Il Progetto

Il Progetto TiSENTO

Il progetto TiSENTO mira alla realizzazione ed implementazione di tubazioni e giunzioni intelligenti in materiali compositi per la gestione delle risorse idriche e degli impianti industriali. L’obiettivo è migliorare il monitoraggio e la manutenzione delle reti idriche attraverso l’integrazione di sensori direttamente nelle tubazioni durante la fase di produzione. Questo permetterà di rilevare problemi come le perdite d’acqua in modo preciso, riducendo i costi di intervento e migliorando l’efficienza.

L’utilizzo di materiali compositi migliora caratteristiche come la resistenza e la leggerezza rispetto ai tradizionali tubi metallici o in plastica, offrendo inoltre la possibilità di incorporare dispositivi di controllo. Utilizzando tecnologie di produzione avanzate, TiSENTO prevede la creazione di tubi e giunzioni di varie dimensioni, con sistemi di monitoraggio scalabili e a basso costo, requisiti che favoriranno la diffusione della tecnologia sul mercato, a vantaggio della gestione delle risorse idriche e dello sviluppo sociale ed economico delle comunità.

Obiettivi

Il progetto si propone di progettare, produrre ed installare tubazioni in materiale composito che integrano linee di fibra ottica, bus di alimentazione e comunicazione per sensori posizionati nei giunti. Il raggiungimento di questo obiettivo segue due linee di sviluppo.

1. Studio ed introduzione di prodotti innovativi a livello industriale che permettano la sensorizzazione integrata di tipo distribuito per ottenere un monitoraggio diffuso. Più precisamente si intende:

  • Creare giunti “intelligenti” in grado di inviare a distanza i dati raccolti dai sensori.
  • Sviluppare sensori integrati nei tubi, sia in quelli estrusi che prodotti tramite pultrusione.

2. Realizzazione di tubi in materiale composito con sensori integrati, di diversi diametri, ricorrendo a due distinte tecnologie innovative:

  • Cured In Place Pipe (C.I.P.P.), tecnologia No-Dig sulla quale la società EKSO è fortemente specializzata per tubi di grandi diametri, consente di riparare condotte esistenti attraverso il metodo del relining, inserendo cioè all’interno di tubazioni danneggiate esistenti guaine flessibili pre-impregnate di resina che solidificano per effetto del vapore o dei raggi UV, sostituendosi alle precedenti. L’obiettivo di TiSento è implementare la tecnologia C.I.P.P. su scala industriale.
  • Pultrusione, applicata dalla società MAPLAD su tubi di piccole dimensioni, tecnologia che permette la produzione in continuo di componenti in materiale composito a sezione costante, offrendo vantaggi in termini di costi e velocità di produzione. In tal senso, il progetto mira ad innovare il processo di pultrusione già implementato da MAPLAD.

In sintesi, TiSento consentirà di realizzare tubi innovativi con sensori integrati sfruttando la sinergia delle tecnologie C.I.P.P. e della Pultrusione.

Risultati Attesi

Il progetto mira alla realizzazione, come obiettivo, di sistemi di tubazione intelligenti realizzati con processi di produzione scalabili a livello industriale.

I processi di produzione attualmente disponibili presso i partner aziendali e presso il partner UNICT sono di livello TRL 9. Tuttavia, questi sistemi non presentano al momento l’integrazione con la parte sensoristica. Il partner EKSO, limitatamente alla tecnologia di riparazione tubi, ha sviluppato al livello di TRL4 dei sistemi di sensing. Nel progetto TiSENTO si utilizzeranno ed integreranno quindi tecnologie TRL9 (i processi) con sistemi di sensing a TRL4 per ottenere dei prototipi che, alla fine del progetto, risulteranno essere di livello TRL6 perché testati in rete. Il test in rete può essere classificato come un test in ambiente industrialmente rilevante perché in grado di simulare, anche grazie agli impianti presenti presso il partner UNIKORE o attraverso l’implementazione in impianti di Acquedotto Pavone, in condizioni identiche a quelle presenti in reti reali.

Con riferimento ai materiali, il progetto è proiettato verso l’integrazione di materiali tradizionali, naturali ed intelligenti. I materiali naturali, in ambito pultrusione, hanno raggiunto un livello di sviluppo TRL4 non essedo ancora disponibili prodotti industriali ma solo proof of concept. Il progetto, sfruttando l’approccio dell’ibridazione dei rinforzi, punta a raggiungere anche per questi materiali un livello TRL6. Limitatamente al processo di infusione, proposto per la realizzazione dei giunti, l’utilizzo dei rinforzi naturali ha invece un livello TRL9, essendo oramai consolidato l’uso delle fibre naturali per tale processo. Relativamente all’integrazione di sensori sui materiali compositi attualmente lo sviluppo è di livello TRL5 o TRL6 solo per processi diversi dalla pultrusione. Anche in questo ambito obiettivo del progetto è l’innalzamento del livello di TRL sino a TRL6.

TiSENTO, oltre agli aspetti meramente industriali connessi alla produzione di tubi innovativi in compositi sensorizzati, si propone l’implementazione delle reti intelligenti anche nell’ambito della gestione delle risorse idriche. Attualmente, sono in fase di sviluppo diversi progetti con lo stesso obiettivo che, però, hanno come base comune l’utilizzo di sensori puntuali (es. uso di idrofoni, misuratori di flusso etc) piuttosto che continui. Inoltre, questi sistemi sono caratterizzati dall’essere applicati ex-post sui sistemi esistenti con un aggravio dei costi di installazione. L’innovazione apportata dal progetto TiSENTO, invece, consiste nel prevedere l’applicazione della parte sensoristica direttamente a tubi e giunti, ottenendo un un sensing distribuito. I progetti con sensing puntuale sono ad un TRL 6-7 mentre il sistema TiSENTO sarà validato a livello TRL5. Occorre osservare che, grazie all’ampia letteratura ed esperienza, è in fase di sviluppo nell’ambito delle Smart Grid il passaggio da TRL5 a TRL superiori e, rispetto al passato, risultano semplificati i problemi principali connessi alla gestione e al monitoraggio dei dati acquisiti, soprattutto se di mole elevata. Pertanto, il progetto TiSENTO è focalizzato sulla tecnologia dei componenti di base (tubi e giunti sensorizzati) necessari per affrontare lo sviluppo e l’applicazione su reti idriche complesse.

