Utilizing the Internet of Things to promote energy awareness and efficiency at discrete production processes: Practices and methodology

El actual contexto de fabricación, con incrementos en los precios de la energía, una creciente preocupación medioambiental y cambios continuos en los comportamientos de los consumidores, fomenta que los responsables prioricen la fabricación respetuosa con el medioambiente. El paradigma del Internet de las Cosas (IoT) promete incrementar la visibilidad y la atención prestada al consumo de energía gracias tanto a sensores como a medidores inteligentes en los niveles de máquina y de línea de producción. En consecuencia es posible y sencillo obtener datos de consumo de energía en tiempo real proveniente de los procesos de fabricación, pero además es posible analizarlos para incrementar su importancia en la toma de decisiones. Esta tesis pretende investigar cómo utilizar la adopción del Internet de las Cosas en el nivel de planta de producción, en procesos discretos, para incrementar la capacidad de uso de la información proveniente tanto de la energía como de la eficiencia energética. Para alcanzar este objetivo general, la investigación se ha dividido en cuatro sub-objetivos y la misma se ha desarrollado a lo largo de cuatro fases principales (en adelante estudios). El primer estudio de esta tesis, que se apoya sobre una revisión bibliográfica comprehensiva y sobre las aportaciones de expertos, define prácticas de gestión de la producción que son energéticamente eficientes y que se apoyan de un modo preeminente en la tecnología IoT. Este primer estudio también detalla los beneficios esperables al adoptar estas prácticas de gestión. Además, propugna un marco de referencia para permitir la integración de los datos que sobre el consumo energético se obtienen en el marco de las plataformas y sistemas de información de la compañía. Esto se lleva a cabo con el objetivo último de remarcar cómo estos datos pueden ser utilizados para apalancar decisiones en los niveles de procesos tanto tácticos como operativos. Segundo, considerando los precios de la energía como variables en el mercado intradiario y la disponibilidad de información detallada sobre el estado de las máquinas desde el punto de vista de consumo energético, el segundo estudio propone un modelo matemático para minimizar los costes del consumo de energía para la programación de asignaciones de una única máquina que deba atender a varios procesos de producción. Este modelo permite la toma de decisiones en el nivel de máquina para determinar los instantes de lanzamiento de cada trabajo de producción, los tiempos muertos, cuándo la máquina debe ser puesta en un estado de apagada, el momento adecuado para rearrancar, y para pararse, etc. Así, este modelo habilita al responsable de producción de implementar el esquema de producción menos costoso para cada turno de producción. En el tercer estudio esta investigación proporciona una metodología para ayudar a los responsables a implementar IoT en el nivel de los sistemas productivos. Se incluye un análisis del estado en que se encuentran los sistemas de gestión de energía y de producción en la factoría, así como también se proporcionan recomendaciones sobre procedimientos para implementar IoT para capturar y analizar los datos de consumo. Esta metodología ha sido validada en un estudio piloto, donde algunos indicadores clave de rendimiento (KPIs) han sido empleados para determinar la eficiencia energética. En el cuarto estudio el objetivo es introducir una vía para obtener visibilidad y relevancia a diferentes niveles de la energía consumida en los procesos de producción. El método propuesto permite que las factorías con procesos de producción discretos puedan determinar la energía consumida, el CO2 emitido o el coste de la energía consumida ya sea en cualquiera de los niveles: operación, producto o la orden de fabricación completa, siempre considerando las diferentes fuentes de energía y las fluctuaciones en los precios de la misma. Los resultados muestran que decisiones y prácticas de gestión para conseguir sistemas de producción energéticamente eficientes son posibles en virtud del Internet de las Cosas. También, con los resultados de esta tesis los responsables de la gestión energética en las compañías pueden plantearse una aproximación a la utilización del IoT desde un punto de vista de la obtención de beneficios, abordando aquellas prácticas de gestión energética que se encuentran más próximas al nivel de madurez de la factoría, a sus objetivos, al tipo de producción que desarrolla, etc. Así mismo esta tesis muestra que es posible obtener reducciones significativas de coste simplemente evitando los períodos de pico diario en el precio de la misma. Además la tesis permite identificar cómo el nivel de monitorización del consumo energético (es decir al nivel de máquina), el intervalo temporal, y el nivel del análisis de los datos son factores determinantes a la hora de localizar oportunidades para mejorar la eficiencia energética. Adicionalmente, la integración de datos de consumo energético en tiempo real con datos de producción (cuando existen altos niveles de estandarización en los procesos productivos y sus datos) es esencial para permitir que las factorías detallen la energía efectivamente consumida, su coste y CO2 emitido durante la producción de un producto o componente. Esto permite obtener una valiosa información a los gestores en el nivel decisor de la factoría así como a los consumidores y reguladores. ABSTRACT In today‘s manufacturing scenario, rising energy prices, increasing ecological awareness, and changing consumer behaviors are driving decision makers to prioritize green manufacturing. The Internet of Things (IoT) paradigm promises to increase the visibility and awareness of energy consumption, thanks to smart sensors and smart meters at the machine and production line level. Consequently, real-time energy consumption data from the manufacturing processes can be easily collected and then analyzed, to improve energy-aware decision-making. This thesis aims to investigate how to utilize the adoption of the Internet of Things at shop floor level to increase energy–awareness and the energy efficiency of discrete production processes. In order to achieve the main research goal, the research is divided into four sub-objectives, and is accomplished during four main phases (i.e., studies). In the first study, by relying on a comprehensive literature review and on experts‘ insights, the thesis defines energy-efficient production management practices that are enhanced and enabled by IoT technology. The first study also explains the benefits that can be obtained by adopting such management practices. Furthermore, it presents a framework to support the integration of gathered energy data into a company‘s information technology tools and platforms, which is done with the ultimate goal of highlighting how operational and tactical decision-making processes could leverage such data in order to improve energy efficiency. Considering the variable energy prices in one day, along with the availability of detailed machine status energy data, the second study proposes a mathematical model to minimize energy consumption costs for single machine production scheduling during production processes. This model works by making decisions at the machine level to determine the launch times for job processing, idle time, when the machine must be shut down, ―turning on‖ time, and ―turning off‖ time. This model enables the operations manager to implement the least expensive production schedule during a production shift. In the third study, the research provides a methodology to help managers implement the IoT at the production system level; it includes an analysis of current energy management and production systems at the factory, and recommends procedures for implementing the IoT to collect and analyze energy data. The methodology has been validated by a pilot study, where energy KPIs have been used to evaluate energy efficiency. In the fourth study, the goal is to introduce a way to achieve multi-level awareness of the energy consumed during production processes. The proposed method enables discrete factories to specify energy consumption, CO2 emissions, and the cost of the energy consumed at operation, production and order levels, while considering energy sources and fluctuations in energy prices. The results show that energy-efficient production management practices and decisions can be enhanced and enabled by the IoT. With the outcomes of the thesis, energy managers can approach the IoT adoption in a benefit-driven way, by addressing energy management practices that are close to the maturity level of the factory, target, production type, etc. The thesis also shows that significant reductions in energy costs can be achieved by avoiding high-energy price periods in a day. Furthermore, the thesis determines the level of monitoring energy consumption (i.e., machine level), the interval time, and the level of energy data analysis, which are all important factors involved in finding opportunities to improve energy efficiency. Eventually, integrating real-time energy data with production data (when there are high levels of production process standardization data) is essential to enable factories to specify the amount and cost of energy consumed, as well as the CO2 emitted while producing a product, providing valuable information to decision makers at the factory level as well as to consumers and regulators.

