Scheduling and discrete event control of flexible manufacturing systems based on Petri nets

A flexible manufacturing system (FMS) is a computerized production system that can simultaneously manufacture multiple types of products using various resources such as robots and multi-purpose machines. The central problems associated with design of flexible manufacturing systems are related to process planning, scheduling, coordination control, and monitoring. Many methods exist for scheduling and control of flexible manufacturing systems, although very few methods have addressed the complexity of whole FMS operations. This thesis presents a Petri net based method for deadlock-free scheduling and discrete event control of flexible manufacturing systems. A significant advantage of Petri net based methods is their powerful modeling capability. Petri nets can explicitly and concisely model the concurrent and asynchronous activities, multi-layer resource sharing, routing flexibility, limited buffers and precedence constraints in FMSs. Petri nets can also provide an explicit way for considering deadlock situations in FMSs, and thus facilitate significantly the design of a deadlock-free scheduling and control system. The contributions of this work are multifold. First, it develops a methodology for discrete event controller synthesis for flexible manufacturing systems in a timed Petri net framework. The resulting Petri nets have the desired qualitative properties of liveness, boundedness (safeness), and reversibility, which imply freedom from deadlock, no capacity overflow, and cyclic behavior, respectively. This precludes the costly mathematical analysis for these properties and reduces on-line computation overhead to avoid deadlocks. The performance and sensitivity of resulting Petri nets, thus corresponding control systems, are evaluated. Second, it introduces a hybrid heuristic search algorithm based on Petri nets for deadlock-free scheduling of flexible manufacturing systems. The issues such as deadlock, routing flexibility, multiple lot size, limited buffer size and material handling (loading/unloading) are explored. Third, it proposes a way to employ fuzzy dispatching rules in a Petri net framework for multi-criterion scheduling. Finally, it shows the effectiveness of the developed methods through several manufacturing system examples compared with benchmark dispatching rules, integer programming and Lagrangian relaxation approaches

TOWARDS DIGITAL TWIN-DRIVEN PERFORMANCE EVALUATION METHODOLOGY OF FMS

The paper presents a method of automated modelling and performance evaluation of concurrent production flows carried out in Flexible Manufacturing Systems. The method allows for quick assessment of various variants of such systems, considering their structure and the organization of production flow of possible ways of their implementation. Its essence is the conditions imposed on the designed model, limiting the space of possible variants of the production flow only to deadlock-free variants. The practical usefulness of the model implemented in the proposed method illustrates the example, which describes the simultaneous assessment of alternative variants of the flexible machining module's structure and the planned multi-assortment production. The ability of the method to focus on feasible solutions offers attractive perspectives for guiding the Digital Twin-like scenario in situations caused by the need to change the production flow

Performance evaluation of warehouses with automated storage and retrieval technologies.

In this dissertation, we study the performance evaluation of two automated warehouse material handling (MH) technologies - automated storage/retrieval system (AS/RS) and autonomous vehicle storage/retrieval system (AVS/RS). AS/RS is a traditional automated warehouse MH technology and has been used for more than five decades. AVS/RS is a relatively new automated warehouse MH technology and an alternative to AS/RS. There are two possible configurations of AVS/RS: AVS/RS with tier-captive vehicles and AVS/RS with tier-to-tier vehicles. We model the AS/RS and both configurations of the AVS/RS as queueing networks. We analyze and develop approximate algorithms for these network models and use them to estimate performance of the two automated warehouse MH technologies. Chapter 2 contains two parts. The first part is a brief review of existing papers about AS/RS and AVS/RS. The second part is a methodological review of queueing network theory, which serves as a building block for our study. In Chapter 3, we model AS/RSs and AVS/RSs with tier-captive vehicles as open queueing networks (OQNs). We show how to analyze OQNs and estimate related performance measures. We then apply an existing OQN analyzer to compare the two MH technologies and answer various design questions. In Chapter 4 and Chapter 5, we present some efficient algorithms to solve SOQN. We show how to model AVS/RSs with tier-to-tier vehicles as SOQNs and evaluate performance of these designs in Chapter 6. AVS/RS is a relatively new automated warehouse design technology. Hence, there are few efficient analytical tools to evaluate performance measures of this technology. We developed some efficient algorithms based on SOQN to quickly and effectively evaluate performance of AVS/RS. Additionally, we present a tool that helps a warehouse designer during the concepting stage to determine the type of MH technology to use, analyze numerous alternate warehouse configurations and select one of these for final implementation

