Dentro un regolatore BMS: quadri, dispositivi di campo e il loop DDC

Foto: Quadro di controllo industriale aperto con moduli I/O e morsettiere. Foto di Raymond Sime su Unsplash.

Un regolatore BMS è il piccolo computer industriale che esegue la logica di riscaldamento, raffrescamento, ventilazione o illuminazione di un edificio. Da non confondere con un regolatore Battery Management System, il chip che bilancia le celle di un pacco batterie in un veicolo elettrico o in un sistema di accumulo. Stessa sigla nella letteratura in inglese, ambiti completamente diversi. Questo articolo tratta esclusivamente l'automazione degli edifici.

Prosegue la nostra voce di glossario sui sistemi di gestione degli edifici, che spiega il BMS nel suo insieme. Qui scendiamo di un livello: cosa fa realmente il regolatore, cosa contiene fisicamente il quadro, quali dispositivi di campo sono collegati, e dove si inserisce un livello di analisi come FrostLogic Explore quando la tecnologia di controllo è già in funzione.

Cosa fa un regolatore BMS: il loop DDC

Ogni regolatore BMS lavora secondo lo stesso schema di base, il controllo digitale diretto, o DDC. Un sensore riporta un valore: temperatura di mandata, livello di CO2, pressione del canale. La logica del regolatore confronta il valore con un setpoint e calcola un'uscita tramite un algoritmo di regolazione, in genere PID (proporzionale-integrale-derivativo). Un attuatore esegue quindi il cambiamento: una valvola si apre leggermente, una serranda si chiude, un ventilatore accelera. Il ciclo si ripete, spesso più volte al secondo, finché l'impianto resta in funzione.

È proprio questo ciclo leggi-decidi-agisci a rendere il controllo "diretto": il regolatore legge i propri punti di campo e comanda le proprie uscite senza attendere un server centrale a ogni ciclo. Un singolo regolatore può gestire un solo loop (una cassetta VAV che mantiene la temperatura di una zona) o svariate decine (una unità di trattamento aria che coordina riscaldamento, raffrescamento, serrande di miscelazione e velocità del ventilatore insieme). Questi regolatori per l'automazione degli edifici vengono forniti come hardware dedicato da produttori come Siemens, Schneider Electric, Honeywell, Trend e Johnson Controls, sempre più spesso anche come regolatori definiti via software su una piattaforma Niagara. Il principio DDC resta lo stesso, indipendentemente dal contenitore.

Regolatore DDC contro regolatore supervisore

Non tutti i regolatori di un BMS svolgono lo stesso compito. La gerarchia ha di solito due livelli.

I regolatori DDC (o di campo) eseguono loop locali vicino all'impianto: uno per unità di trattamento aria, uno per le cassette VAV di un piano, uno per refrigeratore. Mantengono setpoint e programmi orari anche se la connessione di rete cade. Un regolatore DDC senza connessione continua a mantenere la zona in temperatura, smette solo di riportare i dati verso l'alto.

Il regolatore supervisore si posiziona sopra e coordina. Di norma non esegue esso stesso un loop stretto sensore-attuatore, ma invia verso il basso programmi orari e setpoint globali ai regolatori DDC, raccoglie dati di trend e allarmi verso l'alto, e offre all'operatore un unico punto da cui modificare un programma orario invece di quaranta. In un edificio piccolo questo ruolo può essere svolto da un unico PC operatore; in un grande portafoglio è un server dedicato, a volte un'intera rete di nodi BACnet o Niagara.

Questa struttura a due livelli è ciò a cui ci si riferisce parlando di "controlli BMS" come sistema e non come singolo dispositivo: i regolatori di campo gestiscono la fisica, il livello supervisore il coordinamento, e il protocollo di rete tra i due, quasi sempre BACnet, a volte Modbus, trasporta sia i dati di trend verso l'alto sia le modifiche di setpoint verso il basso.

Dentro un quadro di controllo BMS

Il regolatore in sé è solo un componente del quadro di controllo BMS, l'armadio metallico che un elettricista monta nel locale tecnico. Aprendone uno si trova tipicamente:

• La scheda (o le schede) del regolatore. La logica DDC descritta sopra, spesso con un piccolo display locale o una porta di messa in servizio.
• Moduli I/O. Schede di ingresso/uscita che traducono il cablaggio di campo in segnali utilizzabili dal regolatore: ingressi analogici per sensori di temperatura e pressione, ingressi digitali per contatti di stato, uscite analogiche per attuatori modulanti, uscite digitali (a relè) per apparecchiature on/off come pompe e ventilatori. Se la capacità I/O integrata non basta, si aggiungono moduli di espansione.
• Morsettiere. Morsetti a vite numerati dove arriva ogni cavo di campo, secondo lo schema di cablaggio. È qui che lavora davvero un installatore o un tecnico di messa in servizio; un punto guasto si rintraccia fino al morsetto, non fino a una riga di codice.
• Alimentatore, protezioni e connessione di rete, in genere RS-485 o Ethernet per BACnet, Modbus o un bus proprietario verso il livello supervisore.

Un singolo quadro di controllo può ospitare un regolatore per un'unità in copertura, o più regolatori per un intero locale tecnico. Il quadro è imballaggio e cablaggio; il regolatore al suo interno è ciò che effettivamente esegue la logica.

Dispositivi di campo: cosa legge e cosa comanda il regolatore

Un regolatore vale quanto ciò a cui è collegato. I dispositivi di campo si dividono in due famiglie.

