An agile and adaptive holonic architecture for manufacturing control

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. 2004. Faculdade de Engenharia. Universidade do Port

A flexible control system for flexible manufacturing systems

A flexible workcell controller has been developed using a three level control hierarchy (workcell, workstation, equipment). The cell controller is automatically generated from a model input by the user. The model consists of three sets of graphs. One set of graphs describes the process plans of the parts produced by the manufacturing system, one set describes movements into, out of and within workstations, and the third set describes movements of parts/transporters between workstations. The controller uses an event driven Petri net to maintain state information and to communicate with lower level controllers. The control logic is contained in an artificial neural network. The Petri net state information is used as the input to the neural net and messages that are Petri net events are output from the neural net. A genetic algorithm was used to search over alternative operation choices to find a "good" solution. The system was fully implemented and several test cases are described

An agile and adaptive holonic architecture for manufacturing control

In the last decades significant changes in the manufacturing environment have been noticed: moving from a local economy towards a global economy, with markets asking for products with high quality at lower costs, highly customised and with short life cycle. In this environment, the manufacturing enterprises, to avoid the risk to lose competitiveness, search to answer more closely to the customer demands, by improving their flexibility and agility, while maintaining their productivity and quality. Actually, the dynamic response to emergence is becoming a key issue, due to the weak response of the traditional manufacturing control systems to unexpected disturbances, mainly because of the rigidity of their control architectures. In these circumstances, the challenge is to develop manufacturing control systems with autonomy and intelligence capabilities, fast adaptation to the environment changes, more robustness against the occurrence of disturbances, and easier integration of manufacturing resources and legacy systems. Several architectures using emergent concepts and technologies have been proposed, in particular those based in the holonic manufacturing paradigm. Holonic manufacturing is a paradigm based in the ideas of the philosopher Arthur Koestler, who proposed the word holon to describe a basic unit of organisation in biological and social systems. A holon, as Koestler devised the term, is an identifiable part of a (manufacturing) system that has a unique identity, yet is made up of sub-ordinate parts and in turn is part of a larger whole. The introduction of the holonic manufacturing paradigm allows a new approach to the manufacturing problem, bringing the advantages of modularity, decentralisation, autonomy, scalability, and re-use of software components. This dissertation intends to develop an agile and adaptive manufacturing control architecture to face the current requirements imposed to the manufacturing enterprises. The architecture proposed in this dissertation addresses the need for the fast reaction to disturbances at the shop floor level, increasing the agility and flexibility of the enterprise, when it works in volatile environments, characterised by the frequent occurrence of unexpected disturbances. The proposed architecture, designated by ADACOR (ADAptive holonic COntrol aRchitecture for distributed manufacturing systems), is based in the holonic manufacturing paradigm, build upon autonomous and cooperative holons, allowing the development of manufacturing control applications that present all the features of decentralised and holonic systems. ADACOR holonic architecture introduces an adaptive control that balances dynamically between a more centralised structure and a more decentralised one, allowing to combine the global production optimisation with agile reaction to unexpected disturbances. Nas últimas décadas têm-se assistido a mudanças significativas no ambiente de fabrico: evoluindo de uma economia local para um economia global, com os mercados a procurar produtos com elevada qualidade a baixos preços, altamente customizados e com um ciclo de vida curto. Neste ambiente, as empresas de manufactura, para evitar o risco de perda de competitividade, procuram responder às solicitações dos clientes, melhorando a sua flexibilidade e agilidade, mantendo os mesmos índices de produtividade e qualidade. Na verdade, a resposta dinâmica à emergência está a tornar-se num assunto chave, devido `a fraca resposta a perturbações que os sistemas de controlo de fabrico tradicionais apresentam, principalmente devido à rigidez das suas arquitecturas de controlo. Nestas circunstâncias, é fundamental o desenvolvimento de sistemas de controlo de fabrico com capacidades de autonomia e inteligência, rápida adaptação às mudanças, maior robustez à ocorrência de perturbações e fácil integração de recursos físicos e sistemas legados. Diversas arquitecturas usando conceitos e tecnologias emergentes têm sido propostas, em particular algumas baseadas no paradigma da produção holónica. O paradigma da produção holónica é inspirado nas ideias de Arthur Koestler, que propôs a palavra holon para descrever uma unidade básica de organização de sistemas biológicos e sociais. Um holon, de acordo com a definição de Koestler, é uma parte identificável do sistema com identidade única, composta por sub-partes e fazendo simultaneamente parte do todo. A introdução do paradigma da produção holónica permite uma nova abordagem aos sistemas de controlo de fabrico, trazendo vantagens de modularidade, descentralização, autonomia, escalabilidade e reutilização de componentes. Esta dissertação pretende desenvolver uma arquitectura de controlo ágil e adaptativa que suporte os requisitos actuais impostos `as empresas de manufactura. A arquitectura proposta visa a necessidade de uma reacção rápida a perturbações, ao nível da planta fabril, melhorando a flexibilidade e agilidade da empresa quando esta opera em ambientes voláteis, caracterizados pela ocorrência frequente de perturbações inesperadas. A arquitectura proposta, designada por ADACOR (ADAptive holonic COntrol aRchitecture for distributed manufacturing systems), é baseada no paradigma da produção holónica e construída sobre holons autónomos e cooperativos, permitindo o desenvolvimento de aplicações de controlo de fabrico que apresentem todas as características dos sistemas descentralizados e holónicos. A arquitectura holónica ADACOR introduz um controlo adaptativo que balança dinamicamente entre uma estrutura de controlo mais centralizada e uma mais descentralizada, permitindo combinar a optimização da produção com a ágil reacção a perturbações