Optimal stochastic switching of machine tools in energy efficient manufacturing systems

Manufacturing industries have always focused on productivity improvement and quality achievement, but, in the last years, the environmental impact becomes critical as well. Nowadays, both practitioners and researchers are dealing with energy assessment, and they are analyzing measures to improve energy efficiency of manufacturing systems. In the particular case of machines executing machining operation-i.e., machine tools in this work- the control of machine states is one of the most promising measures at machine level. This state control aims to reduce the energy demanded when the machines are idle by “start/stop” features such that the machine is “switched off/on” according to certain rules. Critical barriers for a practical implementation are usually related to system productivity, therefore, any new solutions have to keep high the production performance and, at the same time, improve system sustainability. This work aims to improve the sustainability of manufacturing systems by changing the way in which the state of machines is controlled. First of all, the control has to take into account that machine tools may need a transitory-i.e., “startup”- before resuming the service. As a consequence, a delay in production may eventually be a side-effect of the control policy affecting machine productivity. The second issue is related to the amount of information available at machine level, often limited in practice. In some cases, data are not available at machine level because a communication interface with the monitoring system or the system supervisor does not exist. In addition, system uncertainty in part arrival, part processing, and machine startup duration makes the system and the control stochastic. Therefore, a framework for the energy control of machine tools in stochastic manufacturing systems is developed together with control models where machines require a startup procedure to resume the service. Several control policies are described according to the amount of information to which the control have access. In particular, two types of information are used: (1) time information from the load/unload operations-i.e., the time instants when a part is loaded to be processed or a part leaves after process completion- and (2) buffer occupancy information. A general control policy based on time information is designed under the assumption of stochastic arrivals and no input buffer. Particular effort is devoted to find structural properties of the optimal control. A dynamic programming based model, where the machine state is controlled using upstream buffer information, is developed. Under certain conditions, the optimal policy is proved to be exhaustive and threshold based. A mapping of the optimal control among the most significant factors for queueing systems with finite buffer capacity is provided. The minimization of the expected energy consumed for the production of a part is pursued while constraints on machine productivity and system performance are considered. A production line with finite buffer capacities when policies are applied at machine level is studied. Discrete event simulation is used for performance evaluation, with an ad-hoc template built in Arena© for modeling a general machine controlled with an energy state control policy. The value of the information is discussed in terms of system performance under a certain policy. In addition, we have provided main guidelines to apply the control in practice together with some benchmarks for achievable energy saving. Besides the scientific results, this work represents a contribution towards the answer to a relevant industrial issue, which is the practical implementation of machine control during idle times.

L’industria manifatturiera si è da sempre concentrata sull’aumento della produttività dei sistemi e sul miglioramento della qualità, tuttavia, negli ultimi anni, l’impatto ambientale è diventato una criticità nella progettazione e nella gestione dei sistemi di produzione. Attualmente, esperti nel settore industriale e ricercatori si trovano a dover trattare nuove tematiche come la valutazione e il monitoraggio delle prestazioni energetiche e, di pari passo, l’analisi di strategie per il miglioramento dell’efficienza energetica dei sistemi di produzione. Nel caso specifico delle macchine utensili per asportazione di truciolo (i.e., per semplicità “macchine utensili”), una delle strategie più promettenti è il controllo di stato a livello macchina. Lo scopo di questa tipologia di controllo è la riduzione del consumo energetico durante le fasi non produttive della macchina utensile cambiandone lo stato energetico. Le macchine utensili saranno dotate di sistemi di controllo in grado di eseguire accensioni e spegnimenti secondo un insieme di regole predeterminato. Tuttavia, qualunque tipo d’intervento volto al risparmio energetico non deve compromettere la produttività del sistema. Lo scopo principale di questa tesi è il miglioramento della sostenibilità dei sistemi di produzione attraverso una nuova metodologia di controllo delle macchine utensili. Innanzitutto, il controllo deve tenere in considerazione eventuali periodi di transitorio necessari quando una macchina utensile cambia di stato e deve ripristinare il servizio a valle di uno spegnimento. Infatti, il possibile ritardo causato da questi periodi di transizione tra uno stato e l’altro, potrebbe influire negativamente sulle prestazioni del sistema. Inoltre, il numero d’informazioni che sono accessibili a livello macchina è spesso limitato nella pratica e rappresenta un secondo punto critico nel controllo delle macchine utensili. A titolo esemplificativo, le interfacce di comunicazione tra il controllo locale, a livello macchina, e il monitoraggio di sistema potrebbero non esistere. Peraltro, il sistema e il suo controllo risultano di tipo stocastico a causa della naturale incertezza sui tempi di arrivo dei pezzi, sul tempo di processo e sulla durata dello transitorio di accensione della macchina utensile. Di conseguenza, è stata sviluppata una metodologia per il l’ottimizzazione energetica dei sistemi di controllo delle macchine utensili in sistemi produttivi di tipo stocastico che necessitano di transitori di accensione. In questo lavoro, numerose strategie di controllo sono descritte, dettagliando le informazioni che ciascun controllo riceve in ingresso, ovvero: (1) informazioni temporali sul carico e sullo scarico delle parti in macchina, i.e., gli istanti temporali in cui una parte viene caricata per essere lavorata e scaricata una volta eseguita l’operazione richiesta e (2) il numero di parti nei buffer. È stata progettata una generale strategia di controllo basata sull’ipotesi di arrivi casuali e nessun magazzino parti per la macchina utensile. In particolare, le proprietà strutturali del controllo ottimo sono state ricercate ed analizzate. Si è inoltre sviluppato un modello di programmazione dinamica dove lo stato di una macchina utensile è controllato utilizzando l’informazione sul numero di parti presenti nel magazzino in input alla macchina. Nel rispetto di alcune condizioni, la politica ottima risulta essere esaustiva e basata su soglie. Il controllo ottimo per sistemi di code a capacità finita è stato analizzato e l’effetto dei fattori più significativi è stato studiato. La minimizzazione del valore atteso dell’energia richiesta per la produzione di una parte è perseguita considerando parallelamente vincoli sulla produttività della macchina e del sistema. Una linea di produzione con buffer a capacità finita e macchine controllate è studiata utilizzando la simulazione ad eventi discreti. Un modello (i.e., template) è stato sviluppato in Arena© ai fini di modellare una generica macchina utensile il cui stato può essere controllato a fini energetici. Il valore dell’accesso alle informazioni è discusso in termini di confronto tra le prestazioni del sistema controllato e non controllato. A valle del confronto, linee-guida per l’implementazione di strategie di controllo nella pratica sono proposte e discusse nel rispetto di alcuni riferimenti (benchmark) sul risparmio conseguibile. Al di là dei risultati scientifici, questo lavoro rappresenta un contributo per un rilevante problema industriale, ovvero, l’implementazione di controlli a livello macchina durante i periodi in cui la produzione non è richiesta.