I sensori forniscono informazioni in ingresso: sonde di temperatura e umidità, sensori di CO2 e qualità dell'aria, sensori di pressione differenziale su filtri o canali, misuratori di portata, sensori di presenza e di livello di luce, trasformatori di corrente sui motori e contatti di stato che segnalano se un'apparecchiatura è effettivamente in funzione. La maggior parte riporta tramite un loop 4-20 mA, un segnale analogico 0-10 V, o sempre più spesso come punto BACnet o Modbus nativo su dispositivi intelligenti che saltano del tutto la conversione analogica.

Gli attuatori eseguono la decisione del regolatore: attuatori di valvola modulanti o on/off su batterie di riscaldamento e raffrescamento, attuatori di serranda su unità di trattamento aria e cassette VAV, inverter su ventilatori e pompe, e relè che commutano circuiti di illuminazione o avviano motori. Il compito di un attuatore è ristretto: spostarsi nella posizione comandata dal regolatore. Proprio per questo l'intelligenza risiede nel regolatore, non nel dispositivo.

Regolatore per l'automazione degli edifici e sistema di controllo BMS: stessa tecnologia, nomi diversi

"Regolatore BMS", "regolatore per l'automazione degli edifici" e "regolatore del sistema di gestione degli edifici" descrivono lo stesso hardware. Quale termine si incontra dipende soprattutto dal produttore o dal mercato di riferimento: l'automazione degli edifici mette l'accento sulla regolazione locale, il sistema di gestione degli edifici (BMS) sull'insieme completo di regolatori, quadri, dispositivi di campo e livello supervisore. "Sistema di controllo BMS" si riferisce proprio a quell'insieme, non a un singolo dispositivo. Nessuno di questi termini descrive un componente di un Battery Management System, e nessuno descrive una piattaforma di analisi. Un sistema di controllo BMS fa funzionare l'impianto; non stabilisce priorità né previsioni da solo.

Dove si collega il livello di analisi

Nulla dell'hardware descritto sopra cambia quando si aggiunge un livello di analisi. FrostLogic Explore legge gli stessi punti già esposti dai regolatori DDC e dal livello supervisore, tramite BACnet, Modbus, OPC UA o oBIX, gli stessi protocolli che un integratore ha usato per mettere in servizio il quadro in origine. Explore si colloca sopra la tecnologia di controllo, proprio come descrive la voce di glossario sul BMS: legge dati di trend, esegue rilevamento e previsione, e trasforma la telemetria grezza del regolatore in un elenco prioritizzato di cosa correggere. Vedi analisi BMS in FrostLogic Explore per capire come funziona quel livello di lettura, e l'hub delle integrazioni per i percorsi di connessione specifici per produttore: tra questi Siemens Desigo, Schneider EcoStruxure, Honeywell Niagara, Johnson Controls Metasys e Honeywell Trend.

L'accesso in scrittura è un livello separato e opzionale sopra questo percorso di lettura. Tramite il FrostLogic Edge Agent, Explore può proporre una modifica di setpoint o di programma orario con la relativa motivazione e l'effetto atteso, per poi scriverla nel regolatore, dopo la revisione e l'approvazione di una persona, oppure in automatico all'interno di un ambito che avete concesso esplicitamente. L'accesso in scrittura è disattivato di default in ogni installazione; nulla cambia sul regolatore finché un operatore non attiva un ambito di questo tipo. Come funziona questo modello di permessi è descritto in dettaglio nella pagina Automation. Il loop DDC descritto all'inizio dell'articolo resta comunque ciò che esegue la modifica. Explore propone e, dove autorizzato, scrive; il regolatore continua a gestire la fisica.

Domande frequenti

Cosa controlla esattamente un regolatore BMS? Un regolatore BMS esegue un loop leggi-decidi-agisci per una parte dell'impianto o una zona: legge un sensore, confronta il valore con un setpoint e comanda un attuatore o un relè per correggere lo scostamento. Una unità di trattamento aria o una cassetta VAV è di norma servita da un unico regolatore che esegue più loop di questo tipo contemporaneamente.

Un regolatore BMS è la stessa cosa di un regolatore Battery Management System? No. Condividono solo la sigla BMS nella letteratura in inglese, nient'altro. Un regolatore Battery Management System monitora e bilancia le celle di un pacco batterie, ad esempio in un veicolo elettrico. Un regolatore BMS di un edificio gestisce riscaldamento, ventilazione e altri impianti. Questo articolo tratta il secondo caso.

Cosa distingue un regolatore DDC da un regolatore supervisore? Un regolatore DDC esegue un loop locale leggi-decidi-agisci e continua a funzionare anche se la connessione di rete cade. Il regolatore supervisore si colloca sopra il livello di campo, invia verso il basso programmi orari e setpoint globali, e raccoglie dati di trend e allarmi per l'operatore. La maggior parte degli edifici ha più regolatori DDC che riportano a un unico livello supervisore.

Cosa contiene un quadro di controllo BMS? In genere una scheda regolatore, moduli I/O che traducono il cablaggio di campo in segnali utilizzabili, morsettiere per i cavi di campo, un alimentatore e una connessione di rete verso il livello supervisore.

Devo sostituire i miei regolatori BMS per aggiungere l'analisi? No. Un livello di analisi come FrostLogic Explore legge i punti già esposti dai vostri regolatori esistenti tramite BACnet, Modbus, OPC UA o oBIX. Non sostituisce né la logica DDC né il quadro di controllo in cui gira. Legge in parallelo, e l'accesso in scrittura, se attivato, è un livello separato soggetto a permessi al di sopra.

Quali produttori realizzano regolatori BMS? Siemens (Desigo), Schneider Electric (EcoStruxure), Honeywell (incluse le piattaforme basate su Niagara), Trend e Johnson Controls (Metasys) sono quelli più diffusi negli edifici commerciali. Un grande portafoglio ne gestisce di solito diversi in parallelo, spesso di generazioni differenti, un motivo in più per cui un livello di analisi neutrale rispetto al produttore risulta utile.

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