Stability, viscous dissipation and local thermal non-equilibrium in fluid saturated porous media

In this thesis, the field of study related to the stability analysis of fluid saturated porous media is investigated. In particular the contribution of the viscous heating to the onset of convective instability in the flow through ducts is analysed. In order to evaluate the contribution of the viscous dissipation, different geometries, different models describing the balance equations and different boundary conditions are used. Moreover, the local thermal non-equilibrium model is used to study the evolution of the temperature differences between the fluid and the solid matrix in a thermal boundary layer problem. On studying the onset of instability, different techniques for eigenvalue problems has been used. Analytical solutions, asymptotic analyses and numerical solutions by means of original and commercial codes are carried out.

Metodi statistici a variabili latenti per lo studio di fenomeni finanziari

Negli ultimi decenni il concetto di variabile latente ha riscosso un enorme successo nelle discipline statistiche come attestano i numerosi lavori scientifici presenti in letteratura. In particolare, nelle scienze sociali e in psicometria, l’uso del concetto di variabile latente è stato largamente adottato per far fronte al problema di misurare quantità che, in natura, non possono essere direttamente osservate. La vasta letteratura riguardante questa metodologia si espande, in maniera più limitata, anche al campo della ricerca economica ed econometrica. Nonostante esistano studi di modelli a struttura latente applicati a variabili di tipo economico, molto pochi sono i lavori che considerano variabili finanziarie e, finora, praticamente nessun ricercatore ha messo in connessione la teoria standard di portafoglio con la metodologia dei modelli statistici a variabili latenti. L’obiettivo del lavoro è quello di ricorrere alle potenzialità esplicative ed investigative dei metodi statistici a variabili latenti per l’analisi dei fenomeni finanziari. Si fa riferimento, in particolare, ai modelli a classe latente che consentono di sviluppare soluzioni metodologicamente corrette per importanti problemi ancora aperti in campo finanziario. In primo luogo, la natura stessa delle variabili finanziarie è riconducibile al paradigma delle variabili latenti. Infatti, variabili come il rischio ed il rendimento atteso non possono essere misurate direttamente e necessitano di approssimazioni per valutarne l’entità. Tuttavia, trascurare la natura non osservabile delle variabili finanziarie può portare a decisioni di investimento inopportune o, talvolta, addirittura disastrose. Secondariamente, vengono prese in considerazione le capacità dei modelli a classi latenti nel contesto della classificazione. Per i prodotti finanziari, infatti, una corretta classificazione sulla base del profilo (latente) di rischio e rendimento rappresenta il presupposto indispensabile per poter sviluppare efficaci strategie di investimento. Ci si propone, inoltre, di sviluppare un collegamento, finora mancante, tra uno dei principali riferimenti della finanza moderna, la teoria classica del portafoglio di Markowitz, e la metodologia statistica dei modelli a variabili latenti. In questo contesto, si vogliono investigare, in particolare, i benefici che i modelli a variabili latenti possono dare allo studio di ottimizzazione del profilo rischio - rendimento atteso di un portafoglio di attività finanziarie. Lo sviluppo di numeri indici dei prezzi delle attività finanziarie caratterizzati da una solida base metodologica rappresenta un ulteriore aspetto nel quale i modelli a classe latente possono svolgere un ruolo di fondamentale importanza. In particolare, si propone di analizzare il contesto dei numeri indici dei prezzi settoriali, che costituiscono uno dei riferimenti più importanti nelle strategie di diversificazione del rischio. Infine, il passaggio da una specificazione statica ad una analisi dinamica coglie aspetti metodologici di frontiera che possono essere investigati nell’ambito dei modelli markoviani a classi latenti. Il profilo latente di rischio – rendimento può essere, così, investigato in riferimento alle diverse fasi dei mercati finanziari, per le quali le probabilità di transizione consentono valutazioni di tipo previsivo di forte interesse.

