introduzione ai manufacturing execution systems(mes)

Corso di Laurea: INGEGNERIA
Insegnamento:
AUTOMAZIONE II
Docente:
PROF: ALESSANDRO DE CARLI
DR. VINCENZO SURACI
Facoltà di Ingegneria
AUTOMAZIONE II
INTRODUZIONE AI
MANUFACTURING EXECUTION SYSTEMS
(MES)
Redazione a cura dell'Ing. Letterio Zuccaro ([email protected])
SAPIENZA - Università di Roma – Dipartimento di Ingegneria Informatica Automatica e Gestionale Antonio Ruberti (DIS)
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DR. VINCENZO SURACI
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STRUTTURA DEL CORSO DI AUTOMAZIONE II
GESTIONE
SISTEMA COMPLESSO
CONDUZIONE
IMPIANTI
COORDINAMENTO
APPARATI
III° NUCLEO DIDATTICO
MANUFACTURING
EXECUTION SYSTEM
II° NUCLEO DIDATTICO
SISTEMI AD EVENTI DISCRETI
I° NUCLEO DIDATTICO
SISTEMA
CONTROLLATO
CAMPO
COMPLESSO
ELEMENTI
SINGOLI
SISTEMI DI AUTOMAZIONE
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STRUTTURA DEL NUCLEO TEMATICO
• RICHIAMI SUI SISTEMI INFORMATIVI
• MANUFACTURING EXECUTION SYSTEMS (MES)
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RICHIAMI
SUI
SISTEMI INFORMATIVI
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RISORSA AZIENDALE
E’ tutto ciò con cui l’azienda opera, sia materiale che immateriale, per perseguire i suoi obiettivi
Money
Men
Materials
Information
Ieri
Oggi
L'informazione è una risorsa che riguarda tutte le altre risorse.
I processi, per poter operare, hanno bisogno di conoscere le risorse sulle
quali agiscono, in altri termini hanno bisogno di informazioni.
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PROCESSO AZIENDALE
Insieme di attività (sequenze di decisioni e azioni) che l’azienda nel suo complesso
svolge per gestire il ciclo di vita delle risorse finalizzato alla realizzazione di un prodotto
(bene o servizio). Il processo è teso al raggiungimento di un obiettivo aziendale
OBIETTIVO
INPUT
Risorse
Efficienza =
Sistema Produttivo
Processo
OUTPUT
Prodotti
Servizi
Efficacia =
OUTPUT
INPUT
OBIETTIVO
OUTPUT
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SISTEMA INFORMATIVO
“Insieme di procedure e infrastrutture che definiscono e supportano il
flusso delle informazioni all’interno di una organizzazione”
•
Gestisce la risorsa “Informazione”
o Raccogliere - acquisizione di informazioni
Gestire
o Archiviare - conservazione di informazioni
o Elaborare - trasformazione, correlazione di informazioni
o Distribuire - scambio di informazioni
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SISTEMA INFORMATICO
“Insieme di calcolatori, reti informatiche e procedure per la
memorizzazione, elaborazione e trasmissione delle informazioni”
Porzione automatizzata del sistema informativo
Sistema
informativo
Sistema
informatico
Prima dell'introduzione degli elaboratori elettronici
Processi informativi gestiti con metodi manuali (con uso di complesse e lunghe procedure di
registrazione dati su supporti cartacei, di archiviazione documenti, di ricerca su schedari, ...)
Con l’avvento dell’ICT (Information & Communication Technology)
Automatizzazione dei processi informativi mediante semplici e rapide procedure di
registrazione, archiviazione, elaborazione, ricerca dei dati.
Compiti dell’ICT
• Immissione, memorizzazione, cancellazione informazione
• Elaborazione dell’informazione
• Visualizzazione dell’informazione
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Dati
Applicazione
Presentazione
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SISTEMI INFORMATIVI E PROCESSI AZIENDALI
Anthony propone una classificazione dei sistemi informativi che è diventata
canonica
P.
Dire
zionali
Processi
Gestionali
Processi
Operativi
Concorrono nella definizione degli obiettivi strategici
DECISION SUPPORT SYSTEMS
Sistemi per il supporto alle decisioni
Quali sono i prodotti o servizi su cui l'azienda punta di più?
Quale è il mercato su cui l'azienda vuole affermarsi?
Concorrono alla traduzione degli obiettivi in criteri di
gestione e ne controllano il raggiungimento
Come sarà organizzata la produzione di beni o servizi?
