Teris Control: Industrial Internet of Things para el control de instalaciones fotovoltaicas

El proyecto Teris Control, recién completado por Chirale para el cliente Teris Energia, resume en sí todas las características de la Transición 4.0, proceso de innovación digital que está afectando cada vez más a las pequeñas y medianas empresas de nuestro territorio, también en virtud de las numerosas medidas de apoyo financiadas tanto por el PNRR como por la programación ordinaria de los fondos europeos.

También en este caso, en efecto, la puesta en marcha del proyecto fue posible gracias a una contribución pública y, en particular, a la Convocatoria relativa a los Vouchers para la Innovación Digital publicada por la Cámara de Comercio de Roma.

Los elementos principales que caracterizan Teris Control no podrían ser más actuales: energías renovables, automatización digital de procesos, Industrial Internet of Things y Machine Learning, en la práctica un “use case” de manual que merece ser contado.

Pero procedamos por orden y partamos de la descripción del Cliente y de su necesidad.

Teris Energia es una empresa líder en el sector de la consultoría, diseño e instalación de plantas fotovoltaicas, tanto en el sector residencial como en los sectores agrícola e industrial.

Teris es capaz de evaluar la eficiencia energética de edificios e instalaciones industriales y proponer soluciones de mejora basadas en el uso de paneles fotovoltaicos.

Desde hace varios años, además del diseño y la realización de instalaciones de producción de energía, Teris ofrece a sus clientes herramientas y servicios para la monitorización de las instalaciones y el control del mantenimiento de la eficiencia de la planta.

La plataforma software que hace posible este servicio se denomina Teris Control y la primera versión se realizó hace algunos años utilizando soluciones tecnológicas que empezaban a mostrar sus límites.

El proyecto encomendado a Chirale ha permitido realizar una nueva versión del sistema Teris Control conforme a los paradigmas más recientes del sector Industrial Internet of Things (IIoT).

El IIoT es la evolución, en el ámbito industrial, del modelo clásico Internet of Things (IoT), normalmente utilizado por aplicaciones en el ámbito doméstico o personal que involucran dispositivos más o menos “smart” conectados a Internet.

En el ámbito industrial, los dispositivos conectados a Internet son sistemas de control de procesos productivos o de instalaciones individuales.

En el caso específico, los sistemas a controlar son las instalaciones fotovoltaicas, constituidas por los paneles, las baterías de acumulación de energía y los numerosos aparatos que controlan el proceso y miden su eficiencia.

Ejemplos de aparatos utilizados en el ámbito de las instalaciones fotovoltaicas son los controladores de carga de las baterías, los inverters que convierten la tensión continua en salida de las baterías en la tensión alterna de tipo doméstico (p. ej., 220 V) o industrial (p. ej. 380 V trifásica), y los multímetros que permiten medir tensiones, corrientes y potencias, disponibles y suministradas.

La mayor parte de los aparatos de clase industrial son capaces de comunicarse con los sistemas electrónicos de control a través del protocolo ModBus, normalmente implementado sobre conexión serie RS485.

Se trata de un protocolo bastante antiguo, cuyo primer estándar se remonta a 1979, pero ampliamente difundido y conocido por todos los que operan en los sectores de la automatización y la domótica.

En las aplicaciones de control de tipo tradicional, los aparatos se gobiernan mediante sistemas a microcontrolador (PLC – Programmable Logic Controller) o a través de Personal Computers dedicados.

Con la llegada de Internet, muchos sistemas se hicieron accesibles desde la red y se desarrollaron aplicaciones de monitorización y control remoto.

La primera versión de Teris Control se enmarcaba en este tipo de arquitecturas.

El nuevo sistema diseñado y realizado por Chirale, por el contrario, utiliza una arquitectura más flexible y, sobre todo, más escalable, basada en un modelo IIoT.

Los datos relativos a los parámetros proporcionados por los distintos aparatos son leídos periódicamente por dispositivos de control específicos basados en placas de desarrollo a microcontrolador, de clase industrial, modelo Arduino PRO MKR WAN 1013, equipadas con interfaz serie RS485.