Event- and time-based design of operation sequences with uncertainties in execution times

In this paper, we introduce a complete framework for integrating the design of the manufacturing process and control system. We show how operation sequences can be designed in a modeling tool, Sequence Planner (SP), and how relations between operations may be expressed using logical conditions. An approach to convert the SP model into a constraint programming model for optimization is presented. The time-based solution is transformed to an event-based description. Due to uncertainties in execution times, some logical restrictions based on the optimal schedule are relaxed to avoid unnecessary delays. The control logics to achieve the desired operation sequences are added to the SP model. Hence, the process designer can revise the sequences if necessary, and the control designer retrieves a logical description of the optimized process that can be automatically converted to control code

Decentralized Scheduling of Discrete Production Systems with Limited Buffers

Die Steuerung der Produktion ist eine der Kernaufgaben eines jeden produzierenden Unternehmens. Sie ist insbesondere wichtig, um auf die Anforderungen des Marktes und damit auf die Wünsche der Kunden reagieren zu können. Aktuelle Trends im Markt führen dabei zu einer hochindividualisierten Produktion bei gleichzeitiger Erhöhung der produzierten Stückzahlen. Eine Konsequenz daraus ist, dass Unternehmen über flexiblere und agilere Produktionssysteme verfügen müssen, um auf die sich ständig ändernden Kundenwünsche reagieren zu können. Da starre Fertigungslinien nicht mehr geeignet sind, werden zunehmend komplexere Strukturen wie die der Werkstattfertigung oder Matrixproduktion eingesetzt. Hierfür werden geeignete Steuerungsmethoden für die Produktion benötigt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit eben jenen Steuerungsmethoden, genauer gesagt Methoden zur Planung von Produktionsaufträgen in diesen neuen Produktionssystemen. Zur Steuerung eignen sich echtzeitfähige und autonome Entscheidungssysteme, mit denen die Steuerung der neuen Organisationsstruktur der Produktion angepasst ist. Agentenbasierte Systeme bieten genau diese Eigenschaften und erlauben es, komplexe Planungsaufgaben in kleinere Teilprobleme zu zerlegen, die schneller und genauer gelöst werden können. Sie erfordern die Verfügbarkeit von Daten in Echtzeit und eine schnelle Kommunikation zwischen den Agenten, was heute dank der vierten industriellen Revolution zur Verfügung steht. Demgegenüber steht der erhöhte Koordinierungsbedarf, der in diesen Systemen beherrscht werden muss. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen dezentralen Produktionsplanungs-Algorithmus zu entwickeln, der in einem Multi-Agenten-System implementiert ist. Er berücksichtigt begrenzte Verfügbarkeit von Pufferplätzen an jedem Arbeitsplatz, ein Thema, das in der Literatur wenig erforscht ist. Der Algorithmus ist in einer flexiblen Werkstattfertigung anwendbar und zeigt eine große Zeiteffizienz bei der Einplanung größerer Mengen von Aufträgen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird zunächst der Produktionsplanungs-Algorithmus ohne das Agentensystem entworfen. Er basiert auf der von \textcite{adams1988} veröffentlichten Shifting Bottleneck Heuristik. Da viele Änderungen notwendig sind, um die geforderten Eigenschaften berücksichtigen zu können, bleibt nur die grundlegende Vorgehensweise gleich, während alle Schritte der Heuristik von Grund auf neu modelliert werden. Anschließend wird ein Multi-Agenten-System entworfen, das die genannten Anforderungen abbildet und den Algorithmus zur Planung verwendet. In diesem System hat jeder Arbeitsplatz einen Arbeitsplatzagenten, der für die Planung und Steuerung seines zugeordneten Arbeitsplatzes zuständig ist, sowie einige zusätzliche Agenten für die Kommunikation, die Datenspeicherung und allgemeine Aufgaben. Der entworfene Algorithmus wird angepasst und in das Multi-Agenten-System implementiert. Da das System im praktischen Einsatz immer eine Lösung finden muss, stellen wir mögliche Fehlerfälle vor und wie mit ihnen umgegangen wird. Abschließend findet eine numerische Evaluierung mit zwei realen Produktionssystemen statt. Da sich diese Systeme in einem wichtigen Merkmal ähneln, werden weitere zufällig erzeugte Beispiele getestet und ausgewertet