A holonic manufacturing architecture for line-less mobile assembly systems operations planning and control

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2022.O Line-Less Mobile Assembly Systems (LMAS) é um paradigma de fabricação que visa maximizar a resposta às tendências do mercado através de configurações adaptáveis de fábrica utilizando recursos de montagem móvel. Tais sistemas podem ser caracterizados como holonic manufacturing systems (HMS), cujas chamadas holonic control architecture (HCA) são recentemente retratadas como abordagens habilitadoras da Indústria 4.0 devido a suas relações de entidades temporárias (hierárquicas e/ou heterárquicas). Embora as estruturas de referência HCA como PROSA ou ADACOR/ADACOR² tenham sido muito discutidas na literatura, nenhuma delas pode ser aplicada diretamente ao contexto LMAS. Assim, esta dissertação visa responder à pergunta \"Como uma arquitetura de produção e sistema de controle LMAS precisa ser projetada?\" apresentando os modelos de projeto de arquitetura desenvolvidos de acordo com as etapas da metodologia para desenvolvimento de sistemas holônicos multi-agentes ANEMONA. A fase de análise da ANEMONA resulta em uma especificação do caso de uso, requisitos, objetivos do sistema, simplificações e suposições. A fase de projeto resulta nos modelos de organização, interação e agentes, seguido de uma breve análise de sua cobertura comportamental. O resultado da fase de implementação é um protótipo (realizado com o Robot Operation System) que implementa os modelos ANEMONA e uma ontologia LMAS, que reutiliza elementos de ontologias de referência do domínio de manufatura. A fim de testar o protótipo, um algoritmo para geração de dados para teste baseado na complexidade dos produtos e na flexibilidade do chão de fábrica é apresentado. A validação qualitativa dos modelos HCA é baseada em como o HCA proposto atende a critérios específicos para avaliar sistemas HCA. A validação é complementada por uma análise quantitativa considerando o comportamento dos modelos implementados durante a execução normal e a execução interrompida (e.g. equipamento defeituoso) em um ambiente simulado. A validação da execução normal concentra-se no desvio de tempo entre as agendas planejadas e executadas, o que provou ser em média irrelevante dentro do caso simulado considerando a ordem de magnitude das operações típicas demandadas. Posteriormente, durante a execução do caso interrompido, o sistema é testado sob a simulação de uma falha, onde duas estratégias são aplicadas, LOCAL\_FIX e REORGANIZATION, e seu resultado é comparado para decidir qual é a opção apropriada quando o objetivo é reduzir o tempo total de execução. Finalmente, é apresentada uma análise sobre a cobertura desta dissertação culminando em diretrizes que podem ser vistas como uma resposta possível (entre muitas outras) para a questão de pesquisa apresentada. Além disso, são apresentados pontos fortes e fracos dos modelos desenvolvidos, e possíveis melhorias e idéias para futuras contribuições para a implementação de sistemas de controle holônico para LMAS.Abstract: The Line-Less Mobile Assembly Systems (LMAS) is a manufacturing paradigm aiming to maximize responsiveness to market trends (product-individualization and ever-shortening product lifecycles) by adaptive factory configurations utilizing mobile assembly resources. Such responsive systems can be characterized as holonic manufacturing systems (HMS), whose so-called holonic control architectures (HCA) are recently portrayed as Industry 4.0-enabling approaches due to their mixed-hierarchical and -heterarchical temporary entity relationships. They are particularly suitable for distributed and flexible systems as the Line-Less Mobile Assembly or Matrix-Production, as they meet reconfigurability capabilities. Though HCA reference structures as PROSA or ADACOR/ADACOR² have been heavily discussed in the literature, neither can directly be applied to the LMAS context. Methodologies such as ANEMONA provide guidelines and best practices for the development of holonic multi-agent systems. Accordingly, this dissertation aims to answer the question \"How does an LMAS production and control system architecture need to be designed?\" presenting the architecture design models developed according to the steps of the ANEMONA methodology. The ANEMONA analysis phase results in a use case specification, requirements, system goals, simplifications, and assumptions. The design phase results in an LMAS architecture design consisting of the organization, interaction, and agent models followed by a brief analysis of its behavioral coverage. The implementation phase result is an LMAS ontology, which reuses elements from the widespread manufacturing domain ontologies MAnufacturing's Semantics Ontology (MASON) and Manufacturing Resource Capability Ontology (MaRCO) enriched with essential holonic concepts. The architecture approach and ontology are implemented using the Robot Operating System (ROS) robotic framework. In order to create test data sets validation, an algorithm for test generation based on the complexity of products and the shopfloor flexibility is presented considering a maximum number of operations per work station and the maximum number of simultaneous stations. The validation phase presents a two-folded validation: qualitative and quantitative. The qualitative validation of the HCA models is based on how the proposed HCA attends specific criteria for evaluating HCA systems (e.g., modularity, integrability, diagnosability, fault tolerance, distributability, developer training requirements). The validation is complemented by a quantitative analysis considering the behavior of the implemented models during the normal execution and disrupted execution (e.g.; defective equipment) in a simulated environment (in the form of a software prototype). The normal execution validation focuses on the time drift between the planned and executed schedules, which has proved to be irrelevant within the simulated case considering the order of magnitude of the typical demanded operations. Subsequently, during the disrupted case execution, the system is tested under the simulation of a failure, where two strategies are applied, LOCAL\_FIX and REORGANIZATION, and their outcome is compared to decide which one is the appropriate option when the goal is to reduce the overall execution time. Ultimately, it is presented an analysis about the coverage of this dissertation culminating into guidelines that can be seen as one possible answer (among many others) for the presented research question. Furthermore, strong and weak points of the developed models are presented, and possible improvements and ideas for future contributions towards the implementation of holonic control systems for LMAS

