Riassunto analitico
In passato, i sistemi di produzione (le linee e le macchine automatiche delle aziende manifatturiere) erano costituite principalmente da componenti meccanici. Alcuni motori elettrici azionavano alberi a camma connessi a tools. In questo modo, i sistemi di produzione erano in grado di performare funzionalità cicliche. La progettazione di questi sistemi era sequenziale e guidata dalla progettazione meccanica. L'elettronica e l'informatica giocavano un ruolo marginale essenzialmente colmando i gap della meccanica. Oggigiorno sempre maggiori funzionalità e flessibilità sono richieste ai sistemi di produzione. Macchine principalmente meccaniche sono state sostituite dai cosidetti sistemi di produzione ''cyber-physical''. Ad esempio, le camme meccaniche sono state sostituite da profili di moto attuati tramite servomotori controllati attraverso software eseguito in controllori real-time. I tradizionali approcci di progettazione sequenziali si sono dimostrati inefficienti per questi sistemi. Per sfruttare appieno le potenzialità dell'elettronica e dell'informatica, approcci che integrano questi domini con la progettazione meccanica sono necessari. L'integrazione delle discipline è raggiunta attraverso l'utilizzo di modelli. Generalmente, ogni modello rappresenta solo un aspetto dell'intero sistema, e così solo parte del suo completo comportamento. Al fine di valutare il comportamento dell'intero sistema, questi modelli devono essere composti in modo tale che le loro proprietà possono essere considerate insieme. La composizione eterogenea proposta all'interno del software PtolemyII è utilizzata e adattata ai sistemi di produzione, al fine di identificare un quadro di simulazioni disponibili per la progettazione. Le simulazioni forniscono risultati utili solamente se modelli in grado di predirre il comportamento di sistemi reali sono identificati. Le tecniche di modellazione energetiche costituiscono un approccio consolidato per la modellazione della dinamica dei sistemi fisici. La tecnica energetica Power-Oriented Graphs è utilizzata e adattata alla modellazione dei sistemi di produzione. Infine, tecniche di modellazione e simulazioni non sono sufficienti al fine di progettare sistemi. Infatti, questi strumenti devono essere utilizzati all'interno di una metodologia di progettazione: un workflow strutturato di attività di progettazione. La metodologia Platform-based Design è proposta a tale scopo: una metodologia di progettazione introdotta per sistemi embedded ma attualmente utilizzata in diversi domini. In questo lavoro, la metodologia Platform-based Design è revista e adattata alla progettazione dei sistemi di produzione cyber-physical. Un workflow per la progettazione di questi sistemi è definito dai requisiti degli stakeholder fino al sistema finale. Questo workflow è supportato dalle astrazioni di simulazione precedentemente identificate, al fine di investigare diverse soluzioni per eseguire una certa funzionalità e di configurare i gradi di libertà del sistema progettato. Questo lavoro di tesi dimostra come l'obiettivo di raggiungere una progettazione che integra le discipline coinvolte possa essere ottenuto tramite l'applicazione della metodologia proposta.
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Abstract
Traditional production systems (i.e. production lines and automatic machines of manufacturing industries) consisted of mainly mechanical components. Few electrical motors drove cam shafts connected to physical tools. In this way, production systems were able to perform cyclic functionality. The design of these systems was sequential and driven by mechanics. Electronics and computer science played marginal roles filling needs and gaps of mechanics.
Today, production systems are required more and more functionality and flexibility. Mechanics based systems have shifted to cyber-physical production systems. For example, mechanical cams were replaced by cam profiles actuated through servomotors which are controlled from software deployed in real-time controllers. Sequential approaches have been shown to be no longer efficient. To cope with the growing role of electronics and computer science, there is the need of concurrent design approaches which integrate physical and cyber design.
Integration of disciplines can be reached through models. Each model typically represents only one aspect of the entire system, and thus only part of its total behavior. To evaluate the behavior of the system as a whole, these models must be composed so that their properties can be considered together. Heterogeneous composition proposed within PtolemyII software is utilized and adopted to production systems, in order to identify a picture of simulations available for their design.
Simulations provide valuable results as long as models able to predict the behavior of real systems are identified. Energetic modeling techniques are consolidated approaches for modeling the dynamic of physical systems. Power Oriented Graphs energetic technique is utilized and adopted to the modeling of production systems.
Eventually, modeling and simulation tools are not sufficient for designing systems. In fact, tools must be utilized within a design methodology: a structured workflow of design activities. Platform-based Design is selected: a design methodology introduced for embedded systems but currently utilized in different domains. Throughout this work, Platform-based Design is refined and adopted to the design of cyber-physical production systems.
A design workflow for cyber-physical production systems is defined from stakeholder requirements to the final system. This workflow is supported by the identified abstractions of simulations for performing design-space exploration and for configuring Degrees of Freedom of the designed system.
This thesis demonstrates how the objective of reaching a design which integrates the involved disciplines can be obtained through the application of the proposed methodology.
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