Fault tolerant model predictive control of a de-manufacturing plant

The diffusion of electronic board is constantly increasing due to the wide spreading of mechatronics products. End of life management of such type of products is not currently approached in terms of process efficiency and environmental effects in a global perspective. This is due both to the rapid technological evolution and to the absence of integrated, automated and flexible systems able to treat mechatronics components under sustainable conditions. This topic is critical from an environmental point of view and represents a big opportunity for the manufacturing industry. To respond to this lack, a de-manufacturing pilot plant has been developed by CNR ITIA, the Institute of Industrial Technologies and Automation of the National Council for Research, in Milan. The plant is designed for testing, repairing and disrupting electronic boards, and is currently composed by a multi-path transport line and four machines with different functions: testing, repairing, discharging and loading/unloading. In this context, a primarily role is played by the conveyor system, that has been designed not only to be a simple assemblage of sensors/actuators able to move the pallets following predefined trajectories. Indeed, it is able to guarantee an efficient path of the boards in the network allowing to avoid bottlenecks, starvation and maximizing throughputs. This is due to the implementation of a multi-level control strategy in which, at the higher level, an MPC controller manages the movement of the pallets in order to optimize the performances while, at the lower level, PLCs acquire the sensor signals and drive the actuators. The MPC algorithm has been implemented in a C++ control platform that uses Matlab to handle the optimization problems, while the logic control belonging to PLCs has been implemented in ISaGRAF. The aim of this project is to increment the performance on the transport line of the pilot plant, making it more suitable for a possible use in the industrial field. In the first part of the dissertation, the problem of the delays introduced by the complexity of the software is considered. A massive adjustment of the C++ structure has been implemented and Matlab has been completely removed from the control environment. This has allowed to parallelize the calculations of the optimal solutions and the activities of the low-level control system, with a remarkable gain in terms of time. Then, the efforts have been concentrated in reducing the computational cost of the optimization problems, through the introduction of some heuristic rules and the modification of the dynamic model. Some features not strictly related to the improvements of the performances of the plant have been introduced in order to enhance the operator experience. In the last part of the Thesis, a fault detection and recovery algorithm has been designed and implemented. Indeed, given the current system, a fault in sensors or actuators blocked the whole de-manufacturing process even if it was not a critical error. Thanks to the nature of MPC control (which allows to exclude the action of the damaged component by simply adding constraints in the optimization problem) and to the architecture of the control system, a residual based approach able to be completely robust to the sensors faults has been developed. Through the implementation of advanced control techniques, such as MPC with control horizon, combined with the application of heuristic rules developed thanks to an in-depth analysis of the structure of the line, clear improvements have been obtained through the lowering of the computing power required. This resulted in a significant reduction in the average time needed to calculate the solution, which in some cases reached more than 96\% compared to the basic version of the controller. Moreover, thanks to the parallelism introduced between the problem-solving activity and movements realization, even the total production time has been sensitively reduced and in the majority of cases the optimization problem is completely hidden. This means that the first issue faced in Thesis has been completely solved, and the bottleneck of the production time is now due to the implementation of the movements of the pallets, which is fixed. The further limitation to work on is finding a more effective configuration for the Cplex environment to solve the bug of saturation of the workstation in which the main process of the solver runs. Concerning the detection and the handling of the faults occurring on the plant, the case of single failures has been studied. A knowledge-based model for residual matrix building and an opportune method to active fault recovery have been implemented with outstanding results. The system is now able to react to failures with only two steps of delay, respecting the constraint of not wasting time in reading the state of the transport line by the sensors. A possible follow-up on this Thesis could therefore be the attempt to reduce the steps necessary for the controller to detect a fault. Furthermore, fault recovery is limited by the configuration chosen for the transport modules. Studying another arrangement that keeps the distance between the machines unchanged, but adds connections to the graph could be proven to be fundamental.