A través del protocolo ModBus sobre RS485 los datos se adquieren de los aparatos y se envían al sistema central de monitorización y control, accesible a través de una URL HTTP específica, conforme al paradigma REST API.

El Sistema Central es una aplicación Cloud Computing utilizable por el personal técnico de Teris Energia y por los Clientes que han suscrito un contrato específico.

Las características distintivas que hacen que el sistema sea innovador, flexible y escalable residen en la arquitectura utilizada para la interconexión a Internet.

Por definición, en las aplicaciones IIoT o IoT es necesario implementar la conexión entre el smart object o dispositivo y la red Internet.

Las soluciones inmediatas y aparentemente más obvias que vienen enseguida a la mente son el aprovechamiento de una red LAN cableada (Ethernet) o Wi-Fi que ofrezca el routing hacia Internet, si el dispositivo se encuentra dentro de una vivienda, una oficina o una fábrica, o el uso de conectividad celular GPRS o LTE si el dispositivo se encuentra en espacios abiertos no cubiertos por redes Wi-Fi.

Este tipo de soluciones, sin embargo, en casos como el examinado, presentan numerosas desventajas.

En primer lugar, se trata de conexiones de banda ancha, es decir, capaces de transmitir millones de bits por segundo y, por tanto, normalmente costosas y dispendiosas en términos energéticos.

Un sistema como Teris Control necesita por el contrario adquirir algunos cientos de bits por hora —si no por día—, por lo que un ancho de banda Wi-Fi o incluso solo GPRS estaría ocupado tan solo por algunas millonésimas de su capacidad.

Además, la configuración del sistema dependería de la configuración de la red doméstica o empresarial del cliente, entidad que normalmente no está bajo el control de Teris, especialmente tras la finalización de los trabajos de instalación de la planta.

El problema de la inutilidad y el coste de la banda ancha en el ámbito de los sistemas IoT es un hecho bien conocido, que ha llevado en los últimos años al desarrollo de protocolos denominados LPWAN, es decir, Low Power Wide Area Network.

Se trata de estándares basados en conectividad en radiofrecuencia capaces de conectar con un ancho de banda muy limitado, pero con alta calidad y fiabilidad, cientos de dispositivos remotos a unos pocos gateways que a su vez disponen de conexión de banda ancha hacia Internet.

Entre todas las propuestas presentes en el mercado, nuestra elección recayó en el protocolo LoRaWAN, que parece ser el que actualmente está en fase de mayor difusión.

Entre las numerosas ventajas que ofrece LoRaWAN está la de poder realizar la propia infraestructura de red e instalar los dispositivos gateway sin tener que solicitar licencias o disponer de concesiones.

La banda de frecuencia utilizada en Europa por el protocolo radio LoRa, en el que se basa LoRaWAN, es la de 868 MHz, que dentro de los límites previstos por la ley es libre y utilizable por cualquiera.

En el proyecto Teris Control, Chirale ha diseñado y realizado una infraestructura de red privada que permite a Teris ampliar con el tiempo la cobertura para sus necesidades de conectividad de datos, a medida que se adquieren nuevos clientes y se realizan nuevas instalaciones.

Los costes de realización y mantenimiento de la red LoRaWAN de Teris Control son muy bajos y, sobre todo, tienen un modelo perfectamente escalable.

Las placas a microcontrolador Arduino MKR WAN 1013 disponen de manera nativa de conectividad LoRA.

Último elemento distintivo del nuevo sistema es la recogida y uso de los datos de monitorización para entrenar una red neuronal capaz de reconocer de manera autónoma situaciones de alarma o que necesitan atención, implementando al mismo tiempo un sistema de mantenimiento predictivo.

Actualmente las tecnologías de machine learning se utilizan a nivel de sistema central, ya que la fase principal de entrenamiento aún no se ha completado.

Posteriormente, las redes neuronales preentrenadas se instalarán a bordo de dispositivos a microcontrolador más potentes, como por ejemplo los Arduino Portenta H7, de modo que se implemente un paradigma de Edge Computing / Tiny Machine Learning.