Towards a Formal Specification Framework for Manufacturing Execution Systems

Manufacturing Execution Systems (MES) optimize production and business processes at the same time. However, the engineering and specification of MES is a challenging, interdisciplinary process. Especially IT and production experts with different views and background have to cooperate. For successful and efficient MES software projects, misunderstandings in the specification process have to be avoided. Therefore, textual specifications need to be complemented by unambiguous graphical models, reducing the complexity by integrating interdisciplinary views and domain specific terms based on different background knowledge. Today's modeling notations focus on the detailed modeling of a certain domain specific problem area. They do not support interdisciplinary discussion adequately. To bridge this gap a novel MES Modeling Language (MES-ML) integrating all necessary views important for MES and pointing out their interdependencies has been developed. Due to its formal basis, comparable and consistent MES-models can be created for specification, standardization, testing, and documentation of MES software. In this paper, the authors present the formal basis of the modeling language and its core notation. The application of MES-ML is demonstrated taking a yogurt production as an example. Finally, the authors give some evaluation results that underline the effectiveness and efficiency of this new modeling approach with reference to four applications in industrial MES-projects in the domain of discrete and hybrid manufacturing.Comment: 10 pages, https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/614565

Impact of IoT on Manufacturing Industry 4.0: A New Triangular Systematic Review

The Internet of Things (IoT) has realised the fourth industrial revolution concept; however, its applications in the manufacturing industry are relatively sparse and primarily investigated without contextual peculiarities. Our research undertakes an intricate critical review to investigate significant aspects of IoT applications in the manufacturing Industry 4.0 perspective to address this gap. We adopt a systematic literature review approach by Denyer and Tranfield (2009) to carry out critical analyses that help develop future research domains based on empirical studies. We describe key knowledge gaps in the existing literature and empirical studies by exploring the main contribution categories and finding six critical differences between traditional and manufacturing Industry 4.0 and 10 enablers and 11 challenges of IoT applications. Finally, an agenda for future research is proposed with 11 research domains to focus on the recognised gaps

A Process Mining Based Approach to Complex Manufacturing Process Flow Analysis: A Case Study

Department of Management EngineeringWith recent advances in IT infrastructure in manufacturing environments, a large amount of manufacturing data are collected and stored in a database at various stages of production. These data may include valuable information for manufacturing companies to improve their manufacturing processes. The method of manufacturing data analysis is crucial for understanding the manufacturing data. However, traditional manufacturing data analysis methods such as data mining, simulation, etc. have limitations for this purpose since those are difficult to provide overall process-level information. Therefore, in this thesis, a process mining based approach for analyzing complex manufacturing processes is proposed. Process mining is a useful tool for process-related knowledge acquisition since it enables users to derive not only manufacturing process models, but also several performance measures related to processes, resources, and tasks. This thesis suggests a framework for the manufacturing process analysis. To do this, it applies process mining techniques to perform four types of analysis, which are visualization of production flows, machine-to-machine inter-relationship analysis, machine utilization, and monitoring & diagnosis of task performance regarding yield rate and lead time. Furthermore, a case study is conducted to support the proposed framework with an event log of an electronic components manufacturing process.ope

Démarche d'intégration des systèmes d'exécution de la fabrication

Il y a consensus, que le MES est un élément clé pour une entreprise manufacturière qui veut améliorer sa productivité, la qualité de ses produits et garder le contrôle sur ses frais d’exploitation. Cependant, sa mise en place nécessite beaucoup de temps et d’argent en plus de la collaboration entre plusieurs personnes de disciplines différentes. La contribution principale de ce mémoire est de proposer une méthode pour faire l’analyse systématique des processus d’affaires d’une entreprise manufacturière en accord avec le modèle d’intégration de la norme ISA-95 et en utilisant la notation BPMN pour en faire la modélisation. De cette méthode, une démarche d’intégration est proposée pour identifier les ressources de l’entreprise à inclure dans le MES, modéliser les processus d’affaires et valider ce qui a été configuré dans le MES. Cette démarche d’intégration a été validée dans le contexte réel d’une entreprise manufacturière. Le processus de validation a permis de conclure que la modélisation avec trois niveaux de détails alignée avec les modèles d’ISA-95 facilite la collaboration entre les intervenants de disciplines différentes et permet d’identifier tous les éléments nécessaires à la configuration et à l’exécution des processus dans un MES. De plus, avec l’utilisation du langage B2MML développé par ISA-95, il a été possible de quantifier la correspondance entre les éléments identifiés lors de la modélisation et le MES

Pristup specifikaciji i generisanju proizvodnih procesa zasnovan na inženjerstvu vođenom modelima

