Computer integrated manufacturing control

Many manufacturing companies have long endured the problems associated with the presence of `islands of automation'. Due to rapid computerisation, `islands' such as Computer-Aided Design (CAD), Computer-Aided Manufacturing (CAM), Flexible Manufacturing Systems (FMS) and Material Requirement Planning (MRP), have emerged, and with a lack of co-ordination, often lead to inefficient performance of the overall system. The main objective of Computer-Integrated Manufacturing (CIM) technology is to form a cohesive network between these islands. Unfortunately, a commonly used approach - the centralised system approach, has imposed major technical constraints and design complication on development strategies. As a consequence, small companies have experienced difficulties in participating in CIM technology. The research described in this thesis has aimed to examine alternative approaches to CIM system design. Through research and experimentation, the cellular system approach, which has existed in the form of manufacturing layouts, has been found to simplify the complexity of an integrated manufacturing system, leading to better control and far higher system flexibility. Based on the cellular principle, some central management functions have also been distributed to smaller cells within the system. This concept is known, specifically, as distributed planning and control. Through the development of an embryo cellular CIM system, the influence of both the cellular principle and the distribution methodology have been evaluated. Based on the evidence obtained, it has been concluded that distributed planning and control methodology can greatly enhance cellular features within an integrated system. Both the cellular system approach and the distributed control concept will therefore make significant contributions to the design of future CIM systems, particularly systems designed with respect to small company requirements.

Distributed non-cooperative robust economic predictive control for dynamically coupled linear systems.

In this thesis, a tube-based Distributed Economic Predictive Control (DEPC) scheme is presented for a group of dynamically coupled linear subsystems. These subsystems are components of a large scale system and control inputs are computed based on optimizing a local economic objective. Each subsystem is interacting with its neighbors by sending its future reference trajectory, at each sampling time. It solves a local optimization problem in parallel, based on the received future reference trajectories of the other subsystems. To ensure recursive feasibility and a performance bound, each subsystem is constrained to not deviate too much from its communicated reference trajectory. This difference between the plan trajectory and the communicated one is interpreted as a disturbance on the local level. Then, to ensure the satisfaction of both state and input constraints, they are tightened by considering explicitly the effect of these local disturbances. The proposed approach averages over all possible disturbances, handles tightened state and input constraints, while satisfies the compatibility constraints to guarantee that the actual trajectory lies within a certain bound in the neighborhood of the reference one. Each subsystem is optimizing a local arbitrary economic objective function in parallel while considering a local terminal constraint to guarantee recursive feasibility. In this framework, economic performance guarantees for a tube-based distributed predictive control (DPC) scheme are developed rigorously. It is presented that the closed-loop nominal subsystem has a robust average performance bound locally which is no worse than that of a local robust steady state. Since a robust algorithm is applying on the states of the real (with disturbances) subsystems, this bound can be interpreted as an average performance result for the real closed-loop system. To this end, we present our outcomes on local and global performance, illustrated by a numerical example.

Fast optimum-predictive control and capacitor voltage balancing strategy for bipolar back-to-back NPC converters in high-voltage direct current transmission systems

Multilevel power converters have been introduced as the solution for high-power high-voltage switching applications where they have well-known advantages. Recently, full back-to-back connected multilevel neutral point diode clamped converters (NPC converter) have been used inhigh-voltage direct current (HVDC) transmission systems. Bipolar-connected back-to-back NPC converters have advantages in long-distance HVDCtransmission systems over the full back-to-back connection, but greater difficulty to balance the dc capacitor voltage divider on both sending and receiving end NPC converters. This study shows that power flow control and dc capacitor voltage balancing are feasible using fast optimum-predictive-based controllers in HVDC systems using bipolar back-to-back-connected five-level NPC multilevel converters. For both converter sides, the control strategytakes in account active and reactive power, which establishes ac grid currents in both ends, and guarantees the balancing of dc bus capacitor voltages inboth NPC converters. Additionally, the semiconductor switching frequency is minimised to reduce switching losses. The performance and robustness of the new fast predictive control strategy, and its capability to solve the DC capacitor voltage balancing problem of bipolar-connected back-to-back NPCconverters are evaluated.