A novel methodology to determine the mechanical properties of amorphous materials through instrumented nanoindentation

A novel methodology based on instrumented indentation was developed to characterize the mechanical properties of amorphous materials. The approach is based on the concept of a universal postulate that assumes the existence of a characteristic indentation pressure proportional to the hardness. This hypothesis was numerically validated. This method overcomes the limitation of the conventional indentation models (pile-up effects and pressure sensitivity materials).

Managing drought economic effects through insurance schemes based on local water availability.

In many arid or semi-arid Mediterranean regions, agriculture is dependent on irrigation. When hydrological drought phenomena occur, farmers suffer from water shortages, incurring important economic losses. Yet, there is not agricultural insurance available for lack of irrigation water. This work attempts to evaluate hydrological drought risk and its economic impact on crop production in order to provide the basis for the design of drought insurance for irrigated arable crops. With this objective a model that relates water availability with expected yields is developed. Crop water requirements are calculated from evapotranspiration, effective rainfall and soil water balance. FAO?s methodology and AquaCrop software have been used to establish the relationship between water allocations and crop yields. The analysis is applied to the irrigation zone ?Riegos de Bardenas?, which is located in the Ebro river basin, northeast Spain, to the main arable crops in the area. Results show the fair premiums of different hydrological drought insurance products. Whole-farm insurance or irrigation district insurance should be preferable to crop specific insurance due to the drought management strategies used by farmers.

