Fully-deterministic execution of IEC-61499 models for Distributed Avionics Applications

© 2018 by the authors. The development of time-critical Distributed Avionics Applications (DAAs) pushes beyond the limit of existing modeling methodologies to design dependable systems. Aerospace and industrial automation entail high-integrity applications where execution time is essential for dependability. This tempts us to use modeling technologies from one domain in another. The challenge is to demonstrate that they can be effectively used across domains whilst assuring temporally dependable applications. This paper shows that an IEC61499-modeled DAA can satisfy temporal dependability requirements as to end-to-end flow latency when it is properly scheduled and realized in a fully deterministic avionics platform that entails Integrated Modular Avionics (IMA) computation along with Time-Triggered Protocol (TTP) communication. Outcomes from the execution design of an IEC61499-based DAA model for an IMA-TTP platform are used to check runtime correctness through DAA control stability. IEC 61499 is a modeling standard for industrial automation, and it is meant to facilitate distribution and reconfiguration of applications. The DAA case study is a Distributed Fluid Control System (DFCS) for the Airbus-A380 fuel system. Latency analysis results from timing metrics as well as closed-loop control simulation results are presented. Experimental outcomes suggest that an IEC61499-based DFCS model can achieve desired runtime latency for temporal dependability when executed in an IMA-TTP platform. Concluding remarks and future research direction are also discussed

Holonic self-sustainable systems for electrical micro grids

The self-sustainability of micro grids is an important challenge in the smart grids field due to the need to balance the fast growing energy consumption, reduce greenhouse gas emissions and increase energy independence by using renewable resources. The use of decentralized paradigms, and particularly multi-agent systems and holonic control, enable to face this challenge by implementing intelligent mechanisms that allow an efficient management of the power flow. In this paper, a holonic based model is introduced, considering load scheduling and forecast mechanisms to improve the micro grids self-sustainability, and consequently reduce the energy cost and the energy dependency from the main utility. The designed holonic based model and strategies were developed by using the agent technology, and particularly the JADE framework, showing important improvements in the self-sustainability of micro grids working in different operating modes.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Recursos geológicos de Trás-os-Montes – Passado, presente e perspetivas futuras