Analisi LCA delle case di paglia di Pescomaggiore (AQ)

Questa tesi di laurea ha un duplice scopo: da un lato l’analisi delle caratteristiche delle balle di paglia usate come materiale da costruzione, dall’altro la valutazione ambientale tramite metodologia LCA di un intervento di reinsediamento post-sisma a Pescomaggiore, in Abruzzo, realizzato con edifici in balle di paglia autocostruiti. Nella parte prima si focalizza l’attenzione sulle direttive europee e i loro recepimenti italiani a cui fare riferimento per le gestione energetica degli edifici, oltre ad una panoramica sulla certificazione energetica. Si riportano inoltre sinteticamente quelle parti della normativa edilizia che riguardano le costruzioni con materiali innovativi. La parte seconda è il frutto di una lunga fase di ricerca bibliografica, in cui si è cercato di fare chiarezza sulle caratteristiche della paglia: traspirabilità, isolamento termico, resistenza al fuoco e fonoassorbenza le parti su cui si è maggiormente rivolta l’attenzione. Nella parte terza viene descritta dettagliatamente la metodologia LCA, e in particolare la sua applicazione nel campo dell’edilizia: le diverse fasi in cui si compone, l’uso di software e di banche dati appropriate e i metodi più utilizzati per l’analisi degli impatti. Nella quarta ed ultima parte viene descritto dettagliatamente il caso di studio: una delle case di paglia dell’Ecovillaggio di Pescomaggiore; segue una descrizione accurata della fase di inventario, effettuata anche tramite un sopralluogo in sito. Infine vengono riportati e commentati i risultati dell’analisi, ed espresse considerazioni e proposte migliorative.

Applicazione di strumenti e metodi per la gestione ambientale di un territorio vasto - Sviluppo di un sistema di gestione ambientale in un ente pubblico secondo lo schema europeo EMAS e analisi di un sistema energetico territoriale

Environmental Management includes many components, among which we can include Environmental Management Systems (EMS), Environmental Reporting and Analysis, Environmental Information Systems and Environmental Communication. In this work two applications are presented: the developement and implementation of an Environmental Management System in local administrations, according to the European scheme "EMAS", and the analysis of a territorial energy system through scenario building and environmental sustainability assessment. Both applications are linked by the same objective, which is the quest for more scientifically sound elements; in fact, both EMS and energy planning are oftec carachterized by localism and poor comparability. Emergy synthesis, proposed by ecologist H.T. Odum and described in his book "Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision Making" (1996) has been chosen and applied as an environmental evaluation tool, in order complete the analysis with an assessment of the "global value" of goods and processes. In particular, eMergy syntesis has been applied in order to improve the evaluation of the significance of environmental aspects in an EMS, and in order to evaluate the environmental performance of three scenarios of future evolution of the energy system. Regarding EMS, in this work an application of an EMS together with the CLEAR methodology for environmental accounting is discussed, in order to improve the identification of the environmental aspects; data regarding environmental aspects and significant ones for 4 local authorities are also presented, together with a preliminary proposal for the integration of the assessment of the significance of environmental aspects with eMergy synthesis. Regarding the analysis of an energy system, in this work the carachterization of the current situation is presented together with the overall energy balance and the evaluation of the emissions of greenhouse gases; moreover, three scenarios of future evolution are described and discussed. The scenarios have been realized with the support of the LEAP software ("Long Term Energy Alternatives Planning System" by SEI - "Stockholm Environment Institute"). Finally, the eMergy synthesis of the current situation and of the three scenarios is shown.

Analisi della sostenibilità della filiera dell'olio di palma e della Direttiva Comunitaria 2009/28/CE sulla promozione dell'uso di energia da fonti rinnovabili: il caso Unigrà SpA

