A Model-Driven Engineering Approach for ROS using Ontological Semantics

This paper presents a novel ontology-driven software engineering approach for the development of industrial robotics control software. It introduces the ReApp architecture that synthesizes model-driven engineering with semantic technologies to facilitate the development and reuse of ROS-based components and applications. In ReApp, we show how different ontological classification systems for hardware, software, and capabilities help developers in discovering suitable software components for their tasks and in applying them correctly. The proposed model-driven tooling enables developers to work at higher abstraction levels and fosters automatic code generation. It is underpinned by ontologies to minimize discontinuities in the development workflow, with an integrated development environment presenting a seamless interface to the user. First results show the viability and synergy of the selected approach when searching for or developing software with reuse in mind.Comment: Presented at DSLRob 2015 (arXiv:1601.00877), Stefan Zander, Georg Heppner, Georg Neugschwandtner, Ramez Awad, Marc Essinger and Nadia Ahmed: A Model-Driven Engineering Approach for ROS using Ontological Semantic

A Novel Method for Adaptive Control of Manufacturing Equipment in Cloud Environments

The ability to adaptively control manufacturing equipment, both in local and distributed environments, is becoming increasingly more important for many manufacturing companies. One important reason for this is that manufacturing companies are facing increasing levels of changes, variations and uncertainty, caused by both internal and external factors, which can negatively impact their performance. Frequently changing consumer requirements and market demands usually lead to variations in manufacturing quantities, product design and shorter product life-cycles. Variations in manufacturing capability and functionality, such as equipment breakdowns, missing/worn/broken tools and delays, also contribute to a high level of uncertainty. The result is unpredictable manufacturing system performance, with an increased number of unforeseen events occurring in these systems. Events which are difficult for traditional planning and control systems to satisfactorily manage. For manufacturing scenarios such as these, the use of real-time manufacturing information and intelligence is necessary to enable manufacturing activities to be performed according to actual manufacturing conditions and requirements, and not according to a pre-determined process plan. Therefore, there is a need for an event-driven control approach to facilitate adaptive decision-making and dynamic control capabilities. Another reason driving the move for adaptive control of manufacturing equipment is the trend of increasing globalization, which forces manufacturing industry to focus on more cost-effective manufacturing systems and collaboration within global supply chains and manufacturing networks. Cloud Manufacturing is evolving as a new manufacturing paradigm to match this trend, enabling the mutually advantageous sharing of resources, knowledge and information between distributed companies and manufacturing units. One of the crucial objectives for Cloud Manufacturing is the coordinated planning, control and execution of discrete manufacturing operations in collaborative and networked environments. Therefore, there is also a need that such an event-driven control approach supports the control of distributed manufacturing equipment. The aim of this research study is to define and verify a novel and comprehensive method for adaptive control of manufacturing equipment in cloud environments. The presented research follows the Design Science Research methodology. From a review of research literature, problems regarding adaptive manufacturing equipment control have been identified. A control approach, building on a structure of event-driven Manufacturing Feature Function Blocks, supported by an Information Framework, has been formulated. The Function Block structure is constructed to generate real-time control instructions, triggered by events from the manufacturing environment. The Information Framework uses the concept of Ontologies and The Semantic Web to enable description and matching of manufacturing resource capabilities and manufacturing task requests in distributed environments, e.g. within Cloud Manufacturing. The suggested control approach has been designed and instantiated, implemented as prototype systems for both local and distributed manufacturing scenarios, in both real and virtual applications. In these systems, event-driven Assembly Feature Function Blocks for adaptive control of robotic assembly tasks have been used to demonstrate the applicability of the control approach. The utility and performance of these prototype systems have been tested, verified and evaluated for different assembly scenarios. The proposed control approach has many promising characteristics for use within both local and distributed environments, such as cloud environments. The biggest advantage compared to traditional control is that the required control is created at run-time according to actual manufacturing conditions. The biggest obstacle for being applicable to its full extent is manufacturing equipment controlled by proprietary control systems, with native control languages. To take the full advantage of the IEC Function Block control approach, controllers which can interface, interpret and execute these Function Blocks directly, are necessary