Global material analysis on phosphorus flows, supply horizon and impact assessment on phosphorus depletion

Different problems are daily discuss on environmental aspects such acid rain, eutrophication, global warming and an others problems. Rarely do we find some discussions about phosphorus problematic. Through the years the phosphorus as been a real problem and must be more discussed. On this thesis was done a global material flow analysis of phosphorus, based on data from the year 2004, the production of phosphate rock in that year was 18.9 million tones, almost this amount it was used as fertilizer on the soil and the plants only can uptake, on average, 20% of the input of fertilizer to grow up, the remainder is lost for the phosphorus soil. In the phosphorus soil there is equilibrium between the phosphorus available to uptake from the plants and the phosphorus associate with other compounds, this equilibrium depends of the kind of soil and is related with the soil pH. A reserve inventory was done and we have 15,000 million tones as reserve, the amount that is economical available. The reserve base is estimated in 47,000 million tones. The major reserves can be found in Morocco and Western Sahara, United Sates, China and South Africa. The reserve estimated in 2009 was 15,000 million tone of phosphate rock or 1,963 million tone of P. If every year the mined phosphate rock is around 22 Mt/yr (phosphorus production on 2008 USGS 2009), and each year the consumption of phosphorus increases because of the food demand, the reserves of phosphate rock will be finished in about 90 years, or maybe even less. About the value/impact assessment was done a qualitative analysis, if on the future we don’t have more phosphate rock to produce fertilizers, it is expected a drop on the crops yields, each depends of the kind of the soil and the impact on the humans feed and animal production will not be a relevant problem. We can recovery phosphorus from different waste streams such as ploughing crop residues back into the soil, Food processing plants and food retailers, Human and animal excreta, Meat and bone meal, Manure fibre, Sewage sludge and wastewater. Some of these examples are developed in the paper.

A modular distributed transactional memory framework

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Partial replication in distributed software transactional memory

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Simulationsbasierte Frühwarnsysteme zur Unterstützung der operativen Produktionssteuerung und -planung in der Automobilindustrie

Material flow simulation, Simulation-based Early Warning System, Discrete Event Simulation, Production Planning and Control, Automotive Industry, Forecast of Future System States, Monitoring Systems

Enrutament i control de flux en xarxes híbrides satèl·lit-terrestre

Les xarxes híbrides satèl·lit-terrestre ofereixen connectivitat a zones remotes i aïllades i permeten resoldre nombrosos problemes de comunicacions. No obstant, presenten diversos reptes, ja que realitzen la comunicació per un canal mòbil terrestre i un canal satèl·lit contigu. Un d'aquests reptes és trobar mecanismes per realitzar eficientment l'enrutament i el control de flux, de manera conjunta. L'objectiu d'aquest projecte és simular i estudiar algorismes existents que resolguin aquests problemes, així com proposar-ne de nous, mitjançant diverses tècniques d'optimització convexa. A partir de les simulacions realitzades en aquest estudi, s'han analitzat àmpliament els diversos problemes d'enrutament i control de flux, i s'han avaluat els resultats obtinguts i les prestacions dels algorismes emprats. En concret, s'han implementat de manera satisfactòria algorismes basats en el mètode de descomposició dual, el mètode de subgradient, el mètode de Newton i el mètode de la barrera logarítmica, entre d'altres, per tal de resoldre els problemes d'enrutament i control de flux plantejats.

Dynamic Modelling of Material Flows and Sustainable Resource Use: Case Studies in Regional Metabolism and Space Life Support Systems