Impatto socio-economico del Progetto

TiSENTO permetterà di rafforzare la posizione delle imprese partecipanti sia nei settori specificatamente oggetto del progetto (condotte idaruliche) sia in altri settori affini. Ad esempio, entrambe le aziende sono attive nella fornitura di prodotti/servizi per impianti chimici. In tale ambito, la problematica del monitoraggio dei fluidi trasportati è di particolare rilievo specie per fluidi pericolosi per la loro aggressività chimica (es soluzioni acide), tossicità o infiammabilità. Per questo motivo la realizzazione di tubazione dotate di caratteristiche di sensing può essere un potenziale vantaggio anche verso nuove fette di mercato.

Inoltre, la realizzazione dei tubi e dei giunti con il supporto degli enti accademici permetterà alle imprese partecipanti di innalzare gli standard qualitativi di controllo qualità e di progettazione del processo. Questa acquisizione di nuove conoscenze permetterà di implementare metodologie avanzate per il controllo di processo che consentiranno, in prospettiva, di ridurre i costi della produzione e di migliorare i prodotti ottenuti. Di per sé il mercato mondiale della produzione di materiali ottenuti per pultrusione presenta una crescita costante compresa tra il 3 ed il 5% e, allo stato attuale, non esistono competitors in grado di produrre profili analoghi a quelli previsti dal progetto con possibilità, pertanto, di ritorni commerciali assolutamente rilevanti.

Gli sviluppi industriali potranno riguardare, tra l’altro, anche il settore della meccatronica per l’implementazione di linee produttive avanzate di pultrusione, il settore della formulazione di resine nonché, eventualmente, anche quello afferente alla produzione di fibre ecocompatibili.

L’impatto socio-economico derivante dall’ottenimento dei risultati previsti dal progetto ha una portata estremamente rilevante anche nel settore delle infrastrutture; i potenziali utenti sono le aziende coinvolte in lavori di scavo, predisposizione di impianti idrici e fognari ma anche quelle operanti nel settore delle infrastrutture oil & gas.

Attività previste

Il progetto prevede un’articolazione temporale di 30 mesi distinto per azioni di Ricerca Industriale (RI) e Sviluppo Sperimentale (SS), sinergicamente integrate e in parte temporalmente sovrapposte, raggruppate in fasi, differenti tra loro per obiettivi, durata e reciproca interazione, che coordinate tra loro in modo funzionale, sinergico e propedeutico permetteranno di conseguire l’obiettivo finale.

Fase 1 - Analisi delle tipologie di tubo esistenti e delle problematiche della loro sensorizzazione

1.1. Analisi delle condotte idriche

1.2. Modelli numerici per la gestione delle reti di distribuzione e problematiche connesse

1.3. Tubazioni presenti nelle reti

1.4. Analisi delle nuove tubazioni

1.1. Analisi delle condotte idriche

RI - Soggetto Responsabile: EKSO s.r.l.
Partner: UNIPA

D1.1. Report tecnico che riassuma le problematiche delle condotte idriche evidenziando, in particolare, le criticità imputabili all'assenza di sistemi di sensorizzazione.

Nella fase iniziale del progetto EKSO, per studiare le tipologie di tubo esistente e delle problematiche della loro sensorizzazione analizzerà, da soggetti gestori di reti idriche, i sistemi di distribuzione per ottenere informazioni specifiche basate sulle tipologie di reti e degli impianti di cui è gestore o proprietario. Verranno individuati dei casi studio con tubazioni specifiche che possono essere di maggior rilievo per lo sviluppo del progetto.

1.2. Modelli numerici per la gestione delle reti di distribuzione e problematiche connesse

RI - 4 mesi
Soggetto responsabile: UNIKORE
Partner: UNIPA

D1.2. Report riassuntivo delle attività svolte, degli output e dei risultati ottenuti

Nell'ambito delle attività 1.2. il gruppo Unikore si occuperà di analizzare i modelli matematici esistenti, siano essi open source che proprietari, per verificarne le peculiarità e le caratteristiche distintive. Ciò al fine di attuare modifiche e miglioramenti al codice di simulazione delle reti idriche in fase di sviluppo da parte del gruppo di ricerca; attività svolta con il gruppo di idraulica dell'Università di Palermo. L'attuale codice di calcolo è in grado di simulare il funzionamento turnato delle reti idriche. Le reti di distribuzione sono spesso caratterizzate da un funzionamento differente rispetto a quello per le quali sono state progettate. Ciò deriva dalla presenza di diversi elementi esterni, alcuni dei quali vengono inseriti successivamente dai gestori stessi, quali valvole, sistemi di pressurizzazione e/o turbine. Altri invece vengono inseriti dagli utenti, spesso ad insaputa degli enti gestori. Ad esempio serbatoi di accumulo privati, impianti di sollevamento ecc. Gli attuali modelli spesso non sono in grado di tenere conto di tali peculiarità di funzionamento della rete. Durante tale attività si intende quindi sviluppare l'attuale modello di calcolo per tenere conto di tali specificità.

1.3. Tubazioni presenti nelle reti

RI - Soggetto responsabile: UNIKORE
Partner: EKSO

D1.3: Report dell'analisi ricognitiva.

Le reti di distribuzione idrica sono caratterizzate da una molteplicità di elementi, spesso sinteticamente identificati con lati, nodi e maglie. Si definiscono lati quegli elementi quali da una condotta semplice, cioè a diametro unico, scabrezza uniforme, portata costante lungo il percorso. Si definisce nodo una delle due estremità di ciascun lato. I nodi sono in genere punti di connessione tra due o più lati. Infine si definisce maglia quell'insieme dei lati appartenenti a due percorsi distinti che collegano una coppia di nodi. Il problema principale dello studio delle reti idriche è l'elevato grado di complessità che hanno i lati e i nodi. Infatti una condotta che costituisce un lato può avere una molteplicità di diametri, di spessori nonché di materiali che la costituiscono. In funzione di tali caratteristiche il comportamento idraulico nonché quello meccanico può essere molto differente. Risulta quindi fondamentale effettuare una fase ricognitiva di quelle che sono le tipologie di elementi presenti in una rete idrica cittadina, così come in un acquedotto esterno, al fine di focalizzare l'attenzione sugli elementi caratterizzanti dei sistemi idraulici di interesse del presente progetto. In tale contesto il gruppo dell'Università di Enna Kore, può certamente fornire un fondamentale contributo in considerazione del fatto che i suoi componenti vantano una esperienza più che decennale nell'insegnamento, nella progettazione e nel collaudo dei sistemi idrici quali le reti di distribuzione.

