A semantic meta data model for production systems digital twin

Manufacturing companies are experiencing the fourth industrial revolution (“Industry 4.0”), with the introduction of new technologies, such as Cloud Computing, with the transformation of production plants into Cyber Physical Systems and the connection of devices through the Internet of Things. New business models as well as product-service concepts are born, which deeply affect design, planning and operations of assets. A number of software tools are adopted at strategic, tactical, operational level and in many different functional areas within a business. Accelerated digitization and market requirements are bringing complexity in terms of coordination and integration among functional areas. The European research and innovation project “MAYA” was born to tackle a specific challenge related to the integration of multi-disciplinary simulation and forecasting tools, along all the factory lifecycle. The objective is to reduce the time to production and increase efficiency during the operations. This work gives a contribution with a reference schema for classification of industrial standards and the selection of the best suitable ones for the purpose of the project. As enabler of interoperability and integration, ISO 14649 is chosen as a reference schema for the development of a Semantic Meta Data Model to be used as unique and shared representation of product routing operations in a CPS, by all involved tools and devices. Finally, three different use-case scenarios are developed to describe the architectural layout and process flows after the introduction of MAYA innovations in two physical demonstrators in the automotive field. A Validation Framework sets expected behaviours and criteria to measure the achievement of the improvement objectives.

Le aziende manifatturiere stanno sperimentando la quarta rivoluzione industriale (“Industry 4.0”), con l'introduzione di nuove tecnologie come il Cloud Computing, con la trasformazione degli impianti produttivi in sistemi ciber-fisici e la connessione dei dispositivi con l'Internet of Things. Sono nati nuovi modelli di business e concetti di prodotti-servizio che influenzano profondamente design, pianificazione e funzionamento degli impianti. Numerosi software vengono adottati a livello strategico, tattico ed operativo e in diverse aree funzionali all'interno di un business. La digitalizzazione accelerata e i requisiti del mercato portano ad una maggiore complessità in termini di coordinamento ed integrazione di aree funzionali. Il progetto europeo di ricerca ed innovazione “MAYA” è nato per affrontare un tema specifico legato all'integrazione di sistemi di simulazione e previsione multidisciplinari lungo tutto il ciclo di vita dell'impianto. L'obiettivo è quello di ridurre i tempi prima dell'avviamento dell'impianto e di aumentare l'efficienza durante l'attività. Questo lavoro dà un contributo con la realizzazione di uno schema di riferimento per la classificazione di standard industriali e la selezione di quelli più adatti per gli obiettivi del progetto. Come supporto all'interoperabilità e all'integrazione, ISO 14649 è scelto come schema di partenza per lo sviluppo di un modello semantico da utilizzare come rappresentazione unica e condivisa del routing di prodotto all'interno di un Cyber Physical System, da parte di tutti i sistemi e dispositivi. Infine, tre casi d'uso sono sviluppati per descrivere l'architettura di layout e i processi dopo l'introduzione delle innovazioni MAYA, in due impianti fisici nel settore automobilistico. Un framework di validazione fissa i risultati attesi e i criteri per misurare il raggiungimento degli obiettivi di miglioramento.