Em consequência da sua evolução ao longo da história da Terra, a região de Trás-os-Montes e Alto Douro possui uma grande diversidade de recursos geológicos. Alguns deles foram explorados pelo Homem em diferentes momentos da sua História. Este livro pretende contribuir para o conhecimento, valorização e promoção dos recursos geológicos e do património associado à sua exploração no passado; pois estamos convencidos de que uma eficiente exploração de alguns destes recursos, juntamente com a valorização turística do património geológico-mineiro, muito pode contribuir para dinamizar a economia da região. A Península Ibérica é constituída por formações rochosas que resultam da ação dos processos geotectónicos e dos fenómenos atmosféricos ao longo de mais de 500 milhões de anos (Ma). Neste contexto, Trás-os-Montes é uma região particularmente privilegiada pois é possível encontrar aqui a marca de grande parte dos fenómenos geológicos decorridos desde, ou mesmo antes, do princípio da formação da cadeia montanhosa Hercínica, ou Varisca, ocorrida na Era paleozoica. Uma dessas marcas é o maciço de Bragança e Morais, resultante da instalação de mantos de carreamento por obducção, testemunho da colisão continental então ocorrida. Neste maciço encontram-se rochas únicas com origem na crosta continental inferior e no manto, como é o caso dos Granulitos do Tojal dos Pereiros (Bragança) que, tal como se verá neste livro, poderão ser das rochas mais antigas da Terra com cerca de 1000 Ma. Neste livro procura-se fazer uma síntese dos vários depósitos minerais metálicos e não metálicos assim como das massas rochosas, com interesse económico, resultantes da sequência dos vários processos geológicos ocorridos desde o início do ciclo orogénico Hercínico até aos dias de hoje como, por exemplo, a erosão, o transporte, a sedimentação, o metamorfismo, o magmatismo e a deformação tectónica. Outra consequência da evolução geodinâmica são as inúmeras nascentes de água mineral natural com propriedades sulfúreas, gasocarbónica ou bicarbonadas sódicas, ligadas a mineralizações em grande profundidade ao longo das falhas, de orientação NNE-SSW, de Manteigas – Vilariça – Bragança e Penacova – Régua – Vila Real – Verin. O sistema de fraturas resultante do relaxamento de tensões orogénicas ocorrido na Era Mesozoica, condicionou também a instalação da rede hidrográfica atual e, juntamente com o processo erosivo iniciado no Pérmico, são os grandes responsáveis pelas magníficas paisagens de Trás-os-Montes e Alto Douro. Devido às suas propriedades terapêuticas conferidas pela suas características naturais de mineralização, algumas águas de origem profunda (Águas Minerais Naturais) são aproveitadas em termalismo de bem-estar ou terapêutico, podendo ainda ser, concomitantemente ou não, disponibilizadas engarrafadas. Neste livro apresenta-se o importante testemunho das práticas de exploração e gestão das concessões hidrominerais das empresas VMPS – Águas e Turismo, S.A. e UNICER Aguas, S.A, detentoras das marcas Pedras Salgadas, Salus Vidago, Melgaço e Vitalis. Os recursos minerais da região transmontana foram explorados pelo Homem desde tempos remotos. Como se verá neste livro, existem evidências da prática da metalurgia desde o VI milénio a.C. São também conhecidos os vestígios de uma intensa mineração deixados pelos romanos como, por exemplo, em Três Minas (ouro), Montesinho (ouro) e Moncorvo (ferro). Contudo, foi sobretudo na época moderna, com destaque para o período compreendido entre meados do século dezanove e o fim do século vinte, que a atividade mineira em Trás-os-Montes teve o seu apogeu. São ainda bem evidentes na nossa paisagem as ruinas dessa indústria que as pessoas mais velhas recordam com alguma saudade. As minas mudaram a realidade de muitas comunidades do interior transmontano pois trouxeram desafogo económico e desenvolvimento social para além de as retirarem do isolamento ancestral a que estavam votadas. A progressiva globalização das economias integrou a nossa indústria extrativa, muito desprotegida, em mercados muito competitivos para os quais não estava preparada. Em consequência, grande parte das minas portuguesas pararam a sua atividade entre as décadas de setenta e noventa do século passado. O encerramento das minas deixou por vezes um legado bastante negativo com instalações abandonadas, lugares poluídos, comunidades enfraquecidas pela emigração, infraestruturas degradadas e consequente contração económica. Felizmente, a maior parte dos passivos ambientais e de segurança têm sido progressivamente revertidos em consequência das prioridades definidas