Energy-aware control policies for autonomous machines in a flow-line

Energy efficiency has recently become one of the most relevant topics of research in manufacturing, as industry accounts for about the 33% of the world energy consumption, also in the context of sustainable development, a theme that has gained great importance for the whole world as of today. This thesis represents a contribution to state of the art with the development of energy aware control policies enabling each machine in a line to take autonomous decisions about its production and energy state, building on the possibility to share information with the other machines in the line through an appropriate ICT infrastructure, therefore extending its standard control policies. The energy saving policies elaborated in this work exploit as well the current trend to reduce the idle time of machines in favor of standby periods, thus obtaining significant results of energy saving and coupling it with a novel concept of decentralized control. In particular, an open flow-line system has been considered for the analysis because scarcely studied from an energy point of view in the literature. With the proposed policies, each machine in the line is aware of the specific jobs that it most likely will have to work and of their forecasted processing time and arrival time, and it is able to look for the information it needs at the exact moment it needs them (from the upstream and downstream machines and buffers) and to consequently decide about its energy behavior. Furthermore, an autonomous machine can even decide to postpone processing an incoming part if this allows an energy saving without generating production loss. The proposed approach represents a significant contribution to the state of the art, as the energy aware policies enable decisions based on real-time information and not on statistically-based forecasts on previous arrival rates, as in the current literature. This work has been based on a methodology which includes, after a preliminary literature analysis, three iterative phases: conceptual models definition, models deployment and experiments run and analysis, combining the capabilities of a standard DES manufacturing simulation tool with the features of a customized code. The three main steps have been repeated iteratively, so that the output of a cycle became the input for another one. This methodology has been very effective for this thesis, because, starting from an initial exploration of the behavior of the system considered, more sophisticated knowledge and ideas progressively emerged during the work, thus obtaining as a result three different autonomous energy policies, further tested during the results analysis, in terms of energy consumption and throughput.

Quello dell’efficienza energetica è recentemente divenuto uno dei più rilevanti argomenti di ricerca nel manufacturing, poiché il settore industriale è responsabile di circa il 33% del consumo energetico mondiale, soprattutto in un contesto di esigenza e desiderio di uno sviluppo sostenibile, un tema che ha guadagnato notevole importanza nel mondo odierno. Questa tesi rappresenta un contributo allo stato dell’arte tramite lo sviluppo di politiche di controllo orientate alla consapevolezza del consumo energetico, che permettono ad ogni macchina presente in una linea di prendere decisioni autonome riguardo la sua produzione e il suo stato energetico, sfruttando la possibilità di condividere informazioni con le altre macchine attraverso un’appropriata infrastruttura ICT, ampliando in questo modo le politiche di controllo tradizionali utilizzate nel manufacturing. Le politiche di risparmio energetico elaborate in questo lavoro assecondano inoltre il trend attuale di riduzione del tempo di idle delle macchine in favore di periodi di standby, ottenendo in questo modo risultati significativi di risparmio energetico e affiancando a questo tema un nuovo concetto di controllo decentralizzato. In questo caso particolare è stato considerato per l’analisi un sistema flow-line aperto, poiché scarsamente studiato in letteratura dal punto di vista energetico. Per mezzo delle politiche proposte in questa tesi, ogni macchina della linea è consapevole dei job che con molta probabilità lavorerà in tempo breve e conosce il loro tempo di processing e il tempo atteso di arrivo. Inoltre, le macchine sono in grado di cercare le informazioni di cui hanno bisogno nell’esatto istante in cui ne hanno bisogno (chiedendole alle macchine a monte e a valle e ai buffer) e di decidere di conseguenza il loro stato energetico: ad esempio, una macchina autonoma può scegliere di rimandare il processing di un job in arrivo se questo le consente di ottenere un risparmio energetico, senza provocare una perdita di produzione. L’approccio proposto rappresenta un contributo significativo allo stato dell’arte, poiché le politiche “energicamente consapevoli” sviluppate permettono di prendere decisioni in tempo reale e non basate su previsioni statistiche effettuate a partire dai dati storici di tassi di inter-arrivo, come attualmente fatto in letteratura per simulare l’ambiente produttivo. Questo lavoro si è basato su una metodologia che prevede, dopo una fase iniziale di analisi della letteratura, tre fasi iterative: definizione dei modelli concettuali, sviluppo dei modelli ed effettuazione di esperimenti e relative analisi, che sfruttano la possibilità data dei software standard di simulazione a eventi discreti (DES) di simulare politiche produttive ed energetiche specifiche implementando algoritmi personalizzati in una factory fittizia. Le tre fasi principali della metodologia sono state ripetute iterativamente, alimentando ogni ciclo con l’output del ciclo precedente. Questa metodologia si è rivelata essere molto efficace per i risultati del lavoro poiché ha permesso, partendo da un’esplorazione iniziale del comportamento del sistema considerato, di far emergere progressivamente una serie di scoperte e di nuove idee poi sfruttate nei cicli successivi. Tutto ciò ha permesso di ottenere come output tre politiche diverse di efficienza energetica per macchine autonome ed “energicamente consapevoli”. Le tre politiche sono state successivamente testate durante la fase di analisi dei risultati, sia in termini di consumo energetico che in termini di throughput ottenuto.