Rotas adaptativas para inspeção autônoma de subestação por meio do uso de VANT

TCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.A solução, em formato de sistema, foi desenvolvida na Fundação CERTI como parte do módulo experimental da automação do processo de aquisição de imagens termográficas de equipamentos de subestação de um projeto de P&D, contratado pela concessionária de energia COPEL. O projeto propõe um sistema de geração e execução de rotas de inspeção adaptativas livres de colisão, passando por pontos definidos pelo usuário. As rotas apresentam comportamento adaptativo pois ao longo da inspeção podem ter seu curso alterado por uma condição externa de tratamento de imagem e não são fixas entre os pontos de inspeção, se adaptam caso o mapa de obstáculos seja alterado. Para definição dos pontos de inspeção o operador utiliza um ambiente virtual, com o modelo de colisão dos obstáculos e de um VANT genérico. Neste ambiente, o VANT é controlado manualmente pelo operador através de um controle USB genérico. Para representação do modelo de colisão, o trabalho apresenta um método de conversão de modelos 3D para Octotree, um padrão de dados utilizado por algoritmos de motion planning. Para geração de rotas entre os pontos coletados o sistema propõe o uso de algoritmos de motion planning disponíveis em bibliotecas gratuitas distribuídas para ROS. Para execução das rotas no VANT, um aplicativo para sistema Android foi desenvolvido para controlar o processo de tratamento e execução dos pontos recebidos pelo sistema gerador de rotas. Para a troca de mensagens e execução de serviços entre os principais módulos do sistema, o framework ROS foi utilizado. Os resultados do sistema foram satisfatórios quanto ao mecanismo de geração e controle das rotas, como comprovam testes realizados com o sistema como evitar obstáculos, controle de posição e orientação, conversão entre coordenadas cartesianas e de GPS e teste de execução de rotas no simulador do próprio VANT DJI Inspire 1.The solution, in system format, was developed at CERTI Foundation as part of the experimental module of automation of the process of acquisition of thermographic images of substation equipment of a R&D project, hired by the energy company COPEL. The project proposes a system of generation and execution of adaptive inspection routes free of collision, passing through points defined by the operator. The routes present an adaptive behavior because along the inspection they can have their course altered by an image processing external condition and are not fixed between the inspection points, they adapt if the obstacle map is altered. In this environment, the UAV is manually controlled by the operator through a generic USB control. To represent the collision model, the work presents a method for converting 3D models to Octotree, a data standard used by motion planning algorithms. To generate routes between the collected points, the system uses sample-based motion planning algorithms available in free libraries distributed for ROS. To execute the routes in the UAV, an application for Android system was developed to control the process of treatment and execution of the points received by the route generator system. For the exchange of messages and execution of services between the main modules of the system, the ROS framework was used. The results of the system were satisfactory in terms of the mechanism for generating and controlling routes, as shown by tests performed with the system to avoid obstacles, position and orientation control, conversion between Cartesian and GPS coordinates and route execution test in the simulator of the VANT DJI Inspire 1 itself