pela União Europeia (EU). A empresa estatal EDM (Empresa de Desenvolvimento Mineiro, S.A.) é responsável desde 2001 pelas intervenções ambientais e de segurança nas antigas explorações mineiras portuguesas. Neste livro dá-se conta da sua atuação em Trás-os- -Montes, nomeadamente em Jales, onde o ouro foi explorado até à última década do século passado. Com este livro pretende-se também fazer uma reflexão sobre a possível valorização em termos económicos do vastíssimo património mineiro existente na região. Para tal apresenta-se o testemunho do Museu do Ferro e da Região de Moncorvo que foi um dos projetos pioneiros no país a fazer a divulgação da atividade mineira e com isso contribuir diretamente para o desenvolvimento local através da procura turística. Apresenta-se também o exemplo do projeto Roteiro das Minas e Pontos de Interesse Mineiro e Geológico de Portugal que promove turisticamente algum do património mineiro e geológico do nosso país. O futuro da indústria extrativa em Trás-os-Montes é imprevisível. A sua evolução depende muito da conjugação de fatores que dependem da evolução dos mercados mundiais das matérias-primas e das grandes opções económica e estratégicas para o nosso país. Nos últimos anos tem-se verificado algum dinamismo no setor através dos contratos de prospeção e pesquisa pedidos junto da Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG). Esta atividade tem refletido o aumento da procura de minérios como o ferro, o ouro, o volfrâmio ou o lítio. Nalguns casos esta procura poderá resultar de alguma instabilidade política nos países produtores que condiciona as necessidades de matéria-prima por parte das grandes economias como a China. Noutros casos, dever-se-á à importância estratégica que lhes é atribuída em função dos desenvolvimentos tecnológicos, como é o caso do lítio na produção de baterias elétricas. Devido ao destaque e ao potencial atualmente associado a este minério, apresenta-se também neste livro uma exposição sobre os recursos de lítio existentes na região transmontana. Para além de terem um impacto direto na economia regional, estas últimas campanhas de prospeção permitiram também conhecer melhor a diversidade, a extensão e a génese dos recursos minerais de Trás-os-Montes. Referimos como exemplo o jazigo de ferro de Moncorvo que, embora tenha já sido bastante estudado no passado e como tal considerado um dos maiores da Europa, foi novamente objeto de estudo através da aplicação de novas técnicas de prospeção e de investigação científica de que damos conta neste livro. A concretização dos objetivos a que este livro se propõe, nomeadamente, a divulgação, promoção e valorização dos recursos geológicos de vasta região transmontana, só é possível através do contributo individual dos vários autores que aceitaram o nosso convite e aos quais estamos muito gratos. Aproveitamos também para agradecer às suas instituições e empresas de origem, nomeadamente, à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro (UTAD), à Universidade do Minho (UM), à Companhia Portuguesa do Ferro S.A. (CPF), ao Super Bock Group, ao Projeto Arqueológico da Região de Moncorvo (PARM), ao Centro de Investigação Transdisciplinar: Cultura Espaço e Memória (CITCEM), à Direção Regional de Cultura do Norte (DRCN), à Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG) e ao Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG). Agradecemos igualmente o apoio à publicação dado pelas empresas Super Bock Group, EDM, Omya, CPF e pela Câmara Municipal de Torre de Moncorvo e pelo Museu do Ferro & da Região de Moncorvo. O nosso muito obrigado também aos Geólogos Carlos Rosa, Pedro Santos e Antunes da Silva e ao Engenheiro José Nunes de Almeida pelos seus empenhos pessoais na concretização deste projeto. Por fim, agradecemos ao Atilano Suarez o excelente trabalho de design e paginação deste livro. O livro está dividido em duas partes. A primeira, intitulada Diversidade e Importância dos Recursos Geológicos, apresenta uma síntese dos principais recursos minerais existentes na região, com destaque para os recursos de lítio, ferro e águas minerais naturais. A segunda parte intitulada Perspetiva Histórica e Potencial Turístico do Património Geológico e Mineiro, aborda a mineração ao longo da História e apresenta alguns contributos para a valorização do património mineiro e geológico da região.Agradecemos igualmente o apoio à publicação dado pelas empresas Super Bock Group, EDM, Omya, CPF e pela Câmara Municipal de Torre de Moncorvo e pelo Museu do Ferro & da Região de Moncorvoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

