Specification and implementation of smart and agile production system based on digital twin principles

Smart Manufacturing opens new possibilities to achieve competitiveness and flexibility in turbulent and highly aggressive markets such as the manufacturing sector. The shift to Smart Manufacturing is supported by many research and consists of the interconnection of smart components into the production system, that can generate and exchange data streams, to adjust the production in an optimal way and to have self-awareness and self-prediction capabilities. In order to develop methods for rapid product and process realization, efforts are currently spent to further introduce the role of internet of thing in modern manufacturing. Smart Manufacturing systems are composed of the so-called Cyber-Physical Systems (CPS) in a modular way. CPS are embedded intelligent systems that are able to bridge between the physical processes and their virtual counterpart: Digital Twin. In industry 4.0, the roles of implementing the digital twin are numerous. It provides the semantics on which the intelligence of the components is built, the interoperability between different systems through providing a common vocabulary, effective data integration and sharing and a consistent domain representation necessary for the automated systems to be self-aware. One of the main areas of that thesis is the development and implementation of integrated tools for a smart manufacturing control line considering the reconfigurability of systems, with the aim of realizing the system in the industry 4.0 paradigm. This research activity is also focused on the role of simulation in the digital factory approach and the importance of data monitoring among different tools. To reach the objectives, the 3D software CATIA V5 was employed to perform a detailed design phase of the production line and the tools which was used to characterize our production line in order to do further its digital twin modelling using the industry 4.0 paradigm. And the Discrete Event Simulation Software Arena was employed in order to analyze the actual system’s behavior in the terms of the production flow.  

L’industria moderna apre nuove possibilità per raggiungere competitività e flessibilità in mercati turbolenti e altamente aggressivi come il settore manifatturiero. Il passaggio alla fabbrica intelligente è supportato da numerose ricerche e consiste nell'interconnessione di componenti intelligenti nel sistema di produzione, in grado di generare e scambiare flussi di dati, per regolare la produzione in modo ottimale e avere autoconsapevolezza e auto-predizione funzionalità. Al fine di sviluppare metodi per la realizzazione rapida di prodotti e processi, attualmente vengono impiegati sforzi per introdurre ulteriormente il ruolo di “Internet of things” nella produzione moderna. I sistemi della fabbrica intelligente sono composti dai cosiddetti sistemi Cyber-Physical (CPS) in modo modulare. I CPS sono sistemi intelligenti incorporati in grado di collegare tra i processi fisici e la loro controparte virtuale: Digital Twin. Nell'industria 4.0, i ruoli dell'implementazione del gemello digitale sono numerosi: Fornisce la semantica su cui è costruita l'intelligenza dei componenti, l'interoperabilità tra i diversi sistemi attraverso la fornitura di un vocabolario comune, l'effettiva integrazione e condivisione dei dati e una rappresentazione coerente del dominio necessaria per i sistemi automatici di essere auto-consapevoli. Tra le aree principali di questa tesi vi è lo sviluppo e l'implementazione di strumenti integrati per una linea di controllo di produzione intelligente considerando la riconfigurabilità dei sistemi, con l'obiettivo di realizzare il sistema nel paradigma della fabbrica intelligente. Questa attività di ricerca è inoltre incentrata sul ruolo della simulazione nell'approccio alla fabbrica intelligente e sull'importanza del monitoraggio dei dati tra diversi strumenti. Per raggiungere gli obiettivi, il software di simulazione 3D CATIA V5 è stato impiegato per eseguire una fase di progettazione dettagliata della linea di produzione e gli strumenti che utilizzeranno per caratterizzare la nostra linea di produzione nel paradigma industrial 4.0. Ed il software di simulazione di eventi discreti Arena è stato impiegato per analizzare il comportamento effettivo del sistema nei termini del flusso di produzione.