UNIKORE sarà responsabile per la redazione di una accurata revisione dello stato dell'arte sullo stato delle tubazioni su scala globale sfruttando l'accesso alle banche dati di cui dispone. Inoltre, interagendo con EKSO, realizzerà uno studio comparativo tra i dati di letteratura e i dati ricavati dall'esperienza pregressa.

EKSO si occuperà di redigere un rapporto sullo stato delle tubazioni basato sull'esperienza maturata dall'interazione con il vasto parco clienti (es. Sicilia Acque, Acqua Latina, Publiacqua, Caltaacqua, Acquedotto Pugliese etc.) presso i quali ha realizzato interventi manutentivi.

1.4. Analisi delle nuove tubazioni

RI - 6 mesi
Soggetto responsabile: UNIPA
Partner: EKSO

D1.4: Report sulle funzionalità dei materiali analizzati.

In questa attività verranno analizzate la composizione dei materiali delle condotte della rete idrica, che variano in funzione del periodo storico in cui sono state poste, del contesto geologico in cui sono dislocate, dalle problematiche di cantiere, della portata d'acqua e della pressione a cui sono sottoposte.

Si verificherà la funzionalità del materiale plastico (PVC e polietilene), in costante aumento negli ultimi anni che ha sostituito il cemento-amianto e si valuterà la possibilità di impego delle tubazioni in composito.

UNIPA sarà responsabile della caratterizzazione dei materiali contenuti nelle nuove tubazioni. Le analisi saranno sia di tipo composizionale che meccanico. Lo scopo di queste analisi sarà di realizzare un database delle proprietà (anche in riferimento all'invecchiamento di tubi posti in opera) misurate sulle nuove tubazioni che sarà utilizzato come termine di paragone per valutare gli incrementi prestazionali dei tubi realizzati in composito.

EKSO sarà responsabile per la selezione dei materiali che UNIPA analizzerà e fornirà il necessario supporto per correlare i dati registrati da UNIPA con le condizioni di uso delle tubazioni.

Fase 2 - Materiali e Tecnologia di produzione di un tubo in composito

2.1. Progettazione tubo in composito

2.2. Materiali

2.3. Tecnologie di produzione

2.4. Verifiche e controlli

2.1. Progettazione tubo in composito

RI - 21 mesi
Soggetto responsabile: UNICT
Partner: EKSO, UNIPA

D2.1: Report tecnici con disegni progettuali dei tubi in composito e del raccordo.

I vantaggi principali del tubo composito rispetto agli altri materiali sono sostanzialmente la leggerezza, la flessibilità, in relazione al peso più basso, la rigidità dei polimeri e l'altissima resistenza, dovuti al rinforzo con fibre. La caratteristica chiave di tutto il design del tubo composito è la combinazione di materiali diversi, che può essere utilizzata nella costruzione per ottimizzare i requisiti tecnico-funzionali di quel componente. In un tipico tubo composito si ha uno strato di materiale interno a contatto con il fluido veicolato, uno o più strati di materiale di rinforzo ed uno strato di materiale superficiale protettivo esterno. Il materiale per la costruzione di ciascuno strato può essere modificato come necessario per meglio raggiungere le caratteristiche prestazionali specifiche di una pipeline.

La progettazione del tubo in composito e dei relativi sistemi di raccordo saranno oggetto dell'attività 2.1.. Questa attività sarà differenziata in base al tipo di tecnologia/forma del tubo da realizzare. Per i tubi pultrusi il DN massimo realizzabile sugli impianti di pultrusione della MAPLAD è di 350mm. Questa limitazione non esiste sulla tecnologia con tubo estroflesso disponibile in EKSO. In questa attività saranno definiti, sulla base delle specifiche ottenute dalle attività 1.1., 1.2. e 1.3., i requisiti di progettazione del tubo in termini di carichi massimi, costo e peso. In relazione a queste specifiche saranno progettati tre tipologie di tubazione:

  • tubo dritto realizzato in pultruso
  • tubo diritto con tecnologia di estroflessione
  • giunto per raccordo con tubo pultruso

Nel primo caso la progettazione mira a definire gli spessori minimali per il raggiungimento delle specifiche meccaniche prevedendo anche l'uso di fibre alternativa al vetro. Per il tubo estroflesso la progettazione punterà a definire la sequenza di tessuti da utilizzare per garantire le proprietà meccaniche e di permeabilità idonee per la lavorabilità del tubo stesso. Infine, nella progettazione del giunto, oltre a garantire le proprietà meccaniche, saranno disegnati i sistemi di raccordo per la sensoristica da implementare, prevedendo la realizzazione mediante stampa 3d dei sistemi prototipali, al fine di visualizzare/testare il design del raccordo così da garantire il corretto alloggiamento delle unità funzionali della sensoristica.

La progettazione sarà realizzata con l'uso combinato di software di modellazione solida (Inventor) e di codici di calcolo FEM. Nelle fasi progettuali sarà costantemente verificate la trasferibilità in ambito industriale con il partner EKSO. UNIPA fornirà il supporto necessario alla fase di progettazione della tubazione da realizzare con la tecnica della guaina. EKSO fornirà il supporto necessario nella fase di definizione delle specifiche progettuali e, soprattutto, per quanto riguarda il design dei giunti valuterà, sulla base dei modelli realizzati da UNICT e UNIPA, la fattibilità d'uso per la posa in cantiere e il successivo utilizzo in condizioni di esercizio.

2.2. Materiali

RI - 21 mesi
Soggetto responsabile: UNICT
Partner: UNIKORE, UNIPA
Soggetti terzi: UNICT, per la formulazione per la fase di scale up.

D2.2.: Database dei materiali (matrici e rinforzo) utilizzabili per le fasi di progettazione/realizzazione dei tubi. Report tecnico sulle caratterizzazioni reologiche, termomeccaniche e di cinetica delle resine.