Development of an Open Soft CNC System Based on STEP-NC and Function Blocks

Modern manufacturing industries have put on increasing demands on computer numerical controllers (CNC) for it to be able to work with and process higher level input data described using languages such as STEP-NC, rather than the outdated G-codes. The research work described in this paper is about the development of a soft CNC controller that can process STEP-NC (ISO 14649) data. Function blocks (IEC 61499) are also used as the interface between the STEP-NC data model and the controller. The layered STEP-NC/FB architecture is proposed, which simplifies the design of the controller with layers responsible for data processing, data storage and execution. With the object-oriented, Model-View-Control design pattern, the STEP-NC/FB architecture supports the design framework, in which simulation of the machining becomes a natural and inherent part of the design process, with seamless transition from simulation to actual machining

Software framework for the development of context-aware reconfigurable systems

In this project we propose a new software framework for the development of context-aware and secure controlling software of distributed reconfigurable systems. Context-awareness is a key feature allowing the adaptation of systems behaviour according to the changing environment. We introduce a new definition of the term “context” for reconfigurable systems then we define a new context modelling and reasoning approach. Afterwards, we define a meta-model of context-aware reconfigurable applications that paves the way to the proposed framework. The proposed framework has a three-layer architecture: reconfiguration, context control, and services layer, where each layer has its well-defined role. We define also a new secure conversation protocol between distributed trustless parts based on the blockchain technology as well as the elliptic curve cryptography. To get better correctness and deployment guarantees of applications models in early development stages, we propose a new UML profile called GR-UML to add new semantics allowing the modelling of probabilistic scenarios running under memory and energy constraints, then we propose a methodology using transformations between the GR-UML, the GR-TNCES Petri nets formalism, and the IEC 61499 function blocks. A software tool implementing the methodology concepts is developed. To show the suitability of the mentioned contributions two case studies (baggage handling system and microgrids) are considered.In diesem Projekt schlagen wir ein Framework für die Entwicklung von kontextbewussten, sicheren Anwendungen von verteilten rekonfigurierbaren Systemen vor. Kontextbewusstheit ist eine Schlüsseleigenschaft, die die Anpassung des Systemverhaltens an die sich ändernde Umgebung ermöglicht. Wir führen eine Definition des Begriffs ``Kontext" für rekonfigurierbare Systeme ein und definieren dann einen Kontextmodellierungs- und Reasoning-Ansatz. Danach definieren wir ein Metamodell für kontextbewusste rekonfigurierbare Anwendungen, das den Weg zum vorgeschlagenen Framework ebnet. Das Framework hat eine dreischichtige Architektur: Rekonfigurations-, Kontextkontroll- und Dienste-Schicht, wobei jede Schicht ihre wohldefinierte Rolle hat. Wir definieren auch ein sicheres Konversationsprotokoll zwischen verteilten Teilen, das auf der Blockchain-Technologie sowie der elliptischen Kurven-Kryptographie basiert. Um bessere Korrektheits- und Einsatzgarantien für Anwendungsmodelle zu erhalten, schlagen wir ein UML-Profil namens GR-UML vor, um Semantik umzufassen, die die Modellierung probabilistischer Szenarien unter Speicher- und Energiebeschränkungen ermöglicht. Dann schlagen wir eine Methodik vor, die Transformationen zwischen GR-UML, dem GR-TNCES-Petrinetz-Formalismus und den IEC 61499-Funktionsblöcken verwendet. Es wird ein Software entwickelt, das die Konzepte der Methodik implementiert. Um die Eignung der genannten Beiträge zu zeigen, werden zwei Fallstudien betrachtet

Digital Twins for an Industrial Internet of Things Platform

Com o avanço da Indústria 4.0 e do surgimento de novas tecnologias de informação e comunicação tais como o IIoT (Industrial Internet of Things), o sector industrial tem procurado cada vez mais, evoluir as suas linhas de produção de modo a atingir a maior eficiência de produção possível. Aliado ao conceito IIoT, o termo Digital Twin e CPS (Cyber Physical System) começam a ganhar elevada relevância em vários sectores, nomeadamente no sector industrial. Apesar de serem conceitos que se podem confundir, o conceito de DT e CPS são aplicados em diferentes domínios. O conceito de CPS relaciona-se com a conexão de duas direções que é possível estabelecer entre o meio físico e o meio digital. Ele utiliza a rede IoT para capturar a informação do meio físico através de sensores e controladores e com esta informação, é possível no meio digital tornar a réplica mais inteligente a fim de conseguir reproduzir o comportamento da entidade física. O conceito de DT é um pouco menos abstrato, comparado com o conceito de CPS, e é o DT que implementa o CPS. O DT utiliza as funcionalidades do CPS para realizar modelos de simulação das entidades físicas de forma a conseguir espelhar a geometria e o comportamento da mesma no meio digital. Com estes modelos digitais é possível realizar uma monitorização e controlo em tempo real das entidades físicas. De forma a aplicar estes conceitos, esta dissertação tem como principal objetivo a implementação de um DT capaz de replicar o comportamento de uma determinada entidade física no meio digital. Dessa forma, através da aplicação web Jurassic Park como plataforma IoT, a dissertação pretende adicionar um conjunto de novas funcionalidades de controlo e monitorização à sua interface-gráfica, de modo a que o utilizador consiga não só observar em tempo real a variação de valores de variáveis previamente subscritas mas também controlar alguns eventos que também foram selecionados pelo utilizador previamente

