The problem of simulating complex systems such as industrial plants and entire production lines, transformation processes, etc., today represents an opportunity that brings with it the great advantage of limiting design costs. However, despite having various software tools, the designer must first of all define and implement the mathematical models that describe the behaviour of the different machines. The designer has also to carry out the appropriate debug checks on them before being able to use them without incurring in possible design errors related to modelling errors. Finally he must reprogram everything where he needs to modify the model of even a single subsystem. It is for this reason that in this PhD project, a new Framework for the use of Individual Subsystem Models (ISM) for the modelling and simulation of interconnected systems was studied and implemented. Furthermore, the study of the state of the art revealed the lack of efficient and sufficiently general, but at the same time simple to use, numerical algorithms to solve the algebraic-differential equations deriving from the simulation of ISM. The proposed new approach follows the paradigm of co-simulation methods, including also the methods of graph theory to solve the general ISM in a simple and efficient way. In this approach, each subsystem is required to have its own representation independently of the other subsystems. In this way it is always possible to replace any subsystem whenever an updated representation becomes available, making the maintenance and evolution of the entire ISM flexible. This flexibility is based on the fact that the user does not need to necessarily know the content of each subsystem, eg. when a plant, a machine, etc. they are represented by a black box as the ownership of its content belongs to an external company that does not want to share its details. In this case the inputs and outputs are the only information obviously known. Therefore, it was decided to structure the framework in such a way as to use algorithms that solve each subsystem (or a subgroup of them) separately in an optimal (or sub-optimal) order based on the structure of the graph of the entire system. In particular, each output of a subsystem (or group of them) connects the input of another subsystem. The general procedure was validated in the context of Linear and Time-Invariant ISMs: in these hypotheses, the stability conditions were calculated and numerical tests were performed that show the effectiveness of the proposed approach.

Il problema della simulazione di sistemi complessi quali impianti industriali ed intere linee di produzione, processi di trasformazione, ecc., rappresenta oggi una opportunità che porta con sé il grande vantaggio di limitare i costi di progettazione. Tuttavia, pur disponendo di diversi strumenti software, il progettista è deve innanzitutto definire ed implementare i modelli matematici che descrivono il comportamento delle diverse macchine, effettuare le opportune verifiche di debug degli stessi prima di poterli utilizzare senza incorrere in possibili errori di progettazione legati ad errori di modellazione, deve riprogrammare il tutto laddove ha necessità di modificare il modello anche di un solo sotto sistema. È per tale motivo che in questo progetto di dottorato è stato studiato e realizzato un nuovo Framework per l’utilizzo di Individual Subsystem Models (ISM) per la modellazione e la simulazione di sistemi interconnessi. Inoltre, dallo studio dello stato dell’arte è emersa la mancanza di algoritmi numerici efficienti e sufficientemente generali, ma nello stesso tempo semplici da utilizzare, per risolvere le equazioni algebrico-differenziali derivanti dalla simulazione di ISM. Il nuovo approccio proposto segue il paradigma dei metodi della co-simulazione, inclusi anche i metodi della teoria dei grafi per risolvere in modo semplice ed efficiente l'ISM generale. In questo approccio si richiede che ogni sottosistema abbia la propria rappresentazione indipendentemente dagli altri sottosistemi. In questo modo è sempre possibile sostituire qualsiasi sottosistema ogni volta che si renda disponibile una rappresentazione aggiornata, rendendo flessibile la manutenzione e l'evoluzione dell'intero ISM. Tale flessibilità si basa sul fatto che l'utente non ha bisogno di conoscere necessariamente il contenuto di ogni sottosistema, ad es. quando un impianto, una macchina, ecc. vengono rappresentati da una black box in quanto la proprietà del suo contenuto è di un'azienda esterna che non vuole condividerne i dettagli. In tal caso gli input e output sono le uniche informazioni ovviamente note. Pertanto, si è deciso di strutturare il framework in modo da utilizzare algoritmi che risolvono separatamente ogni sottosistema (o un sottogruppo di essi) in un ordine ottimale (o subottimale) basato sulla struttura del grafo dell’intero sistema. In particolare, ogni uscita di un sottosistema (o gruppo di essi) collega l'ingresso di un altro sottosistema. La procedura generale è stata validata nell’ambito degli ISM Lineari e Tempo-Invarianti: in tali ipotesi sono state calcolate le condizioni di stabilità ed effettuati test numerici che mostrano l'efficacia dell'approccio proposto.