Experiences and methodology in a multidisciplinary energy and architecture competition: Solar Decathlon Europe 2012

Solar Decathlon Europe is an international competition among universities which promotes interdisciplinary learning in engineering and architecture. Students from different disciplines participate in teams guided by several professors during a 29 month preparation period plus five weeks of on-site contest. The educational project involves designing, building and testing a solar energy house connected to the electrical grid with the strategy of maximizing self-consumption, supported by bioclimatic technologies and maintaining a low environmental footprint. It culminates in a on-site contest in which teams must assembly the house themselves, test it with ordinary real life tasks and finally disassembly it. The event has also a divulgative aim, trying to make students and visitors get interested in discovering the problems presented by real engineering and architecture applications. In addition, SDE covers R&D aspects in different fields such as energy efficiency, solar energy and bioclimatic architecture. This article presents the methodology followed during the SDE 2012 edition, in which more than 850 students participated. The obtained results show that the educational competition was a success according to the technical and professional ambitions of the students, most of them considering that their knowledge had increased in areas related to technical and multidisciplinary aspects.

Combined determination of sharing and freeness of program variables through abstract interpretation

In this paper, abstract interpretation algorithms are described for computing the sharmg as well as the freeness information about the run-time instantiations of program variables. An abstract domain is proposed which accurately and concisely represents combined freeness and sharing information for program variables. Abstract unification and all other domain-specific functions for an abstract interpreter working on this domain are presented. These functions are illustrated with an example. The importance of inferring freeness is stressed by showing (1) the central role it plays in non-strict goal independence, and (2) the improved accuracy it brings to the analysis of sharing information when both are computed together. Conversely, it is shown that keeping accurate track of sharing allows more precise inference of freeness, thus resulting in an overall much more powerful abstract interpreter.

Determination of the mechanical properties of amorphous materials through instrumented nanoindentation

A novel methodology based on instrumented indentation is developed to determine the mechanical properties of amorphous materials which present cohesive-frictional behaviour. The approach is based on the concept of a universal hardness equation, which results from the assumption of a characteristic indentation pressure proportional to the hardness. The actual universal hardness equation is obtained from a detailed finite element analysis of the process of sharp indentation for a very wide range of material properties, and the inverse problem (i.e. how to extract the elastic modulus, the compressive yield strength and the friction angle) from instrumented indentation is solved. The applicability and limitations of the novel approach are highlighted. Finally, the model is validated against experimental data in metallic and ceramic glasses as well as polymers, covering a wide range of amorphous materials in terms of elastic modulus, yield strength and friction angle.

Modeling impact assessment of transport policies through a multiregional input-output integrated approach