Concorrono nel raggiungimento degli obiettivi
La produzione dei beni
L'erogazione dei servizi
MANAGEMENT INFORMATION SYSTEMS
Sistemi per il supporto operativo per la gestione di
tutte le risorse aziendali
PROCESS CONTROL SYSTEMS
Sistemi per il controllo delle attività dei dispositivi fisici
Anthony, R. N. 1965. Planning and Control Systems: A Framework for Analysis. Harvard Business School Division of Research.
Materie
prime
Sistema Produttivo
Prodotti
finiti
Fornitori
Clienti
Sistema Informativo
Ordini
fornitori
Ordini
clienti
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EVOLUZIONE DEI SISTEMI INFORMATIVI
1900
Funzione
‘50
‘60
Gestione
finanziaria
Contabilità
Gestione
magazzini
‘70
‘80
MRP
Material
Requirements
Planning
MRPII
Manufacturing
Resource
Planning
Pianificazione
della
produzione e
degli acquisti
Sistemi non integrati
Aspetti
gestionali
‘90
2000
ERP
Enterprise
Resources
Planning
E-business
E-commerce
Integrazione
processi
gestionali e
operativi
Centralizzata
Processo 1
Processo 2
Processo 3
DB1
DB2
DB3
P1
P2
P3
Architettura
Mainframe
DB
Dati
Applicazione
Presentazione
Mainframe
Infrastruttura
DB
Server
Client-Server
Dati
Applicazione
Presentazione
Terminale
Terminale
Terminale
Client
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Client
Client
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MANUFACTURING
EXECUTION
SYSTEMS
(MES)
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RUOLO DELL’INFORMAZIONE NELLA GESTIONE AZIENDALE
Una corretta gestione delle informazioni consente di:
-
minimizzare costi di produzione
-
ridurre la necessità di personale (per compiti banali e ripetitivi)
-
ottimizzare l’utilizzo dei materiali (materie prime, macchine)
Nell'ultimo ventennio, nell'ambito dell'industria manifatturiera, ha acquistato sempre
più importanza la rilevazione delle informazioni legate al ciclo produttivo: da esse si
può dedurre l'efficienza del processo di produzione e da questa l'ammontare dei
costi.
L'accrescere di tale importanza ha portato allo sviluppo di sistemi informatici sempre più
specializzati per la gestione dei dati legati al processo produttivo: dai primi sistemi di
gestione dell'inventario all'ultima novità del settore, i sistemi MES (Manufacturing
Execution Systems).
Facciamo un passo indietro…
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SISTEMA INFORMATIVO AZIENDALE
Architettura a due livelli
PLANNING
(MRP MRPII ERP)
CONTROL
(PLC SCADA DCS)
Sistemi amministrativi e contabili
Funzioni principali:
o gestione ordini
o pianificazione delle attività
o allocazione delle risorse
o analisi costi e tempi di produzione
Esecuzione
BATCH/OFFLINE
Sistemi per l’automazione
Funzioni principali:
o controllo macchine
o impostazione parametri di lavorazione
o monitoraggio dello stato dell’impianto
Scarsa cooperazione tra i sistemi
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Esecuzione
REALTIME
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LA PRODUZIONE COME UNA BLACK-BOX
Prodotto
Materiali
Personale
Macchine
Processo di produzione
• La mancanza di interazione tra i sistemi di pianificazione e controllo rende il processo di
produzione una black-box.
• Si conoscono gli input e gli output della produzione ma cosa accade nel mezzo è ignoto.
?
Quanto è efficace ed efficente il processo produttivo?
Ci sono colli di bottiglia? Dove?
I costi dove si annidano?
• In caso di eventi non previsti la pianificazione (fatta a priori) perde di validità e va rifatta
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DEFINIZIONE DI UN NUOVO LIVELLO
PLANNING
EXECUTION
In ambito manifatturiero, con il termine “execution” si
intende “esecuzione della produzione”.
L’esecuzione della produzione comprende l’insieme di
operazioni che concorrono alla trasformazione di
materie prime o semilavorati in prodotti finiti.
CONTROL
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EXECUTION
EXECUTION
Fare i prodotti
Impostare/Leggere
misure nei controlli
Muovere materiali
verso/da le stazioni di
lavoro
Fare e misurare
componenti del prodotto
Modificare le priorità
degli ordini di lavorazione
Assegnare/Riassegnare i
materiali alle stazioni di
lavoro
Accendere/Spegnere le
macchine
Assegnare/Riassegnare il
personale a un processo
di lavorazione
Schedulare/Rischedulare
le stazioni di lavoro e i
processi di lavorazione
...
