Da un’idea dell’italiana Krabo, società di Fontana Group, nasce il primo bullone connesso per infrastrutture critiche in grado di misurare il carico di serraggio e inviare i dati in tempo reale in modalità wireless ai responsabili della manutenzione utilizzando la tecnologia di Texas Instruments.
Le grandi strutture metalliche – ponti, stadi, grattacieli, ferrovie, turbine eoliche, impianti industriali, eccetera – hanno bisogno di un costante monitoraggio per rilevare eventuali anomalie prima che queste possano diventare un problema per la sicurezza. Se il monitoraggio viene effettuato con sensori connessi, è possibile ridurre i costi di intervento applicando tecniche di manutenzione predittiva.
Tra i sistemi più innovativi per controllare da remoto le infrastrutture in metallo, l’italiana Krabo, società di Fontana Group, ha recentemente introdotto i bulloni KRABO IoT che vengono utilizzati come elementi di fissaggio connessi a Internet. Questi bulloni integrano nella testa un sensore ad ultrasuoni e un trasmettitore wireless in grado di misurare il carico di serraggio e inviare i dati in modalità wireless ai monitor di sistema utilizzando la tecnologia di connettività di Texas Instruments.
Mettere in rete i bulloni
Fin dalla sua nascita, nel 2018, l’obiettivo di Krabo è stato quello di trasformare i “bulloni” in “bulloni di rete”. Qualsiasi allentamento o stato anomalo può essere rilevato in tempo reale e notificato con un avviso. La tecnologia wireless di Krabo e autosufficiente dal punto di vista energetico; nessun cavo deve raggiungere i bulloni e le proprietà meccaniche degli stessi e la loro conformità agli standard non vengono influenzate.
Tutto questo è fattibile nella produzione di massa con un processo industriale robusto e sostenibile. I bulloni KRABO IoT sono una vera alternativa ai bulloni standard e sono in grado di ridurre lo sforzo di ispezione e migliorare la sicurezza. Esistono innumerevoli applicazioni per la tecnologia Krabo: edifici, strade, ferrovie, veicoli, macchine e altri scenari infrastrutturali in cui la sicurezza è un fattore cruciale.
I bulloni KRABO IoT possono facilmente sostituire i bulloni tradizionali delle infrastrutture esistenti, selezionando i giunti imbullonati più significativi dell’infrastruttura. I bulloni sono alimentati da una batteria a bottone che garantisce loro una vita operativa di molti anni.
La sfida più importante che Krabo ha dovuto affrontare è stata quella delle dimensioni e dell’affidabilità: la soluzione immaginata aveva bisogno di una tecnologia di comunicazione wireless affidabile, in grado di effettuare misurazioni precise, a basso consumo energetico, efficiente dal punto di vista energetico e sufficientemente piccola da adattarsi alle dimensioni della testa di un bullone.
Krabo ha trovato nella tecnologia e nell’esperienza di Texas Instruments la soluzione più adatta nonché il supporto ingegneristico che è stato essenziale per ottenere un design affidabile e senza soluzione di continuità.
Nello sviluppo dei propri bulloni connessi, Krabo ha utilizzato l’MCU wireless SimpleLink multiprotocollo CC2652RSIP da 2,4 GHz di TI.
La famiglia di MCU wireless SimpleLink, in particolare il modulo wireless system-in-package, offre un basso consumo energetico con una durata della batteria estesa e soddisfa il requisito di progettazione di dimensioni particolarmente limitate, compatibili con la testa di bullone.
In futuro, Krabo prevede di sviluppare bulloni ancora più piccoli per estendere questa tecnologia ad altre applicazioni come l’automotive.
Il sistema wireless KRABO IoT
Oltre a produrre e fornire i bulloni connessi, Krabo mette a disposizione dei propri clienti l’infrastruttura di rete che consente loro di visualizzare i dati completi forniti dai bulloni KRABO IoT tramite laptop, tablet o smartphone.
Gli utenti Krabo possono accedere ai dati dei bulloni da qualsiasi luogo del mondo, in qualsiasi momento, e monitorare il carico di serraggio.
I dati rilevati dai vari bulloni vengono inviati ad un gateway locale tramite ZigBee, standard che garantisce distanze di comunicazione comprese tra 10 e 100 metri; il gateway è connesso a Internet tramite WiFi o mediante un collegamento cellulare.
Tutti i dati raggiungono il cloud centrale Krabo per essere archiviati in modo sicuro. L’utente accede tramite il proprio profilo a Krabo Cloud utilizzando un laptop, un tablet o uno smartphone, e può controllare con precisione in qualsiasi momento e da qualsiasi parte del mondo lo stato di tensione dei suoi bulloni, grazie a questa infrastruttura.
Durante la fase di test dei propri prodotti, Krabo ha collaborato con il Laboratorio europeo di fisica delle particelle (CERN), in particolare per la costruzione di ProtoDUNE, il prototipo del DUNE Far Detector presso la piattaforma per neutrini del CERN. ProtoDUNE è costituito da una struttura metallica delle dimensioni di una casa a tre piani e della forma di un cubo gigantesco. La struttura funge da criostato e viene riempita con 800 tonnellate di argon liquido per mantenerla a una temperatura di -184 °C.