Questo elaborato si pone l'obiettivo di analizzare e valutare la sostenibilità dell'intera filiera dell'olio di palma, che viene importato da paesi del Sud Est asiatico per essere utilizzato in Europa per scopi sia energetici che alimentari. Nell'introduzione è inquadrata la problematica dei biocombustibili e degli strumenti volontari che possono essere utilizzati per garantire ed incentivare la sostenibilità in generale e dei biocombustibili; è presente inoltre un approfondimento sull'olio di palma, sulle sue caratteristiche e sulla crescita che ha subito negli ultimi anni in termini di produzione e compra/vendita. Per questa valutazione sono stati impiegati tre importanti strumenti di analisi e certificazione della sostenibilità, che sono stati applicati ad uno specifico caso di studio: l'azienda Unigrà SpA. La certificazione RSPO (Roundtable on Sustainable Palm Oil) è uno strumento volontario per la garanzia della sostenibilità della filiera dell'olio di palma in termini economici (vitalità nel mercato), ambientali (risparmio delle emissioni di gas ad effetto serra o GHG, conservazione delle risorse naturali e della biodiversità) e sociali (preservazione delle comunità locali e miglioramento nella gestione delle aree di interesse). La Global Reporting Initiative è un'organizzazione che prevede la redazione volontaria di un documento chiamato bilancio di sostenibilità secondo delle linee guida standardizzate che permettono alle organizzazioni di misurare e confrontare le loro performance economiche, sociali e ambientali nel tempo. La Direttiva Comunitaria 2009/28/CE (Renewable Energy Directive o RED) è invece uno strumento cogente nel caso in cui le organizzazioni intendano utilizzare risorse rinnovabili per ottenere incentivi finanziari. A seguito di un calcolo delle emissioni di GHG, le organizzazioni devono dimostrare determinate prestazioni ambientali attraverso il confronto con delle soglie presenti nel testo della Direttiva. Parallelamente alla valutazione delle emissioni è richiesto che le organizzazioni aderiscano a dei criteri obbligatori di sostenibilità economica, ambientale e sociale, verificabili grazie a degli schemi di certificazione che rientrano all'interno di politiche di sostenibilità globale. Questi strumenti sono stati applicati ad Unigrà, un'azienda che opera nel settore della trasformazione e della vendita di oli e grassi alimentari, margarine e semilavorati destinati alla produzione alimentare e che ha recentemente costruito una centrale da 58 MWe per la produzione di energia elettrica, alimentata in parte da olio di palma proveniente dal sud-est asiatico ed in parte dallo scarto della lavorazione nello stabilimento. L'adesione alla RSPO garantisce all'azienda la conformità alle richieste dell'organizzazione per la commercializzazione e la vendita di materie prime certificate RSPO, migliorando l'immagine di Unigrà all'interno del suo mercato di riferimento. Questo tipo di certificazione risulta importante per le organizzazioni perché può essere considerato un mezzo per ridurre l'impatto negativo nei confronti dell'ambiente, limitando deforestazione e cambiamenti di uso del suolo, oltre che consentire una valutazione globale, anche in termini di sostenibilità sociale. Unigrà ha visto nella redazione del bilancio di sostenibilità uno strumento fondamentale per la valutazione della sostenibilità a tutto tondo della propria organizzazione, perché viene data uguale rilevanza alle tre sfere