L'attività 2.2. si focalizzerà sulla selezione, formulazione e caratterizzazione di base dei materiali da utilizzare nelle attività di realizzazione dei tubi e dei giunti prevista nella Fase 4. Durante questa attività, sulla scorta dell'esperienza pregressa maturata da UNICT in analoghi progetti POR in collaborazione con aziende attive sul piping industriale, e sulla base delle indicazioni del capofila, saranno selezionate le diverse opzioni di materiali utilizzabili. Tali informazioni saranno raccolte all’interno di un database utilizzato anche per l’attività 2.1. di progettazione. La fase di selezione sarà concentrata sia sulle resine da utilizzare come matrice che sulle fibre e tessuti di rinforzo. La selezione delle matrici sarà integrata con attività di formulazione, a cura di UNICT, e caratterizzazione dei sistemi selezionati. Quest’ultima mira a determinare le caratteristiche di viscosità (UNIKORE) e cinetica (UNIPA) oltre che le proprietà termomeccaniche (UNICT). Le caratterizzazioni di base sono necessarie, in particolare per la pultrusione e i sistemi per iniezione, in quanto sistemi forniti commercialmente come kit base che il trasformatore può modificare/additivare in base alle esigenze di processo e di costo. La selezione delle fibre/tessuti di rinforzo sarà effettuata sulla base dello stato dell'arte e introducendo, quale carattere di innovazione, l'uso di fibre/tessuti naturali per il contenimento del peso dei prodotti realizzati. Per un insieme selezionato di sistemi si realizzeranno anche dei laminati di prova mediante le tecnologie di infusione mirate anche alla determinazione della permeabilità dei rinforzi con le matrici selezionate.

In questa fase, saranno anche definite le scelte dei materiali che meglio si adattano alla realizzazione di sistema di comunicazione elettrico embedded all'interno delle condotte idriche. UNIPA sarà responsabile per la caratterizzazione cinetica della reticolazione, condotta con le tecniche di calorimetria differenziale e modellando, rispetto ai modelli cinetici più comuni, l'andamento della conversione rispetto al tempo e alla temperatura per le formulazioni realizzata da UNICT. UNIKORE effettuerà le prove di viscosità, mediante reologia a piatti, per determinare quella di base durante la reticolazione delle resine formulate da UNICT. Queste informazioni sono essenziali per identificare le condizioni di lavorazione delle resine sia per i processi di infusione (es.RTM) che per la pultrusione.

2.3. Tecnologie di produzione

RI - 20 mesi
Soggetto responsabile: UNICT
Partner: EKSO, MAPLAD, UNIPA

D2.3: Report tecnici su prove di lavorazione.

Durante questa attività, e sulla base delle informazioni raccolte nelle fasi precedenti, saranno definiti e testati su piccola scala le tecnologie di produzione dei tubi e dei giunti da realizzare, su scala prototipale, nella successiva Fase 4.

Questa fase sarà articolata su tre tecnologie principali: pultrusione (MAPLAD, UNICT); guaina polimerizzata in stampo (EKSO, 21 di 47 UNIPA); giunto in infusione per tubo pultruso (MAPLAD, UNICT). Le tecnologie di produzione (eg. pultrusione e guaine) selezionate sono disponibili presso i partners industriali (MAPLAD e EKSO) mentre, per il giunto del tubo pultruso, UNICT ha a disposizione sia 2 macchine RTM. Le tecnologie, già disponibili, dovranno però, in questa fase, essere ottimizzate mediante l'interazione tra partner accademici ed industriali sia per consentire l'inserimento della sensoristica definita in Fase 3 sia per l'utilizzo dei materiali definiti con le attività 2.1. e 2.2.. Saranno messe a punto, se necessarie, anche le tecniche di inserimento delle fibre di rinforzo fuori asse per i tubi pultrusi usando la tecnica di deposizione continuous Pull-Winding già sviluppata in MAPLAD per i profili denominati rebar. Durante questa attività saranno realizzate delle prove su piccola scala (es. sezioni di tubo o diametri ridotti) per ottimizzare le condizioni di lavorazione.

2.4. Verifiche e controlli

RI - 20 mesi
Soggetto responsabile: EKSO
Partner: MAPLAD, UNICT, UNIPA
Soggetti terzi: UNIME - laboratorio di analisi non distruttive

D2.4.: Rapporti tecnici di verifica e controllo.

L'Attività 2.4. sarà incentrata sulla verifica e sui controlli delle tubazioni realizzate nelle fasi precedenti. Le verifiche ed i controlli saranno di diverso tipo. I partner accademici (UNICT e UNIPA) realizzeranno verifiche sui sistemi compositi realizzati determinando, ad esempio, le frazioni volumetriche di fibra di componenti in composito realizzate e le proprietà meccaniche ottenute su campionature estratte dai campioni prodotti nell’attività 2.3.. I partner aziendali, invece, eseguiranno i controlli sul processo di lavorazione rispetto ai processi di controllo qualità comunemente utilizzati nelle produzioni standard. Questa fase di controllo è necessaria per validare le tecnologie di processo utilizzate come sistemi che, effettivamente, siano trasferibili su scala industriale. In questa fase saranno anche realizzati dei test di verifica sulla funzionalità delle soluzioni di sensoristica sui sistemi adottati. Questa fase di test, demandata a UNIPA, è funzionale per la selezione dei sistemi da realizzare e testare in opera nella Fase 4. MAPLAD sarà responsabile della realizzazione delle prove di qualificazione, in accordo con il sistema di qualità presente in azienda, dei tubi realizzati rilasciando quindi delle schede tipo analoghe a quelle realizzate nelle produzioni ordinarie; inoltre dovrà, considerata la specificità del tipo di tubo e giunto realizzato mettere a punto le informazioni aggiuntive per il controllo di qualità di un tubo equipaggiato con sensori (es. test di funzionamento del sensore prima della validazione del prodotto per la consegna). EKSO, sui tubi realizzati con la tecnica delle guaine, realizzerà controlli qualità in accordo ai propri sistemi Qualità in analogia a quanto fatto da MAPLAD sui tubi pultrusi e sui giunti. Inoltre, essendo un potenziale utilizzatore in fase di installazione dei giunti o dei tubi realizzati da MAPLAD e UNICT si occuperà di verificare, in fase di accettazione, i prodotti qualificati da MAPLAD. Le analisi qualità condotte dai partner aziendali MAPLAD e EKSO saranno confrontate con i dati, più approfonditi, realizzati dai partner accademici (UNICT e UNIPA) per confermare che i protocolli qualità definiti siano idonei per il rilascio del certificato di qualità del prodotto.