El objetivo de esta investigación es desarrollar una metodología para estimar los potenciales impactos económicos y de transporte generados por la aplicación de políticas en el sector transporte. Los departamentos de transporte y otras instituciones gubernamentales relacionadas se encuentran interesadas en estos análisis debido a que son presentados comúnmente de forma errónea por la insuficiencia de datos o por la falta de metodologías adecuadas. La presente investigación tiene por objeto llenar este vacío haciendo un análisis exhaustivo de las técnicas disponibles que coincidan con ese propósito. Se ha realizado un análisis que ha identificado las diferencias cuando son aplicados para la valoración de los beneficios para el usuario o para otros efectos como aspectos sociales. Como resultado de ello, esta investigación ofrece un enfoque integrado que incluye un modelo Input-Output de múltiples regiones basado en la utilidad aleatoria (RUBMRIO), y un modelo de red de transporte por carretera. Este modelo permite la reproducción con mayor detalle y realismo del transporte de mercancías que por medio de su estructura sectorial identifica los vínculos de las compras y ventas inter-industriales dentro de un país utilizando los servicios del transporte de mercancías. Por esta razón, el modelo integrado es aplicable a diversas políticas de transporte. En efecto, el enfoque se ha aplicado para estudiar los efectos macroeconómicos regionales de la implementación de dos políticas diferentes en el sistema de transporte de mercancías de España, tales como la tarificación basada en la distancia recorrida por vehículo-kilómetro (€/km) aplicada a los vehículos del transporte de mercancías, y para la introducción de vehículos más largos y pesados de mercancías en la red de carreteras de España. El enfoque metodológico se ha evaluado caso por caso teniendo en cuenta una selección de la red de carreteras que unen las capitales de las regiones españolas. También se ha tenido en cuenta una dimensión económica a través de una tabla Input-Output de múltiples regiones (MRIO) y la base de datos de conteo de tráfico existente para realizar la validación del modelo. El enfoque integrado reproduce las condiciones de comercio observadas entre las regiones usando el sistema de transporte de mercancías por carretera, y que permite por comparación con los escenarios de políticas, determinar las contribuciones a los cambios distributivos y generativos. Así pues, el análisis estima los impactos económicos en cualquier región considerando los cambios en el Producto Interno Bruto (PIB) y el empleo. El enfoque identifica los cambios en el sistema de transporte a través de todos los caminos de la red de transporte a través de las medidas de efectividad (MOEs). Los resultados presentados en esta investigación proporcionan evidencia sustancial de que en la evaluación de las políticas de transporte, es necesario establecer un vínculo entre la estructura económica de las regiones y de los servicios de transporte. Los análisis muestran que para la mayoría de las regiones del país, los cambios son evidentes para el PIB y el empleo, ya que el comercio se fomenta o se inhibe. El enfoque muestra cómo el tráfico se desvía en ambas políticas, y también determina detalles de las emisiones de contaminantes en los dos escenarios. Además, las políticas de fijación de precios o de regulación de los sistemas de transporte de mercancías por carretera dirigidas a los productores y consumidores en las regiones promoverán transformaciones regionales afectando todo el país, y esto conduce a conclusiones diferentes. Así mismo, este enfoque integrado podría ser útil para evaluar otras políticas y otros países en todo el mundo. The purpose of this research is to develop a methodological approach aimed at assessing the potential economic and transportation impacts of transport policies. Transportation departments and other related government parties are interested in such analysis because it is commonly misrepresented for the insufficiency of data and suitable methodologies available. This research is directed at filling this gap by making a comprehensive analysis of the available techniques that match with that purpose. The differences when they are applied for the valuation of user benefits or for other impacts as social matters have been identified. As a result, this research presents an integrated approach which includes both a random utility-based multiregional Input-Output model (RUBMRIO), and a road transport network model. This model accounts for freight transport with more detail and realism because its commodity-based structure traces the linkages of inter-industry purchases and sales that use freight services within a given country. For this reason, the integrated model is applicable to various transport policies. In fact, the approach is applied to study the regional macroeconomic effects of implementing two different policies in the freight transport system of Spain, such as a distance-based charge in vehicle-kilometer (€/km) for Heavy Goods Vehicles (HGVs), and the introduction of Longer and Heavier Vehicles (LHVs) in the road network of Spain. The methodological approach has been evaluated on a case by case basis considering a selected road network of highways linking the capitals of the Spanish regions. It has also considered an economic dimension through a Multiregional Input Output Table (MRIO) and the existing traffic count database used in the model validation. The integrated approach replicates observed conditions of trade among regions using road freight transport systems that determine contributions to distributional and generative changes by comparison with policy scenarios. Therefore, the model estimates economic impacts in any given area by considering changes in Gross Domestic Product (GDP), employment (jobs), and in the transportation system across all paths of the transport network considering Measures of effectiveness (MOEs). The results presented in this research provide substantive evidence that in the assessment of transport policies it is necessary to establish a link between the economic structure of regions and the transportation services. The analysis shows that for most regions in the country, GDP and employment changes are noticeable when trade is encouraged or discouraged. This approach shows how traffic is diverted in both policies, and also provides details of the pollutant emissions in both scenarios. Furthermore, policies, such as pricing or regulation of road freight transportation systems, directed to producers and consumers in regions will promote different regional transformations across the country, and this lead to different conclusions. In addition, this integrated approach could be useful to assess other policies and countries worldwide.

Vegetation and fire history since the last glacial maximum in an inland area of the western Mediterranean Basin (Northern Iberian Plateau, NW Spain)

We reconstructed vegetation responses to climate oscillations, fire and human activities since the last glacial maximum in inland NW Iberia, where previous paleoecological research is scarce. Extremely sparse and open vegetation composed of steppic grasslands and heathlands with scattered pioneer trees suggests very cold and dry conditions during the Oldest Dryas, unsuitable for tree survival in the surroundings of the study site. Slight woodland expansion during the Bolling/Allerod was interrupted by the Younger Dryas cooling. Pinewoods dominated for most of the early Holocene, when a marked increase in fire activity occurred. Deciduous trees expanded later reaching their maximum representation during the mid-Holocene. Enhanced fire activity and the presence of coprophilous fungi around 6400-6000 cal yr BP suggest an early human occupation around the site. However, extensive deforestation only started at 4500 calyrBP, when fire was used to clear the tree canopy. Final replacement of woodlands with heathlands, grasslands and cereal crops occurred from 2700 cal yr BP onwards due to land-use intensification. Our paleoecological record can help efforts aimed at restoring the natural vegetation by indicating which communities were dominant at the onset of heavy human impact, thus promoting the recovery of currently rare oak and alder stands.

