An interoperable framework for industrial IoT systems integration towards Zero-Defect Manufacturing

Abstract

Industry 4.0 promotes the advance of several key areas in manufacturing, and emerging technologies and trends are helping to resurface quality approaches such as Zero-Defect Manufacturing (ZDM) to achieve smart manufacturing. Industrial metrology, and associated activities such as Quality Assurance (QA) are receiving constant pressure to enhance integration, interoperability, and availability of measurement information to other operations. ZDM relies on inspection activities for the generation of data for part verification. These inspection activities are performed by measuring systems located in the machines, in-line or in a laboratory. These measurement systems are being increasingly integrated with manufacturing equipment to allow shorter and automated quality control loops. That increases the need for a clear bidirectional communication with enterprise systems (e.g., Manufacturing Execution System), promoting a trusted Internet of Things (IoT) environment where reliable measurement data is accurate and available to different stakeholders. This thesis addresses the integration of measuring devices in an IoT architecture with the support of standards. It provides a framework based on IEC 62264 for Quality Operations Management (QOM) and ISO 23952:2020 - Quality Information Framework (QIF) to describe the activities of QA and provides a generic interface using OPC UA to receive and send information to the QOM activities, enabling the integration with upper systems such as an ERP and the creation of quality oriented Key Performance Indicators (KPIs). This thesis shows that an OPC UA information model for the Industrial Metrology domain, can be used, in association with a standard for enterprise-control integration (IEC 62264) to design an IoT system to help in achieving ZDM. An experimental scenario in the steel manufacturing industry is provided, demonstrating, how the generic interface can support custom software applications by using metrology data as a support, reducing product and process defects leading to ZDM.

A indústria 4.0 promove o avanço de várias áreas-chave no fabrico, e as tecnologias e tendências emergentes estão a ajudar a ressurgir abordagens de qualidade como a Manufatura Zero-Defeitos (MZD) para operacionalizar os sistemas de produção integrados e inteligentes. A metrologia industrial, e atividades associadas como a Garantia de Qualidade (GQ) estão a receber pressão constante para melhorar a integração, interoperabilidade, e disponibilidade de informação de medição para outras operações. A MZD depende de atividades de inspeção para a geração de dados para verificação de peças. Estas atividades de inspeção são realizadas por sistemas de medição localizados nas máquinas, em linha ou num laboratório. Estes sistemas de medição estão a ser cada vez mais integrados com equipamentos de fabrico para permitir ciclos de controlo de qualidade mais curtos e automatizados. Isto aumenta a necessidade de uma comunicação bidirecional clara com sistemas empresariais (sistemas de execução de produção – MES, por exemplo), promovendo um ambiente de confiança na Internet das Coisas (IoT), onde os dados de medição são precisos, fiáveis e disponíveis para os diferentes interessados. Esta tese aborda a integração de dispositivos de medição numa arquitetura IoT com recurso a normalização. Fornece uma estrutura baseada na IEC 62264 para Gestão de Operações de Qualidade (GOQ) e ISO 23952:2020 - Quality Information Framework (QIF) para descrever as atividades de GQ e fornece uma interface genérica utilizando OPC UA para receber e enviar informações para as atividades de GOQ, permitindo a integração com sistemas superiores, tais como um sistema integrado de gestão empresarial (ERP) e a criação de indicadores chave de desempenho (KPIs) orientados para a qualidade. Esta tese mostra que um modelo de informação OPC UA para o domínio da Metrologia Industrial, pode ser utilizado, em associação com uma norma de integração de controlo empresarial (IEC 62264), para conceber um sistema IoT que ajude a alcançar a MZD. A validação é feita num cenário experimental na indústria de fabrico de tubo de aço, demonstrando, como a interface genérica pode suportar aplicações de software personalizadas, utilizando dados metrológicos como suporte, reduzindo defeitos de produto e de processo que levam à MZD.