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NUOVI ORIZZONTI PER LE AZIENDE
La possibilità di monitorare ogni singola fase nell’esecuzione della produzione e il
contributo offerto dall’ICT hanno aperto nuovi orizzonti all’industria
manifatturiera:
 Connessione real-time con i software gestionali per ricevere ordini di produzione
e per inviare i risultati, i rapporti sullo stato, sull’utilizzo di materie prime consentendo, ad
esempio, di determinare la qualità delle attività o di aggiornare automaticamente le scorte
di materie prime, semilavorati e prodotti
 Connessione real-time con i sistemi di controllo in modo che i dati sulla
produzione e sulla qualità possano essere memorizzati in un singolo database
 Possibilità di fornire i dati del processo su Internet in modo che possano essere
consultati ovunque o utilizzati per integrare le informazioni provenienti dai diversi impianti
di produzione
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MANUFACTURING EXECUTION SYSTEMS (MES)
Definizione del MESA International:
“Sistema che acquisisce e distribuisce informazioni che consentono
l’ottimizzazione delle attività produttive dal lancio dell’ordine al
prodotto finito. Utilizzando dati real-time, attuali ed accurati, il MES guida,
risponde e informa sulle attività dello stabilimento così come e quando esse
accadono. La rapidità di reazione risultante, unita alla attenzione nella riduzione
delle attività senza valore aggiunto, guidano le operazioni ed i processi dello
stabilimento al massimo dell’efficienza.”
I sistemi MES rispondono ad esigenze precise,
quali il tracking e tracing della produzione, per
determinare:
- quando un articolo (o un semilavorato) è stato
prodotto,
- con quali eventuali altri semilavorati è stato
assemblato,
- a quale fornitore è destinato,
- ...
Tracking (tracciabilità): “lasciare una traccia” indica il
processo che permette di stabilire quali informazioni devono essere
registrate e messe in evidenza, ovvero, l’attività di tracciare
mediante apposita etichettatura.
Tracing (rintracciabilità) “ritrovare la traccia” indica la capacità di
ritrovare queste informazioni lungo la catena.
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IL SISTEMA INFORMATICO MES
Un Manufacturing Execution System (MES) rappresenta un sistema
informatico costituito da un insieme di applicazioni software che
implementano metodi e strumenti utilizzati nella produzione aziendale.
Infrastruttura
• Tipicamente utilizza il paradigma client/server e basi di dati relazionali
• Sono previste interfacce per la connessione ad altri sistemi di gestione e supervisione
• Viene eseguito da uno o più calcolatori (PC, workstation, minielaboratori) connessi in
rete
Il sistema informatico svolge tre funzioni principali:
- Raccoglie i dati in tempo reale.
- Organizza e archivia i dati in un database centralizzato.
- Rendere i dati accessibili in tutta la rete e integrando i dati
disomogenei provenienti da altri sistemi informativi (ad es. pianificazione e
contabilità).
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DR. VINCENZO SURACI
Facoltà di Ingegneria
“FILLING THE GAP”
E’ il ruolo chiave di un MES: colmare il
vuoto tra il sistema di pianificazione e il
sistema
di
controllo,
coniugando
l’ottimizzazione dei processi produttivi e
logistici con il controllo della disponibilità
delle risorse e della qualità dei prodotti.
L’azienda manifatturiera utilizza il processo di pianificazione (MRPII / ERP o equivalente) per
determinare come i prodotti devono essere fabbricati.
Una volta che il piano di produzione è sviluppato, è necessario “tradurlo” nel processo di
produzione che utilizza le risorse reali effettivamente disponibili.
Il MES è in grado di acquisire l'input dal sistema di pianificazione per
poi tradurre il piano in un linguaggio comprensibile all’impianto.
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Facoltà di Ingegneria
OBIETTIVI DEI MES
What?
How?