Cyber-Virtual Systems: Simulation, Validation & Visualization

We describe our ongoing work and view on simulation, validation and visualization of cyber-physical systems in industrial automation during development, operation and maintenance. System models may represent an existing physical part - for example an existing robot installation - and a software simulated part - for example a possible future extension. We call such systems cyber-virtual systems. In this paper, we present the existing VITELab infrastructure for visualization tasks in industrial automation. The new methodology for simulation and validation motivated in this paper integrates this infrastructure. We are targeting scenarios, where industrial sites which may be in remote locations are modeled and visualized from different sites anywhere in the world. Complementing the visualization work, here, we are also concentrating on software modeling challenges related to cyber-virtual systems and simulation, testing, validation and verification techniques for them. Software models of industrial sites require behavioural models of the components of the industrial sites such as models for tools, robots, workpieces and other machinery as well as communication and sensor facilities. Furthermore, collaboration between sites is an important goal of our work.Comment: Preprint, 9th International Conference on Evaluation of Novel Approaches to Software Engineering (ENASE 2014

Multi-Agent Modelling of Industrial Cyber-Physical Systems for IEC 61499 Based Distributed Intelligent Automation

Traditional industrial automation systems developed under IEC 61131-3 in centralized architectures are statically programmed with determined procedures to perform predefined tasks in structured environments. Major challenges are that these systems designed under traditional engineering techniques and running on legacy automation platforms are unable to automatically discover alternative solutions, flexibly coordinate reconfigurable modules, and actively deploy corresponding functions, to quickly respond to frequent changes and intelligently adapt to evolving requirements in dynamic environments. The core objective of this research is to explore the design of multi-layer automation architectures to enable real-time adaptation at the device level and run-time intelligence throughout the whole system under a well-integrated modelling framework. Central to this goal is the research on the integration of multi-agent modelling and IEC 61499 function block modelling to form a new automation infrastructure for industrial cyber-physical systems. Multi-agent modelling uses autonomous and cooperative agents to achieve run-time intelligence in system design and module reconfiguration. IEC 61499 function block modelling applies object-oriented and event-driven function blocks to realize real-time adaption of automation logic and control algorithms. In this thesis, the design focuses on a two-layer self-manageable architecture modelling: a) the high-level cyber module designed as multi-agent computing model consisting of Monitoring Agent, Analysis Agent, Self-Learning Agent, Planning Agent, Execution Agent, and Knowledge Agent; and b) the low-level physical module designed as agent-embedded IEC 61499 function block model with Self-Manageable Service Execution Agent, Self-Configuration Agent, Self-Healing Agent, Self-Optimization Agent, and Self-Protection Agent. The design results in a new computing module for high-level multi-agent based automation architectures and a new design pattern for low-level function block modelled control solutions. The architecture modelling framework is demonstrated through various tests on the multi-agent simulation model developed in the agent modelling environment NetLogo and the experimental testbed designed on the Jetson Nano and Raspberry Pi platforms. The performance evaluation of regular execution time and adaptation time in two typical conditions for systems designed under three different architectures are also analyzed. The results demonstrate the ability of the proposed architecture to respond to major challenges in Industry 4.0