Teollisen Internetin käyttöönotto automaatiolaitteissa

Industrial Internet is a term that is used to describe digitalization of industry. It is a research direction in Finland, where there are already various groups studying it. Despite this, the term Industrial Internet is still relatively vague and there is a lack of concreteness around the topic. The objective of this thesis is to explore the current status of Industrial Internet and study the capabilities of automation devices from an Industrial Internet point of view. I explore Industrial Internet through a literary review where I study various use cases. The use cases of Industrial Internet are divided into two main types: platform centric and machine to machine (M2M) communication centric. The use cases provide a list of characteristics and requirements for Industrial Internet from these two perspectives. General requirements are, for example scalability and flexibility, which are achieved through various IT technologies, such as Service-Oriented-Architecture. This thesis also consists of a practical part where I configured the control logic and data collection for a test bed that simulates drop tests of active magnetic bearings. The control logic consists of a programmable logic controller and corresponding software. The data collection consists of software for collecting and analyzing measurement data and the measuring equipment. After the literary review and practical part, I propose the creation of a cloud based Industrial Internet platform around the active magnetic test bed. The purpose of the platform is to provide a direction for further research. The creation of the platform consists of two phases: first phase includes the creation of the platform so that the test bed achieves current functionality but cloud based. The second phase consists of changing the platform to meet the requirements of the literature review. The end results will be an application independent system solution for Industrial Internet.Teollinen Internet on termi, jolla kuvataan teollisuuden digitalisaatiota. Aihe on kasvavan kiinnostuksen kohde ja esim. Suomessa on useita tahoja, jotka panostavat aiheen tutkimukseen. Siltikin Teollinen Internet on käsitteenä epäselvä ja sitä vaivaa konkretian puute. Tämän työn tarkoituksena on tutustua Teollisen Internetin nykytilaan ja automaatiolaitteiden ominaisuuksiin Teollisen Internetin näkökulmasta. Teollisen Internetin esimerkit jakautuvat pääasiassa kahteen luokkaan: alustalähtöisiin ja koneiden väliseen kommunikaatioon (M2M-kommunikaatio). Esimerkit tarjoavat listan ominaisuuksia ja vaatimuksia Teolliselle Internetille kummastakin näkökulmasta. Yleisiä ominaisuuksia ovat esimerkiksi skaalattavuus ja joustavuus, jotka saavutetaan erilaisilla tietoteknisillä vaatimuksilla, esim. palvelukeskeisellä arkkitehtuurilla. Lisäksi työhön kuuluu käytännön osuus, jossa kirjoitin ohjainlogiikan ja datankeräyksen testilaitteeseen, joka simuloi aktiivimagneettilaakerien pudotuskokeita. Ohjainlogiikka koostui PLC-laitteesta ja siihen liittyvistä ohjelmistoista. Datan keräys koostui mittausdatan keräykseen ja purkamiseen vaadittavista ohjelmistoista sekä laitteistosta. Kirjallisuudesta kerättyjen vaatimusten ja käytännön kokemuksien perusteella esitän pilvipohjaisen, Teolliseen Internetiin suunnatun ohjelmistoalustan kehittämistä testilaitteen ympärille. Ohjelmistoalusta voi toimia yliopistollisen jatkotutkimuksen pohjana. Ohjelmistoalustan toteuttaminen tapahtuu kahdessa vaiheessa: ensimmäisessä vaiheessa kehitetään pilvipohjainen alusta, joka saavuttaa testilaitteiston nykyisen toiminnallisuuden. Toisessa vaiheessa ohjelmistoalusta muutetaan vastaamaan Teollisen Internetin vaatimuksia, jolla saavutetaan sovellusriippumaton järjestelmäratkaisu

Effectiveness of OPC for systems integration in the process control information architecture

A Process is defined as the progression to some particular end or objective through a logical and orderly sequence of events. Various devices (e.g., actuators, limit switches, motors, sensors, etc.) play a significant role in making sure that the process attains its objective (e.g., maintaining the furnace temperature within an acceptable limit). To do these things effectively, manufacturers need to access data from the plant floor or devices and integrate those into their control applications, which maybe one of the off the shelf tools such as Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), Distributed Control System (DCS), or Programmable Logic Controllers (PLC). A number of vendors have devised their own Data Acquisition Networks or Process Control Architectures (e.g., PROFIBUS, DEVICENET, INTERBUS, ETHERNET I/P, etc.) that claim to be open to or interoperable with a number of third party devices or products that make process data available to the Process or Business Management level. In reality this is far from what it is claimed to be. Due to the problem of interoperability, a manufacturer is forced to be bound, either with the solutions provided by a single vendor or with the writing of a driver for each hardware device that is accessed by a process application. Today\u27s manufacturers are looking for advanced distributed object technologies that allow for seamless exchange of information across plant networks as a means of integrating the islands of automation that exist in their manufacturing operations. OLE for Process Control (OPC) works to significantly reduce the time, cost, and effort required in writing custom interfaces for hundreds of different intelligent devices and networks in use today. The objective of this thesis is to explore the OLE for Process Control (OPC) technology in depth by highlighting its need in industry and by using the OPC technology in an application in which data from a process controlled by Siemens Simatic S7 PLC are shared with a client application running in LabVTEW6i

