune dai disturbi elettromagnetici ed è particolarmente indicata per collegare grandissime distanze permettendo la realizzazione di reti molto vaste ad alta velocità; per contro i cavi in fibra ottica in quanto molto delicati e con connessioni complesse richiedono particolari e costosi accorgimenti in fase di installazione, inoltre il loro costo è notevolmente alto.
  • doppino intrecciato (TP, Twised Pair) è costituito da una coppia di conduttori in rame isolati tra loro che provvede oltre allo scambio di informazioni tra i vari componenti anche alla loro alimentazione elettrica; la soluzione maggiormente impiegata è un cavo a doppino intrecciato ad elica (twistato) con passo allungato e schermato per evitare che le informazioni in transito lungo il cavo siano disturbate da interferenze elettromagnetiche. In relazione alla presenza o meno di una schermatura i doppini si distinguono, vedi figura 6, in: UTP (Unshielded Twisted Pair); FTP (Foiled Twisted Pair); STP (Shielded Twisted Pair); S-FTP (Shielded Foiled Twisted Pair).
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Fig.6: Doppini intrecciati

Il sistema bus con doppino intrecciato è quello che esalta al meglio le potenzialità dei sistemi domotici di home automation tanto da essere il mezzo di trasmissione più usato, affidabile, di facile installazione, con una buona velocità di trasmissione superiore a 100 Mb/s e soprattutto con costi notevolmente bassi.

E’ bene chiarire però, che la linea bus di un sistema domotico non deve essere considerata come una linea di trasmissione dati per telecomunicazioni e distribuzione multimediale caratterizzata da una determinata larghezza di banda e in grado di trasmettere informazioni complesse ad alta velocità, ma è una linea che deve trasmettere informazioni di qualità limitata e a bassa velocità.

A tale proposito, la norma EN 50090-9-1 “Home and Building Electronic System” definisce le seguenti classi HBES  per le linee bus:

  • classe 1 garantisce i requisiti necessari alla trasmissione di comandi e controlli;
  • classe 2 garantisce i requisiti della classe 1 più la trasmissione audio e video a bassa velocità;
  • classe 3 aggiunge ai requisiti della classe 2 la trasmissione di segnali video complessi ad alta velocità.

Negli attuali sistemi domotici vengono impiegate esclusivamente linee bus di classe 1 e 2, ad esempio la classe 1 viene utilizzata per comandi di illuminazione, riscaldamento, condizionamento, ventilazione o per allarmi antintrusione, allagamento, gas, incendio; mentre la classe 2 viene utilizzata per telefono, citofono e videocitofono, diffusione sonora, videocontrollo.

Il protocollo di comunicazione

Il sistema di comunicazione, più comunemente definito linguaggio, con cui i vari componenti dell’impianto domotico dialogano tra di loro attraverso il mezzo di trasmissione è detto “protocollo di comunicazione”  che può essere di tipo:

  • proprietario è un protocollo di comunicazione gestito esclusivamente dal produttore delle apparecchiature che non rende disponibile alcuna informazione sulle sue caratteristiche di funzionamento, per questo motivo può comunicare con apparecchiature di altri costruttori solo con l’uso di specifiche interfacce fornite dal gestore stesso del protocollo; in genere si tratta di sistemi molto economici che vengono utilizzati per realizzare impianti di piccole e medie dimensioni;
  • standardizzato o aperto è un protocollo di comunicazione aperto a qualsiasi costruttore e consente una totale interoperabilità dei componenti ovvero le specifiche di funzionamento dei dispositivi vengono rese di dominio pubblico in modo tale che qualsiasi costruttore può decidere di realizzare dispositivi interoperanti con questo protocollo. Un protocollo standardizzato, in genere, è gestito da un ente terzo (consorzio di varie aziende) che si occupa oltre che dello sviluppo tecnico anche della certificazione dei produttori e dei componenti. In pratica si tratta di sistemi di comunicazione molto complessi ed evoluti che rendono possibile la realizzazione di grandi impianti.

