Advanced energy management/control strategies for smart manufacturing systems

Abstract

This thesis is devoted to the study of the optimisation-based control techniques for the design of control strategies that contribute to improve the energy efficiency of smart manufacturing systems. Currently, manufacturing industry is suffering a transformation towards smart, flexible, and energy-efficient manufacturing systems. This transformation requires modularised and reconfigurable manufacturing systems to respond to changes in productions programs and to the time-varying pieces demand while keeping an energy-efficient operation. Thus, suitable control systems should be designed to satisfy the requirements of this transformation while minimising the energy consumption and maximising the plant profit. In this regard, optimisation-based controllers are suitable for the design of control systems that minimise the total energy consumption of such systems while remaining their productivity taking into account the operational conditions and the factors that affect them. First, this dissertation presents how optimisation-based control techniques can contribute to face the challenges of the smart manufacturing systems. Based on this review, manufacturing industry is classified by levels, i.e., machine, process line, and plant levels, for the design of optimisation-based controllers. Besides, to design control strategies that do not affect plant productivity, manufacturing systems are also classified according to the operations performed. Based on these classifications, control strategies are proposed to minimise either the total energy consumption of manufacturing systems or the energy costs related to the operation of such systems. At both machine and process line levels, control strategies are designed based on model predictive control approach to minimise their energy consumption. The underlying idea behind the proposed control strategies consists of managing independently those devices (or systems) that are not directly involved in the machining operations. Thus, energy consumption models are required to predict the total energy consumption profile of manufacturing systems and, based on this, to select the activation/deactivation instants of the manipulated devices that minimise their energy consumption and guarantee their proper operation. Next, due to at the process line level the size and complexity of manufacturing systems increases, a control strategy based on two control modes is proposed to reduce the computational burden of such controllers by switching from a control mode based on online optimisation to an autonomous control mode without solving an optimisation problem. Since the need for flexible and reconfigurable manufacturing systems, non-centralised control strategies are proposed at higher industrial levels to minimise their energy consumption. Thus, both cooperative and non-cooperative local controllers are designed considering a fixed system partitioning and using alternative direction methods of multipliers to solve the optimisations problems in a distributed fashion. Besides, due to the nature of the proposed control objectives, a way to define the consensus stage among the local controllers with coupled dynamics is proposed. Finally, the control strategies designed at plant level are based on the economic model predictive control approach to maximise the plant profit and minimise the operational costs related to the plant operation. At this level, control objectives are focused on determining the economic-optimal production programming of the plant that the control strategies at lower levels should follow. In this regard, the production programming of the plant is determined taking into account the pieces demand, the energy consumption of manufacturing systems, and the current energy market and their fluctuations. All control strategies proposed in this thesis are tested in simulation considering different scenarios designed based on the real operation of an automotive part manufacturing plant.

