A heuristic approach to the scheduling of automated packaging systems

Automation engineering becomes increasingly important for humanity. In fact, the growth of population causes an increase of the market demand. Therefore, one of the main objectives is the search for an increase in productivity and efficiency of automated production plants. However, the greater the productivity target, the greater the design complexity of the production systems and their components. With the passing of time, new solutions are born and engineering efforts must be focused on new problems. Pick and place robotic packaging systems live in this context. These systems use robots which allows packaging the products in their respective confusions. Therefore, a control problem arises that consists in the allocation of the tasks of the robots. This allocation problem is complicated by increasing the number of constraints to be respected, many of which derive from the upstream and downstream processes of the system. The constraints in the packaging systems can derive from the production specifications (production rate, constraint of fully filled boxes, multi-pick packaging), the problems of electromechanical systems (conveyor belts, robots) or product problems (fragility, maximum permanence at room temperature). For many systems, it is necessary to solve a combinatorial assignment problem with the purpose to find a list of activities to perform (concerning products, boxes and robot missions). In this work, a heuristic approach is presented in order to reduce the number of unpackaged products and find the assignments that make the plant more efficient. Based on this approach, two different assignment algorithms are born. The first algorithm is greedy, while the second is cyclic. Subsequently, improvements are proposed to these two algorithms. The starting point is the modeling of all the components of the system. Next, a quality evaluation algorithm of a partial or complete assignment is presented. Thanks to its reference implementation, the reliability of the algorithm has been verified by different methods. Finally, the set of systems treated with the introduction of robots capable of carrying out multi-task missions is extended. In the last part of the thesis, the heuristic approach to the problem of planning analyzed is discussed.

L'ingegneria dell'automazione diventa sempre più importante per l'umanità. Infatti, la crescita della popopazione provoca un'aumento della domanda di mercato. Perciò, uno degli obbiettivi principali è la ricerca di un aumento di produttività ed efficienza degli impianti di produzione automatizzati. Tuttavia, maggiore è l'obbiettivo di produttività, maggiore diventa la complessità di progetto dei sistemi di produzione e dei loro componenti. Con il passare del tempo, nascono nuove soluzioni e occorre concentrare gli sforzi ingegneristici su nuove problematiche. I sistemi di confezionamento robotizzati pick and place vivono in questo contesto. Questi sistemi utilizzano dei robot per la movimentazione di prodotti consentendo l'imballaggio nelle rispettive confenzioni. Nasce quindi una problematica di controllo che consiste nella pianificazione delle attività dei robot. Questo problema di pianificazione si complica all'aumentare del numero dei vincoli da rispettare, molti dei quali derivano dai processi a monte e a valle del sistema. I vincoli nei sistemi di confezionamento possono derivare dalle specifiche di produzione (tasso di produzione, vincolo di scatole completamente piene, confezionamenti multigusto), dalle problematiche dei sistemi elettromeccanici (nastri di trasporto, robot), dalle problematiche di prodotto (fragilità, massimo tempo di permanenza a temperatura ambiente). Per molti sistemi, è necessario risolvere un problema combinatorio di assegnamento avente come scopo trovare una lista di attività da eseguire (riguardante prodotti, scatole e missioni dei robot). In questo lavoro, viene presentato un approccio euristico per ridurre il numero di prodotti non confezionati e trovare assegnamenti che rendono l'impianto più efficiente. Sulla base di questo approccio nascono due diversi algoritmi di assegnamento. Il primo algoritmo è di tipo greedy, mentre il secondo è di tipo ciclico. Successivamente, vengono proposti dei miglioramenti a questi due algoritmi. Il punto di partenza è la modellizzazione di tutti i componenti del sistema. Successivamente, viene presentato un'algoritmo di valutazione della qualità di un assegnamento parziale o completo. Grazie ad una sua implementazione di riferimento è stata verificata l'affidabilità dell'algoritmo con diversi metodi. Infine viene esteso l'insieme degli impianti trattati con l'introduzione di robot capaci di effettuare missioni multipresa. Nell'ultima parte della tesi, viene discussa l'approccio euristico al problema di pianificazione analizzato.