Attualmente esiste un grande numero di protocolli di comunicazione, di seguito vengono riportati quelli principali:

  • Bluetooth nato nel 1998 dalla collaborazione tra IBM, Intel, Ericsson, Toshiba e Nokia è utilizzato soprattutto dai maggiori produttori di apparecchiature di elettronica ed informatica, noto come standard IEEE 802.15.1utilizza un sistema trasmissivo a radio frequenza a 2,4 GHz e può comunicare ad una distanza massima di alcune decine di metri con una velocità di 1 Mb/s;
  • Ethernet nasce a livello sperimentale negli anni 70 e le sue specifiche sono state stabilite con lo standard IEEE 802.3 utilizza come mezzi di trasmissione fibra ottica e doppino intrecciato e può comunicare con una velocità fino a 1 Gb/s; utilizzato soprattutto in campo industriale per il controllo di grandi impianti automatizzati recentemente, soprattutto a seguito della diffusione di internet, viene impiegato anche in campo residenziale per la creazione di reti locali;
  • X-10 è un protocollo presente sul mercato da oltre venti anni e diffuso soprattutto negli Stati Uniti, è un sistema unidirezionale con disponibilità massima di 256 dispositivi che utilizza come mezzo di trasmissione le onde convogliate sull’impianto elettrico in bassa tensione, il sistema di comando a distanza utilizza telecomandi a infrarossi, è un protocollo molto lento (60 bit al secondo) ma molto semplice da installare e da utilizzare;
  • ZigBee noto come protocollo IEEE 802.15.4 in pratica è l’evoluzione del Bluetooth, caratterizzato dalla sicurezza e dalla possibilità di supportare un grandissimo numero di dispositivi, per contro ha una velocità di comunicazione molto bassa;
  • Jini è una tecnologia software derivata da Java con la quale è possibile la configurazione automatica, ogni dispositivo contiene il software di sistema con il quale è possibile dialogare con tutti gli altri componenti; il sistema viene considerato privo di un organismo di controllo centrale, in pratica costituito da tante entità indipendenti ma in grado di comunicare tra loro;
  • UPnP (Universal Plug and Play) è sviluppato da Microsoft e permette ai vari dispositivi di comunicare tra loro oppure attraverso apparecchiature di interfaccia come computer e/o decodificatori;
  • HBS (Home Bus System) realizzato da un consorzio di società giapponesi nel 1988, utilizza un mezzo di trasmissione alquanto complesso composto da due cavi coassiali e otto doppini intrecciati; può gestire qualsiasi apparato domestico con particolare riguardo ai dispositivi audio e video;
  • LonWorks è conosciuto anche come ANSI/EIA 701.9-A-1999,una singola rete può supportare fino a 32 000 dispositivi diversi; oltre che per l’automazione HBES viene impiegato ad esempio in campo industriale e commerciale dall’Enel con i nuovi contatori intelligenti per la misurazione dei consumi elettrici e i teleservizi, per il controllo degli ascensori, nella diagnostica dei circuiti stampati, nella strumentazione medica e nella protezione antincendio;
  • Konnex (KNX) è un consorzio nato nel 1999 dalla collaborazione tra EIBA (European Installation Bus Association), BCI (Batibus Club International) e EHSA (European Home System Association) con lo scopo di realizzare un sistema completo e standardizzato per il controllo e la gestione dall’automazione in edifici residenziali, commerciali e industriali, non vincolato ad un unico fornitore o ad un unico settore industriale.

Lo standard KNX (Konnex)

Lo standard KNX è quello che si è imposto maggiormente nel mercato mondiale, attualmente è il più importante e diffuso nel settore dell’automazione per il terziario e il residenziale; con oltre 300 costruttori e più di 15000 dispositivi certificati, rappresenta un sistema di comunicazione e certificazione riconosciuto a livello mondiale.