Fornire un modello di
produzione reale
• Controllo delle disponibilità delle risorse (personale, macchine e
materie prime)
• Monitoraggio delle attività dell’impianto con precisione
dell'ordine di ore o minuti
Ottimizzare le
operazioni
manifatturiere
• Analisi dei dati per individuare i miglioramenti attuabili o le
eventuali cause che limitano le performances
Aumentare
l'integrazione con il
livello di business
• Definizione dei flussi di informazione scambiati col sistema di
business
• Definizione di uno standard
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Facoltà di Ingegneria
FUNZIONALITÀ GENERALI
Pianificazione
delle attività di
produzione per
migliorare le
prestazioni
dell’impianto data la
capacità finita delle
risorse
Allocazione delle
risorse materiali e
umane (chi deve fare
cosa?) e loro
monitoraggio (cosa
stanno facendo adesso?)
Gestione della
documentazione sulle
merci, le risorse, i processi
di produzione
Analisi delle prestazioni di produzione
secondo metriche standardizzate o proprietarie
Allocazione della merce
(dove deve andare?
quando?)
Tracciabilità dei
prodotti, in modo che si
possa sempre risalire alla
loro storia nell’impianto
Gestione della attività
di manutenzione per
minimizzare l’impatto sulla
produzione
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DR. VINCENZO SURACI
Facoltà di Ingegneria
FUNZIONI PRIMARIE
 Interfaccia con il livello di pianificazione
 Gestione degli ordini
 Gestione delle stazioni di lavoro
 Gestione dei materiali e del magazzino
 Movimentazione del materiale
 Raccolta dati
 Gestione degli eventi straordinari
McClellan, “Applying Manufacturing Execution Systems”, 1997
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FUNZIONI DI SUPPORTO
 Gestione della manutenzione
 Gestione delle presenze del personale
 Controllo statistico di processo
 Controllo qualità
 Dati/prestazioni di processo
 Gestione della documentazione
 Genealogia del prodotto
 Gestione dei fornitori
McClellan, “Applying Manufacturing Execution Systems”, 1997
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ARCHITETTURA
Struttura modulare
Interfacciamento
con sistema di
gestione mediante
linguaggi standard
XML-based
Connessione ai
dispositivi attraverso
tecnologie
eterogenee
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ORGANIZZAZIONI IN AMBITO MES
MESA
Manufacturing Enterprise Solutions Association
www.mesa.org
◊ Organizzazione non-profit fondata nel 1992 dai principali produttori di software MES
◊ Rappresenta una piattaforma per lo scambio di informazioni, esperienze e capacità tra
produttori MES, system integrators e personale d’azienda con lo scopo di espandere e
migliorare integrazione dei MES nell’industria manifatturiera
ISA
International Society of Automation
www.isa.org
◊ Organizzazione non-profit fondata nel 1945
◊ Redige standards sull'automazione industriale
◊ Realizza studi di ricerca e sviluppo per nuove tecnologie, fornisce formazione
professionale, tiene conferenze sui temi emergenti dell'automazione .
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MESA
o Distingue 11 attività primarie di un MES
• Resource Allocation and
Status
Gestione delle risorse
(macchine, strumenti,…)
Monitoring dello stato
corrente
• Dispatching Production Units
Gestione dei materiali in
ingresso e prodotti
intermedi utilizzati nella
produzione
• Data Collection/Acquisition
Raccolta dati relativi al
processo produttivo
(materie prime, personale,
macchine)
• Quality Management
Analisi del prodotto e di
processo
Confronto con valori ideali
• Maintenance management
Manutenzione macchine
• Performance Analysis
Confronto tra valori effettivi e
desiderati misurati negli impianti
• Operations/Detailed Scheduling
Pianificazione dettagliata volta
ad ottimizzare l’utilizzo delle
risorse
• Document Control
Gestione e distribuzione delle
informazioni su
processi/prodottti
• Labor Management
Gestione degli ordini
• Process Management
Controllo del flusso di lavoro
dell’impianto di produzione
• Product Tracking and Genealogy
Documentazione di tutti gli
eventi legati alla realizzazione di
un prodotto
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STANDARD ISA-95
o Definisce l'interfaccia tra i sistemi di business d'impresa e i sistemi di controllo della
produzione per aumentare l'integrazione e la comunicazione tra le parti, indicando le
informazioni che devono essere scambiate.