della sostenibilità; la validazione esterna di questo documento ha solo lo scopo di controllare che le informazioni inserite siano veritiere e corrette secondo le linee guida del GRI, tuttavia non da giudizi sulle prestazioni assolute di una organizzazione. Il giudizio che viene dato sulle prestazioni delle organizzazioni e di tipo qualitativo ma non quantitativo. Ogni organizzazione può decidere di inserire o meno parte degli indicatori per una descrizione più accurata e puntuale. Unigrà acquisterà olio di palma certificato sostenibile secondo i principi previsti dalla Direttiva RED per l'alimentazione della centrale energetica, inoltre il 10 gennaio 2012 ha ottenuto la certificazione della sostenibilità della filiera secondo lo schema Bureau Veritas approvato dalla Comunità Europea. Il calcolo delle emissioni di tutte le fasi della filiera dell'olio di palma specifico per Unigrà è stato svolto tramite Biograce, uno strumento di calcolo finanziato dalla Comunità Europea che permette alle organizzazioni di misurare le emissioni della propria filiera in maniera semplificata ed adattabile alle specifiche situazioni. Dei fattori critici possono però influenzare il calcolo delle emissioni della filiera dell'olio di palma, tra questi i più rilevanti sono: cambiamento di uso del suolo diretto ed indiretto, perché possono provocare perdita di biodiversità, aumento delle emissioni di gas serra derivanti dai cambiamenti di riserve di carbonio nel suolo e nella biomassa vegetale, combustione delle foreste, malattie respiratorie, cambiamenti nelle caratteristiche dei terreni e conflitti sociali; presenza di un sistema di cattura di metano all'oleificio, perché gli effluenti della lavorazione non trattati potrebbero provocare problemi ambientali; cambiamento del rendimento del terreno, che può influenzare negativamente la resa delle piantagioni di palma da olio; sicurezza del cibo ed aspetti socio-economici, perché, sebbene non inseriti nel calcolo delle emissioni, potrebbero provocare conseguenze indesiderate per le popolazioni locali. Per una valutazione complessiva della filiera presa in esame, è necessario ottenere delle informazioni puntuali provenienti da paesi terzi dove però non sono di sempre facile reperibilità. Alla fine della valutazione delle emissioni, quello che emerge dal foglio di Biograce e un numero che, sebbene possa essere confrontato con delle soglie specifiche che descrivono dei criteri obbligatori di sostenibilità, non fornisce informazioni aggiuntive sulle caratteristiche della filiera considerata. È per questo motivo che accanto a valutazioni di questo tipo è necessario aderire a specifici criteri di sostenibilità aggiuntivi. Il calcolo delle emissioni dell'azienda Unigrà risulta vantaggioso in quasi tutti i casi, anche considerando i fattori critici; la certificazione della sostenibilità della filiera garantisce l'elevato livello di performance anche nei casi provvisti di maggiore incertezza. L'analisi del caso Unigrà ha reso evidente come l'azienda abbia intrapreso la strada della sostenibilità globale, che si traduce in azioni concrete. Gli strumenti di certificazione risultano quindi dei mezzi che consentono di garantire la sostenibilità della filiera dell'olio di palma e diventano parte integrante di programmi per la strategia europea di promozione della sostenibilità globale. L'utilizzo e l'implementazione di sistemi di certificazione della sostenibilità risulta per questo da favorire.