Simulation and Control of a Cyber-Physical System under IEC 61499 Standard

IEC 61499 standard provides an architecture for control systems using function blocks (FB), languages, and semantics. These devices can be interconnected and communicate with each other. Each device contains several resources and algorithms with a communication FB at the end, which can be created, configured, and deleted without affecting other resources. Physical element can be represented by a FB that encapsulates the functionality (data/events, process, return data/events) in a single module that can be reused and combined. This work presents a simplified implementation of a modular control system using a low-cost device. In the prototyping of the application, we use 4diac to control, model and validate the implementation of the system on a programmable logic controller. It is proved that this approach can be used to model and simulate a cyber-physical system as a single element or in a networked combination. The control models provide a reusable FB design.We acknowledge the financial support of CIDEM, R&D unit funded by FCT – Portuguese Foundation for the Development of Science and Technology, Ministry of Science, Technology and Higher Education, under the Project UID/EMS/0615/2019, and it was supported by FCT, through INEGI and LAETA, under project UIDB/50022/2020.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Towards a new methodology for design, modelling, and verification of reconfigurable distributed control systems based on a new extension to the IEC 61499 standard

In order to meet user requirements and system environment changes, reconfigurable control systems must dynamically adapt their structure and behaviour without disrupting system operation. IEC 61499 standard provides limited support for the design and verification of such systems. In fact, handling different reconfiguration scenarios at runtime is difficult since function blocks in IEC 61499 cannot be changed at run-time. Hence, this thesis promotes an IEC 61499 extension called reconfigurable function block (RFB) that increases design readability and smoothly switches to the most appropriate behaviour when a reconfiguration event occurs. To ensure system feasibility after reconfiguration, in addition to the qualitative verification, quantitative verification based on probabilistic model checking is addressed in a new RFBA approach. The latter aims to transform the designed RFB model automatically into a generalised reconfigurable timed net condition/event system model (GRTNCES) using a newly developed environment called RFBTool. The GR-TNCES fits well with RFB and preserves its semantic. Using the probabilistic model checker PRISM, the generated GR-TNCES model is checked using defined properties specified in computation tree logic. As a result, an evaluation of system performance and an estimation of reconfiguration risks are obtained. The RFBA methodology is applied on a distributed power system case study.Dynamische Anforderungen und Umgebungen erfordern rekonfigurierbare Anlagen und Steuerungssysteme. Rekonfiguration ermöglicht es einem System, seine Struktur und sein Verhalten an interne oder externe Änderungen anzupassen. Die Norm IEC 61499 wurde entwickelt, um (verteilte) Steuerungssysteme auf Basis von Funktionsbausteinen zu entwickeln. Sie bietet jedoch wenig Unterstützung für Entwurf und Verifikation. Die Tatsache, dass eine Rekonfiguration das System-Ausführungsmodell verändert, erschwert die Entwicklung in IEC 61499 zusätzlich. Daher schlägt diese Dissertation rekonfigurierbare Funktionsbausteine (RFBs) als Erweiterung der Norm vor. Ein RFB verarbeitet über einen Master-Slave-Automaten Rekonfigurationsereignisse und löst das entsprechende Verhalten aus. Diese Hierarchie trennt das Rekonfigurationsmodell vom Steuerungsmodell und vereinfacht so den Entwurf. Die Funktionalität des Entwurfs muss verifiziert werden, damit die Ausführbarkeit des Systems nach einer Rekonfiguration gewährleistet ist. Hierzu wird das entworfene RFB-Modell automatisch in ein generalised reconfigurable timed net condition/event system übersetzt. Dieses wird mit dem Model-Checker PRISM auf qualitative und quantitative Eigenschaften überprüft. Somit wird eine Bewertung der Systemperformanz und eine Einschätzung der Rekonfigurationsrisiken erreicht. Die RFB-Methodik wurde in einem Softwarewerkzeug umgesetzt und in einer Fallstudie auf ein dezentrales Stromnetz angewendet

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

A review of architectures and concepts for intelligence in future electric energy system

Renewable energy sources are one key enabler to decrease greenhouse gas emissions and to cope with the anthropogenic climate change. Their intermittent behavior and limited storage capabilities present a new challenge to power system operators to maintain power quality and reliability. Additional technical complexity arises from the large number of small distributed generation units and their allocation within the power system. Market liberalization and changing regulatory framework lead to additional organizational complexity. As a result, the design and operation of the future electric energy system have to be redefined. Sophisticated information and communication architectures, automation concepts, and control approaches are necessary in order to manage the higher complexity of so-called smart grids. This paper provides an overview of the state of the art and recent developments enabling higher intelligence in future smart grids. The integration of renewable sources and storage systems into the power grids is analyzed. Energy management and demand response methods and important automation paradigms and domain standards are also reviewed.info:eu-repo/semantics/publishedVersio