Application of Blockchain Technology for ISA95-Compliant Traditional and Smart Manufacturing Systems

• The ISA95 standard has been dominating the manufacturing industry for several years. A vast number of ISA95-compliant traditional and legacy manufacturing systems (ISA95-CTS) are scattered across many factories worldwide. The technological advancements imposed by Industry 4.0 (4IR) have had a disruptive effect on the legacy composition of the manufacturing industry with the inclusion of cutting-edge technologies such as cyber-physical systems, artificial intelligence, machine learning, smart manufacturing systems (SMMS), and the industrial internet of things. Thus, modern factories are composed of traditional and emerging manufacturing systems that are anticipated to collaborate to reach the same 4IR goals. The heterogeneous composition of ISA95-CTS and SMMS leads to several challenges impacting the manufacturing industry in terms of interoperability, data quality, cybersecurity, and scalability in general. The manufacturing industry has struggled to overcome these obstacles that inhibit the adoption of innovative 4IR concepts and solutions. The distinct characteristics of decentralized verifiability, transparency, end-to-end data integrity, high availability, and superior data protection features make blockchain technology (BCT) a unique technology that can be adapted to various industries, including the manufacturing industry, with a virtually infinite number of business scenarios. Given its value propositions, BCT can act as a catalyst to accelerate the 4IR digitalization journey by solving ever-growing industrial manufacturing problems. Several researchers have shown how BCT can be used by the manufacturing industry to overcome particular industrial challenges. However, this thesis, combined with its complementary publications, differentiates from other studies by systematically assessing the suitability of ISA95-CTS, and it proposes conceptual grounds for the adoption of BCT by the manufacturing industry. This thesis also presents a comprehensive blockchain reference system architecture description for ISA95-CTS and SMMS with 40 distinct design specifications in addition to the theoretical contributions. Given this conceptual framework, this thesis has also sought to validate and justify the applicability of the blockchain reference architecture. Thus, each design specification was individually examined, and a proof of concept (POC) implementation managed to realize 31 requirements out of 40. The remaining nine requirements were also meticulously iterated, and a detailed explanation for excluding them from the POC implementation is elaborated. Thereby, all dimensions of applicability of the blockchain reference architecture are entirely validated with empirical results. 

• ISA95-standarden har dominerat tillverkningsindustrin i flera år. Ett stort antal av ISA95-kompatibla traditionella och äldre tillverkningssystem (ISA95-CTS) är spridda över många fabriker över hela världen. De tekniska framstegen som införts av Industry 4.0 (4IR) har negativt påverkat tillverkningssektorns arvssammansättning, inkluderat banbrytande teknik såsom cyber-fysiska system, artificiell intelligens, maskininlärning, smart tillverkningssystem (SMMS) och  sakernas internet (Industrial Internet of things). Därför består de moderna fabrikerna av traditionella och framväxande tillverkningssystem som förväntas samarbeta för att nå samma 4IR-mål.Den heterogena sammansättningen av ISA95-CTS och SMMS orsakar flera utmaningar som påverkar tillverkningsindustrin inom interoperabilitet, datakvalitet, cybersäkerhet och skalbarhetsdomäner i allmänhet. Tillverkningsindustrin kämpar för att övervinna dessa hinder som bromsar anpassningen av innovativa 4IR-koncept och lösningar.De distinkta egenskaperna hos decentraliserad verifierbarhet, transparens, end-to-end dataintegritet, hög tillgänglighet och överlägsna dataskyddsfunktioner gör blockkedjan till en unik teknik (BCT) som kan anpassas till olika industrier, inklusive tillverkningsindustrin med oändliga antal affärsscenarier. Med tanke på de unika värdepropositionerna kan BCT fungera som en katalysator för att påskynda 4IR-digitaliseringsresan genom att lösa de ständigt växande industriella tillverkningsproblemen.Flera forskare konvergerar BCT till tillverkningsindustrin för att klara av särskilda industriella utmaningar. Denna avhandling, i kombination med kompletterande publikationer, skiljer sig dock från andra genom att den ska systematiskt utvärdera lämpligheten av ISA95-CTS samt föreslå konceptuella skäl för att BCT ska konvergeras till tillverkningsindustrin. Denna avhandling presenterar också en omfattande blockkedjan-referenssystemarkitektur beskrivning för ISA95-CTS och SMMS med 40 distinkta designspecifikationer utöver de teoretiska bidragen.Med tanke på ovanstående begreppsram, strävar även denna avhandling efter att validera och motivera tillämpningen av blockkedjan-referensarkitekturen. Således undersöks varje design specifikation individuellt och genom implementering av ett koncept test (Proof-of-Concept) lyckades man realisera 31 av 40 krav. De återstående nio kraven är också noggrant itererade och en detaljerad förklaring för att utesluta dessa krav från koncept testet är sammanställt. Därav är samtliga dimensioner av användarbarheten för blockkedjan-referensarkitekturen validerade med empiriska resultat.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Produktionsteknik, arbetsvetenskap och ergonomi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Production Engineering, Human Work Science and Ergonomics (hsv//eng)

Nyckelord

ISA95 standard

smart manufacturing

cybersecurity

interoperability

data quality

scalability

blockchain

blockchain system reference architecture

smart contracts

automation

machine to machine communication

industry 4.0

industrial internet of things

manufacturing industry

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)