Lo standard KNX nasce nel 1999 per mezzo della fondazione Konnex formata dalla fusione di tre associazioni europee: EIB (European Installation Bus), BCI (Batibus Club International), EHSA (European Home System Association), è basato principalmente sulle specifiche EIB completate con alcuni meccanismi di configurazione sviluppati da BCI e EHSA, impiega come mezzi di trasmissione il doppino intrecciato, le onde convogliate a 110 kHz e 132 kHz, la radiofrequenza a 868 MHz e i raggi infrarossi.

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Fig.7: il logo della Konnex

Attualmente è riconosciuto come standard europeo secondo la normativa CENELEC EN50090 e CEI EN 13321-1, dal 2006 è stato approvato come standard internazionale secondo la normativa ISO/IEC 14543-3 ed è approvato anche come standard cinese GB/Z 20965.

Una volta terminata l’installazione di tutti i componenti dell’impianto ovvero dopo aver effettuato tutti i collegamenti della linea bus e tutti i collegamenti elettrici delle varie utenze, occorre attivare la procedura di comunicazione tra i vari dispositivi effettuando una specifica operazione di configurazione; questa operazione è possibile utilizzando un particolare software denominato ETS (attualmente Engineering Tool Software, in origine denominato EIB Tool Software) che è parte integrante dello standard KNX con il quale è possibile effettuare oltre alla configurazione e messa in servizio iniziale anche la diagnostica ed il monitoraggio del sistema indipendentemente dal costruttore dei dispositivi. Il software ETS viene commercializzato dal consorzio Konnex in tre versioni:

  • Demo versione dimostrativa a titolo gratuito utilizzabile solo per piccolissimi progetti di prova;
  • Lite versione leggera con funzioni limitate per la realizzazione di progetti medio/piccoli;
  • Professional versione professionale completa di tutte le funzioni per la realizzazione anche di impianti di grandi e grandissime dimensioni.

Tramite il software ETS installato su un computer è possibile operare la configurazione indipendentemente dall’impianto ovvero senza essere collegati alla linea bus (offline), una volta terminata la configurazione sul computer ci si può collegare all’impianto tramite opportuna interfaccia, ad esempio RS232, USB, Ethernet, ecc, ed effettuare il download permettendo così all’impianto di funzionare autonomamente; l’operazione è analoga se si ha la necessità di effettuare modifiche o controlli su un impianto esistente.

Il consorzio Konnex attraverso rigorosi controlli certifica e garantisce oltre i vari costruttori anche i componenti che vengono certificati sulla base di tre modalità di configurazione:

–       S-Mode (System Mode) è un meccanismo di configurazione molto avanzato che richiede personale altamente specializzato, attraverso l’impiego del software ETS è adatto per la realizzazione di impianti complessi con sofisticate funzioni di controllo;

–       E-Mode (Easy Mode) i componenti con questa modalità di configurazione  sono realizzati con un insieme di parametri di default che permettono una rapida e facile installazione anche da parte di personale con una limitata preparazione tecnica;

–       A-Mode (Automatic Mode) è un meccanismo di configurazione che comprende dispositivi che possono configurarsi automaticamente senza l’intervento di tecnici particolarmente esperti e per questo utilizzabili direttamente dall’utente finale.

La struttura di un sistema KNX, vedi figura 8, è composta da vari dispositivi raggruppati in linee appartenenti ad un certo numero di aree collegate tra loro attraverso il mezzo di trasmissione; ogni linea può raggruppare al massimo 64 dispositivi, ogni area può essere composta al massimo da 15 linee e ogni sistema può comprendere al massimo 15 aree, di conseguenza ad ogni singolo sistema è possibile connettere fino a 14400 dispositivi diversi.