Esta tesis se basa en el estudio de las técnicas de control basadas en optimización para el diseño de estrategias de control que mejoren la eficiencia energética de los sistemas de manufactura inteligentes. La industria de manufactura se está transformando hacia sistemas de manufactura inteligentes, flexibles y eficientes energéticamente, que requiere de estructuras modulares y reconfigurables para poder responder a los cambios en la programación de la producción y la demanda de piezas. Así, se deben diseñar sistemas de control que cumplan los requerimientos de dicha transformación mientras minimizan el consumo de energía y maximizan la rentabilidad de la planta. En este sentido, los controladores basados en optimización son adecuados para el diseño de sistemas de control que minimicen el consumo de energía de dichos sistemas mientras mantienen su productividad teniendo en cuenta los factores que los afectan. Primero, se presentan como las técnicas de control basadas en optimización pueden contribuir a hacer frente a los desafíos impuestos por la industria de manufactura. Con base en esta revisión, la industria manufacturera se clasifica por niveles, nivel de máquina, línea de proceso, y planta, para el diseño de controladores basados en optimización. Además, para diseñar estrategias de control que no afecten la productividad de la planta, se propone una clasificación para estos sistemas en función de las operaciones realizadas. Con base en estas clasificaciones, se diseñan estrategias de control que minimicen el consumo de energía de los sistemas de manufactura o los costos asociados a dicho consumo. A los niveles de maquina y línea, se diseñaron estrategias de control para minimizar el consumo de energía de los sistemas de manufactura con base en el enfoque de control predictivo basado en modelo. Las estrategias propuestas se basan en la gestión independiente de aquellos dispositivos que no están directamente relacionados con las operaciones de mecanizado. Por lo tanto, modelos de consumo de energía fueron necesarios para predecir el perfil del consumo de energía de estos sistemas y, a partir de esto, seleccionar los instantes de activación/desactivación de los dispositivos manipulados que minimicen el consumo de energía y garanticen el correcto funcionamiento de dichos sistemas. Dado que al nivel de línea el tamaño y la complejidad de estos sistemas aumenta, se propone a una estrategia de control basada en dos modos de control para reducir la carga computacional mediante la conmutación de un modo de control basado en optimización a un modo autónomo que no requiere optimización. Dada la necesidad de sistemas de manufactura flexibles y reconfigurables, estrategias de control no centralizadas se proponen para minimizar el consumo de dichos sistemas a los niveles más altos. Para este fin, los sistemas de manufactura se dividieron en subsistemas, y se diseñaron controladores locales de tipo cooperativo y no cooperativo usando métodos alternativos de dirección de multiplicadores para resolver los problemas de optimización. Además, debido a la naturaleza de los objetivos de control propuesto, se propuso una forma de establecer el consenso entre los controladores locales con dinámicas acopladas. Finalmente, a nivel de planta, se diseñan estrategias de control con base en el enfoque control predictivo basado en modelo económico para maximizar la rentabilidad de la planta. A este nivel, los objetivos de control se centran en determinar la programación de la producción óptima que deberán seguir las estrategias de control diseñadas a niveles más bajos. Así, la programación de la producción de la planta se determina teniendo en cuenta la demanda de piezas, el consumo de energía total, y el mercado energético con sus fluctuaciones. Las estrategias de control propuestas en esta tesis se probaron en simulación considerando diferentes escenarios diseñados con base en la operación real de una planta de fabricación de piezas automotrices.

Aquesta tesi es centra principalment en l’estudi de les tècniques de control basades en optimització per al disseny d’estratègies que contribueixin a millorar l’eficiència energètica dels sistemes de manufactura intel·ligents. Actualment, la indústria manufacturera està experimentant una transformació cap a sistemes de manufactura intel·ligents, flexibles i eficients energèticament, impulsada pels avenços en dispositius de mesura, gestió de dades i eines de comunicació i connectivitat. Aquesta transformació requereix que els sistemes de manufactura siguin modulars i reconfigurables per poder respondre als canvis en la programació de la producció i de la demanda i disseny de les peces mentre continuen operant de manera eficient i sostenible. Per tant, per tal d’assolir una indústria de manufactura m’és intel·ligent, s’han de dissenyar sistemes de control adequats que permetin complir els requeriments d’aquesta transformació, així com també minimitzar el consum d’energia i maximitzar la rendibilitat de la planta. En aquest sentit, els controladors basats en optimització i les arquitectures de control no centralitzat podrien ser adequats per al disseny de sistemes de control que contribueixin a minimitzar