Energy and resource efficiency in manufacturing

Manufacturing, responsible of huge amount of energy and resources consumption, is becoming more and more important for the world sustainability. Currently, manufacturing systems design and operations rely on local optimization of separate sub-systems, achieved under diferent viewpoints by stakeholders at various levels. The Ph. D. research focuses on investigating how to manage and control the future eco-factories, characterized by multi-dimensional criteria including costs, performance, environmental impacts, towards a wider optimization. The research addresses the effciency of energy and resource use, under a systemic approach. This document is a cover essay presenting achievements of the work: i) contributions to high rank journals (such as Journal of Cleaner Production SJR Q1 ranking 2016) and ii) international level conferences in the area of sustainable manufacturing and clean and competitive production systems. The cover essay includes firstly a discussion of the context and general challenges and problems on the way towards sustainable manufacturing and energy and resource efficiency (ERE), then introduces the state of the art and theoretical foundations of the work, categorized along relevant themes important for the field of resource efficiency, such as manufacturing decision making configurations, machine and line control, production planning and scheduling approaches, resource aware modeling, simulation and assessment. The State of the Art is completed with discussion of ICT enablers and some important literature items on which the Ph.D. work has been based, such as holistic approach, manufacturing control paradigms (Holonic Manufacturing) and novel Industry 4.0 ready ICT technologies. After a identification of specific research questions and objectives towards the overarching goal of the work, management and control of the future eco-factories, the research framework and methodology are detailed in the scope of applied research in industrial engineering. Then, the reseach achievements are presented with reference to five papers which cover the whole range of identified research questions and objectives. The first two papers are tagged in this document as previous work as they correspond to research developed and published before the Ph.D. period, anyway they are included because they laid the basis for the next development recounted in the three papers listed as Ph.D. research results. Previous work: * Paper I Towards Environmental Conscious Manufacturing (ICE conference, 2014) presents the main elements of holistic model of manufacturing systems towards future eco-factories. * Paper II Back to Intuition: Proposal for a Performance Indicators Frame-work to Facilitate Eco-factories Management and Benchmarking (GCSM conference, 2014) presents an holistic KPI framework and complete KPI system, able to capture the multidimensional characteristics of eco-factories, including a specific indicator for energy and resource efficiency assessment. Ph.D. research results * Paper III A new approach for machine's management: from machine's sig- nal acquisition to energy indexes (Journal of Cleaner Production 2016) introduces validation in industrial use case of the eco-factory KPI framework and KPI system proposed in Paper II, and specific identification of leading and lagging KPIs enacting actual/target control at machine level, enabling identification of possible anomalies in operating conditions in real-time during the operational cycle. * Paper IV Autonomous energy-aware production systems control (XXI Summer school "Francesco Turco", 2016) presents and validates by simulation a novel production system control which enables each machine in a serial line to share its digital twin with the other machines in the line, allowing autonomous decision about processing, exploiting time available for stand-by mode or, even, postpone processing in order to optimize energy consumption without relevant impact on productivity. * Paper V Deployment architecture for Energy and Resource Efficient Cyber- Physical Systems (APMS conference, 2017) recounts about testing and validation of the autonomous ERE control proposed in Paper IV by deployment of a Cyber Physical Production System in a laboratory setting, with use of state of the art Industry 4.0 ready ICT technologies, such as OPC UA industrial automation technology The cover essay is completed with discussion of managerial implications, contributions to advancement of knowledge and how to research work has contributed to pave the way to solutions of the identified problems and challenges. Finally further work is described, including on-going research preliminary results, aiming at continuing the research addressing a wider scope, in particular extending the Ph.D. research beyond production machines and work center level, to material handling systems and technical building services. To this extent, the following papers, submitted to high ranked journals, are highlighted: * Paper VI Integrating Energy and Resources Aspects in Layout Design: Holis- tic Modeling of Material Handling Systems, submitted to Applied Energy. * Paper VII Integrated Modeling of Energy and Resources Efficient Manufac- turing Systems, submitted to International Journal of Production Research.