Sul comportamento dinamico di macchine fresatrici in alcune condizioni critiche di lavorazione

Questa tesi affronta lo studio di una tipologia di vibrazione autoeccitata, nota come chatter, che si manifesta nei processi di lavorazione ad asportazione di truciolo ed in particolare nelle lavorazioni di fresatura. La tesi discute inoltre lo sviluppo di una tecnica di monitoraggio e diagnostica del chatter basato sul rilievo di vibrazioni. Il fenomeno del chatter è caratterizzato da violente oscillazioni tra utensile e pezzo in lavorazione ed elevate emissioni acustiche. Il chatter, se non controllato, causa uno scadimento qualitativo della finitura superficiale e delle tolleranze dimensionali del lavorato, una riduzione della vita degli utensili e dei componenti della macchina. Questa vibrazione affligge negativamente la produttività e la qualità del processo di lavorazione e pregiudica l’interazione uomo-macchina-ambiente. Per una data combinazione di macchina, utensile e pezzo lavorato, i fattori che controllano la velocità di asportazione del materiale sono gli stessi che controllano l’insorgenza del chatter: la velocità di rotazione del mandrino, la profondità assiale di passata e la velocità di avanzamento dell’utensile. Per studiare il fenomeno di chatter, con l’obbiettivo di individuare possibili soluzioni per limitarne o controllarne l’insorgenza, vengono proposti in questa tesi alcuni modelli del processo di fresatura. Tali modelli comprendono il modello viscoelastico della macchina fresatrice e il modello delle azioni di taglio. Per le azioni di taglio è stato utilizzato un modello presente in letteratura, mentre per la macchina fresatrice sono stati utilizzato modelli a parametri concentrati e modelli modali analitico-sperimentali. Questi ultimi sono stati ottenuti accoppiando un modello modale sperimentale del telaio, completo di mandrino, della macchina fresatrice con un modello analitico, basato sulla teoria delle travi, dell’utensile. Le equazioni del moto, associate al processo di fresatura, risultano essere equazioni differenziali con ritardo a coefficienti periodici o PDDE (Periodic Delay Diefferential Equations). È stata implementata una procedura numerica per mappare, nello spazio dei parametri di taglio, la stabilità e le caratteristiche spettrali (frequenze caratteristiche della vibrazione di chatter) delle equazioni del moto associate ai modelli del processo di fresatura proposti. Per testare i modelli e le procedure numeriche proposte, una macchina fresatrice CNC 4 assi, di proprietà del Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche Nucleari e Metallurgiche (DIEM) dell’Università di Bologna, è stata strumentata con accelerometri, con una tavola dinamometrica per la misura delle forze di taglio e con un adeguato sistema di acquisizione. Eseguendo varie prove di lavorazione sono stati identificati i coefficienti di pressione di taglio contenuti nel modello delle forze di taglio. Sono stati condotti, a macchina ferma, rilievi di FRFs (Funzioni Risposta in Frequenza) per identificare, tramite tecniche di analisi modale sperimentale, i modelli del solo telaio e della macchina fresatrice completa di utensile. I segnali acquisiti durante le numerose prove di lavorazione eseguite, al variare dei parametri di taglio, sono stati analizzati per valutare la stabilità di ciascun punto di lavoro e le caratteristiche spettrali della vibrazione associata. Questi risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti applicando la procedura numerica proposta ai diversi modelli di macchina fresatrice implementati. Sono state individuate le criticità della procedura di modellazione delle macchine fresatrici a parametri concentrati, proposta in letteratura, che portano a previsioni erronee sulla stabilità delle lavorazioni. È stato mostrato come tali criticità vengano solo in parte superate con l’utilizzo dei modelli modali analitico-sperimentali proposti. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato proposto un sistema automatico, basato su misure accelerometriche, per diagnosticare, in tempo reale, l’insorgenza del chatter durante una lavorazione. È stato realizzato un prototipo di tale sistema di diagnostica il cui funzionamento è stato provato mediante prove di lavorazione eseguite su due diverse macchine fresatrici CNC.

Formulations and Algorithms for Routing Problems

Combinatorial Optimization is a branch of optimization that deals with the problems where the set of feasible solutions is discrete. Routing problem is a well studied branch of Combinatorial Optimization that concerns the process of deciding the best way of visiting the nodes (customers) in a network. Routing problems appear in many real world applications including: Transportation, Telephone or Electronic data Networks. During the years, many solution procedures have been introduced for the solution of different Routing problems. Some of them are based on exact approaches to solve the problems to optimality and some others are based on heuristic or metaheuristic search to find optimal or near optimal solutions. There is also a less studied method, which combines both heuristic and exact approaches to face different problems including those in the Combinatorial Optimization area. The aim of this dissertation is to develop some solution procedures based on the combination of heuristic and Integer Linear Programming (ILP) techniques for some important problems in Routing Optimization. In this approach, given an initial feasible solution to be possibly improved, the method follows a destruct-and-repair paradigm, where the given solution is randomly destroyed (i.e., customers are removed in a random way) and repaired by solving an ILP model, in an attempt to find a new improved solution.

Integrating Crew Scheduling and Rostering Problems

Crew scheduling and crew rostering are similar and related problems which can be solved by similar procedures. So far, the existing solution methods usually create a model for each one of these problems (scheduling and rostering), and when they are solved together in some cases an interaction between models is considered in order to obtain a better solution. A single set covering model to solve simultaneously both problems is presented here, where the total quantity of drivers needed is directly considered and optimized. This integration allows to optimize all of the depots at the same time, while traditional approaches needed to work depot by depot, and also it allows to see and manage the relationship between scheduling and rostering, which was known in some degree but usually not easy to quantify as this model permits. Recent research in the area of crew scheduling and rostering has stated that one of the current challenges to be achieved is to determine a schedule where crew fatigue, which depends mainly on the quality of the rosters created, is reduced. In this approach rosters are constructed in such way that stable working hours are used in every week of work, and a change to a different shift is done only using free days in between to make easier the adaptation to the new working hours. Computational results for real-world-based instances are presented. Instances are geographically diverse to test the performance of the procedures and the model in different scenarios.