L’ampia diffusione di prodotti meccatronici ha comportato, e sta comportando, un aumento nella diffusione di schede elettroniche. La gestione di fine vita di questo tipo di prodotti non è attualmente affrontata in termini di efficienza dei processi. Ciò è dovuto sia alla rapida evoluzione tecnologica sia all’assenza di sistemi integrati, automatizzati e flessibili in grado di trattare i materiali speciali che compongono le schede elettroniche in condizioni sostenibili. Questo argomento risulta critico da un punto di vista ambientale e rappresenta una grande opportunità per l’industria manifatturiera. Per rispondere a questa mancanza, un impianto pilota di de-produzione è stato sviluppato dal CNR-ITIA, l’Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione del Consiglio Nazionale per la Ricerca, a Milano. L’impianto è progettato per testare, riparare e distruggere questo tipo di prodotti ed è attualmente composto da una linea di trasporto modulare e da quattro macchine con funzioni diverse: testing, riparazione, distruzione e caricamento/scaricamento dalla linea. In questo contesto un ruolo principale è svolto dal sistema di trasporto, che è stato progettato in modo tale da garantire che le schede siano smistate tra le macchine in maniera efficiente, evitando colli di bottiglia e massimizzando il rendimento. Ciò è possibile grazie all’implementazione di una strategia di controllo multi-livello in cui, a livello superiore, un controller MPC gestisce il movimento dei pallet per ottimizzare le prestazioni mentre, a livello inferiore, i PLC acquisiscono i segnali dei sensori e guidano gli attuatori. L’algoritmo MPC è stato implementato in una piattaforma di controllo C++ che utilizza Matlab per gestire i problemi di ottimizzazione, mentre il controllo logico dei PLC è stato implementato in ISaGRAF. Lo scopo di questa Tesi, è quello di incrementare le prestazioni dell’impianto pilota lavorando sul sistema di controllo della linea di trasporto. Andando a migliorare la produttività e la affidabilità della linea in ottica di un possibile futuro utilizzo in ambito industriale. Nella prima parte della Tesi, viene considerato il problema dei ritardi introdotti dalla complessità della struttura del software di controllo. La piattaforma di controllo $C++$ è stata completamente ripensata e Matlab è stato rimosso dall’ambiente di controllo. Ciò ha permesso di ridurre i tempi andando ad eseguire in parallelo la gestione della soluzione del problema di ottimizzazione legato all’algoritmo MPC e le attività del sistema di controllo di basso livello. Quindi, gli sforzi si sono concentrati sulla riduzione del costo computazionale dei problemi di ottimizzazione, attraverso l’introduzione di alcune regole euristiche e la modifica del modello dinamico. Alcune funzionalità, non strettamente correlate ai miglioramenti delle prestazioni dell’impianto sono state introdotte per migliorare l’esperienza dell’operatore.Nell’ultima parte della tesi è stato progettato e implementato un algoritmo di rilevamento e recupero dei guasti. Infatti, dato il sistema attuale, un guasto nei sensori o attuatori bloccherebbe l’intero processo di de-produzione anche se non si trattasse di un errore così grave da compromettere le funzionalità dello stesso. Grazie alla natura del controllo MPC (che consente di escludere l’azione del componente danneggiato semplicemente aggiungendo vincoli nel problema di ottimizzazione) e all’architettura del sistema di controllo, si è sviluppato un approccio basato sullo studio on-line dei residui. Attraverso l’implementazione di tecniche di controllo avanzate, come MPC con orizzonte di controllo, combinate con l’applicazione di regole euristiche sviluppate grazie ad una analisi approfondita della struttura della linea, sono stati ottenuti chiari miglioramenti dal punto di vista dell’abbassamento della potenza di calcolo richiesta. Ciò ha comportato una significativa riduzione del tempo medio necessario per calcolare la soluzione, che in alcuni casi ha raggiunto miglioramenti quantificabili in più del 96 percento rispetto alla versione base del controllore. Si può affermare che il problema legato all’abbattimento dei tempi affrontato in questa Tesi è stato completamente risolto e che il collo di bottiglia del tempo di produzione è ora da imputarsi all’implementazione degli spostamenti dei pallet sulla linea. Per quanto riguarda questo tema, quindi, l’unico aspetto su cui poter lavorare è trovare una configurazione più efficace per l’ambiente Cplex ed eliminare così il bug relativo alla saturazione della memoria RAM. In relazione al tema del rilevamento e della gestione dei guasti che si verificano sull’impianto, è stato studiato il caso di guasto singolo. Un modello basato sulla conoscenza del sistema per la costruzione della sua matrici dei residui e un metodo per il recupero attivo dei guasti sono stati implementati con ottimi risultati. Il sistema è ora in grado di reagire ai guasti con solo due passaggi di ritardo, rispettando il vincolo di non perdere tempo nel leggere lo stato della linea di trasporto dai sensori. Un possibile follow-up su questa tesi potrebbe quindi essere il tentativo di ridurre i passaggi necessari affinché il controllore rilevi un guasto. Inoltre, il ripristino degli errori è limitato dalla configurazione scelta per i moduli di trasporto. Studiare un’altra configurazione che mantenga inalterata la distanza tra le macchine, ma aggiunga connessioni al grafico, potrebbe dimostrarsi fondamentale per avere una strategia di correzione del guasto efficace.