el consum d’energia total d’aquests sistemes mentre mantenen la seva productivitat i tenen en compte les restriccions operatives i els factors externs que afecten aquests sistemes. Per tant, mitjançant l’ús d’estratègies de control avançat, els sistemes de control poden ser degudament actualitzats per incloure la informació sobre els canvis en l’operació dels sistemes de manufactura, així com també la variació del mercat energètic per minimitzar els costos d’energia durant l’operació de la planta. Primer, en aquesta tesi, es presenten i discuteixen les estratègies actualment implementades en la indústria manufacturera per millorar la seva eficiència energètica. En base a aquesta revisió, s’identifiquen les principals bretxes de recerca en aquest camp i es discuteix com les tècniques de control basades en optimització poden contribuir a fer front als desafiaments imposats per la nova era de la indústria manufacturera (Industry 4.0). Recolzant-se en la revisió de la literatura, es proposa classificar la indústria manufacturera per nivells, considerant el nivell de màquina, línia de procés i planta, per al disseny de controladors basats en optimització. A més, per tal de dissenyar estratègies de control que no afectin la productivitat de la planta, és a dir, el nombre de peces processades per unitat de temps, els elements constitutius dels sistemes de manufactura també es classifiquen en dispositius de mecanitzat i perifèrics en funció de les operacions realitzades. Els elements de la primera classe corresponen a aquells que estan directament involucrats en les operacions de mecanitzat, mentre que els de la segona classe són aquells que s’encarreguen de proveir els recursos requerits pels dispositius de mecanitzat. Després, en base a aquesta classificació, es proposen estratègies de control en cada nivell per minimitzar el seu consum d’energia o els costos associats a aquest consum. Per als nivells de màquina i línia de procés, es dissenyen estratègies de control per minimitzar el consum d’energia dels sistemes de manufactura en base a l’enfocament de control predictiu basat en model. Les estratègies proposades es basen en la idea de gestionar de manera independent els dispositius (o sistemes) perifèrics per tal de no afectar el temps de processament de les màquines tot mantenint l’operació dels dispositius de mecanitzat. Per tant, calen models de consum d’energia per a predir el perfil de consum d’energia dels sistemes de manufactura i, en base a aquesta predicció, seleccionar els instants d’activació / desactivació per als dispositius manipulats a partir dels quals es minimitzi el consum d’energia total i es pugui garantir el correcte funcionament d’aquests sistemes. D’altra banda, atès que al nivell de línia de procés la mida i la complexitat dels sistemes de manufactura augmenta, es proposa una estratègia de control basada en dos modes de control per tal de reduir la càrrega computacional i dissenyar controladors que puguin ser implementats en temps real. En aquest sentit, tenint en compte que els sistemes de manufactura presenten un comportament diari, es proposa un algoritme per detectar la periodicitat d’aquests sistemes i, després, commutar a un mode de control autònom que no requereixi resoldre un problema d’optimització en línia. D’altra banda, donada la necessitat de sistemes de manufactura flexibles i reconfigurables, es proposen estratègies de control no centralitzades per minimitzar el consum d’energia dels sistemes de fabricació als nivells més alts. Amb aquesta finalitat, els sistemes de manufactura es divideixen en subsistemes, i es dissenyen controladors locals de tipus cooperatiu i no cooperatiu utilitzant mètodes alternatius de direcció de multiplicadors per resoldre els problemes d’optimització de manera distribuïda. A més, a causa de la naturalesa de l’objectiu de control proposat, el qual està enfocat en minimitzar el consum d’energia dels sistemes de manufactura, es proposa una forma d’establir el consens entre els controladors locals amb dinàmiques acoblades. Després, les estratègies de control proposades són extrapolades al nivell de planta usant objectius de tipus econòmic, i es comparen les arquitectures de control centralitzat i no centralitzat pel que fa al seu acompliment en llac¸ tancat i la càrrega computacional requerida per trobar una solució. Finalment, a nivell de planta, es dissenyen estratègies de control en base a l’enfocament de control predictiu basat en model econòmic per tal de maximitzar la rendibilitat de la planta i minimitzar els costos associats a la seva operació. Per tant, a aquest nivell, els objectius de control se centren a determinar la programació de la producció òptima de la planta que hauran de seguir les estratègies de control dissenyades als nivells més baixos. En aquest sentit, la programació de la producció de la planta és determinada tenint en compte la demanda actual de peces, el consum d’energia dels sistemes de manufactura i el mercat energètic amb les seves fluctuacions. Totes les estratègies de control proposades en aquesta tesi es proven en simulació considerant diferents escenaris basats en l’operació real d’una planta de fabricació de peces automotrius.