Determining the elastic-plastic properties of metallic materials through instrumented indentation

En los últimos años, y asociado al desarrollo de la tecnología MEMS, la técnica de indentación instrumentada se ha convertido en un método de ensayo no destructivo ampliamente utilizado para hallar las características elástico-plásticas de recubrimientos y capas delgadas, desde la escala macroscópica a la microscópica. Sin embargo, debido al complejo mecanismo de contacto debajo de la indentación, es urgente proponer un método más simple y conveniente para obtener unos resultados comparables con otras mediciones tradicionales. En este estudio, el objetivo es mejorar el procedimiento analítico para extraer las propiedades elástico-plásticas del material mediante la técnica de indentación instrumentada. La primera parte se centra en la metodología llevada a cabo para medir las propiedades elásticas de los materiales elásticos, presentándose una nueva metodología de indentación, basada en la evolución de la rigidez de contacto y en la curva fuerza-desplazamiento del ensayo de indentación. El método propuesto permite discriminar los valores de indentación experimental que pudieran estar afectados por el redondeo de la punta del indentador. Además, esta técnica parece ser robusta y permite obtener valores fiables del modulo elástico. La segunda parte se centra en el proceso analítico para determinar la curva tensión-deformación a partir del ensayo de indentación, empleando un indentador esférico. Para poder asemejar la curva tension-deformación de indentación con la que se obtendría de un ensayo de tracción, Tabor determinó empíricamente un factor de constricción de la tensión () y un factor de constricción de la deformación (). Sin embargo, la elección del valor de y  necesitan una derivación analítica. Se describió analíticamente una nueva visión de la relación entre los factores de constricción de tensión y la deformación basado en la deducción de la ecuación de Tabor. Un modelo de elementos finitos y un diseño experimental se realizan para evaluar estos factores de constricción. A partir de los resultados obtenidos, las curvas tension-deformación extraidas de los ensayos de indentación esférica, afectadas por los correspondientes factores de constricción de tension y deformación, se ajustaron a la curva nominal tensión-deformación obtenida de ensayos de tracción convencionales. En la última parte, se estudian las propiedades del revestimiento de cermet Inconel 625-Cr3C2 que es depositado en el medio de una aleación de acero mediante un láser. Las propiedades mecánicas de la matriz de cermet son estudiadas mediante la técnica de indentación instrumentada, haciendo uso de las metodologías propuestas en el presente trabajo. In recent years, along with the development of MEMS technology, instrumented indentation, as one type of a non-destructive measurement technique, is widely used to characterize the elastic and plastic properties of metallic materials from the macro to the micro scale. However, due to the complex contact mechanisms under the indentation tip, it is necessary to propose a more convenient and simple method of instrumented indention to obtain comparable results from other conventional measurements. In this study, the aim is to improve the analytical procedure for extracting the elastic plastic properties of metallic materials by instrumented indentation. The first part focuses on the methodology for measuring the elastic properties of metallic materials. An alternative instrumented indentation methodology is presented. Based on the evolution of the contact stiffness and indentation load versus the depth of penetration, the possibility of obtaining the actual elastic modulus of an elastic-plastic bulk material through instrumented sharp indentation tests has been explored. The proposed methodology allows correcting the effect of the rounding of the indenter tip on the experimental indentation data. Additionally, this technique does not seem too sensitive to the pile-up phenomenon and allows obtaining convincing values of the elastic modulus. In the second part, an analytical procedure is proposed to determine the representative stress-strain curve from the spherical indentation. Tabor has determined the stress constraint factor (stress CF), and strain constraint factor (strain CF), empirically but the choice of a value for and is debatable and lacks analytical derivation. A new insight into the relationship between stress and strain constraint factors is analytically described based on the formulation of Tabor’s equation. Finite element model and experimental tests have been carried out to evaluate these constraint factors. From the results, representative stress-strain curves using the proposed strain constraint factor fit better with the nominal stress-strain curve than those using Tabor’s constraint factors. In the last part, the mechanical properties of an Inconel 625-Cr3C2 cermet coating which is deposited onto a medium alloy steel by laser cladding has been studied. The elastic and plastic mechanical properties of the cermet matrix are studied using depth-sensing indentation (DSI) on the micro scale.