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Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati

(In parte in lingua Inglese).

Introduction and Objectives - Trovare una soluzione independemente dal layout, funzionante egualmente bene a regime e in transitorio. Progettare un controllore ottimo in tempo reale, in grado di decidere sia lo scheduling sia le velocità ottime dei nastri.
Packaging system and modelling - Impianto, Strumentazione. Soluzioni possibili.
Optimal line manager - Control strategy, Model of the plant – Product state chart, Optimization problem.
Numerical results - Confronto tra: Cyclic scheduler con velocità costanti dei nastri, Optimal Line Manager, con velocità variabili.
Concluding Remarks - Risultati principali ottenuti e direzioni future.

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Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
SAVE ottobre 2016 Nuove prospettive di applicazione per i PLC di elevate prestazioni

Pubblicato
da Benedetta Rampini
SAVE 2016Segui aziendaSegui




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Estratto del testo
Veronafiere 19-20 ottobre 2016 Gli atti dei convegni e più di 7.000 contenuti su www.verticale.net Cogenerazione Termotecnica Industriale Pompe di Calore 27 ottobre Cogenerazione Termotecnica Industriale Pompe di Calore Alimentare Alimentare Petrolchimico Alimentare 28 ottobre Alimentare Petrolchimico Alimentare Alimentare Petrolchimico Visione e Tracciabilità 28 ottobre Luce Energia Domotica LED Luce Energia Domotica LED Controllo, Coordinamento E Scheduling In Tempo Reale Di Impianti Di Packaging Automatizzati Ferrarini L. Distributed Automatic Systems Laboratory Controllo, Coordinamento E Scheduling In Tempo
Reale Di Impianti Di Packaging Automatizzati
L. Ferrarini, A. Petretti, S. Disegna Verona, 20 ottobre 2016 Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 2 Outline ' Introduction and Objectives ' Packaging system and modelling ' Optimal line manager ' Numerical results ' Concluding Remarks Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 3 Outline ' Introduction and Objectives ' Packaging system and modelling ' Optimal line manager ' Numerical results ' Concluding Remarks Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 4 Introduction '' Context Description Motivazione ' Di recente, l''industria del packaging ha registrato una crescita
costante della richiesta di impianti automatzzati ad alte prestazioni. ' Nel settore food, l''efficienza è cruciale, a causa delle
deperibilità dei prodotti
.  Goal ' Raccogliere prodotti in arrivo in maniera casuale da un nastro di
trasporto e impacchettarli in scatole a capacità multipla, con
l''obiettivo di NON perdere prodotti e di RIEMPIRE completamente
le scatole. Introduction Numerical results Packaging system Optimal line manager Concluding Remarks Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 5 Introduction '' Context Description Obiettivi dettagliati ' Trovare una soluzione independente dal layout, funzionante
egualmente bene a regime e in transitorio. ' Progettare un controllore ottimo in tempo reale, in grado di
decidere sia lo scheduling sia le velocità ottime dei nastri. Introduction Numerical results Packaging system Optimal line manager Concluding Remarks Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 6 Outline ' Introduction and Objectives ' Packaging system and modelling ' Optimal line manager ' Numerical results ' Concluding Remarks Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 7 Packaging system description and modelling Impianto ' Tipica linea di packaging ' 1 nastro di pickup e 1 nastro di deposito con la stessa direzione
e verso
(co-flux systems) ' Robot manipolatori a cinematica parallela  Strumentazione ' Motion controller (1 per robot) + 1 PLC per l''impianto ' Una unica telecamera per il riconoscimento prodotti Packaging system Introduction Numerical results Optimal line manager Concluding Remarks Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 8 Packaging system description and modelling Packaging system Introduction Numerical results Optimal line manager Concluding Remarks As a matter of fact, co-flux systems are definitely more difficult to
be controlled
during transients. Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 9 Packaging system description and modelling Soluzioni possibili ' Euristica': algoritmi di assegnazione ciclica dei prodotti e delle scatole + precarico di scatole vuote + scheduling asimmetrici all''inizio ' Impostazione di un problema di ottimizzazione': - imposto modello e vincoli - imposto una cifra di merito - ottimizzo e applico la scelta ottima - ricalcolo tutto ogni ''t Packaging system Introduction Numerical results Optimal line manager Concluding Remarks Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 10 Outline ' Introduction and Objectives ' Packaging system and modelling ' Optimal line manager ' Numerical results ' Concluding Remarks Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 11 Control strategy Optimal line manager Optimal line manager Introduction Packaging system Numerical results Concluding Remarks ' The line manager optimizes robots tasks in a future
prediction horizon
' Only the first decisions of the optimal scheduler are applied,
till the next event occurs Optimal scheduling and speeds of the conveyors are computed
solving a Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimization
problem
Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 12 Packaging system description and modelling Packaging system Introduction Numerical results Optimal line manager Concluding Remarks Model of the plant '' Product state chart ' W4P: the robot is waiting for a product ' A2B: the robot is moving from conveyor A (pickup conveyor) to
conveyor B (place conveyor) ' W4B: the robot is waiting for a box ' B2A: the robot is moving from
conveyor B (place conveyor) to
conveyor A (pickup conveyor) Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 13 Optimization problem '' Decision variables ' '''''''','''','' '' {0,1}: 1 if product p must be picked by robot r during its ''''''' mission. ' '''''''','''','' '' {0,1}: 1 if robot r must place a product in box b during its '''''''
mission when equal to one ' '''''','''' '''''''' '' '''': instant of pick up for mission m of robot r ' '''''','''' '''''''''''''''' '' '''': instant of place for mission m of robot r ' '''''''''''' '' '''': velocity of pick up conveyor ' '''''''''''''''''''' '' '''': velocity of place conveyor
