Adaptive planning and control in cyber-physical production systems

Abstract

The objective of this work is the study of the production systems under the scope of cyber-physical production systems (CPPSs) and in terms of enabling their reconfiguration towards increased automation and flexibility to volatile working conditions as well as market demands. Towards that end, methods corresponding to different layers of the ISA95 automation pyramid, mapped to the layers of the 5C architecture for cyber-physical systems, have been connected integrating different layers of the architecture and tested in the under investigation CPPSs. First, the dynamic closed-loop control of a CPPS has been studied for enabling and controlling safe human-robot collaborative assembly operations. An initial implementation is evaluated in a specific use case and its results are compared regarding the use of one or more sensors. The comparison is performed in terms of system response time to detect human presence within a predefined safety zone. Afterwards and considering the manual assembly operations, their adaptive planning and reconfiguration of the assembly station are discussed. The implementation of the digital-twin approach is presented to digitally close the loop between physical and virtual system thus enabling a cost-effective improvement of the planning, commissioning as well as the entire lifecycle of human-based production processes. A case study from the warehouse, intra-factory logistics operation, in the white goods industry, demonstrates the feasibility of the proposed approach. Also, as part of the third case study, a holistic framework for reconfigurable cyber-physical production systems is discussed, enabled by container technologies. The presented approach enhances flexibility in a cyber-physical production system (CPPS) through the dynamic reconfiguration of the automation system and the production schedule, based on occurring events. The proposed solution has been implemented on a software framework and applied in a small scale CPPS coming from the automotive industry. Finally, the contribution of the integration 5C layers for the implementation, deployment, and reconfiguration of CPPS functionalities converting conventional manufacturing processes to smart ones has been assessed via a set of CPPS indicators in terms of contribution to their automation level.

Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η μελέτη των συστημάτων παραγωγής ως κυβερνο-φυσικών συστημάτων επικεντρώνοντας στον προσαρμοστικό σχεδιασμό/προγραμματισμό κι έλεγχό τους. Απώτερος σκοπός είναι η δυνατότητα αναδιαμόρφωσής τους για την αύξηση της αυτοματοποίησης και της ευελιξίας στις συνθήκες εργασίας καθώς και σε μεταβαλλόμενες απαιτήσεις παραγωγής. Για αυτό το λόγο, μέθοδοι, που μεταφράζονται σε διαφορετικά επίπεδα της πυραμίδας αυτοματισμού, μέσω της αρχιτεκτονικής 5C για κυβερνο-φυσικά συστήματα, έχουν διερευνηθεί κι ενσωματωθεί σε υπό-μελέτη κυβερνο-φυσικά συστήματα. Πρώτον, μελετάται ο δυναμικός έλεγχος κλειστού βρόχου ενός κυβερνο-φυσικού συστήματος σχετικά με την ασφαλή συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ σε ένα περιβάλλον εργασίας. Μια αρχική εφαρμογή αξιολογείται σε μια συγκεκριμένη περίπτωση χρήσης και συγκρίνονται τα αποτελέσματά της σχετικά με τη χρήση ενός ή περισσοτέρων αισθητήρων. Η σύγκριση πραγματοποιείται με βάση τον χρόνο απόκρισης του συστήματος για την ανίχνευση της ανθρώπινης παρουσίας εντός μιας προκαθορισμένης ζώνης ασφαλείας. Στη συνέχεια, εξετάζονται οι χειρωνακτικές εργασίες συναρμολόγησης, συζητείται ο προσαρμοστικός προγραμματισμός και ο επαναπροσδιορισμός του σταθμού συναρμολόγησης. Η εφαρμογή ψηφιακού διδύμου παρουσιάζεται για να κλείσει ψηφιακά το βρόχο μεταξύ φυσικού και εικονικού συστήματος, επιτρέποντας έτσι μια αποτελεσματική, από πλευράς κόστους, βελτίωση του σχεδιασμού, της ανάθεσης καθώς και ολόκληρου του κύκλου ζωής των διαδικασιών παραγωγής με βάση τον άνθρωπο. Μια μελέτη περίπτωσης σε χώρο αποθήκης καταδεικνύει τη σκοπιμότητα και αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης προσέγγισης. Επίσης, στο πλαίσιο της τρίτης μελέτης, συζητείται ένα ολιστικό πλαίσιο για τα αναδιαμορφώσιμα κυβερνο-φυσικά συστήματα παραγωγής, που υλοποιούνται από τις τεχνολογίες των υπηρεσιών πακέτων λογισμικού (containers). Η παρουσιαζόμενη προσέγγιση ενισχύει την ευελιξία σε ένα κυβερνο-φυσικό σύστημα παραγωγής μέσω της δυναμικής αναδιάρθρωσης του συστήματος αυτοματισμού και του χρονοδιαγράμματος παραγωγής, με βάση τα συμβάντα. Η προτεινόμενη λύση υλοποιήθηκε σε μια εφαρμογή λογισμικού και εφαρμόστηκε σε ένα κυβερνο-φυσικό σύστημα παραγωγής μικρής κλίμακας που προέρχεται από την αυτοκινητοβιομηχανία. Τέλος, η συμβολή των στρωμάτων ολοκλήρωσης της αρχιτεκτονικής 5C για την υλοποίηση και την ανάπτυξη λειτουργιών CPPS, που μετατρέπει τις συμβατικές διαδικασίες παραγωγής σε έξυπνες, έχει αξιολογηθεί μέσω ενός συνόλου δεικτών επιπέδου ευελιξίας μέσω του αυτοματισμού και δεικτών χαρακτηριστικών των κυβερνο-φυσικών συστημάτων παραγωγής.