Design and development of a cyber-physical system (CPS) for adaptive scheduling and control of manufacturing systems
Authors: Βλάχου Αικατερίνη 
Published: September 2021

Η μεταποίηση (manufacturing) , μέσω και της 4ης Βιομηχανικής Επανάστασης, κινείται προς την επόμενη φάση της αυτή της ψηφιοποίησης. Ο ψηφιακός μετασχηματισμός της βιομηχανικής παραγωγής απαιτεί διεργασίες υψηλής απόδοσης, ευέλικτα και προσαρμοστικά συστήματα παραγωγής τα οποία όμως οδηγούν σε αύξησή της πολυπλοκότητας. Επιπλέον, η έλλειψη επικοινωνίας μεταξύ των υπαρχόντων τεχνολογιών πληροφορίας και επικοινωνιών (ICT) στην παραγωγή και η απουσία της υποδομής για την αυτοματοποιημένη διαχείριση και την επαναχρησιμοποίηση της γνώσης μπορούν να οδηγήσουν σε δυσκολίες στην επικοινωνία και την μετάδοση της πληροφορίας. Συνοψίζοντας, στα σημερινά συστήματα παραγωγής υπάρχουν εργαλεία τεχνολογίας πληροφορικής τα οποία χρησιμοποιούνται για τον προγραμματισμό της παραγωγής καθώς και της συντήρησης, τα οποία δεν επικοινωνούν επαρκώς μεταξύ τους αλλά σε πολλές περιπτώσεις λειτουργούν ανεξάρτητα. Συνεπώς, συχνά, οι πληροφορίες αλλά και η γνώση παραμένουν μέσα στα όρια ενός συγκεκριμένου τμήματος μιας επιχείρησης και δεν διαδίδονται στις υπόλοιπες επιχειρησιακές δραστηριότητες της εταιρίας έτσι ώστε να ενημερώνονται όλα τα τμήματα και τα πληροφορικά συστήματα μιας επιχείρησης και να λαμβάνονται αποφάσεις με βάση την πραγματική κατάσταση της παραγωγής αλλά και της επιχείρησης γενικότερα.Η διατριβή αυτή λαμβάνοντας υπ’ όψη τις κύριες προκλήσεις της ψηφιοποιημένης βιομηχανικής παραγωγής, επικεντρώνεται στον σχεδιασμό και υλοποίηση ενός ευρύτερου συστήματος ικανού να συλλέξει σημαντικά δεδομένα από τα διάφορα τμήματα της παραγωγής σε σχεδόν πραγματικό χρόνο, να τα μεταφέρει μέσω της χρήσης ασύρματων συστημάτων και να τα αναλύσει με την χρήση τεχνικών επεξεργασίας δεδομένων, σε περιβάλλον Cloud. Μετά την ανάλυση των δεδομένων, η παραγόμενη πληροφορία χρησιμοποιείται για τον προσαρμοστικό χρονοπρογραμματισμό της παραγωγής καθώς και της συντήρησης με βάση την πραγματική κατάσταση της παραγωγής.H ερευνητική συνεισφορά της συγκεκριμένης διατριβής επικεντρώνεται στα ακόλουθα σημεία:1. Διερεύνηση των κύριων προκλήσεων ώστε να υλοποιηθεί ο στόχος της ψηφιοποιημένης βιομηχανικής παραγωγής2. Σχεδιασμός και υλοποίηση ενός συστήματος παρακολούθησης της κατάστασης της παραγωγής, χαμηλού κόστους και ευέλικτου, ικανού να συλλέξει δεδομένα από τα διάφορα τμήματα της παραγωγής σε πραγματικό χρόνο, να τα μεταφέρει μέσω της χρήσης ασύρματων συστημάτων (wireless sensor networks) και βιομηχανικών πρωτόκολλων επικοινωνίας (industrial communication standards). Μέσω του συστήματος αυτού αναγνωρίζεται και παρακολουθείται η κατάσταση της μηχανής, η ενεργειακή της κατανάλωση, το ποσοστό χρήσης της μηχανής καθώς και η κατάσταση υλοποίησης των τρεχόντων εργασιών3. Προσδιορισμός και υπολογισμός σε πραγματικό χρόνο σημαντικών δεικτών απόδοσης όπως ο πραγματικός χρόνος χρήσης της μηχανής, η κατάστασή της, η ενεργειακή κατανάλωσή της, και ο διαθέσιμος χρόνος μέχρι την επόμενη συντήρηση της μηχανής (KPIs monitoring).4. Σχεδιασμός και υλοποίηση αλγορίθμου και λογισμικού για τον προσαρμοστικό προγραμματισμό της παραγωγής βασισμένο στην πραγματική κατάσταση της παραγωγής. Διασύνδεση και επικοινωνία μεταξύ του συστήματος παρακολούθησης της κατάστασης της παραγωγής και του συστήματος προγραμματισμού της παραγωγής (Adaptive scheduling based on real-time monitoring).5. Σχεδιασμός και υλοποίηση αλγορίθμου και εφαρμογής επαυξημένης πραγματικότητας για τον πραγματισμό της συντήρησης των μηχανών βασισμένα σε δεδομένα που συλλέγονται σε πραγματικό χρόνο από το σύστημα παρακολούθησης των μηχανών (condition based maintenance of machine tools based on their real-time condition supported by advanced simulation (AR))6. Ανάπτυξη των παραπάνω εργαλείων σε περιβάλλον cloud για την αποτελεσματικότερη επικοινωνία μεταξύ τους. (cloud-based environment for advanced communication)7. Η εφαρμογή και επαλήθευση των αλγορίθμων καθώς και των εργαλείων λογισμικού τα οποία σχεδιάσθηκαν και αναπτύχθηκαν πραγματοποιήθηκε σε πραγματικό βιομηχανικό περιβάλλον μικρομεσαίας επιχείρησης κατασκευής καλουπιών, βιομηχανίας κατασκευής λευκών ηλεκτρικών συσκευών και σε ένα τυπικό μηχανουργείο. Επιλέχθηκαν και μικρομεσαίες επιχειρήσεις για την εφαρμογή των αποτελεσμάτων της διατριβής καθώς αποτελούν το 90% των Ευρωπαϊκών επιχειρήσεων.