Optimization problem '' Cost function Maximize the number of picked products in the prediction horizon 𝐽𝐽 = � � � '''''' '' '' '''''''','''','' '''' '''' Optimal line manager Optimal line manager Introduction Packaging system Numerical results Concluding Remarks Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 14 Optimization problem '' Constraints ' Robot work areas: robot can manipulate product only in its work
area Optimal line manager 𝐿𝐿'''' '''''''' ' '''''''''''' '' '''''','''' '''''''' + '' '''''''','''','' '' '' '''' ' L'''' '''''''' '' '''', '' '''' Robot Work area limits ' Mission Time: at least a half of the mission duration '''''''' has to be ensured between pick up and place time instants. '''''','''' '''''''' + '''''''' 2 ' '''''','''' '''''''''''''''' '' '''', '' '''' , '''''','''' '''''''''''''''' + '''''''' 2 ' '''''',''''+1 '''''''' '' '''', '' '''' ' Box capacity: the number of products assigned to a box has to be
lower than the number of available holes � � '''''''','''','' '''' '''' ' '''' '' '' Number of available holes Future distance covered Current position of the product Optimal line manager Introduction Packaging system Numerical results Concluding Remarks Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 15 Outline ' Introduction and Objectives ' Packaging system and modelling ' Optimal line manager ' Numerical results ' Concluding Remarks Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 16 Numerical results Risultati ' Confronto tra: ' Cyclic scheduler con velocità costanti dei nastri ' Optimal Line Manager, con velocità variabili ' Scenario ' Transitorio di avvio ' Cadenza pezzi: constante, a 180 prodotti/min ' Nastri scarichi ' Scatole di 3 prodotti ' Number of Robots: 3 (Mission time '''''''' = 1 s) Numerical results Introduction Packaging system Optimal line manager Concluding Remarks Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 17 Product identifier R ob o t id e nt if ie r Hole identifier R ob o t id e nt if ier Numerical results Cyclic scheduler ' Products and holes are assigned to robot according to a cyclic
pattern
Cyclic scheduling is a typical solution adopted by industries Numerical results Introduction Packaging system Optimal line manager Concluding Remarks Lost products Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 18 Product identifier R ob o t id e nt if ie r Hole identifier R ob o t id e nt if ie r Numerical results Optimal Line Manager '' Scheduling ' Optimal scheduling of products and boxes to robots Initial scheduling
involves only the
first robots With the optimal scheduling no products are lost Numerical results Introduction Packaging system Optimal line manager Concluding Remarks Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 19 Time [s] '''' '' '''''''' '''''' [m /m in] Numerical results Optimal Line Manager '' Velocity profile ' Optimal manager computes an optimal profile of place
conveyor velocity
Initial increase during
the start-up Settling on a
nominal value The initial increase of place conveyor velocity maintains the
frontline of boxes as aligned as possible to the products one. Numerical results Introduction Packaging system Optimal line manager Concluding Remarks Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 20 𝐽𝐽 = 𝐽𝐽'''''''''''' + 𝐽𝐽'''''''''''''''' + 𝐽𝐽'''''' Numerical results Varianti ' Cifra di merito più complessa (massimizzare pezzi manipolati e
scatole riempite e minizzare il tempo impiegato) Numerical results Introduction Packaging system Optimal line manager Concluding Remarks Downstream products are preferred to the ones on the upstream Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 21 Numerical results Numerical results Introduction Packaging system Optimal line manager Concluding Remarks Computationally improved solution CI-OLM ' The products from the vision system till the beginning of the
work area of the first robot are not considered in the
optimization problem A "slight" reduction of the problem size doesn't influence
the performances Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 22 Outline ' Introduction and Objectives ' Packaging system and modelling ' Optimal line manager ' Numerical results ' Concluding Remarks Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 23 Concluding Remarks Risultati principali ottenuti ' 1 PLC di fascia alta risolve egregiamente il compito di
assegnazione in tempo reale dei robot e scatole con algoritmi
semplici (come quello ciclico) fino a mezza dozzina di robot ' Algoritmi decisionali ottimi e in tempo reale esistono, anche se
complessi da tarare. ' Il feedback del plant garantisce aggiornamento costante dei
modelli ' Il controllo decide in maniera predittiva. ' Un PLC di fascia alta ad oggi NON riesce a far girare tale
controllore Concluding Remarks Introduction Packaging system Optimal line manager Numerical results Ferrarini L. Controllo, coordinamento e scheduling in tempo reale di impianti di packaging automatizzati 24 Concluding Remarks Future directions ' A special attention will be paid also to computational time,
which is now high with respect to the system size ' Study the behavior under more irregular product feeding ' Stop/go transients ' Breakdown of a single production row or a robot ' Stochastic product rate ' Introduce variable mission time according to the mission
trajectory
Concluding Remarks Introduction Packaging system Optimal line manager Numerical results Controllo, Coordinamento E Scheduling In Tempo Reale Di Impianti Di Packaging Automatizzati Ferrarini L. Distributed Automatic Systems Laboratory Thank you for your attention

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Diapositiva numero 1 Outline Outline Introduction '' Context Description Introduction '' Context Description Outline Packaging system description and modelling Packaging system description and modelling Packaging system description and modelling Outline Optimal line manager Packaging system description and modelling Optimal line manager Optimal line manager Outline Numerical results Numerical results Numerical results Numerical results Numerical results Numerical results Outline Concluding Remarks Concluding Remarks Diapositiva numero 25


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