Il manufacturing, responsabile di enormi consumi di energia e di risorse, sta diventando sempre più importante per la sostenibilità mondiale. Attualmente, la progettazione dei sistemi di produzione e le Operations si basano su ottimizzazione locale di sistemi separati. Questa ricerca di dottorato si concentra sull'indagine su come gestire e controllare le future eco-fabbriche, caratterizzate da criteri di assessement multidimensionali tra cui costi, prestazioni, impatti ambientali, verso un'ottimizzazione più ampia con una ricerca che affronta l'efficienza energetica e dell'uso delle risorse secondo un approccio sistemico. Questo documento è una collection of paper e presenta i risultati del lavoro in termini di i) contributi su riviste di alto rango (come Journal of Cleaner Production SJR Q1 nella classifica 2016) e ii) conferenze di livello internazionale sul manufacturing sostenibile e i sistemi di produzione puliti e competitivi. La collection of paper include in primo luogo una discussione sul contesto e sulle sfide generali dell’efficienza energetica e delle risorse in termini di sostenibilità, quindi introduce lo stato dell'arte e le basi teoriche della ricerca, con una trattazione per temi importanti per l’area di ricerca, quali il decision making nei sistemi produttivi complessi, il controllo energy-aware di macchina e linea, la pianificazione della produzione e approcci di pianificazione, la modellizzazione, simulazione e valutazione dei sistemi di manufacturing sostenibili. Lo stato dell'arte è completato con la discussione delle tecnologie abilitanti ICT e alcuni importanti contributi della letteratura su cui questa ricerca è basata, come l’approccio olistico, i paradigmi di controllo della produzione (Holonic Manufacturing) e le nuove tecnologie ICT per l'industria già Industry 4-0-ready. Dopo un'identificazione delle domande e degli obiettivi di ricerca specifici per il globale obiettivo del lavoro, cioè la gestione e il controllo delle future eco-fabbriche, il documento tratta il quadro di riferimento e la metodologia della ricerca, in un ambito di ricerca applicata di ingegneria industriale. Quindi, i risultati della ricerca sono presentati con riferimento a cinque articoli che coprono l'intera gamma di domande e obiettivi di ricerca identificati. I primi due documenti sono contrassegnati in questo documento come lavori precedenti, dato che corrispondono a ricerca sviluppata e pubblicata prima del periodo di dottorato, inclusi perché hanno gettato le basi per gli sviluppi poi sintetizzati nei tre successivi documenti, elencati come risultati della ricerca Ph.D. Lavoro precedente: * Paper I Towards Environmental Conscious Manufacturing (Conferenza ICE, 2014) presenta i principali elementi del modello olistico dei sistemi di produzione verso le future eco-fabbriche. * Paper II Back to Intuition: Proposal for a Performance Indicators Framework to Facilitate Eco-factories Management and Benchmarking (GCSM conference, 2014) presenta un quadro olistico di KPI e un completo sistema di KPI, in grado di cogliere le caratteristiche performance multidimensionali delle eco-fabbriche, includendo un indicatore specifico per la valutazione dell'efficienza energetica e delle risorse. Risultati della ricerca di dottorato * Paper III A new approach for machine's management: from machine's signal acquisition to energy indexes (Journal of Cleaner Production 2016) introduce la validazione in un caso d’uso industriale del framework KPI eco-factory e del sistema di KPI proposti nel Paper II, con l’identificazione specifica di KPI leading e lagging che attivano il controllo effettivo / target a livello di consumo energetico di macchina, consentendo l'identificazione di possibili anomalie nelle condizioni operative in tempo reale durante il ciclo operativo. * Paper IV Autonomous energy-aware production systems control (XXI Summer School "Francesco Turco”, 2016) presenta e convalida con la simulazione un nuovo controllo autonomo del sistema di produzione che consente a ciascuna macchina in linea seriale di condividere il suo gemello digitale con le altre macchine della linea, permettendo decisioni autonome a ogni singola macchina sfruttando il tempo non-produttivo per potere attivare la modalità stand-by o, addirittura, posticipare l'elaborazione al fine di ottimizzare il consumo di energia senza un impatto rilevante sulla produttività. * Paper V Deployment architecture for Energy and Resource Efficient Cyber-Physical Systems (APMS conference, 2017) resoconto del testing e della validazione del controllo ERE autonomo proposto nel documento IV mediante implementazione di Cyber Physical Production System in un ambiente di laboratorio, con l'uso di tecnologie all'avanguardia nell'industria 4.0, come la tecnologia di automazione industriale OPC UA. Questa collection of paper è completata con una discussione sulle implicazioni gestionali, il contributo al progresso della conoscenza e il modo in cui il lavoro di ricerca ha contribuito ad aprire la strada verso la soluzione dei problemi e delle sfide identificati. Infine vengono descritti ulteriori possibili sviluppi della ricerca, compresi i risultati preliminari della ricerca in corso, con l'obiettivo continuare la ricerca affrontando un ambito più ampio, in particolare estendendo questa ricerca del periodo di dottorato oltre l’ambito delle macchine di produzione e dei centri di lavoro, inclusi i sistemi di movimentazione e servizi generali di fabbrica. Per rappresentare i risultati preliminari della ricerca, il lavoro presenta due articoli, sottomessi a riviste di alto valore scientifico: * Paper VI Integrating Energy and Resources Aspects in Layout Design: Holistic Modeling of Material Handling Systems, sottomesso a Applied Energy. * Paper VII Integrated Modeling of Energy and Resources Efficient Manufacturing Systems, sottomesso a International Journal of Production Research.