MODES : a Modelica package for modelling and simulation of discrete event systems

In the recent years new digital technologies applied to the industrial environment have led to a new paradygm, the Industry 4.0, in which computerization is supposed to revolution the manufacturing processes of the future. Among the many areas of research open in this modern scenario, simulation tools continue to have a key role. Even though many dedicated softwares already exist, application cases characterized by a high level of complexity require solutions up to their demands. A tool already providing a wide set of features to perform complex simulations is Modelica, which is used to implement models of physical systems in an equation based language, allowig engineers to simulate different types of processes. To describe certain specific behaviours, discrete events can be introduced to represent sudden changes in the system variables. In this thesis the Modelica’s events mechanism will be used to develop MODES, a library aimed at performing discrete event simulations. Discrete event simulations have a wide range of utilities, and they are usually applied with success to manufacturing systems, in order to gain insights on plants’ performances, identifying bottlenecks and more in general to understand the production dynamics. Being able to run simulations of this kind in Modelica can open many options to modelers. In fact hybrid models, in which continous time components interact with discrete event ones, could benefit from the already vast and always evolving set of libraries that populate the Modelica environment, combined with a set of discrete event modules characterized by a high degree of customizability. It was chosen to develop MODES adopting the OpenModelica compiler, which is free, guaranteeing access to a wider range of professionals, from the academic and the industrial world, while empowering the open source reference tool for executing Modelica simulations. In fact this work uses purely the Modelica language, being driven by the desire of showing the capabilities of the event iteration mechanism implemented in the OMCompiler.

Negli ultimi anni l’introduzione di nuove tecnologie digitali nelle industrie ha portato a un nuovo paradigma, quello di Industria 4.0, nel quale l’informatica potrebbe rivoluzionare i processi manifatturieri del domani. Tra le aree di ricerca avviate in questo scenario, le tecniche di simulazione continuano ad avere un ruolo chiave. Anche se appositi programmi esistono già, certi casi caratterizzati da un elevato grado di complessità richiedono soluzioni all’altezza. Uno strumento che fornisce già un ampio numero di funzionalità per simulare sistemi complessi è Modelica, usato per implementare modelli in un languaggio basato su equazioni, permettendo di simulare diverse tipologie di processi. Per descrivere alcuni specifici comportamenti, eventi discreti possono essere introdotti per rappresentare cambiamenti repentini in alcune variabili del sistema. In questa tesi il meccanismo degli eventi in Modelica sarà usato per sviluppare MODES, una libreria orientata all’esecuzione di simulazioni ad eventi discreti. La simulazione di sistemi a eventi discreti ha un variegato spettro di utilità, e sono spesso applicate con successo in contesti industriali, in modo da analizzare le performance degli impianti di produzione. Poter effettuare simulazioni di questo tipo in Modelica può aprire molte opzioni ai modellatori. Infatti modelli ibridi, in cui interagiscono componenti a tempo continuo con altri ad eventi discreti, potrebbero beneficiare del già ampio nonchè in continua evoluzione insieme di librerie che popolano l’ecosistema di Modelica, in combinazione con dei moduli a eventi discreti caratterizzati da un elevato livello di elasticità. Nello sviluppo di MODES si è scelto di adottare il compilatore di OpenModelica, che è gratuito, per garantire l’accesso alla libreria ad un più vasto insieme di figure professionali, dal mondo accademico a quello industriale, oltre che per potenziare lo strumento open source di riferimento per eseguire simulazioni in Modelica. Infatti in questo lavoro si è operato unicamente con il linguaggio Modelica, essendo intenzionati a dimostrare le capacità del meccanismo di event iteration implementato nel compilatore OMCompiler.