Fase 3 - Sensing del tubo

3.1. Studio e progettazione di giunti e tubi idrici intelligenti

3.2. Progetto di metodi elettronici ed optoelettronici di sensing innovativi

3.3. Realizzazione di metodi elettronici ed optoelettronici di sensing innovativi

3.4. Progettazione di nodi di comunicazione wired/wireless per sistemi idrici

3.5. Realizzazione di nodi di comunicazione wired/wireless per sistemi idrici

3.1. Studio e progettazione di giunti e tubi idrici intelligenti

RI - 11 mesi
Soggetto responsabile: EKSO
Partner: UNIPA, UNIKORE
Soggetti terzi: CNIT Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni

D3.1.: Analisi dello stato dell'arte relativo ai sistemi idrici con condotte e giunti sensorizzati

L'odierno stato delle reti idriche per la distribuzione di acqua, e più genericamente di liquidi, non contempla l'esistenza di sistemi commerciali di monitoraggio della rete stessa aventi caratteristiche di basso costo e quindi impiegabili in modo distribuito e capillare. Per il controllo delle grandezze di interesse, fra cui sicuramente il flusso è fra quelli di maggiore importanza, sono inseriti pochi sensori e solo in alcuni punti di controllo della rete, lasciando buona parte della stessa non monitorata. Ciò principalmente perché tali sensori sono usualmente molto costosi sia per l'acquisto sia per la loro l'installazione e posa in opera, in quanto in alcuni casi il loro inserimento necessita di interventi di modifica della rete esistente. Risulta di grande interesse quindi investigare sulla possibilità di progettare e realizzare sistemi di monitoraggio distribuiti a basso costo, soprattutto se questi possono anche essere inseriti in condotte già esistenti, e senza incorrere in elevati costi di installazione. Da alcuni studi effettuati in questo settore di ricerca si può desumere la possibilità di inserire, durante il processo di installazione dei tubi in composito, un vero e proprio sistema di comunicazione elettrico dotato di sensori embedded (bus sensorizzato) in grado di rivelare e misurare alcune importanti parametri, quali ad esempio la temperatura e la portata di fluido transitante.

3.2. Progetto di metodi elettronici ed optoelettronici di sensing innovativi

RI - 18 mesi
Soggetto responsabile: EKSO
Partner: UNIPA
Soggetti terzi: CNIT Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni

D3.2.: Progetto di tubi e giunti sensorizzati per applicazioni idriche (report)

Lo scopo di questa attività si incentra sulla determinazione di un progetto di tubi sensorizzati. Mentre infatti i sensori per la misura di temperatura risultano facilmente realizzabili in un sistema in-line con i tubi in composito di una rete, la misurazione della portata di fluido presenta alcune difficoltà tecnologiche su cui è necessario approfondire la ricerca di soluzioni. In particolare uno dei principi su cui si basa tale misurazione è il legame esistente tra le vibrazioni della condotta, indotte dalle turbolenze dovute al passaggio del liquido all'interno della stessa, ed il flusso stesso che lo attraversa. Per sviluppare sensori di questa tipologia, devono essere inseriti all'interno delle pareti del tubo in composito dei misuratori miniaturizzati di vibrazioni, quali gli accelerometri realizzati in tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical System), le cui dimensioni sono compatibili con l'esigenza di annegare il sensore nello spessore del tubo o del giunto ed i cui costi sono notevolmente bassi, grazie all'estrema diffusione dei MEMS nel mercato dell'elettronica moderna. L'acquisizione dei segnali di vibrazioni sarà poi elaborata mediante sistemi a microcontrollore, anch'essi di piccole dimensioni e costo, ma capaci di eseguire complesse elaborazioni dei segnali ottenuti dagli accelerometri allo scopo di ricavare la misura di portata. Lo stato dell'arte odierno nella determinazione di tali misure non è ancora vicino al poter essere considerato industrialmente robusto e ciò principalmente a causa di alcuni aspetti su cui il progetto di ricerca intende investigare. Infatti il legame tra vibrazioni e portata è di natura non lineare e quindi necessita di una accurata caratterizzazione del fenomeno la cui complessità dipende anche dalla possibilità di poter effettuare una calibrazione adeguata. Oltre allo sviluppo di sistemi di misura integrati nelle condotte l'attenzione sarà anche focalizzata sul progetto di giunti intelligenti. Obiettivo è realizzare, a basso costo rispetto ai sistemi di misura tradizionali, dei giunti sensorizzati da inserire nei nodi principali della rete idrica, con processi di installazione a basso impatto sulla rete esistente o sul nuovo. Questo permette anche l'utilizzo di tecniche di sensing che risultano di difficile applicazione se il sistema di misura è inserito all'interno del tubo in composito. Ad esempio, grazie allo sviluppo ed alla conseguente diminuzione dei costi dei componenti ottici si potranno portare avanti attività di progettazione con sistemi di tipo optoelettronico di misura, i quali tipicamente garantiscono buona precisione e affidabilità delle misure.

3.3. Realizzazione di metodi elettronici ed optoelettronici di sensing innovativi

SS - 16 mesi
Soggetto responsabile: EKSO

D3.3.: Realizzazione di tubi e giunti sensorizzati per applicazioni idriche (report)

L’attività si incentra sulla realizzazione di tubi e giunti sensorizzati risultato dell'attività 3.2.. In base a tali studi si comprende come sia di notevole interesse un serio approfondimento implementativo dei seguenti punti:

  • Definizione degli algoritmi progettati ed implementabili in sistemi a microcontrollore per ottenere una migliore stima del flusso, quali ad esempio quelli riguardanti le tecniche di cancellazione di rumore, l'isolamento dalle vibrazioni esterne, la caratterizzazione della risposta del sistema e più in generale miglioramento del rapporto segnale rumore.
  • Possibilità di utilizzare vari tipi di sensori, sempre basati su MEMS a basso costo, per migliorare o integrare le grandezze ricavate con l'utilizzo degli accelerometri.
  • Approfondimento della possibilità di realizzare misuratori utilizzando principi di misura diversi, da quello già utilizzato; laddove si possa sfruttare la possibilità di adattare il sensore progettato alla tecnologia produttiva dei tubi in composito, ovvero, si possa integrare nei giunti sensorizzati.
  • Realizzazione, in sistemi a microcontrollore, di algoritmi di elaborazione e post-elaborazione dei dati grezzi di misura idonei a migliorare il rapporto segnale rumore nei vari casi presi in esame alfine di migliorare i risultati ottenibili. Nonostante l'insieme dei problemi legati alla natura del principio di sensing, tali sistemi risultano essere molto promettenti, come testimoniato anche dalla letteratura scientifica che negli ultimissimi anni inizia ad emergere. I vantaggi di tali sistemi, oltre al basso costo intrinseco, consistono nella bassa richiesta di risorse energetiche, nella possibilità di estendere a diversi parametri di misura, oltre a quelli per cui trovano già impiego e soprattutto nella loro facile integrabilità all'interno del processo d'installazione delle condotte stesse.
3.4. Progettazione di nodi di comunicazione wired/wireless per sistemi idrici

RI - 18 mesi
Soggetto responsabile: UNIPA
Soggetti terzi: CNIT Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni

D3.4: Progettazione dell'interfaccia di comunicazione per i giunti e tubi sensorizzati (report).

Questa attività sarà dedicata alla progettazione del sistema elettronico per la raccolta, memorizzazione, gestione e comunicazione dei dati di monitoraggio dei giunti, che risulti flessibile e riconfigurabile, sia in termini di funzionalità logiche per la raccolta e il trattamento dei dati, sia in termini di interfaccia con sensori di varia natura. Per quel che riguarda il modulo di comunicazione, si prevede di valutare tecnologie ottimizzate per il contenimento dei consumi, in grado di trasmettere pochi dati a lungo raggio (Low Power Wide Area Network). In particolare, si valuterà l'utilizzo di tecnologie basate su modulazioni particolarmente robuste, in grado di operare con potenze di soglia dei ricevitori molto basse, come LoRa, e tecnologie basate su una doppia interfaccia di comunicazione, di cui una a bassissimi consumi (chiamata 'wake-up' radio) da utilizzare per l'accensione dell'interfaccia principale. La tecnologia LoRa sembra particolarmente promettente per la disponibilità di un protocollo completo di gestione della rete, LoRaWAN, costruito sul livello fisico LoRa (proprietario) della Semtech, che include funzioni di associazione, autenticazione e cifratura dei dati. La tecnologia delle wake-up radio è attualmente meno matura di LoRa, anche se recentemente è stato aperto un gruppo di standardizzazione dell'IEEE per l'integrazione di radio wake-up con reti 802.11 (WiFi). L'utilizzo di queste radio supera il concetto tradizionale di duty-cycle, attraverso il principio dell'accensione dell'interfaccia di comunicazione su richiesta. Nei nodi radio tradizionali l'unica possibilità per ridurre drasticamente in consumi è infatti lo spegnimento dell'interfaccia radio in intervalli di 'sleeping' e l'accensione programmata ad istanti regolari. Se in questi sistemi i consumi si riducono proporzionalmente al tempo di spegnimento delle interfacce, è però ovvio che le latenze di comunicazione crescono con questo tempo di spegnimento. Le wake-up radio invece permettono di mandare comandi di accensione alla radio principale, in istanti di tempo arbitrari, attraverso interfacce radio ausiliarie a bassissimi consumi, la cui fattibilità è stata ampiamente dimostrata in letteratura.

3.5. Realizzazione di nodi di comunicazione wired/wireless per sistemi idrici

SS - 16 mesi
Soggetto responsabile: UNIPA
Partner: EKSO, UNIKORE
Soggetti terzi: CNIT Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni

D3.5: Realizzazione dell'interfaccia di comunicazione per i giunti e tubi sensorizzati (Report).

L'università di Palermo dispone di un generatore di traffico e di uno sniffer radio per trasmissioni LoRa, che è stato implementato su piattaforma SDR (Software-Defined-Radio) nell'ambito del progetto Europeo SymbIoTe, particolarmente rilevante per la caratterizzazione sperimentale di reti LoRa. Inoltre si procederà con la realizzazione di piattaforme che contemplano l'ottimizzazione del sistema completo di nodo con interfaccia di wake-up, attraverso, ad esempio, l'utilizzo di messaggi più sofisticati del semplice messaggio di accensione, in grado di velocizzare la configurazione della interfaccia principale ad ogni comando di accensione. A prescindere dalla tecnologia scelta per raccogliere i dati dai giunti, il collegamento con il sistema centralizzato di raccolta dati sarà effettuato tramite concentratori. I concentratori disponibili in commercio, selezionati in base alla tecnologia utilizzata dai giunti, saranno estesi in questa attività con un modulo software di controllo, specificatamente progettato nell'attività 3.4..

Fase 4 - Produzione e messa in opera dei tubi in composito sensorizzati

4.1. Tubo in composito sensorizzato pultruso

4.2. Tubo in composito sensorizzato da guaine polimerizzate in stampo

4.3. Inserimento tubo in composito in rete

4.4. Rilevamento dati

4.5. Modellazione flussi

4.6. Verifica

4.1. Tubo in composito sensorizzato pultruso

SS - 14 mesi
Soggetto responsabile: MAPLAD
Partner: UNIPA, UNICT

D4.1.: Realizzazione prototipo tubo pultruso e giunto sensorizzati.