Un framework di simulazione di processi industriali rappresentabili come sistemi interconnessi

CATALANO, Filippo
2021-10-27

Abstract

Il problema della simulazione di sistemi complessi quali impianti industriali ed intere linee di produzione, processi di trasformazione, ecc., rappresenta oggi una opportunità che porta con sé il grande vantaggio di limitare i costi di progettazione. Tuttavia, pur disponendo di diversi strumenti software, il progettista è deve innanzitutto definire ed implementare i modelli matematici che descrivono il comportamento delle diverse macchine, effettuare le opportune verifiche di debug degli stessi prima di poterli utilizzare senza incorrere in possibili errori di progettazione legati ad errori di modellazione, deve riprogrammare il tutto laddove ha necessità di modificare il modello anche di un solo sotto sistema. È per tale motivo che in questo progetto di dottorato è stato studiato e realizzato un nuovo Framework per l’utilizzo di Individual Subsystem Models (ISM) per la modellazione e la simulazione di sistemi interconnessi. Inoltre, dallo studio dello stato dell’arte è emersa la mancanza di algoritmi numerici efficienti e sufficientemente generali, ma nello stesso tempo semplici da utilizzare, per risolvere le equazioni algebrico-differenziali derivanti dalla simulazione di ISM. Il nuovo approccio proposto segue il paradigma dei metodi della co-simulazione, inclusi anche i metodi della teoria dei grafi per risolvere in modo semplice ed efficiente l'ISM generale. In questo approccio si richiede che ogni sottosistema abbia la propria rappresentazione indipendentemente dagli altri sottosistemi. In questo modo è sempre possibile sostituire qualsiasi sottosistema ogni volta che si renda disponibile una rappresentazione aggiornata, rendendo flessibile la manutenzione e l'evoluzione dell'intero ISM. Tale flessibilità si basa sul fatto che l'utente non ha bisogno di conoscere necessariamente il contenuto di ogni sottosistema, ad es. quando un impianto, una macchina, ecc. vengono rappresentati da una black box in quanto la proprietà del suo contenuto è di un'azienda esterna che non vuole condividerne i dettagli. In tal caso gli input e output sono le uniche informazioni ovviamente note. Pertanto, si è deciso di strutturare il framework in modo da utilizzare algoritmi che risolvono separatamente ogni sottosistema (o un sottogruppo di essi) in un ordine ottimale (o subottimale) basato sulla struttura del grafo dell’intero sistema. In particolare, ogni uscita di un sottosistema (o gruppo di essi) collega l'ingresso di un altro sottosistema. La procedura generale è stata validata nell’ambito degli ISM Lineari e Tempo-Invarianti: in tali ipotesi sono state calcolate le condizioni di stabilità ed effettuati test numerici che mostrano l'efficacia dell'approccio proposto.
A simulation framework of industrial process that can be represented as interconnected systems
The problem of simulating complex systems such as industrial plants and entire production lines, transformation processes, etc., today represents an opportunity that brings with it the great advantage of limiting design costs. However, despite having various software tools, the designer must first of all define and implement the mathematical models that describe the behaviour of the different machines. The designer has also to carry out the appropriate debug checks on them before being able to use them without incurring in possible design errors related to modelling errors. Finally he must reprogram everything where he needs to modify the model of even a single subsystem. It is for this reason that in this PhD project, a new Framework for the use of Individual Subsystem Models (ISM) for the modelling and simulation of interconnected systems was studied and implemented. Furthermore, the study of the state of the art revealed the lack of efficient and sufficiently general, but at the same time simple to use, numerical algorithms to solve the algebraic-differential equations deriving from the simulation of ISM. The proposed new approach follows the paradigm of co-simulation methods, including also the methods of graph theory to solve the general ISM in a simple and efficient way. In this approach, each subsystem is required to have its own representation independently of the other subsystems. In this way it is always possible to replace any subsystem whenever an updated representation becomes available, making the maintenance and evolution of the entire ISM flexible. This flexibility is based on the fact that the user does not need to necessarily know the content of each subsystem, eg. when a plant, a machine, etc. they are represented by a black box as the ownership of its content belongs to an external company that does not want to share its details. In this case the inputs and outputs are the only information obviously known. Therefore, it was decided to structure the framework in such a way as to use algorithms that solve each subsystem (or a subgroup of them) separately in an optimal (or sub-optimal) order based on the structure of the graph of the entire system. In particular, each output of a subsystem (or group of them) connects the input of another subsystem. The general procedure was validated in the context of Linear and Time-Invariant ISMs: in these hypotheses, the stability conditions were calculated and numerical tests were performed that show the effectiveness of the proposed approach.
Industria 4.0; Ottimizzazione; Framework
File in questo prodotto:
File Dimensione Formato  
Tesi_F_Catalano.pdf

accesso aperto

Descrizione: Tesi di dottorato
Dimensione 1.93 MB
Formato Adobe PDF
1.93 MB Adobe PDF Visualizza/Apri

I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/11695/109688
Citazioni
  • ???jsp.display-item.citation.pmc??? ND
  • Scopus ND
  • ???jsp.display-item.citation.isi??? ND
social impact