Integrated modelling of energy and resource efficient manufacturing systems

Due to the significant ecological relevance and constantly rising prices, resources consumption more and more gets into the focus of manufacturing companies, which strive to consciously consider energy and resources consumption when planning and managing production facilities. Besides considering single processes/machines, the perspective on the factory as a whole bear further potentials for improvement. Indeed, an isolated consideration of production equipment (single machines, production system) and technical building services within a production building is certainly a necessary but not sufficient approach. Complex interactions within coupled systems crucially have to be considered so an integrated holistic perspective to achieve global optima is needed. Against this background the thesis presents an integrated model to foster energy and resource efficiency of a generic whole factory. The conceptual model of the factory is based on a modular and hierarchical structure where each single module is characterized by a state chart and a resource profile table in order to be able to capture the dynamic interdependencies between the various subsystems. The state charts can be parameterized with certain values or equations for each individual state while with the resource profiles it is possible to identify for each manufacturing element the correspondent energy/resource usage in each different state. These two modelling features are useful since on a system level the problem is highly dynamic depending on the actual operation state of all involved technical equipment and cannot be solved with static approaches. After having created a conceptual model, in order to verify its completeness, the simulation tool has been used because of its inherent dynamicity. So, the defined conceptual models have been translated into a simulation environment, created from scratch but with real industrial data in the AnyLogic platform.   The simulation model thus conceived is able the dynamic interrelations among the different simulated modules in order to check alternative control policies and configurations for improving Energy Resource Efficiency (ERE).

A causa della notevole rilevanza ecologica ed il costante aumento dei prezzi, sempre più il consumo di risorse diventa strategico per le imprese manifatturiere che si sforzano di gestire consapevolmente il consumo di energia e di risorse nella pianificazione e nella gestione degli impianti di produzione. Se oltre a considerare i singoli processi e macchine si guarda alla fabbrica nel suo complesso si possono ottenere ulteriori potenziali di miglioramento. Infatti, se si considerano le singole attrezzature di produzione (macchine singole, linee di produzione) e i servizi tecnici generali forniti allo stabilimento si segue un approccio necessario ma non sufficiente. Le complesse interazioni fra i sistemi accoppiati devono infatti essere considerate, così come è necessaria una prospettiva olistica integrata per raggiungere una ottimizzazione globale. In tale contesto la tesi presenta un modello integrato per promuovere l'efficienza energetica e delle risorse di un'intera generica fabbrica. Il modello concettuale della fabbrica è basato su una struttura modulare e gerarchica, in cui ogni singolo modulo è caratterizzato da un diagramma di stato e una tabella delle risorse utilizzate, al fine di cogliere le interdipendenze dinamiche tra i vari sottosistemi. I diagrammi di stato possono essere parametrizzati con determinati valori o equazioni per ogni singolo stato, mentre con la tabella delle risorse è possibile individuare per ogni elemento del processo di fabbricazione il corrispondente consumo energetico/di risorse in ogni diverso stato. Queste due caratteristiche di modellazione sono utili in quanto il sistema è dinamico in funzione dello stato di funzionamento effettivo di tutte le attrezzature tecniche coinvolte e non può essere risolto con approcci statici. Dopo aver creato un modello concettuale, al fine di verificarne la completezza, è stato utilizzato lo strumento della simulazione, soprattutto per la sua dinamicità intrinseca. I modelli concettuali definiti sono stati così tradotti in un ambiente di simulazione, creato da zero, ma con reali dati industriali nella piattaforma AnyLogic.   Il modello di simulazione così concepito è in grado di cogliere le interrelazioni dinamiche tra i diversi moduli al fine di verificare le politiche di controllo alternative e le configurazioni per migliorare Resource Energy Efficiency (ERE).