L'attività 4.1. è una attività di realizzazione del prototipo di tubo sensorizzato mediante la tecnica della pultrusione. Preliminarmente verranno definiti i parametri operativi e il team di progetto esegue e valuta il flusso e la modellazione dei sistemi. A questo punto viene scelto un design del materiale. I materiali necessari per la fabbricazione vengono testati singolarmente per la verifica della sussistenza delle condizioni di progetto. In questa attività, e sulla base di quanto sviluppato nelle fasi precedenti, il partner MAPLAD realizzerà sulle proprie linee di produzione il prototipo di tubo pultruso sensorizzato. La produzione sarà sufficiente a garantire la posa in opera in un tratto di lunghezza significativa di almeno 50 m del tubo necessaria per la messa in opera in fase di validazione del prototipo. Durante la stessa fase, con il supporto delle attrezzature RTM disponibili presso UNICT si realizzeranno i giunti in composito sensorizzati per tubo pultruso. Le fasi di produzione saranno costantemente monitorate rispetto ai parametri di produzione quali: consumo orario dei materiali, velocità di pultrusione, temperature e consumo energetico etc. L'insieme di questi parametri, seppur riferiti ad una produzione prototipale, saranno raccolti in un report utile a definire le potenzialità di sviluppo future del prodotto innovativo realizzato in termini di costo/prestazioni. Analoghe rilevazioni saranno realizzate per i giunti. UNIPA sulla base di quanto maturato con l’attività 2.2. sulla cinetica della resina, determinata in laboratorio, fornirà a MAPLAD il supporto necessario per la definizione del profilo di temperature da utilizzare per lo stampo per la pultrusione. Analogo supporto sarà fornito ad UNICT per la fase di reticolazione in stampo chiuso necessaria per realizzare i giunti. È bene specificare che queste attività sono spesso svolte in azienda con approccio trial and error quindi, nel caso specifico, il ricorso ad un approccio ragionato basato sull'analisi della cinetica chimica della resina è un ulteriore momento di innovazione dei protocolli aziendali.

4.2. Tubo in composito sensorizzato da guaine polimerizzate in stampo

SS - 16 mesi
Soggetto responsabile: EKSO
Partner: UNIPA, UNICT

D4.2: Realizzazione prototipo tubo stampato e giunto sensorizzati.

È l'attività di realizzazione del prototipo di tubo sensorizzato mediante la tecnica della inversione su stampo. Preliminarmente verranno definiti i parametri operativi e il team di progetto eseguirà e valuterà il flusso e la modellazione dei sistemi. A questo punto verrà scelto il design del materiale. I materiali necessari per la fabbricazione vengono testati singolarmente per la verifica della sussistenza delle condizioni di progetto.

Per questa attività, e sulla base di quanto sviluppato nelle fasi precedenti, il partner EKSO fornirà una vera e propria linea di produzione innovativa sul campo della produzione di tubi per la veicolazione di fluidi, prendendo spunto dalla tecnologia di inversione e cura in sito di cui la società è pienamente conoscitrice. La produzione sarà sufficiente a garantire la posa in opera in un tratto di lunghezza significativa di almeno 50m del tubo, necessaria per la messa in opera in fase di validazione del prototipo. Durante la stessa fase e con il supporto delle attrezzature RTM disponibili presso UNICT, si realizzeranno i giunti in composito sensorizzati per tubo stampato. Le fasi di produzione saranno costantemente monitorate rispetto ai parametri di produzione quali: preimpregnazione del liner, velocità di inversione all'interno dello stampo, temperature e tempi di cura. L'insieme di questi parametri, seppur riferiti ad una produzione prototipale, saranno raccolti in un report utile a definire le potenzialità di sviluppo future del prodotto innovativo realizzato in termini di costo/prestazioni. Analoghe rilevazioni saranno realizzate per i giunti. UNIPA supporterà EKSO nella fase di definizione della procedura di realizzazione del tubo sfruttando la guaina. È da specificare che la tecnica con guaina è una tecnica di riparazione mentre in questa attività sarà modificata per realizzare un tubo nuovo. Sarà quindi necessario il supporto di UNIPA , che nei progetti precedenti, ha ottimizzato la tecnica in guaina.

4.3. Inserimento tubo in composito in rete

SS - 9 mesi
Soggetto responsabile: EKSO
Partner: UNIPA, UNIKORE

D4.3: Report riassuntivo delle attività svolte, degli output e dei risultati ottenuti. Modifica del sistema idrico con inserimento delle nuove componenti.

L'attività è volta alla messa in opera all'interno di una rete idrica del tubo sensoriale realizzato nel progetto. In tale contesto il gruppo dell'Università di Enna Kore metterà a disposizione un’innovativa infrastruttura idraulica realizzata all'interno del laboratorio di Idraulica Ambientale, diretto dal prof. Mauro De Marchis. Nello specifico all'interno del laboratorio è stata realizzata una rete idrica cittadina in scala 1:1. Quattro pompe installate in parallelo forniscono la necessaria portata alla rete idrica. Il sistema è monitorato da celle di pressione, contatori volumetrici a getti multipli e misuratori di portata. Non sono presenti sistemi wireless o sistemi automatici di raccolta dati. Nel progetto si intende installare le nuove tubazioni sensoriali, ampliare l'attuale sistema della rete idrico e sensorizzare il sistema attraverso l'uso di PLC e telecontrollo del funzionamento. Solo attraverso una corretta misurazione delle variabili in rete è possibile verificare il funzionamento del tubo sensoriale proposto. In questa fase del progetto EKSO si avvarrà della consulenza di Acquedotti Ing. Sarino Pavone S.p.a. che fornirà la disponibilità ad istallare il tubo in composito sensorizzato in porzione della sua rete.

4.4. Rilevamento dati

SS - 12 mesi
Soggetto responsabile: EKSO
Partner: UNIPA, UNIKORE

D4.4.: Report riassuntivo delle attività svolte, degli output e dei risultati ottenuti. Creazione di un database contenete i dati rilevati.

Nell'ambito dell'attività 4.4 il partner Unikore si occuperà di rilevare tutti i dati a servizio del progetto. Attraverso l'uso della rete idrica sarà infatti possibile monitorare da un lato le grandezze idrauliche in ambiente controllato, dall'altro di verificare la capacità del tubo sensoriale di rilevare dati e trasmetterli al server centrale. Il confronto tra i dati rilevati con sistemi tradizionali e con il tubo intelligente, in ambiente di laboratorio, risulta certamente un fondamentale step per la validazione del sistema. Intense campagne di misura verranno condotte al fine di verificare il funzionamento del sistema in diverse condizioni operative delle reti di distribuzione idrica.

4.5. Modellazione flussi

SS - 12 mesi
Soggetto responsabile: EKSO
Partner: UNIPA, UNIKORE

D4.5.: Report riassuntivo delle attività svolte, degli output e dei risultati ottenuti.

