Monitoraggio dei parametri ambientali di spazi confinati

Soluzione per monitorare le condizioni ambientali all’interno delle camere delle valvole del teleriscaldamento

L’esigenza

L’esigenza di IREN è stata quella di testare soluzioni per il monitoraggio, in continuo e automatico, delle condizioni ambientali all’interno delle camere delle valvole del TLR. Queste camere, classificate come spazi confinati, sono poste tipicamente nel sottosuolo, accessibili attraverso chiusini e, in genere, risultano prive di alimentazione elettrica e di accesso alla rete dati.
Sono caratterizzate dall’essere state costruite in cemento armato e, ospitando il passaggio di tratte importanti di tubazione del teleriscaldamento, presentano, in genere, queste condizioni ambientali: temperatura dell’aria compresa tra 30-40°C con max di 40-50°C; umidità relativa compresa tra 30-70% con max di 85% e condizioni di gocciolamento/condensa dal soffitto della camera valvole; ossigeno in percentuale non sufficiente a garantire in sicurezza la permanenza degli operatori nel locale durante le consuete opere di manutenzione; radon anche significativo nella camere valvole prive di tubi per la ventilazione; possibili condizioni di allagamento della camera valvole dovuti sia ad acqua piovana che accede dalla zona chiusino sia ad opera di perdite sulla tubazione del teleriscaldamento (quest’ultima comporta l’immediato allagamento di tutto il locale nel giro di pochi minuti), presenza di chiusini di forme/materiali/strutture differenti e nella maggior parte dei casi non incernierati.
Questi ambienti, non progettati per la presenza continua di persone, possono presentare insufficiente o difficoltosa aerazione/ventilazione naturale. Inoltre non tutti i siti possono avere un collegamento diretto alla rete elettrica o un accesso ad una rete dati. All’interno di queste camere, ospitanti tubi e valvole di raccordo dei condotti del teleriscaldamento, si possono avere temperature e valori di umidità relativa elevati (superiori a 40°C e 80% rispettivamente).

La soluzione

La risposta all’esigenza manifestata si è concretizzata, grazie alla collaborazione progettuale e tecnologica con CSP, nell’ideazione e realizzazione di una sensor board alimentata a batteria in grado di acquisire dati da sensori di temperatura, umidità, ossigeno, radon, allagamento, stato di apertura/chiusura tombini e di inoltrare i suddetti rilievi mediante rete LoRaWAN al Sistema di Acquisizione Centrale di IREN.
La soluzione, frutto della commistione di requisiti operativo-funzionali espressi dalle strutture di IREN che gestiscono le camere valvole con le potenzialità delle soluzioni tecnologiche declinate nel contesto sfidante di uno spazio confinato, è stata verificata in campo e ottimizzata sulla base dei dati raccolti in mesi di osservazione.
La soluzione sperimentale ha richiesto una progettazione ad hoc vista l’assenza sul mercato di dispositivi alimentati a batteria rispondenti ai requisiti. I punti principali della progettazione e sviluppo della soluzione sono stati:

• individuazione di sensoristica attraverso fase di scouting volta a selezionare sensori adatti a lavorare in condizioni ambientali sfidanti;
• utilizzo del protocollo LoRaWAN per l’inoltro dei dati raccolti dai sensori e quelli di telemetria relativi allo stato di carica delle batterie e della qualità del segnale LoRa disponibile al momento della trasmissione;
• adozione di un microcontrollore Ultra Low Power programmabile per l’acquisizione personalizzabile di dati da sensore, l’attivazione di funzionalità su base interrupt, l’organizzazione personalizzabile del payload del pacchetto LoRaWAN al fine di ottimizzare l’uso del canale trasmissivo;
• adozione di involucri IP67 per preservare le funzionalità della componentistica elettronica adottata in ambienti con temperatura e umidità elevate;
• utilizzo di soluzioni hardware modulari e con impiego di connettori tali da impedire errati interventi di manutenzione ad opera di personale in campo che deve poter agire senza l’impiego di alcuna strumentazione di supporto;
• utilizzo di batterie ricaricabili a garanzia di una soluzione eco-sostenibile;
• raccolta e repository di dati dal campo all’interno di opportuno sistema di acquisizione centralizzato ove disporre di grafici di andamenti dei rilievi raccolti giornalmente e di dati puntuali raccolti in tempo reale;
• web app a disposizione degli operatori in campo per la visualizzazione in tempo reale dei parametri ambientali rilevabili dalla sensor board all’atto dell’apertura del chiusino.