Sustainable resource use is one of the most important environmental issues of our times. It is closely related to discussions on the 'peaking' of various natural resources serving as energy sources, agricultural nutrients, or metals indispensable in high-technology applications. Although the peaking theory remains controversial, it is commonly recognized that a more sustainable use of resources would alleviate negative environmental impacts related to resource use. In this thesis, sustainable resource use is analysed from a practical standpoint, through several different case studies. Four of these case studies relate to resource metabolism in the Canton of Geneva in Switzerland: the aim was to model the evolution of chosen resource stocks and flows in the coming decades. The studied resources were copper (a bulk metal), phosphorus (a vital agricultural nutrient), and wood (a renewable resource). In addition, the case of lithium (a critical metal) was analysed briefly in a qualitative manner and in an electric mobility perspective. In addition to the Geneva case studies, this thesis includes a case study on the sustainability of space life support systems. Space life support systems are systems whose aim is to provide the crew of a spacecraft with the necessary metabolic consumables over the course of a mission. Sustainability was again analysed from a resource use perspective. In this case study, the functioning of two different types of life support systems, ARES and BIORAT, were evaluated and compared; these systems represent, respectively, physico-chemical and biological life support systems. Space life support systems could in fact be used as a kind of 'laboratory of sustainability' given that they represent closed and relatively simple systems compared to complex and open terrestrial systems such as the Canton of Geneva. The chosen analysis method used in the Geneva case studies was dynamic material flow analysis: dynamic material flow models were constructed for the resources copper, phosphorus, and wood. Besides a baseline scenario, various alternative scenarios (notably involving increased recycling) were also examined. In the case of space life support systems, the methodology of material flow analysis was also employed, but as the data available on the dynamic behaviour of the systems was insufficient, only static simulations could be performed. The results of the case studies in the Canton of Geneva show the following: were resource use to follow population growth, resource consumption would be multiplied by nearly 1.2 by 2030 and by 1.5 by 2080. A complete transition to electric mobility would be expected to only slightly (+5%) increase the copper consumption per capita while the lithium demand in cars would increase 350 fold. For example, phosphorus imports could be decreased by recycling sewage sludge or human urine; however, the health and environmental impacts of these options have yet to be studied. Increasing the wood production in the Canton would not significantly decrease the dependence on wood imports as the Canton's production represents only 5% of total consumption. In the comparison of space life support systems ARES and BIORAT, BIORAT outperforms ARES in resource use but not in energy use. However, as the systems are dimensioned very differently, it remains questionable whether they can be compared outright. In conclusion, the use of dynamic material flow analysis can provide useful information for policy makers and strategic decision-making; however, uncertainty in reference data greatly influences the precision of the results. Space life support systems constitute an extreme case of resource-using systems; nevertheless, it is not clear how their example could be of immediate use to terrestrial systems.

Embankment Quality and Assessment of Moisture Control Implementation, TR-677, 2016

A specification for contractor moisture quality control (QC) in roadway embankment construction has been in use for approximately 10 years in Iowa on about 190 projects. The use of this QC specification and the development of the soils certification program for the Iowa Department of Transportation (DOT) originated from Iowa Highway Research Board (IHRB) embankment quality research projects. Since this research, the Iowa DOT has applied compaction with moisture control on most embankment work under pavements. This study set out to independently evaluate the actual quality of compaction using the current specifications. Results show that Proctor tests conducted by Iowa State University (ISU) using representative material obtained from each test section where field testing was conducted had optimum moisture contents and maximum dry densities that are different from what was selected by the Iowa DOT for QC/quality assurance (QA) testing. Comparisons between the measured and selected values showed a standard error of 2.9 lb/ft3 for maximum dry density and 2.1% for optimum moisture content. The difference in optimum moisture content was as high as 4% and the difference in maximum dry density was as high as 6.5 lb/ft3 . The difference at most test locations, however, were within the allowable variation suggested in AASHTO T 99 for test results between different laboratories. The ISU testing results showed higher rates of data outside of the target limits specified based on the available contractor QC data for cohesive materials. Also, during construction observations, wet fill materials were often observed. Several test points indicated that materials were placed and accepted at wet of the target moisture contents. The statistical analysis results indicate that the results obtained from this study showed improvements over results from previous embankment quality research projects (TR-401 Phases I through III and TR-492) in terms of the percentage of data that fell within the specification limits. Although there was evidence of improvement, QC/QA results are not consistently meeting the target limits/values. Recommendations are provided in this report for Iowa DOT consideration with three proposed options for improvements to the current specifications. Option 1 provides enhancements to current specifications in terms of material-dependent control limits, training, sampling, and process control. Option 2 addresses development of alternative specifications that incorporate dynamic cone penetrometer or light weight deflectometer testing into QC/QA. Option 3 addresses incorporating calibrated intelligent compaction measurements into QC/QA.

Implementing theLean Manufacturing System

Tuottavuuden ja tehokkuuden parantaminen on keskeisimpiä menestystekijöitä glo-baaleilla markkinoilla. Yksi kehittämisen toimintamalli on lean manufacturing -ajattelutapa, joka perustuu imuohjaukseen. Sen lähtökohtana on asiakasarvo ja keskit-tyminen arvoa lisäävien toimintojen maksimointiin. Tutkimuksen tavoitteena oli parantaa Strömfors Electric Oy:n materiaalivirtauksia yhdellä tuotantolinjalla. Projektin oli tarkoitus olla pilotti lean-implementointiin koko tehtaalla. Projektissa otettiin käyttöön kanban-imuohjausjärjestelmä, jota varten teh-tiin analyysejä ja laskelmia arvovirtoihin, varastoihin ja ohjaukseen. Lean-ajattelutapaan ja -työkaluihin perustuvaa kirjallisuutta käytettiin pohjatietona pilotti-projektissa sekätulevien kehitysprojektien suunnittelussa. Pilottiprojektin tuloksena materiaalinohjaus tehostui ja keskeneräisen tuotannon va-rasto tasoittui käyttötarpeen mukaiseksi. Työntekijät ja työnjohtajat tutustuivat leanin perusteisiin osallistuessaan pilottiprojektiin. Pidemmän aikavälin suunnitelmissa ontoimitusvarmuuden ja laadun parantuminen ensin pilottiprojektia koskevalla linjalla ja myöhemmin koko tehtaalla imuohjauksen kokonaisvaltaisen käyttöönoton myötä.