In this thesis, we present an approach to the production process specification and generation based on the model-driven paradigm, with the goal to increase the flexibility of factories and respond to the challenges that emerged in the era of Industry 4.0 more efficiently. To formally specify production processes and their variations in the Industry 4.0 environment, we created a novel domain-specific modeling language, whose models are machine-readable. The created language can be used to model production processes that can be independent of any production system, enabling process models to be used in different production systems, and process models used for the specific production system. To automatically transform production process models dependent on the specific production system into instructions that are to be executed by production system resources, we created an instruction generator. Also, we created generators for different manufacturing documentation, which automatically transform production process models into manufacturing documents of different types. The proposed approach, domain-specific modeling language, and software solution contribute to introducing factories into the digital transformation process. As factories must rapidly adapt to new products and their variations in the era of Industry 4.0, production must be dynamically led and instructions must be automatically sent to factory resources, depending on products that are to be created on the shop floor. The proposed approach contributes to the creation of such a dynamic environment in contemporary factories, as it allows to automatically generate instructions from process models and send them to resources for execution. Additionally, as there are numerous different products and their variations, keeping the required manufacturing documentation up to date becomes challenging, which can be done automatically by using the proposed approach and thus significantly lower process designers' time.У овој дисертацији представљен је приступ спецификацији и генерисању производних процеса заснован на инжењерству вођеном моделима, у циљу повећања флексибилности постројења у фабрикама и ефикаснијег разрешавања изазова који се појављују у ери Индустрије 4.0. За потребе формалне спецификације производних процеса и њихових варијација у амбијенту Индустрије 4.0, креиран је нови наменски језик, чије моделе рачунар може да обради на аутоматизован начин. Креирани језик има могућност моделовања производних процеса који могу бити независни од производних система и тиме употребљени у различитим постројењима или фабрикама, али и производних процеса који су специфични за одређени систем. Како би моделе производних процеса зависних од конкретног производног система било могуће на аутоматизован начин трансформисати у инструкције које ресурси производног система извршавају, креиран је генератор инструкција. Такође су креирани и генератори техничке документације, који на аутоматизован начин трансформишу моделе производних процеса у документе различитих типова. Употребом предложеног приступа, наменског језика и софтверског решења доприноси се увођењу фабрика у процес дигиталне трансформације. Како фабрике у ери Индустрије 4.0 морају брзо да се прилагоде новим производима и њиховим варијацијама, неопходно је динамички водити производњу и на аутоматизован начин слати инструкције ресурсима у фабрици, у зависности од производа који се креирају у конкретном постројењу. Тиме што је у предложеном приступу могуће из модела процеса аутоматизовано генерисати инструкције и послати их ресурсима, доприноси се креирању једног динамичког окружења у савременим фабрикама. Додатно, услед великог броја различитих производа и њихових варијација, постаје изазовно одржавати неопходну техничку документацију, што је у предложеном приступу могуће урадити на аутоматизован начин и тиме значајно уштедети време пројектаната процеса.U ovoj disertaciji predstavljen je pristup specifikaciji i generisanju proizvodnih procesa zasnovan na inženjerstvu vođenom modelima, u cilju povećanja fleksibilnosti postrojenja u fabrikama i efikasnijeg razrešavanja izazova koji se pojavljuju u eri Industrije 4.0. Za potrebe formalne specifikacije proizvodnih procesa i njihovih varijacija u ambijentu Industrije 4.0, kreiran je novi namenski jezik, čije modele računar može da obradi na automatizovan način. Kreirani jezik ima mogućnost modelovanja proizvodnih procesa koji mogu biti nezavisni od proizvodnih sistema i time upotrebljeni u različitim postrojenjima ili fabrikama, ali i proizvodnih procesa koji su specifični za određeni sistem. Kako bi modele proizvodnih procesa zavisnih od konkretnog proizvodnog sistema bilo moguće na automatizovan način transformisati u instrukcije koje resursi proizvodnog sistema izvršavaju, kreiran je generator instrukcija. Takođe su kreirani i generatori tehničke dokumentacije, koji na automatizovan način transformišu modele proizvodnih procesa u dokumente različitih tipova. Upotrebom predloženog pristupa, namenskog jezika i softverskog rešenja doprinosi se uvođenju fabrika u proces digitalne transformacije. Kako fabrike u eri Industrije 4.0 moraju brzo da se prilagode novim proizvodima i njihovim varijacijama, neophodno je dinamički voditi proizvodnju i na automatizovan način slati instrukcije resursima u fabrici, u zavisnosti od proizvoda koji se kreiraju u konkretnom postrojenju. Time što je u predloženom pristupu moguće iz modela procesa automatizovano generisati instrukcije i poslati ih resursima, doprinosi se kreiranju jednog dinamičkog okruženja u savremenim fabrikama. Dodatno, usled velikog broja različitih proizvoda i njihovih varijacija, postaje izazovno održavati neophodnu tehničku dokumentaciju, što je u predloženom pristupu moguće uraditi na automatizovan način i time značajno uštedeti vreme projektanata procesa