Le camere valvole ospitanti la sensor board hanno richiesto test in campo approfonditi per consentire l’individuazione della soluzione tecnologica meglio rispondente alle necessità trasmissive. Si tratta infatti di ambienti altamente sfidanti e perfettamente riconducibili alla definizione di spazi confinati [ambienti limitati, in cui il pericolo di morte o di infortunio grave è molto elevato, a causa della presenza di sostanze o condizioni di pericolo (ad es. mancanza di ossigeno)]: ambienti presenti nel sottosuolo, in cemento armato, dalla struttura metallica assimilabile ad una gabbia di Faraday, accessibili solo attraverso piccole aperture richiuse da chiusini metallici. I test hanno individuato nel protocollo LoRa, la soluzione trasmissiva meglio rispondente alle necessità, vista la buona diffusione del segnale in ambiente urbano con elevata densità di unità abitative per kmq e con buone performance di penetrabilità anche nel sottosuolo.
Dovendo escludere la possibilità di modificare la zona chiusino per la posa di piccole antenne a dipolo progettabili ad hoc per questioni di sicurezza (chiusini presenti nella maggior parte dei casi su corsie di marcia di vie cittadine, spesso soggetti a verifiche ambientali per segnalazioni di rumorosità al passaggio di veicoli), si è proceduto all’utilizzo dei pali di areazione per il passaggio del cavo, mentre la piccola antenna è stata fissata nella zona di sfiato del condotto.
La dimensione del payload del pacchetto LoRaWAN è stata studiata per garantire la trasmissibilità anche in condizioni di livello di segnale al limite della Sensitivity.
Al termine della fase di test di trasmissione dal campo, è stata avviata la fase ‘pilota’. Un’attività che ha declinato nell’ambiente reale delle camere valvole la soluzione progettata e realizzata in laboratorio. Questa fase è stata preceduta da sopralluoghi tecnico-valutativi realizzati da personale formato all’accesso in spazi confinati, presso ciascuna delle 3 camere valvole, rappresentati di 3 differenti tipologie entro cui possono essere classificate le camere valvole presenti nel sottosuolo cittadino di Torino.
La messa in campo della soluzione ha seguito le linee guida degli operatori delle strutture di IREN che gestiscono le camere valvole, è stata fisicamente realizzata dalla ditta installatrice che normalmente opera per IREN in tali spazi e supervisionata nonché collaudata da personale CSP, formato per attività in spazi confinati, che ha guidato passo passo le fasi di installazione, dalla posa dei sensori, alla verifica della connettività e alla corretta trasmissione del dato nelle differenti condizioni operative.

I risultati

I risultati raggiunti nei mesi di osservazione delle sensor board installate presso i piloti sono stati i seguenti:

• la sensor board, nel caso di rilievo del Radon, rappresenta una soluzione che attualmente non trova strumentazione di mercato in grado di paragonarsi. Le soluzioni per i rilievi di Radon sono in genere rappresentate da strumentazioni che pur garantendo la certificazione della misura (la sensor board effettua rilievi non certificati della grandezza) non sono in grado di trasmetterla in tempo reale; le campagne di misura vengono effettuate memorizzando i dati in locale ed obbligando lo specialista a recarsi sul luogo della misura per recuperare il dato, insieme allo strumento di misura; la sensor board oggetto di questa sperimentazione applicata può rappresentare una nuova soluzione per campagne di pre-verifica e/o di lunga osservazione adottabili da operatori del settore per individuare situazioni anomale a prezzi più contenuti;
• i sensori in campo, pur rispondendo da datasheet ai requisiti tecnico ambientali hanno evidenziato dei limiti di utilizzabilità una volta valutate, con maggiore attenzione, le condizioni operative in campo (es. la presenza di chiusini senza punti di vincolo e dalla struttura metallica molto differente, comporta fasi di apertura/chiusura ad opera dei tecnici della manutenzione meno prevedibili da un punto di vista operativo e questo può sollecitare in modo anomalo alcune parti di cui è costituito il fine corsa adottato);
• la sensor board, alimentata elettricamente, è stata ingegnerizzata al fine di garantirne il funzionamento anche in condizioni di interruzione dell’erogazione dell’energia elettrica (progettazione e realizzazione del circuito con batteria tampone e invio di specifico messaggio di allarme al fine di avvisare gli operatori del Sistema di Acquisizione Centrale di IREN dell’avvenuta sospensione dell’energia elettrica); le camere valvole con la presenza di alimentazione elettrica sono, in genere, dotate di pompe che si attivano in caso di allagamento; l’invio tempestivo del messaggio di allarme permette un’ottimizzazione dei tempi di intervento e di ripristino del servizio ad opera delle squadre operative in campo con riduzione della probabilità di insorgenza di danni da allagamento sull’impiantistica interna alla camera valvole e di disagio a livello stradale all’esterno della camera valvole;
• la soluzione così realizzata è in fase di valutazione per l’impiego in ogni camera valvole della rete TLR presente nella città di Torino, ma può essere impiegata in svariati altri contesti in cui sia necessario il monitoraggio in continuo di grandezze ambientali e di campo anche in siti privi di elettricità e di connettività.

Immagini

Immagini relative ad un’installazione “tipo”

Grafici dei dati giornalieri presenti sul sistema di acquisizione centralizzato

Schermata della web app a disposizione degli operatori in campo per la visualizzazione in tempo reale dei parametri ambientali rilevabili dalla sensor board all’atto dell’apertura del chiusino