Struttura Konnex1

Fig.8: Architettura dello standard Konnex

Le varie linee sono collegate a quelle principali attraverso gli accoppiatori di linea AL, mentre le linee principali possono essere collegate fra loro attraverso gli accoppiatori di area AA; gli accoppiatori hanno la funzione di isolare elettricamente le parti del sistema in modo tale che un eventuale guasto elettrico di un singolo dispositivo non comprometta il funzionamento dell’intero sistema. Il collegamento fra le linee e la dorsale può essere realizzato indifferentemente in qualsiasi modo, vedi figura 9, devono però essere rispettate le seguenti condizioni dello standard KNX:

  • lunghezza massima di una singola linea 1000 m;
  • numero massimo dei dispositivi su una singola linea 64;
  • distanza massima tra due dispositivi 700 m;
  • distanza massima di un dispositivo rispetto all’alimentatore 350 m;
  • numero massimo di alimentatori per ogni linea 2, posti a 200 m uno dall’altro;
  • in presenza di 30 o più dispositivi collegati su una linea bus di lunghezza inferiore o uguale a 10 m occorre posizionare l’alimentatore nelle immediate vicinanze.
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Fig.9: Collegamenti della linea Bus

Lo standard KNX suddivide i dispositivi in due categorie:

–       dispositivi di sistema sono gli alimentatori a bassissima tensione di sicurezza 24 V in corrente continua e i vari accoppiatori ovvero tutti quei dispositivi che svolgono le attività di supporto al sistema;

–       dispositivi dedicati che consentono l’attuazione delle funzionalità del sistema come i sensori, i comandi, gli attuatori. Questi dispositivi sono composti da due unità distinte una esclusivamente funzionale come ad esempio il tasto di un pulsante o una sonda di intensità luminosa o di velocità del vento, e una esclusivamente elettronica denominata BCU (Bus Coupling Unit) che direttamente connessa con la linea bus consente lo scambio e l’interpretazione dei segnali tra l’unità funzionale e il resto dell’impianto. L’unità BCU è un vero e proprio micro computer composta da: un microprocessore; una memoria EEPROM (Electronically Erasable Programmable Memory) che gestisce i parametri di configurazione; una memoria ROM (Read Only Memory) che gestisce il sistema operativo; una memoria RAM (Random Access Memory) che gestisce i comandi e lo stato del dispositivo; un modulo di trasmissione che permette il disaccoppiamento dei segnali dall’alimentazione, vedi figura 10.

Dispositivo dedicato

Fig.10: Struttura di un dispositivo dedicato Konnex

Il protocollo di comunicazione Konnex è basato sulla trasmissione digitale dei dati di tipo seriale nella quale l’informazione è formata dalla sequenza di bit (il più piccolo elemento nel sistema numerico binario, la sequenza di 8 bit formano 1 byte) ognuno dei quali può assumere il valore di 1 oppure 0. In pratica lo stato logico 1 equivale al valore della tensione di alimentazione del sistema, mentre lo stato logico 0 equivale alla riduzione del valore della tensione di alimentazione con un impulso della durata di 35 μs. La comunicazione avviene con l’invio di messaggi chiamati telegrammi in presenza di un qualsiasi evento come l’azionamento di un pulsante o lo stato di un sensore, vedi figura 11; nell’intervallo T1 il dispositivo verifica che la linea bus non sia impegnata da altri telegrammi, al termine della trasmissione del telegramma il/i dispositivo/i destinatario/i con il tempo T2 verifica la corretta ricezione e a verifica positiva invia la conferma; nel caso in cui il telegramma non viene ricevuto in modo corretto la sua trasmissione può essere ripetuta fino a tre volte, se la ricezione del telegramma non viene confermata la procedura viene interrotta ed è registrata nella memoria del mittente. Ciascun telegramma è costituito da diversi campi suddivisi in pacchetti da 8 bit più alcune informazioni per verificare errori di trasmissione; in pratica un telegramma è costituito in successione dai seguenti campi:

  • campo di controllo contiene informazioni di controllo per il dispositivo ricevente al fine di ordinare il traffico di telegrammi;
  • campo indirizzo contiene il nome del dispositivo che invia il telegramma e quello del dispositivo al quale è destinato;
  • campo dati contiene le istruzioni da eseguire come un comando o un rilevamento o un allarme;
  • campo sicurezza contiene le informazioni di verifica e sicurezza affinchè un telegramma non venga rilanciato in continuazione;
  • campo conferma contiene le informazioni relative alla corretta ricezione del messaggio da parte del destinatario.
Invio telegramma

Fig.11: Struttura del telegramma

Al fine di evitare inutili ripetizioni in caso di linea bus occupata o di un messaggio di allarme, il sistema è in grado di assegnare ai telegrammi uno stato di priorità nel seguente ordine:

  • LOW nessuna priorità, messaggio normale con priorità bassa;
  • HIGH per comandi rapidi, priorità media;
  • ALLARM per messaggi di allarme, priorità alta;
  • SYSTEM per messaggi di gestione del sistema, priorità altissima.