Il rilevatore registra particelle di raggi cosmici e fasci creati nell’acceleratore del CERN. Durante il riempimento di argon, questa struttura è soggetta a forti fluttuazioni dovute al continuo carico incrementale, situazione nella quale Krabo offre il meglio di sé. Partendo dal bullone convenzionale incluso nel progetto originale della struttura, il team Krabo ha prodotto e calibrato i bulloni di rete KRABO IoT in un approccio di retrofitting: i bulloni tradizionali vengono sostituiti con quelli IoT per aumentare la sicurezza nella struttura. I bulloni in questo progetto erano del tipo 36X120, strutturali EN 14399-3, classe 10.9 HR.
Come funzionano i bulloni KRABO IoT
La tecnologia KRABO integra nell’elemento di fissaggio un sistema elettronico completamente wireless per monitorare la tensione del bullone mediante gli ultrasuoni.
Un trasduttore ultrasonico è collegato a un front-end elettronico appositamente progettato per misurare la lunghezza del bullone con alta risoluzione e alta precisione. Il processore elabora le informazioni e controlla il dispositivo. Il modulo di comunicazione wireless di Texas Instruments garantisce la connettività alla rete. La fonte di energia (batteria) garantisce la potenza necessaria per il funzionamento e un modulo di raccolta di energia opzionale può estenderne la durata all’infinito.
Gli impulsi ad ultrasuoni generati viaggiano lungo tutto il corpo del dispositivo di fissaggio. KRABO stima la lunghezza effettiva del bullone misurando il tempo trascorso tra un impulso sonoro e la sua eco ricevuta dall’estremità del dispositivo di fissaggio.
L’elemento di fissaggio bloccato si allunga proporzionalmente alla forza di serraggio applicata ed alle sollecitazioni esterne o dopo un cedimento strutturale. KRABO ha sviluppato un algoritmo intelligente per determinare con precisione dall’allungamento dell’elemento di fissaggio la sua tensione, espressa in KN.
Durante i test di laboratorio, il sistema di misura ad ultrasuoni utilizzato nei bulloni ha riportato un errore di misura non superiore all’1%.
Solitamente la misura l’invio dei dati viene effettuato ogni due minuti.
Il sistema KRABO IoT è incorporato nella parte superiore della testa del dispositivo di fissaggio, senza alterare le proprietà meccaniche del dispositivo stesso. Le simulazioni dimostrano che quando un bullone KRABO viene sollecitato oltre il suo limite, il cedimento avviene nella filettatura senza deformazione della testa, mostrando le stesse proprietà dei dispositivi di fissaggio standard.
Inoltre, un bullone KRABO ha dimensioni simili a quelle di un dispositivo di fissaggio standard, garantendo l’adattamento alla stessa applicazione.
Incontriamo gli esperti
Per saperne di più su questa innovativa soluzione e sulle tecnologie che l’alimentato, abbiamo incontrato Paolo Redaelli, Global R&D Manager, Research & Development di Fontana Group, e Giovanni Campanella, Sector General Manager di Texas Instruments.
Come è iniziata e come si è sviluppata la collaborazione tra Texas Instruments e Krabo?
Redaelli: Krabo era alla ricerca di un fornitore affidabile e collaborativo per implementare la comunicazione wireless, abbiamo chiesto a TI Italia e abbiamo trovato un supporto eccellente. L’uso di un microcontrollore TI SimpleLink si è rivelato una buona scelta ed è diventato la base per lo sviluppo hardware.
Campanella: Dopo che il nostro team di vendita ha lavorato a stretto contatto con Krabo per comprendere meglio il loro progetto, abbiamo coinvolto il team di ingegneria dei sistemi e le linee di prodotto per supportare la selezione dei loro dispositivi e la prototipazione PCB.
Perché è stata scelta quella specifica tecnologia integrata e quella specifica tecnologia wireless (Zigbee)?
Redaelli: Il consumo energetico è una delle principali sfide per i KRABO Networking Bolts. Zigbee con componenti TI offre un consumo energetico estremamente basso, insieme a dimensioni più piccole. Inoltre, Zigbee è uno standard consolidato che garantisce l’affidabilità della rete per non perdere mai i dati.
Quali sono le sfide tecnologiche di questa applicazione?
Campanella: I vincoli di dimensioni e il consumo energetico sono stati tra le sfide più grandi che il nostro team di ingegneria dei sistemi ha dovuto affrontare quando ha lavorato con Krabo. Dal punto di vista delle dimensioni del progetto, tutti i componenti, inclusa la batteria, dovevano essere posizionati sopra la testa del bullone, quindi lo spazio era un bene prezioso. Per quanto riguarda il consumo energetico, Krabo voleva che il sistema fosse il più efficiente possibile, estendendo il tempo di funzionamento in questi sistemi a batteria. Per soddisfare questo requisito di progettazione, abbiamo utilizzato un microcontrollore con un consumo energetico ultra-basso e un software altamente ottimizzato per ridurre il più possibile il consumo energetico nel sistema.