Teknisen kaupan lisäarvopalveluiden vaikutus toimitusvarmuuteen

Työn tarkoituksena oli selvittää toimitusvarmuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä tuoda esille toimintaprosessia parantavia ehdotuksia. Selvitys pohjautui pääosin myöhästyneiden toimitusten ja tilausrivien tarkasteluun. Myöhästyneistä riveistä eroteltiin myöhästymisen aiheuttajat, joiden pohjalta kartoitettiin erilaisin menetelmin tilausten myöhästymisen syy. Toimitusvarmuuteen vaikuttavat tekijät löydettiin pääasiassa tuotannon ja myynnin yhteistyöhön liittyvistä tekijöistä. Tuotannon osalta ongelmiksi nousivat riittävän tarkkojen tuotannonohjaustietojen saanti ja runsaat vuorovaikutus- ja riippuvuussuhteet eri työvaiheiden välillä. Heikkojen tuotannonohjaustietojen johdosta tuotannon säätö ja ohjaus muuttuvissa olosuhteissa on hankalaa. Tämä ilmeni poissaolojen ja ruuhkien vaikutuksena toimitusvarmuuteen. Myynnin osalta ongelmat ilmenivät väärinä ja epärealistisina vahvistuksina. Tuotannon ja myynnin yhteistoiminnan lisäksi myyntikäyttäytymistä ohjaa ostokäyttäytyminen. Tämä voidaan johtaa yrityksen pyrkimyksestä palvella asiakkaitaan. Kehitysehdotukseksi rakennettiin koontivarastomalli, jonka avulla saadaan eri työpajojen välisiä riippuvuussuhteita vähennettyä. Lisäksi ko. malli mahdollistaa yksinkertaisemman ja helpomman tuotannon hallinnan ja tietojärjestelmän asianmukaisen käytön. Koontivarastomallin avulla on tarkoitus myös parantaa edellytyksiä ennakointikyvyn kehittämiseen sekä tuottaa tietoa toimitusaikojen määrityksen tueksi.

Internal material logistics development in customer-driven production

Työn tavoitteena oli synkronoida yleinen materiaalivirta tuotannon kanssa. Pyrkimyksenä oli virtaviivaistaa materiaalivirta, jotta materiaalin määrä, sekä turhat työvaiheet tuotantoalueella vähenisivät. Päämääränä oli vähentää materiaalilavojen määrää lattialla, sekä parantaa materiaalitoimitusten OTD (On-Time-Delivery) prosenttia.Teoreettinen osa käsittelee nykypäivän toimitusketjun tärkeimpiä elementtejä. Keskeisenä asiana perehdytään materiaalivirtaan ja sen tehokkaaseen hallintaan. Työ esittelee myös synkronisen johtamismallin periaatteet, sekä materiaalivirran synkronoimisen tuotannon kanssa.Empiirinen osuus kuvaa yrityksen materiaalihallinnan nykypäivän tilanteen, sen keskeiset ongelmat, sekä uuden toimintamalliehdotuksen. Työ esittelee kaksi pilottia, joiden tulokset varmistivat uuden virtaviivaistetun materiaalivirran ja täydennysmallin toimivuuden.Työn tulokset osoittavat, miten uusi materiaalin täydennysmalli vähentää materiaalilavojen, sekä jalostamattoman työn määrää tuotantoalueella.