Second law analysis and simulation techniques for the energy optimization of buildings

The research activity described in this thesis is focused mainly on the study of finite-element techniques applied to thermo-fluid dynamic problems of plant components and on the study of dynamic simulation techniques applied to integrated building design in order to enhance the energy performance of the building. The first part of this doctorate thesis is a broad dissertation on second law analysis of thermodynamic processes with the purpose of including the issue of the energy efficiency of buildings within a wider cultural context which is usually not considered by professionals in the energy sector. In particular, the first chapter includes, a rigorous scheme for the deduction of the expressions for molar exergy and molar flow exergy of pure chemical fuels. The study shows that molar exergy and molar flow exergy coincide when the temperature and pressure of the fuel are equal to those of the environment in which the combustion reaction takes place. A simple method to determine the Gibbs free energy for non-standard values of the temperature and pressure of the environment is then clarified. For hydrogen, carbon dioxide, and several hydrocarbons, the dependence of the molar exergy on the temperature and relative humidity of the environment is reported, together with an evaluation of molar exergy and molar flow exergy when the temperature and pressure of the fuel are different from those of the environment. As an application of second law analysis, a comparison of the thermodynamic efficiency of a condensing boiler and of a heat pump is also reported. The second chapter presents a study of borehole heat exchangers, that is, a polyethylene piping network buried in the soil which allows a ground-coupled heat pump to exchange heat with the ground. After a brief overview of low-enthalpy geothermal plants, an apparatus designed and assembled by the author to carry out thermal response tests is presented. Data obtained by means of in situ thermal response tests are reported and evaluated by means of a finite-element simulation method, implemented through the software package COMSOL Multyphysics. The simulation method allows the determination of the precise value of the effective thermal properties of the ground and of the grout, which are essential for the design of borehole heat exchangers. In addition to the study of a single plant component, namely the borehole heat exchanger, in the third chapter is presented a thorough process for the plant design of a zero carbon building complex. The plant is composed of: 1) a ground-coupled heat pump system for space heating and cooling, with electricity supplied by photovoltaic solar collectors; 2) air dehumidifiers; 3) thermal solar collectors to match 70% of domestic hot water energy use, and a wood pellet boiler for the remaining domestic hot water energy use and for exceptional winter peaks. This chapter includes the design methodology adopted: 1) dynamic simulation of the building complex with the software package TRNSYS for evaluating the energy requirements of the building complex; 2) ground-coupled heat pumps modelled by means of TRNSYS; and 3) evaluation of the total length of the borehole heat exchanger by an iterative method developed by the author. An economic feasibility and an exergy analysis of the proposed plant, compared with two other plants, are reported. The exergy analysis was performed by considering the embodied energy of the components of each plant and the exergy loss during the functioning of the plants.

Studio Concettuale, Progettazione e Realizzazione di un Nuovo Rotatore Omerale per Protesi Mioelettriche di Arto Superiore