Il Panorama normativo

Il sistema normativo per quanto riguarda la Home and Building Electronic System vede coinvolti i seguenti organismi:

  •        CENELEC con il TC205;
  •        ISO/IEC JTC 1/SC 25 “Interconnessione di apparecchiature di tecnologia dell’informazione”;
  •        CEI con il CT205 “Sistemi bus per edifici”;

La serie normativa più importante per quanto riguarda la HBES (Home and Building Electronic System) è la CENELEC EN 50090 (recepita in Italia come CEI EN 50090) che suddivisa in nove sezioni, stabilisce: i requisiti del sistema e dei componenti; i criteri per la progettazione, l’installazione, la verifica e il collaudo, vedi figura 12.

EN50090

Fig.12: Struttura della norma EN 50090

Altre norme tecniche di riferimento sono:

  • CEI 0-2 Guida per la definizione della documentazione di progetto degli impianti elettrici;
  • CEI 64-8 Impianti elettrici utilizzatori di bassa tensione. Sistemi per la distribuzione dell’energia elettrica;
  • CEI 64-50 Guida per l’integrazione nell’edificio degli impianti elettrici utilizzatori e per la predisposizione di impianti ausiliari, telefonici e di trasmissione dati;
  • CEI 64-100-1-2 Guida per la predisposizione delle infrastrutture per gli impianti elettrici, elettronici e per le comunicazioni;
  • CEI 79-3 Impianti di rilevamento e segnalazione intrusione, furto, sabotaggio e aggressione;
  • CEI 83-11 Guida per i sistemi bus negli edifici pregevoli per rilevanza storica ed artistica;
  • CEI 100-7 Guida per l’applicazione delle Norme sugli impianti di ricezione televisiva;
  • CEI 103-1 Impianti telefonici interni;
  • CEI 205-2 Guida ai sistemi bus su doppino per l’automazione nella casa e negli edifici, secondo le norme CEI EN 50090;
  • CEI 205-14 Guida alla progettazione, installazione e collaudo degli impianti HBES;
  • CEI 205-18 Guida all’impiego dei sistemi di automazione degli impianti tecnici negli edifici. Identificazione degli schemi funzionali e stima del contributo alla riduzione del fabbisogno energetico di un edificio;
  • CEI 205-24 Requisiti generali per i sistemi elettronici per la casa e l’edificio (HBES) e sistemi di automazione e controllo di edifici (BACS);
  • CEI 306-2 Guida per il cablaggio per telecomunicazioni e distribuzione multimediale negli edifici residenziali;
  • CEI 306-6 Sistemi di cablaggio generico. Requisiti generali e uffici;
  • CEI EN 50173-1 Tecnologia dell’informazione – Sistemi di cablaggio strutturato – Requisiti generali;
  • CEI EN 50173-4 Tecnologia dell’informazione – Sistemi di cablaggio strutturato – Abitazioni;
  • CEI EN 50174-1 Tecnologia dell’informazione – Installazione del cablaggio – Specifiche ed assicurazione della qualità;
  • CEI EN 50174-2 Tecnologia dell’informazione – Installazione del cablaggio – Pianificazione e criteri di installazione all’interno degli edifici;
  • UNI 9795 Sistemi fissi automatici di rivelazione, di segnalazione manuale e di allarme d’incendio.

