Lean production leveling with the support of Industry 4.0 to achieve mix flexibility in process industries: a case study

Abstract

Denne avhandlingen har som hensikt å utvikle et produksjonsplanleggingskonsept som samtidig tillater fleksibilitet og stabilitet i prosessindustriene. Denne hensikten er motivert av den fremvoksende trenden i prosessindustriene, der produktporteføljene i økende grad utvides for å tilfredsstille kundens etterspørsel. Den utvidede produktporteføljen fører til økt usikkerhet og variabilitet knyttet til etterspørsel, og øker dermed kravet til fleksibilitet i prosessindustriene. Imidlertid er egenskapene til produksjonsprosessene i prosessindustriene, eksempelvis lange og komplekse omstillingstider, krav om høy kapasitetsutnyttelse og tungt utstyr, hemmende for fleksibilitet. Dermed er det en klar konflikt mellom behovet for både fleksibilitet og stabilitet i prosessindustriene.

Lean produksjonsjevning virker lovende for å håndtere fleksibilitet-stabilitetskonflikten, men applikasjon av lean er utfordrende i prosessindustrien på grunn av de infleksible egenskapene til produksjonsprosessene. Dermed har både forskere og industriutøvere forsøkt å modifisere lean produksjonsjevningsmetoden for å passe inn i situasjonen til prosessindustriene. Imidlertid er disse metodene assosiert med heuristiske metoder, som er for avansert for eksisterende IT systemer å støtte, spesielt når produktporteføljen er stor. Videre, selv om den teknologidrevne Industri 4.0 har vist suksess i lean og produksjonsplanlegging, er det en klar mangel på forskning på hvordan Industri 4.0 kan støtte de modifiserte lean produksjonsjevningsmetodene i prosessindustrien. Dermed undersøker denne avhandlingen hvordan lean produksjonsjevning, ledsaget av teknologier fra Industri 4.0, kan oppnås i prosessindustrien.

Basert på en litteraturstudie, gjennom et semi-systematisk litteratursøk utvikles det to hovedrammeverk. Det første rammeverket omfatter en utvalgstypologi av lean produksjonsjevningsmetoder, basert på prosessindustriens egenskaper, i kombinasjon med metodikkmodell for å anvende den valgte metoden. Det andre rammeverket omfatter teknologiene i Industri 4.0 for å støtte den valgte lean produksjonsjevningsmetoden. Begge rammeverkene anvendes i en empirisk setting, gjennom en casestudie i prosessindustrien.

Gjennom casestudien og innsamling av produksjons- og etterspørselsdata, blir valget av en lean produksjonsjevningsmetode med dynamiske konfigurasjoner validert. Deretter illustreres det empirisk hvordan den anvendte lean produksjonsjevningsmetoden i casestudien oppnådde tre resultater: økt produksjonsjevning (1), reduserte omstillingstider (2) og frigjøring av verdifull tid til prosessforbedring (3). Videre illustreres det konseptuelt hvordan teknologiene i Industri 4.0 kan støtte den anvendte lean produksjonsjevningsmetoden, ved å samle, lagre, analysere og optimalisere relevant informasjon som trengs for å bestemme de dynamiske konfigurasjonene av den anvendte lean produksjonsjevningsmetoden.

Implikasjonene av funnene antyder at lean produksjonsjevningsmetoder støttet av teknologi fra Industri 4.0 kan muliggjøre mer stabilitet ved å optimalisere produksjonsjevningen og øke forutsigbarheten og påliteligheten av produksjonsprosesser. I tillegg kan økt fleksibilitet muliggjøres ved å frigjøre tid, gjennom optimalisering av produksjonssekvenser, økt kapasitetsutnyttelse og automatisering av produksjonsplanleggingsoperasjoner. Avhandlingen antyder at kombinasjonen av lean produksjonsjevningsmetoder og Industri 4.0 virker lovende for å løse den økende fleksibilitet-stabilitetskonflikten som prosessindustriene møter.

The purpose of this thesis is to develop a production planning concept that concurrently provides flexibility and stability in the process industries. This purpose is motivated by the emerging trend in the process industries, where product portfolios are increasingly widened to satisfy customer demand. The increased product portfolio leads to increased demand variability and uncertainty, thereby increasing the requirement for flexibility in the process industries. However, the characteristics of the production processes in the process industries, such as long and complex changeover times, requirement of high asset utilization and heavy equipment inhibits this flexibility. Thus, there is a clear conflict between the need for both stability and flexibility in the process industries.

Lean production leveling seems promising to address the flexibility-stability conflict, but lean application is challenging to apply in process industries due to the inflexible characteristics of the production processes. Thus, scholars and practitioners have modified the lean production leveling method to fit the process industry narrative. However, they are associated with heuristic methods which are too complex for existing IT systems to support, especially when the product portfolio is large. Furthermore, even though the technology-driven Industry 4.0 has shown success in lean and production planning, there is a clear lack of research on how Industry 4.0 can support the lean production leveling methods in the process industry. Thus, this research investigates how lean production leveling, accompanied by technologies of industry 4.0, can be achieved in the process industry.

Based on a literature study, through a narrative literature review, two main frameworks are developed. The first framework entails a selection typology of lean production leveling methods based on the process industry characteristics, in combination with a methodology for applying the selected method. The second framework includes the technologies of Industry 4.0 to support the selected lean production leveling method. Both frameworks are applied in an empirical setting, through a case study in the process industry.

Through the case study, by collecting production and demand data, the choice of a lean production leveling method with dynamic configurations is validated. Then, it is empirically illustrated how the applied lean production method in the case study achieved three outcomes: increased production leveling (1), reduced changeover times (2), and freeing up valuable time for process improvement (3). Furthermore, it is conceptually illustrated how the technologies of Industry 4.0 could support the applied lean production leveling, by collecting storing and analyzing, the relevant information needed to optimize the dynamic configurations of the applied lean production leveling method.

The implications of the findings suggest that lean production leveling methods accompanied with Industry 4.0 could enable more stability by optimizing the production leveling and increasing the predictability and the reliability of production processes. In addition, increased flexibility could be enabled by freeing up time, through optimizing production sequences, increasing capacity utilization and automation of planning operations. The research suggests that the combination of lean production leveling methods and Industry 4.0 seems promising to solve the increasing flexibility-stability conflict faced by the process industries.