L’attività della tesi riguarda le protesi mioelettriche, gli arti protesici maggiormente diffusi, le quali sono descrivibili come arti robotici in cui i segmenti artificiali sono attuati da giunti elettromeccanici alimentati da batterie ricaricabili ed attivati mediante segnali elettromiografici (segnali elettrici generati dalla contrazione dei muscoli). Tali protesi di arto superiore attualmente disponibili in commercio potrebbero essere inadeguate per una riabilitazione soddisfacente di alcuni pazienti con una amputazione di alto livello che richiedono una elevata funzionalità nella vita quotidiana. In questo contesto si inserisce l’attività di ricerca del Centro Protesi INAIL di Budrio di Vigorso, Bologna, e dell’Università di Bologna i quali stanno sviluppando nuovi arti protesici con il progetto a lungo termine di rendere disponibili svariate soluzioni di protesi di arto superiore in grado di soddisfare la maggior parte delle richieste degli amputati. Lo scopo di questa tesi è l’introduzione di un nuovo rotatore omerale attivo da integrare alla protesi di arto superiore disponibile presso i nostri laboratori. Per ottenere questo risultato è stata utilizzata una procedura di progettazione già consolidata in attività precedenti per lo sviluppo di una protesi di spalla a due gradi di libertà. Differenti modelli cinematici sono stati studiati tramite analisi cinematiche per determinare l’incremento delle prestazioni a seguito dell’introduzione del nuovo rotatore omerale attivo. Sono state inoltre condotte analisi cinetostatiche per definire le specifiche tecniche di riferimento (in termini di carichi agenti sul rotatore omerale) e per guidare il dimensionamento della catena di trasmissione di potenza del nuovo dispositivo protesico. Ulteriori specifiche tecniche sono state considerate per garantire l’irreversibilità spontanea del moto sotto carichi esterni (quando i giunti attivi della protesi non sono alimentati), per salvaguardare l’incolumità del paziente in caso di caduta, per misurare la posizione angolare del rotatore omerale (in modo da implementare strategie di controllo in retroazione) e per limitare i consumi e la rumorosità del dispositivo. Uno studio di fattibilità ha permesso la selezione della architettura ottimale della catena di trasmissione di potenza per il nuovo rotatore omerale. I criteri di scelta sono stati principalmente la limitazione del peso e dell’ingombro del nuovo dispositivo protesico. Si è quindi proceduto con la progettazione di dettaglio alla quale è seguita la costruzione di un prototipo del nuovo rotatore omerale presso i nostri laboratori. La tesi tratta infine una attività preliminare di sperimentazione che ha permesso di fare considerazioni sulle prestazioni del prototipo ed osservazioni importanti per le successive attività di revisione ed ottimizzazione del progetto del rotatore omerale.

Architectures and design patterns for functional design of logic control and diagnostics in industrial automation