L’evoluzione della progettazione impiantistica elettrica

Con l’impiego della domotica non è più sufficiente realizzare un corretto dimensionamento e cablaggio per garantire la funzionalità di un impianto elettrico ma occorre una corretta programmazione; rispetto alle ormai obsolete installazioni elettriche tradizionali un sistema domotico presenta notevoli vantaggi mettendo a disposizione degli utilizzatori dell’impianto tutte quelle funzioni di automazione, comfort e sicurezza che garantiscono una migliore qualità della vita integrando le seguenti funzionalità:

  • gestione riscaldamento, condizionamento e ventilazione;
  • gestione dei carichi elettrici con distacco di quelli non prioritari (lavatrice, forno, ecc.) in caso di superamento della potenza impegnata;
  • accensione, spegnimento e regolazione automatica dell’intensità dell’illuminazione degli ambienti;
  • creazione di scenari predefiniti attuabili automaticamente;
  • chiusura o apertura di tende ed oscuranti in base alle condizioni climatiche esterne;
  • monitoraggio dei locali a distanza mediante telecamere; gestione degli allarmi tecnici (antincendio, antintrusione, allagamenti, fughe di gas);
  • gestione della telefonia;
  • gestione della diffusione sonora e televisiva;
  • controllo e monitoraggio dell’efficienza energetica tramite lettura, visualizzazione e parametrizzazione dei valori dei contatori con contabilizzazione, elaborazione grafica e storici dei consumi;
  • gestione delle zone di allarme;
  • controllo degli interruttori di protezione installati nei quadri elettrici.

A seguito di questa rapida evoluzione tecnologica anche la progettazione di un impianto elettrico ha subito una radicale trasformazione, da semplice progettazione impiantistica elettricaè diventata progettazione impiantistica integrata. In particolare si parla di progettazione impiantistica integrata quando non vi è più una netta separazione tra i diversi tipi di impianto installati in un edificio, il risultato è un unico sistema multifunzione programmabile capace di controllare, coordinare e comandare le varie funzioni sia localmente che a distanza. Negli impianti tradizionali i vari progettisti operano in modo indipendente l’uno dall’altro, nel caso invece di un impianto domotico occorre una fattiva e costante interazione tra le varie progettazioni impiantistiche e di conseguenza tra i vari installatori: l’elettricista, l’idraulico, il serramentista, l’antennista, l’elettronico, l’informatico.

La diffusione di equipaggiamenti elettronici sempre più sofisticati nell’ambito domestico è diventato ormai un fenomeno inarrestabile che rende di fondamentale importanza un’attività di continuo coordinamento tra le diverse progettazioni impiantistiche che deve essere assunta dal progettista domotico (System Integrator) con competenze soprattutto elettriche ma anche orientate alla gestione della casa, alle telecomunicazioni, alla sicurezza di cose e persone, all’intrattenimento, alla termoidraulica, all’informatica; in pratica la figura professionale del progettista domotico (System Integrator) è la naturale evoluzione del tradizionale progettista elettrico. Questa nuova figura professionale deve essere perfettamente a conoscenza delle esigenze tecnologiche di tutti gli impianti di un determinato edificio garantendo una perfetta sintonia con tutte le altre figure professionali al fine di ottenere le migliori soluzioni possibili e soprattutto tutelare il committente dalle facili ed economiche soluzioni non standardizzate.

Le fasi della progettazione impiantistica integrata

Il compito di un buon progettista domotico, così come avviene anche per la progettazione elettrica tradizionale, oltre ovviamente a quello di un corretto dimensionamento delle linee e delle protezioni è anche quello di attuare  una procedura di esecuzione del progetto che deve essere realizzata rispettando nell’ordine le seguenti fasi:

  1. analisi delle esigenze e necessità del committente in questa fase preliminare è necessario rivolgersi direttamente ai distributori dei servizi in modo tale da far emergere in maniera chiara tutte le necessità e funzionalità da soddisfare, in questa fase errori di valutazione ed eventuali incomprensioni comportano errate progettazioni e di conseguenza errate installazioni dei sistemi;
  2. valutazione degli impianti e relativi componenti in questa fase è necessario predisporre un accurato elenco di tutti gli impianti e le relative apparecchiature da installare evidenziando tutte le modalità di controllo e comando delle varie funzioni in modo da evitare incongruenze e incompatibilità tra gli impianti ed il sistema di controllo;
  3. scelta del sistema domotico in questa fase devono essere scelti tutti i componenti del sistema domotico, la centrale di comando e controllo con eventuali future espansioni, il mezzo di trasmissione, il protocollo di comunicazione, i dispositivi di uscita e di ingresso; le scelte effettuate devono ottenere un giusto compromesso tra esigenze da soddisfare, caratteristiche funzionali del sistema e costi;
  4. elaborazione del progetto in questa fase vengono definite le posizioni delle apparecchiature (quadri elettrici, centrali di controllo, comandi, attuatori, sensori, apparecchiature di videocontrollo, ecc) e si realizzano layout planimetrici con la disposizione di tutte le apparecchiature e i comandi, delle scatole di derivazione, dei quadri elettrici, delle centrali di comando con i relativi schemi; si definiscono gli schemi elettrici dei quadri e si esegue il calcolo delle linee di potenza e delle protezioni, si definiscono inoltre eventuali particolari installativi strettamente dipendenti dalla complessità del progetto;
  5. mappa dei segnali e dei comandi, schema delle connessioni si tratta di predisporre apposite tabelle allo scopo di definire gli indirizzi di tutti i dispositivi di ingresso e di uscita del sistema e le relative connessioni, tenendo conto di tutte le necessità e funzioni richieste dal committente;
  6. specifiche e prescrizioni per la programmazione e manutenzione del sistema in questa fase occorre predisporre tutta la documentazione necessaria per una corretta programmazione e messa in funzione del sistema nonché le prescrizioni per la manutenzione ordinaria dell’impianto.

Alcuni consigli utili

Con la continua evoluzione tecnologica ed energetica a livello mondiale, soprattutto all’impiantistica elettrica, è richiesto un continuo adeguamento alle moderne tecnologie al fine di realizzare impianti sempre più sofisticati in rispetto delle prescrizioni normative relative soprattutto al raggiungimento di un consistente risparmio energetico; a questo proposito non c’è alcun dubbio sugli innumerevoli vantaggi che si possono ottenere con la realizzazione di un impianto domotico, per questi motivi in fase di progettazione e di installazione è bene rispettare le seguenti raccomandazioni:

  • valutare con molta attenzione l’impiego degli attuatori e il loro collegamento al carico che ovviamente deve essere il più breve possibile, questo al fine di evitare scatole di derivazione con un numero eccessivo e a volte inutile di attuatori;
  • durante la posa dei cavi è necessario applicare una corretta e indelebile nomenclatura alle linee elettriche e di comunicazione, molto spesso in prossimità di quadri e scatole di derivazione ci si trova di fronte ad un groviglio indistinto di cavi con l’impossibilità di effettuare qualsiasi operazione soprattutto in caso di una eventuale modifica;
  • le linee elettriche di alimentazione per le varie utenze tipo lampade, gruppi prese, motori, ecc, devono essere portate direttamente sulle utenze e devono essere protette attraverso uno o più quadri elettrici esattamente come avviene per un impianto tradizionale rispettando le vigenti normative che regolano gli impianti elettrici in bassa tensione; nessuna norma invece prescrive che il collegamento bus a doppino intrecciato sia realizzato in una tubazione dedicata, è necessario però che siano rispettate le prescrizioni normative relative alla tensione di isolamento dei diversi cavi presenti nella stessa tubazione;
  • a causa del fatto che un impianto domotico, a differenza di un impianto tradizionale, non può essere operativo fino alla definitiva programmazione è consigliabile utilizzare attuatori con la funzione di azionamento manuale per permettere un collaudo funzionale delle linee elettriche prima della definitiva programmazione del sistema, in questo modo eventuali malfunzionamenti possono essere imputati solo ad errori di programmazione;
  • alla luce della nuova norma CEI 64-8 settima edizione che introduce anche prescrizioni per gli impianti realizzati con soluzioni domotiche, alla continua diffusione di impianti per la produzione di energia da fonte rinnovabile come ad esempio il fotovoltaico e alla norma CEI 0-21 relativa alla regola tecnica per la connessione di utenti attivi e passivi alle reti di bassa tensione delle imprese distributrici di energia elettrica; è evidente che la realizzazione del classico quadro elettrico generale da 12/24 moduli DIN generalmente posto a fianco della porta d’ingresso non è più sufficiente ma è necessario usufruire di un vero e proprio locale tecnico dove poter sistemare e gestire tutte le apparecchiature che le norme richiedono e che la moderna impiantistica mette a disposizione del progettista e dell’installatore. La superficie del locale tecnico deve essere ovviamente funzione della superficie di estensione dell’intero impianto e della sua complessità, soprattutto in presenza di varie centraline di comando e diversi dispositivi di controllo (controllo carichi, videosorveglianza, TV, videocitofono, antintrusione, antincendio, diffusione sonora, distribuzione dati, ecc.). In particolare dovrà essere in grado di contenere almeno, come dotazione minima: due quadri a parete per il montaggio di apparecchiature fino a 24 moduli DIN su ogni fila, uno dedicato esclusivamente alla distribuzione di potenza e uno per la distribuzione dei comandi, controlli, segnali TV, dati, telefono, allarmi tecnici; ai fini di una corretta operatività detto locale tecnico dovrà essere facilmente raggiungibile, individuabile mediante apposita targhetta sulla porta ed essere situato possibilmente nelle vicinanze dell’ingresso principale compatibilmente con le esigenze architettoniche;
  • la realizzazione di un impianto domotico risulta estremamente razionale ma anche molto onerosa in termini di predisposizione dell’impianto, è pertanto sconsigliabile l’impiego di questa soluzione nel caso di ristrutturazione mentre è sicuramente molto vantaggiosa in caso di nuova installazione; quando si deve intervenire su un impianto esistente, è bene valutare con molta attenzione il panorama delle offerte dei vari costruttori, il mercato potrebbe offrire soluzioni delle quali momentaneamente non si è a conoscenza;
  • una progettazione impiantistica integrata si può ritenere correttamente realizzata solo se non si limita esclusivamente alle necessità momentanee, pertanto è buona norma realizzarla in modo da permettere con facilità una sua possibile evoluzione futura, ad esempio nella progettazione dei quadri elettrici e di comando è preferibile utilizzare involucri con una percentuale di moduli liberi maggiore di quella prevista dalle normative, mentre nella posa delle tubazioni è bene prevederne alcune libere soprattutto nella distribuzione principale (quadri e dorsali).
  • a differenza di un impianto elettrico tradizionale dove ogni funzione fa riferimento ad un cablaggio separato e soprattutto dedicato, ad esempio un interruttore può comandare solo il circuito su cui è installato oppure un anemometro può comandare solo le tende esterne; in un impianto domotico non esistono funzioni scontate, per mezzo di una efficiente programmazione degli indirizzi è la capacità e soprattutto l’esperienza del progettista che riesce a sfruttare in modo vantaggioso la possibilità di colloquio intelligente tra i vari dispositivi, ad esempio le informazioni di un sensore possono essere utilizzate per una vasta gamma di compiti oppure; questo fa si che un impianto domotico efficiente non è il risultato della quantità e qualità dei componenti installati ma è solo ed esclusivamente il risultato delle capacità del progettista.

BrunoOrsini

Mi occupo di progettazione e consulenza di impianti elettrici ed elettronici, in particolare di impianti di trasmissione e ricezione a radio frequenza.

4 commenti:

  1. Preciso come sempre, contributo molto interessante. Grazie

  2. albertosallusti

    Complimenti per la competenza tecnica e normativa. Un articolo veramente interessantissimo!

  3. Grazie a tutti per i complimenti.

  4. Complimenti per l’ottima analisi e descrizione

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