Per quanto riguarda il consumo, qual è l’autonomia della batteria utilizzata? La batteria può essere sostituita?
Redaelli: La versione “entry level” del nostro prodotto funziona a batteria e può funzionare fino a 10 anni con una comune batteria a bottone prima di dover essere sostituita. Sono disponibili bulloni con opzioni di raccolta di energia, come l’utilizzo della luce tramite piccoli pannelli o la raccolta da onde RF.
La comunicazione è bidirezionale? È possibile modificare alcuni parametri operativi da remoto dopo l’installazione (ad esempio l’intervallo tra una trasmissione dati e la successiva?) ed eventualmente modificare il firmware?
Redaelli: La comunicazione tramite questi bulloni è bidirezionale, quindi è possibile modificare alcuni parametri operativi da remoto dopo l’installazione. In particolare, è possibile modificare la frequenza di campionamento (ad esempio l’intervallo tra una misura e la successiva). È anche possibile aggiornare il firmware, se necessario.
Che tipo di sensore a ultrasuoni viene utilizzato per misurare la lunghezza del bullone?
Redaelli: Il trasduttore è un materiale piezoelettrico, controllato da un circuito elettronico personalizzato e miniaturizzato, integrato nella scheda.
I dati vengono inviati grezzi o c’è una pre-elaborazione dei dati da parte del dispositivo? E se sì, di che tipo?
Redaelli: I dati vengono prima pre-elaborati a bordo, quindi inviati al sistema esterno dove vengono post-elaborati tramite un algoritmo proprietario in grado di trasformare la lettura diretta del sensore nel carico assiale effettivo del bullone (forza in kN).
I bulloni wireless devono essere applicati alla struttura in costruzione o possono essere applicati a strutture esistenti?
Redaelli: I bulloni di rete KRABO(R) sono adatti sia per nuove installazioni che per il retrofit di strutture esistenti.
Chi ha creato l’infrastruttura wireless locale (dai bulloni all’hub) e l’infrastruttura al cloud (dall’hub al server) e chi la gestisce?
Redaelli: Questa è creata e gestita da Krabo.
Quali garanzie offre questa soluzione in termini di sicurezza dei dati?
Redaelli: Il nostro sistema, i sensori bolt, i gateway e il cloud, funzionano in base alle tecnologie più aggiornate per la crittografia dei dati e la gestione sicura dei dati. I dati sono disponibili solo per i clienti e protetti tramite login.
Quali vantaggi (e possibili svantaggi) offre questa soluzione tecnologica rispetto ai sistemi di controllo delle infrastrutture con sensori wireless tradizionali?
Redaelli: Il “carico bolt” è un parametro specifico che non è mai stato monitorato in tempo reale prima. La nostra tecnologia ora consente di includere il “carico bolt” nell’elenco dei parametri sotto controllo. Di conseguenza, questo importante fattore di rischio è ora gestibile. Queste nuove informazioni da questo monitoraggio in tempo reale possono ora essere utilizzate in combinazione con la misurazione tradizionale da altri sensori e correlate ad altri elementi della struttura, per migliorare la sicurezza complessiva.
I bulloni wireless possono essere personalizzati in base alle specifiche esigenze del cliente (dimensioni e tipo di bullone)?
Campanella: Disponiamo di un ampio portafoglio di semiconduttori innovativi progettati per affrontare una serie di sfide di progettazione per applicazioni intelligenti come i bulloni di rete KRABO. Questi semiconduttori, come i nostri microcontrollori SimpleLink, sono stati progettati per aiutare i progettisti che lavorano su applicazioni intelligenti a soddisfare i requisiti di dimensioni, consumo energetico e prestazioni del loro sistema.
Redaelli: Qualsiasi dimensione di bullone standard come M16 o superiore potrebbe diventare un bullone di rete KRABO. I bulloni non standard vengono valutati caso per caso, ma in genere possiamo lavorare su bulloni personalizzati.
Quali sono attualmente le dimensioni dei bulloni più piccoli in produzione?
Redaelli: M20
Come si evolverà questa tecnologia? La manutenzione remota (predittiva) sta davvero prendendo piede? E qual è la potenziale dimensione di questo mercato?
Campanella: Il potenziale della manutenzione predittiva è enorme e ne stiamo già assistendo all’utilizzo in una varietà di sistemi industriali. Da HVAC, a motori e pompe di fabbrica fino a edifici e case, essere in grado di prevedere quando un sistema potrebbe guastarsi e agire, piuttosto che riparare quando il sistema è inattivo, può aiutare a risparmiare denaro, ridurre i tempi di inattività del sistema e renderli più efficienti.
Redaelli: Il nostro obiettivo è produrre miliardi di pezzi all’anno. C’è molto potenziale per questi bulloni nell’industria automobilistica. Ciò diventerà sicuramente reale una volta che l’industria automobilistica introdurrà massicciamente questa tecnologia nei veicoli.
Ulteriori informazioni sulle soluzioni Krabo sono disponibili al seguente link