- Le funzionalità di un MES
o Lo standard descrive: - Lo schema dei dati a livello MES
- I messaggi tra il livello di business e quello MES
o Organizzazione delle attività per livelli su base temporale
Orizzonte
temporale
Attività correlate al business
(Ordinare materiali, inviare fatture, … )
Lungo
(mesi, settimane)
Attività relative al flusso di lavoro,
finalizzate alla produzione del bene
Medio
(giorni, ore, min)
Attività di monitoraggio e controllo dei
processi fisici (SCADA,PLC,…)
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Breve
(min, sec, millisec)
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INTERAZIONE TRA I SISTEMI
Un sistema MES mette in
relazione tutte le parti, in
quanto:
MRPII
ERP
AZIENDA
Pianificazione della produzione
Scheduling
Report sul ciclo di produzione
Completamento ciclo
MES
IMPIANTO
,
Reale stato del processo
Completamento delle fasi del
processo
Prestazioni delle macchine
Azioni sulle materie prime
“Ricette”
Istruzioni operative
Impostazioni macchine
PLC
Robots
DCS
• Riceve input dall'ERP
• Imposta il piano di
produzione, indicando i
materiali da utilizzare e i
tempi di lavorazione/fasi
• Gestisce le indicazioni per i PLC
• Raccoglie il dato in tempo
reale e lo restituisce in output
all'ERP
• Memorizza i dati e restituisce
una serie di informazioni e
statistiche, utili a
comprendere l’intero processo
produttivo e a come
ottimizzarlo
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INFORMAZIONI SCAMBIATE DAI SISTEMI
La possibilità di avere
informazioni dettagliate,
immediate e aggiornate
consente al MES di prendere
le decisioni migliori nella
gestione della produzione
L'efficienza dello scambio di
informazioni incide
sull'efficienza generale
dell'intero processo produttivo
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UN ESEMPIO DI INTERAZIONE
ERP Piano settimanale
di produzione
MES
Piano dettagliato
di produzione giornaliera
PCS
Singoli compiti alle macchine
Spedizione lotto
Completamento lotto
Completamento
singole operazioni
SAPIENZA - Università di Roma – Dipartimento di Ingegneria Informatica Automatica e Gestionale Antonio Ruberti (DIS)
Via Ariosto 25 - 00185 Roma – http://www.dis.uniroma1.it
Corso di Laurea: INGEGNERIA
Insegnamento:
AUTOMAZIONE II
Docente:
PROF: ALESSANDRO DE CARLI
DR. VINCENZO SURACI
Facoltà di Ingegneria
ALCUNI PROBLEMI CHE I MES SONO IN GRADO DI RISOLVERE
Una macchina di produzione si è guastata
improvvisamente
Un processo critico per la produzione ha bisogno
di manutenzione preventiva. Come rischedulare
gli ordini per consentire la manutenzione?
Un cliente vuole sapere se, raddoppiando il suo
ordine, la fornitura può ancora essere garantita
nei tempi previsti
Un cliente richiede che ogni prodotto
consegnato sia corredato da informazioni
dettagliate sulla produzione
Un cliente vuole sapere a che punto è il
soddisfacimento del suo ordine
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VANTAGGI
Miglioramento delle performance produttive (diminuzione scarti, diminuzione
dei tempi setup)
Riduzione dei tempi del ciclo di produzione
Riduzione/eliminazione del data entry time (immissione manuale dei dati)
Riduzione/eliminazione dei documenti tra i reparti
Eliminazione documenti perduti
Miglioramenti della qualità del prodotto (riduzione difetti)
Riduzione dei Work-In-Process - WIP (costi dovuti all'immobilizzazione
delle giacenze di materie prime e di semilavorati)
Capacità di risposta ad eventi imprevisti
(fonte: MESA International)
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Facoltà di Ingegneria
SVANTAGGI
Sono sistemi altamente personalizzati, ne consegue: tempi medio-lunghi di
progettazione e costi elevati
Per alcune realtà l'introduzione di un MES comporta un cambio delle
politiche di produzione
Per beneficiare dell'ottimizzazione i dati raccolti devono essere fedeli alla
realtà
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Facoltà di Ingegneria
VENDORS
ABB Automation Technology Products (www.abb.com)
GE Fanuc Automation (www.gefanuc.com)
Kronos Inc (www.kronos.com)
RockwellSoftware (www.software.rockwell.com)
Schneider Electric (www.schneider-electric.com)
Siemens Automation (www.sea.siemens.com)
Wonderware Invensys (www.wonderware.com)
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MADE IN ITALY
Alcune aziende produttrici di software MES in Italia
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RIFERIMENTI
Jürgen Kletti,
Manufacturing Execution System – MES
Springer, 2010
Michael McClellan,
Applying Manufacturing Execution Systems
St. Lucie Press, 1997
MESA International
White Paper #2: “MES Functionalities & MRP to MES Data Flow Possibilities”
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