Vanerin tuotantoprosessin tehostaminen ja raaka-aineen käyttösuhteen parantaminen

Työn tavoitteena oli vanerin tuotantoprosessin tehostaminen ja raaka-aineen käyttösuhteen parantaminen Schauman Wood Oy:n Kuopion vaneritehtaalla. Tuotannon pitkä läpimenoaika ja välivarastojen suuri määrä sitovat paljon pääomaa. Välivarastot ovat tuotannon kapeikkokohtien seurannaisia, koska yksittäisten konelinjojen kapasiteetti ei ole tasapainossa optimaaliseen materiaalin virtaukseen nähden. Teoriaosuus käsittelee valmistettavaa vanerituotetta, tuotantotaloutta, tuotannon- ja materiaalin ohjausta sekä Kuopion vaneritehtaan tuotantoprosessia, joiden avulla selvitään vanerin valmistukseen liittyviä asioita ja niiden yhteyksiä toisiinsa. Tutkimuksen kokeellisessa osassa poistettiin yksi työvaihe vanerin valmistusprosessista ja samalla kiinnitettiin suurta huomiota viilun valmistuksen mittatarkkuuteen. Vanerin liimauksessa aihion reunat jäävät epätasaisiksi, mikä johtuu viilujen mittavaihtelusta, ladontamenetelmästä ja ladonnan tarkkuudesta. Levyjen reunat puhdistetaan ja oikaistaan sahaamalla niistä pois 30 - 50 mm leveät suikaleet. Useasti levyn ensimmäinen sahaus, eli niin sanottu karsintasahaus, on valmisteleva toimenpide tulevaa jatkokäsittelyä varten. Karsintasahauksen poistamisella saavutetaan nopeampi läpimenoaika, pienempi välivarasto viimeistelyosastolla sekä puumateriaalin säästö jättämällä reunojen oikaisu pois.

ELEKTRONIIKKATEHTAAN PAIKALLISESTIVALMISTETTUJEN KOMPONENTTIEN HANKINTAKETJUN KEHITTÄMINEN

Varastojen vähentämiseksi ehdotetaan usein eräkokojen pienentämistä. Tämä sopii sellaiseen toimintaympäristöön, jossa voidaan ostaa nimikkeitä oman valmistuksen ja myynnin tahdissa. Kun kiihkeärytmisessä elektroniikkabisneksessä alihankkijoilta ja varustetoimittajilta sitovasti tilataan hyvin lyhyellä toimitusajalla, ei oston eräkokojen pienentäminen kevennä materiaalivirtaa. Täytyy ottaa löysät pois hankintaketjun toimitusajoista. Monessa toimitusketjussa jalostava työ vaatii vain murto-osan toimitusajasta, ja loppuaika kuluu varastoissa odotteluun, kuljettamiseen ja moninkertaiseen tarkastamiseen. Hukka-ajan leikkaamisen ohessa haetaan muita kustannussäästöjä. Korkeiden työvoimakustannusten rasittama teollisuus on pyrkinyt teknisillä ratkaisuilla korvaamaan palkkatyövoiman erilaisilla mekaanisilla järjestelmillä. Pisimmällä ollaan pienerä- ja yksittäisvalmistusta harjoittavissa konepajoissa, joissa on investoitu FM-järjestelmiin. Diplomityössä on esitetty kaksi nivoutuvaa tutkimusprojektia, joista ensimmäinen keskittyy miehittämättömän käytön kehittämiseen ja toinen keventää hankintaketjun materiaalivirtaa. Ensin esiteltävä projekti on elektroniikkateollisuudelle uusi aluevaltaus. Siksi asiassa on jouduttu tekemään runsaasti perustutkimusta ja etenemään etappi kerrallaan. Projektin tuloksena on saatu aikaan automaattinen, joustava kuljetin, joka yksinään pystyy toimimaan ilman työvoimaa niin pitkään kunnes sen akut pitää ladata. Joustavan kuljettimen sisältävän järjestelmän muita elementtejä ei projektissa nostettu samalle miehittämättömän käytön tasolle, vaan ensin päätettiin hankkia kokemuksia kuljettimen toiminnasta. Toinen projekti syventää yhteistyötä yrityksen alihankkijan kanssa. Alihankkija on yksi harvojen Suomesta hankittavien komponenttien toimittaja. Siksi on pidetty tärkeänä tiivistää toimitusaikaa lähemmäs yrityksen sitovan tilauskannan pituutta. Tutkittavaksi valittiin mahdollisuus siirtää alihankkijan tuotantolaite yrityksen välittömään läheisyyteen, jolloin yrityksen tuotanto voisi tilata komponenttierän alihankkijan koneelta, kun se lähtötilanteessa tilataan komponenttivarastosta. Ennusteen perusteella tilattaisiin vain raaka-aine, mutta arvoa lisäävä työ tehtäisiin vain ja ainoastaan tilauksen mukaisesti.