di Catherine Bischofberger, International Electrotechnical Commission
Al giorno d’oggi le relazioni tra gli esseri umani e le macchine sono diventate piuttosto difficili da gestire. Un numero crescente di ansie si cristallizza intorno all’uso dei robot e dell’automazione in varie settori industriali, per non parlare delle nostre case. Le cose erano molto diverse alla fine del 19° secolo, quando l’introduzione delle prime macchine avrebbe dovuto alleviare le persone dal sovraccarico di lavoro per lunghe ore in circostanze estenuanti. Le famiglie, in particolare, hanno raccolto i benefici offerti da apparecchi che consentono di risparmiare tempo, come lavatrici, lavastoviglie e microonde, che nel corso del XX secolo sono gradualmente diventati beni di consumo di massa. Oggi, ci preoccupiamo che i robot prendano il nostro lavoro e diventino più intelligenti di noi. Ma, che ci piaccia o no, il futuro implica una crescente interazione con le macchine in una forma o nell’altra. Con l’intensificarsi di questa tendenza, le interfacce uomo-macchina (HMI) diventeranno per noi una tecnologia sempre più importante da padroneggiare in quanto ci consentiranno di controllare e interagire con le macchine. Anche se queste tre lettere, HMI, potrebbero sembrare solo un ennesimo acronimo, sono una delle chiavi del nostro mondo futuro.
Che cos’è esattamente un HMI? Secondo una delle definizioni più ampie e neutre, si tratta di un’interfaccia utente o cruscotto che collega una persona a una macchina, sistema o dispositivo. Ma gli HMI sono già utilizzati in un’ampia varietà di settori, dall’intrattenimento al medicale: le definizioni variano a seconda delle varie applicazioni ed esigenze. Le interfacce possono includere, ad esempio, sensori di movimento o interfacce di riconoscimento vocale. In altre parole, ciò che un HMI è e può fare dipende da ciò per cui viene utilizzato.
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HMI e rete elettrica
Gli HMI sono già onnipresenti nella produzione e nella trasmissione di energia elettrica, dalle centrali e sottostazioni alle centrali eoliche e solari. La definizione di HMI in questo contesto diventa un po’ più specifica. Secondo il glossario della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC), l’organizzazione mondiale di normazione per il settore elettrotecnico, si tratta di uno “schermo di visualizzazione, sia come parte di un dispositivo elettronico intelligente (IED) sia come dispositivo stand-alone, che presenta i dati rilevanti in un formato logico, con cui l’utente interagisce. Un HMI presenta tipicamente finestre, icone, menu e puntatori e può anche includere una tastiera per consentire l’accesso e l’interazione dell’utente”.
Le reti elettriche si stanno modernizzando, il che permette loro di operare in modo più efficiente ed efficace; gli HMI sono tipicamente “il volto” di questo processo. L’applicazione HMI svolge un ruolo chiave nella visualizzazione e nel controllo di sistemi di automazione di sottostazioni o nel monitoraggio dello stato in tempo reale di un parco solare o eolico, ad esempio. Ingegneri, tecnici e operatori dipendono dalle informazioni raccolte e trasmesse dagli IED per avere un quadro chiaro dello stato della sottostazione e delle risorse energetiche distribuite (DER). Queste DER possono essere, ad esempio, turbine eoliche, un parco solare o una microrete. Con la modernizzazione della rete elettrica, la dipendenza dalle applicazioni HMI aumenterà e gli operatori avranno bisogno di aiuto per monitorare e controllare i sistemi multi-vendor.
Le applicazioni HMI sono efficacemente costruite su blocchi grafici come forme di base, colori, testi, moduli o pagine per comunicare e scambiare informazioni. Le utility desiderano sempre più spesso che gli HMI lavorino con qualsiasi IED del fornitore, richiedendo configurazioni manuali ridotte al minimo. Una soluzione vendor-agnostic semplificherebbe l’installazione, ridurrebbe i costi di manutenzione e ridurrebbe la complessità dei sistemi di automazione energetica. Faciliterebbe l’interoperabilità con IED multi-vendor e supporterebbe configurazioni basate su dati che pongono il carico di lavoro sugli strumenti invece che sugli esseri umani.
Sfortunatamente, tutti i componenti grafici e i blocchi di costruzione che entrano in un HMI sono assemblati in modo proprietario dai produttori di software HMI. Ad oggi, non esistono mezzi standardizzati per specificare, progettare e mettere in servizio le applicazioni HMI.
Un nuovo standard internazionale in cantiere
Ma la situazione sta per cambiare. L’IEC sta lavorando ad un nuovo documento che mira a definire i linguaggi di configurazione necessari per realizzare le sottostazioni digitali, compresa l’applicazione HMI. Lo standard previsto, attualmente in fase di elaborazione, farà parte della serie di pubblicazioni IEC 61850, che comprende alcuni degli standard internazionali fondamentali utilizzati per integrare i processi di comunicazione digitale nella rete esistente.
Uno degli obiettivi della nuova pubblicazione è quello di generare automaticamente l’applicazione HMI, comprese tutte le mappature dei dati e i rendering grafici associati. In questo modo gli operatori, ingegneri o tecnici non devono effettuare una configurazione manuale del sistema di sottostazione e quindi possono risparmiare tempo e costi per le utility utilizzando le risorse in modo più efficiente.
Si elimina inoltre il rischio di errore umano. “Si potrebbe chiamare “ingegneria magica”: invece di impiegare settimane, a volte anche mesi, per configurare le applicazioni HMI, ci vorranno letteralmente minuti e persino secondi per le sottostazioni più piccole”, spiega Dustin Tessier, che guida la task force responsabile del nuovo progetto standard all’interno dell’IEC.
