Scalable Safety-Oriented Architectures for Mechatronic Components and Systems in Agricultural and Heavy-Duty Machines

The growing importance of electronics and machine automation in the agricultural and heavy-duty industry compartments, introduces a new set of issues related to the functional safety of these systems. The international community has recognized these problematics and a particular effort has been put on the implementation of new standards and regulations specific for the functional safety. Since the great machine diversification of these industry compartments and their small market numbers, it is of primary importance the development of new scalable architectures and components compliant with the specific standards, which can be easily customized for different applications. This thesis deals with the identification such architecture. The key idea of the proposed work is to reduce the software safety requirements, in order to ease the customization of the system for different applications, reducing at the same time, the effort of software certification, which is considered prohibitive for many small and medium sized companies. In Chapter 1 it will be introduced the functional safety basic concepts, with reference to different standards. The Chapter 2 will focus on the architecture design, which is the main result of this thesis. It will be also described an implementation of the proposed architecture for the realization of an advanced machine controller for agricultural machines. In chapters 3 it will be described the methodologies and development process, carried out during a technology transfer activity, inherent a steer-by-wire system of an innovative 6 wheeled self-propelled agricultural machine. Finally, Chapter 4 will describe the design of a mechatronic component that represents an innovative solution for the realization of novel electro-hydraulic architectures for heavy-duty machinery.

La crescente importanza dell’elettronica e dell’automazione di macchina nel settore delle macchine agricole e dei veicoli heavy-duty, introduce una serie di nuove problematiche legate alla sicurezza funzionale di questi sistemi. La comunità internazionale ha identificato questi problemi ed un particolare sforzo è stato compiuto per la definizione di nuovi standard e normative specifiche per la sicurezza funzionale. Data la grande diversità di macchine ed i bassi volumi di questi settori industriali, è di primaria importanza lo sviluppo di nuove architetture scalabili e componenti, che siano conformi ai specifici standard e che possano essere modificati per differenti applicazioni. Questa tesi si occupa di identificare questa architettura. L’idea principale del lavoro proposto è di ridurre i requisiti di safety del software, in modo da semplificare la customizzazione del sistema a differenti applicazioni, riducendo al contempo i costi della certificazione software, ritenuti proibitivi per molte piccole e medie aziende. Nel Capitolo 1 verranno introdotti i concetti principali relativi alla sicurezza funzionale, con riferimento ai diversi standard. Il Capitolo 2 si concentrerà sul design dell’architettura, che è il risultato principale di questa tesi. Verrà inoltre descritta un’implementazione dell’architettura proposta, per la realizzazione di un controllore di macchina per macchine agricole. Nel capitolo 3 verranno anche descritte le metodologie ed il processo di sviluppo, effettuato durante un’attività di trasferimento tecnologico, inerente un sistema di sterzatura by.wire per un’innovativa macchina agricola semovente a 6 ruote. Infine, nel Capitolo 4 verrà descritto il design di un componente meccatronico che rappresenta una soluzione innovativa per la realizzazione di nuove architetture elettro-idrauliche per macchinari heavy-duty.