Nell'ambito dell'attività 4.5. il partner Unikore, di concerto con le attività svolte dal gruppo idraulici dell'Università di Palermo, intende effettuare campagne di studi numerici per la caratterizzazione dei flussi idrici all'interno delle reti idriche. Rispetto alla modellazione fluidodinamica dei flussi all'interno di tubazioni, lo studio sarà condotto utilizzando due principali modelli numerici open source in grado di simulare il flusso 3D all'interno di tubazioni e l'intero sistema idrico. I flussi 3D saranno modellati attraverso l'applicazione del codice di calcolo Panormus, scaricabile al sito www.panormus3d.org, sviluppato dai ricercatori dell'università di Palermo. Si utilizzerà la versione del codice ai volumi finiti che già in passato è stato validato su tubazioni complesse attraverso confronti con misure di laboratorio. Contestualmente si procederà ad utilizzare e sviluppare ulteriormente un codice di calcolo in grado di simulare il comportamento di intere reti idriche cittadine, specificando e fornendo fondamentali informazioni circa le variabili da misurare, la tipologia di sensori da usare, nonché le zone nelle quali sono necessarie maggiori quantità di dati. Il modello può diventare un supporto alle decisioni per quegli enti gestori che vogliono utilizzare la tecnologia di condotta sensoriale solo in alcune zone della rete idrica.

4.6. Verifica

SS - durata: 10 mesi
Soggetto responsabile: MAPLAD
Partner: EKSO, UNIPA, UNIKORE
Soggetti terzi: UNIME - laboratorio di analisi non distruttive

D4.6.: Report su verifica dei dati prodotti nelle fasi precedenti e condensati in un caso studio simulato.

Nell'attività 4.6. il partner MAPLAD si occuperà di integrare le informazioni raccolte nella fase di realizzazione del prototipo 4.1. con i dati delle prove in rete del prototipo svolte nella att.4.4. e 4.5.. Questa attività effettuerà un controllo incrociato tra le prestazioni in rete dei tubi realizzati in pultrusione e quelli con guaina, rispetto alle proiezioni di costo e parametri produttivi rilevati con le attività 4.1. e 4.2.. Si tratta di una verifica necessaria per operare una simulazione di produzione industriale prospettica rispetto alle tecnologie realizzate. La simulazione terrà conto delle esigenze emerse dal confronto con le problematiche delle reti odierne effettuate nella Fase 1. La simulazione sarà condotta in base alle indicazioni su un modello di intervento definito dal confronto con Acquedotti Ing. Sarino Pavone S.p.a. e costituirà un caso studio di riferimento da utilizzare, a chiusura del progetto, per mostrare, anche ai non addetti ai lavori, le potenzialità delle tecnologie utilizzate in termini di costo d'investimento e vantaggi ottenuti.

Fase 5 - Gestione del progetto e divulgazione dei risultati

5.1. Gestione del progetto

5.2. Management tecnico-scientifico

5.3. Divulgazione dei risultati

5.1. Gestione del progetto

RI - 30 mesi
Soggetto responsabile: EKSO
Partner: MAPLAD, UNIKORE, UNIPA, UNICT

D5.1.: Verbali e registri delle riunioni con i Partner, verbali di monitoraggio

L'attività 5.1. ha come obiettivo quello di garantire una corretta gestione strategica ed operativa del progetto, attraverso un coordinamento tecnico fra i vari partner, un costante monitoraggio fisico e procedurale, in collaborazione con i Responsabili di Fase, e verifiche periodiche dello stato di avanzamento fisico del progetto di concerto con il Responsabile scientifico. Deve altresì garantire un'adeguata diffusione dei risultati ottenuti. Tutti i partner saranno impegnati nelle riunioni trimestrali del Comitato di Gestione con la partecipazione del coordinatore di ogni partner e dei responsabili delle attività in corso, del responsabile scientifico e del project manager. Stesura dei verbali ed invio almeno 15 giorni prima della successiva riunione.

5.2. Management tecnico-scientifico

RI - 30 mesi
Soggetto responsabile: UNIPA
Partner: EKSO, MAPLAD, UNIKORE, UNICT

D5.2.: verbali e registri delle riunioni con i Partner.

L'attività 5.2. ha l’obiettivo di garantire il coordinamento scientifico fra i vari partner e di effettuare le verifiche periodiche dello stato di avanzamento fisico del progetto. Tutti i partner saranno impegnati nelle riunioni trimestrali del Comitato di Gestione con la partecipazione del coordinatore di ogni partner e dei responsabili delle attività in corso, del responsabile scientifico e del project manager. Stesura dei verbali ed invio almeno 15 giorni prima della successiva riunione.

5.3. Divulgazione dei risultati

RI - 24 mesi
Soggetto responsabile: UNIPA
Partner: EKSO, MAPLAD, UNIKORE, UNICT

D5.3.: Sito Web del progetto, sintesi in linguaggio non tecnico per comunicazioni istituzionali, articoli scientifici, atti del workshop finale del progetto.

L'attività 5.3. avrà l'obiettivo di divulgare i risultati ottenuti mediante l'organizzazione di workshop, convegni e seminari allo scopo di rendere pubblici i risultati ottenuti che potranno essere utilizzati sia dalla comunità scientifica che imprenditoriale, da aziende che operano nello stesso settore della società capofila proponente il progetto. In tale ottica saranno inviati articoli scientifici riviste ISI di maggiore impatto per il settore ed alle riviste di diffusione tecnico scientifica quali Compositi Magazine e Plastix, che registrano un’ampia diffusione tra le aziende del settore. Inoltre, per il tramite del gruppo di Catania, sarà data diffusione dei risultati del progetto tramite la collaborazione con il portale compositi (www.portalecompositi.it) che, tramite il gruppo Linkedin Composites, connette circa 26000 utenti del settore. I componenti accademici degli enti coinvolti nel progetto fanno parte di comitati editoriali di riviste ISI e, pertanto, potranno anche supportare la pubblicazione di volumi speciali (Special Issues) sulla tematica di TiSento, all’interno dei quali inserire anche i risultati del progetto. EKSO si occuperà della realizzazione e del periodico aggiornamento del sito Web dedicato al progetto, con predisposizione anche di pagine di collegamento nei siti web di ogni partner. Il sito, che verrà aggiornato nel corso di svolgimento del progetto, mediante la pubblicazione di periodici report non tecnici, verrà altresì utilizzato per pubblicizzare le giornate studio, convegni e seminari e per la divulgazione di materiale informativo. Verranno altresì predisposti dei video dimostrativi che saranno diffusi attraverso "social communities”.

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