Recently in most of the industrial automation process an ever increasing degree of automation has been observed. This increasing is motivated by the higher requirement of systems with great performance in terms of quality of products/services generated, productivity, efficiency and low costs in the design, realization and maintenance. This trend in the growth of complex automation systems is rapidly spreading over automated manufacturing systems (AMS), where the integration of the mechanical and electronic technology, typical of the Mechatronics, is merging with other technologies such as Informatics and the communication networks. An AMS is a very complex system that can be thought constituted by a set of flexible working stations, one or more transportation systems. To understand how this machine are important in our society let considerate that every day most of us use bottles of water or soda, buy product in box like food or cigarets and so on. Another important consideration from its complexity derive from the fact that the the consortium of machine producers has estimated around 350 types of manufacturing machine. A large number of manufacturing machine industry are presented in Italy and notably packaging machine industry,in particular a great concentration of this kind of industry is located in Bologna area; for this reason the Bologna area is called “packaging valley”. Usually, the various parts of the AMS interact among them in a concurrent and asynchronous way, and coordinate the parts of the machine to obtain a desiderated overall behaviour is an hard task. Often, this is the case in large scale systems, organized in a modular and distributed manner. Even if the success of a modern AMS from a functional and behavioural point of view is still to attribute to the design choices operated in the definition of the mechanical structure and electrical electronic architecture, the system that governs the control of the plant is becoming crucial, because of the large number of duties associated to it. Apart from the activity inherent to the automation of themachine cycles, the supervisory system is called to perform other main functions such as: emulating the behaviour of traditional mechanical members thus allowing a drastic constructive simplification of the machine and a crucial functional flexibility; dynamically adapting the control strategies according to the different productive needs and to the different operational scenarios; obtaining a high quality of the final product through the verification of the correctness of the processing; addressing the operator devoted to themachine to promptly and carefully take the actions devoted to establish or restore the optimal operating conditions; managing in real time information on diagnostics, as a support of the maintenance operations of the machine. The kind of facilities that designers can directly find on themarket, in terms of software component libraries provides in fact an adequate support as regard the implementation of either top-level or bottom-level functionalities, typically pertaining to the domains of user-friendly HMIs, closed-loop regulation and motion control, fieldbus-based interconnection of remote smart devices. What is still lacking is a reference framework comprising a comprehensive set of highly reusable logic control components that, focussing on the cross-cutting functionalities characterizing the automation domain, may help the designers in the process of modelling and structuring their applications according to the specific needs. Historically, the design and verification process for complex automated industrial systems is performed in empirical way, without a clear distinction between functional and technological-implementation concepts and without a systematic method to organically deal with the complete system. Traditionally, in the field of analog and digital control design and verification through formal and simulation tools have been adopted since a long time ago, at least for multivariable and/or nonlinear controllers for complex time-driven dynamics as in the fields of vehicles, aircrafts, robots, electric drives and complex power electronics equipments. Moving to the field of logic control, typical for industrial manufacturing automation, the design and verification process is approached in a completely different way, usually very “unstructured”. No clear distinction between functions and implementations, between functional architectures and technological architectures and platforms is considered. Probably this difference is due to the different “dynamical framework”of logic control with respect to analog/digital control. As a matter of facts, in logic control discrete-events dynamics replace time-driven dynamics; hence most of the formal and mathematical tools of analog/digital control cannot be directly migrated to logic control to enlighten the distinction between functions and implementations. In addition, in the common view of application technicians, logic control design is strictly connected to the adopted implementation technology (relays in the past, software nowadays), leading again to a deep confusion among functional view and technological view. In Industrial automation software engineering, concepts as modularity, encapsulation, composability and reusability are strongly emphasized and profitably realized in the so-calledobject-oriented methodologies. Industrial automation is receiving lately this approach, as testified by some IEC standards IEC 611313, IEC 61499 which have been considered in commercial products only recently. On the other hand, in the scientific and technical literature many contributions have been already proposed to establish a suitable modelling framework for industrial automation. During last years it was possible to note a considerable growth in the exploitation of innovative concepts and technologies from ICT world in industrial automation systems. For what concerns the logic control design, Model Based Design (MBD) is being imported in industrial automation from software engineering field. Another key-point in industrial automated systems is the growth of requirements in terms of availability, reliability and safety for technological systems. In other words, the control system should not only deal with the nominal behaviour, but should also deal with other important duties, such as diagnosis and faults isolations, recovery and safety management. Indeed, together with high performance, in complex systems fault occurrences increase. This is a consequence of the fact that, as it typically occurs in reliable mechatronic systems, in complex systems such as AMS, together with reliable mechanical elements, an increasing number of electronic devices are also present, that are more vulnerable by their own nature. The diagnosis problem and the faults isolation in a generic dynamical system consists in the design of an elaboration unit that, appropriately processing the inputs and outputs of the dynamical system, is also capable of detecting incipient faults on the plant devices, reconfiguring the control system so as to guarantee satisfactory performance. The designer should be able to formally verify the product, certifying that, in its final implementation, it will perform itsrequired function guarantying the desired level of reliability and safety; the next step is that of preventing faults and eventually reconfiguring the control system so that faults are tolerated. On this topic an important improvement to formal verification of logic control, fault diagnosis and fault tolerant control results derive from Discrete Event Systems theory. The aimof this work is to define a design pattern and a control architecture to help the designer of control logic in industrial automated systems. The work starts with a brief discussion on main characteristics and description of industrial automated systems on Chapter 1. In Chapter 2 a survey on the state of the software engineering paradigm applied to industrial automation is discussed. Chapter 3 presentes a architecture for industrial automated systems based on the new concept of Generalized Actuator showing its benefits, while in Chapter 4 this architecture is refined using a novel entity, the Generalized Device in order to have a better reusability and modularity of the control logic. In Chapter 5 a new approach will be present based on Discrete Event Systems for the problemof software formal verification and an active fault tolerant control architecture using online diagnostic. Finally conclusive remarks and some ideas on new directions to explore are given. In Appendix A are briefly reported some concepts and results about Discrete Event Systems which should help the reader in understanding some crucial points in chapter 5; while in Appendix B an overview on the experimental testbed of the Laboratory of Automation of University of Bologna, is reported to validated the approach presented in chapter 3, chapter 4 and chapter 5. In Appendix C some components model used in chapter 5 for formal verification are reported.