“Un HMI è noto per essere una delle applicazioni più impegnative dal punto di vista ingegneristico. L’automazione del processo introduce risparmi significativi dal punto di vista ingegneristico, della configurazione e delle prove”, aggiunge.
In cerca di nuovi esperti
Molte sfide sono state affrontate durante il processo di redazione. Una di queste era “costruire un consenso tra gli esperti di sistemi di alimentazione e gli specialisti di grafica/web browser sul modo migliore per identificare e mappare un linguaggio di configurazione grafica collaudato, come la Scalable Vector Graphics, con il linguaggio di configurazione del sistema IEC 61850”, secondo Tessier. Uno dei punti chiave è stato far sì che questi due gruppi di esperti con competenze molto diverse potessero lavorare insieme e comprendere i rispettivi casi d’uso. “La porta è ancora aperta per altri esperti che ci aiutano a preparare e pubblicare lo standard, in particolare per quanto riguarda l’editing grafico e gli specialisti in materia di browser web”, aggiunge Tessier.
“A lungo termine, le applicazioni per questo standard andranno ben oltre le sottostazioni digitali. Stiamo esaminando l’intera questione dell’intelligenza artificiale, come influirà sulle centrali elettriche e su altri ambienti produttivi. Si tratta di altre aree, come ad esempio l’Internet of Things. Potrebbe anche applicarsi ai veicoli elettrici e ai sistemi di ricarica”, dice Jean Raymond, uno degli esperti IEC che sta lavorando al nuovo standard. Come Tessier, Raymond è canadese ed entrambi riferiscono di un forte sostegno da parte dello Standards Council of Canada nei loro sforzi.
Dreaming California
Il documento HMI si basa su una tecnologia proof of concept sviluppata dalla Southern California Edison (SCE), la principale azienda fornitrice di energia elettrica per la maggior parte della California meridionale. “A differenza di molti altri standard, questo documento è stato prodotto da zero. Non abbiamo pubblicato un rapporto tecnico e poi una specifica tecnica prima di scrivere la norma. Abbiamo deciso di preparare uno standard internazionale fin dall’inizio. SCE aveva dimostrato il concetto, quindi sapevamo che era tecnicamente fattibile da realizzare. Si tratta di un settore in cui la tecnologia si sta muovendo rapidamente: dobbiamo assicurarci di tenerne traccia in modo che gli standard che prepariamo siano pertinenti e soddisfino le esigenze del mercato”, spiega Tessier.
Per molti operatori del settore, SCE è vista come una guida: altre utility seguono le roadmap tecnologiche dell’azienda e la sua applicazione HMI basata su dati è solo un altro esempio della sua competenza tecnologica. L’HMI fa parte di un’architettura di automazione delle sottostazioni di terza generazione (SA-3) basata sugli standard IEC 61850, sviluppata dall’azienda.
Mehrdad Vahabi è uno degli ingegneri che hanno lavorato al prototipo HMI, così come l’SA-3. “Southern California Edison è sempre stata una utility all’avanguardia. Nel 2010-11, l’azienda ha deciso di modernizzare la rete. Gli HMI erano già utilizzati, ma erano proprietari, il che ha creato una serie di problemi, tra cui i costi, la quantità di lavoro manuale e il tempo necessario per apportare modifiche ai sistemi e così via. Questi problemi legati all’HMI sono stati uno dei motivi principali per il passaggio all’automazione delle sottostazioni di terza generazione”, spiega Vahabi.
Durante la loro ricerca, gli ingegneri SCE sono venuti a conoscenza degli standard IEC 61850 e delle loro applicazioni per l’automazione delle sottostazioni. “Si tratta di un set di strumenti molto utile, ma la parte HMI non era ancora standardizzata. Ci siamo messi in contatto con gli esperti IEC che lavorano su questi aspetti. Erano molto aperti al nostro progetto e abbiamo ricevuto un feedback estremamente positivo. Abbiamo proceduto ad implementare il nostro prototipo sul campo e fornire loro informazioni che sono state inserite nella stesura del nuovo documento IEC”, aggiunge Vahabi.
La sicurezza informatica è un punto focale
SCE ha già iniziato ad applicare il nuovo sistema HMI nelle sue sottostazioni. “Il piano è di automatizzare 400 sottostazioni con questa tecnologia SA-3 entro il 2028”, indica Vahabi. A valle della linea, l’azienda prevede di prototipare in laboratorio un sistema di automazione completamente virtualizzato per le sottostazioni. “La prima fase della virtualizzazione delle applicazioni HMI e della relativa sicurezza informatica è già stata dimostrata”, descrive Vahabi. Anche gli aspetti di sicurezza informatica sono al centro delle attività di ricerca e sviluppo dell’azienda.
Raymond è consapevole dei problemi di sicurezza informatica e di quanto siano sempre più importanti man mano che ci muoviamo verso una sempre maggiore automazione e verso macchine controllate da software. “L’IEC presterà sempre maggiore attenzione alla convergenza tra i sistemi elettronici, la sicurezza e le comunicazioni nel corso del percorso. Questo è il problema fondamentale da affrontare, soprattutto perché i servizi di pubblica utilità integrano i DER nella rete”.
Potrebbe essere un mondo nuovo e sempre più complesso, ma sembrerebbe che, grazie agli HMI, abbiamo a disposizione alcuni strumenti che ci permettono di superare gran parte di queste complessità. E la rete elettrica è un buon punto di partenza.