Modeling and Simulation Methodologies for Digital Twin in Industry 4.0

The concept of Industry 4.0 represents an innovative vision of what will be the factory of the future. The principles of this new paradigm are based on interoperability and data exchange between dierent industrial equipment. In this context, Cyber- Physical Systems (CPSs) cover one of the main roles in this revolution. The combination of models and the integration of real data coming from the field allows to obtain the virtual copy of the real plant, also called Digital Twin. The entire factory can be seen as a set of CPSs and the resulting system is also called Cyber-Physical Production System (CPPS). This CPPS represents the Digital Twin of the factory with which it would be possible analyze the real factory. The interoperability between the real industrial equipment and the Digital Twin allows to make predictions concerning the quality of the products. More in details, these analyses are related to the variability of production quality, prediction of the maintenance cycle, the accurate estimation of energy consumption and other extra-functional properties of the system. Several tools [2] allow to model a production line, considering dierent aspects of the factory (i.e. geometrical properties, the information flows etc.) However, these simulators do not provide natively any solution for the design integration of CPSs, making impossible to have precise analysis concerning the real factory. Furthermore, for the best of our knowledge, there are no solution regarding a clear integration of data coming from real equipment into CPS models that composes the entire production line. In this context, the goal of this thesis aims to define an unified methodology to design and simulate the Digital Twin of a plant, integrating data coming from real equipment. In detail, the presented methodologies focus mainly on: integration of heterogeneous models in production line simulators; Integration of heterogeneous models with ad-hoc simulation strategies; Multi-level simulation approach of CPS and integration of real data coming from sensors into models. All the presented contributions produce an environment that allows to perform simulation of the plant based not only on synthetic data, but also on real data coming from equipments

A Framework for Industry 4.0

The potential of the Industry 4.0 will allow the national industry to develop all kinds of procedures, especially in terms of competitive differentiation. The prospects and motivations behind Industry 4.0 are related to the management that is essentially geared towards industrial internet, to the integrated analysis and use of data, to the digitalization of products and services, to new disruptive business models and to the cooperation within the value chain. It is through the integration of Cyber-Physical Systems (CPS), into the maintenance process that it is possible to carry out a continuous monitoring of industrial machines, as well as to apply advanced techniques for predictive and proactive maintenance. The present work is based on the MANTIS project, aiming to construct a specific platform for the proactive maintenance of industrial machines, targeting particularly the case of GreenBender ADIRA Steel Sheet. In other words, the aim is to reduce maintenance costs, increase the efficiency of the process and consequently the profit. Essentially, the MANTIS project is a multinational research project, where the CISTER Research Unit plays a key role, particularly in providing the communications infrastructure for one MANTIS Pilot. The methodology is based on a follow-up study, which is jointly carried with the client, as well as within the scope of the implementation of the ADIRA Pilot. The macro phases that are followed in the present work are: 1) detailed analysis of the business needs; 2) preparation of the architecture specification; 3) implementation/development; 4) tests and validation; 5) support; 6) stabilization; 7) corrective and evolutionary maintenance; and 8) final project analysis and corrective measures to be applied in future projects. The expected results of the development of such project are related to the integration of the industrial maintenance process, to the continuous monitoring of the machines and to the application of advanced techniques of preventive and proactive maintenance of industrial machines, particularly based on techniques and good practices of the Software Engineering area and on the integration of Cyber-Physical Systems.O potencial desenvolvido pela Indústria 4.0 dotará a indústria nacional de capacidades para desenvolver todo o tipo de procedimentos, especialmente a nível da diferenciação competitiva. As perspetivas e as motivações por detrás da Indústria 4.0 estão relacionadas com uma gestão essencialmente direcionada para a internet industrial, com uma análise integrada e utilização de dados, com a digitalização de produtos e de serviços, com novos modelos disruptivos de negócio e com uma cooperação horizontal no âmbito da cadeia de valor. É através da integração dos sistemas ciber-físicos no processo de manutenção que é possível proceder a um monitoramento contínuo das máquinas, tal como à aplicação de técnicas avançadas para a manutenção preditiva e pró-ativa das mesmas. O presente trabalho é baseado no projeto MANTIS, objetivando, portanto, a construção de uma plataforma específica para a manutenção pró-ativa das máquinas industriais, neste caso em concreto das prensas, que serão as máquinas industriais analisadas ao longo do presente trabalho. Dito de um outro modo, objetiva-se, através de uma plataforma em específico, reduzir todos os custos da sua manutenção, aumentando, portanto, os lucros industriais advindos da produção. Resumidamente, o projeto MANTIS consiste num projeto de investigação multinacional, onde a Unidade de Investigação CISTER desenvolve um papel fundamental, particularmente no fornecimento da infraestrutura de comunicação no Piloto MANTIS. A metodologia adotada é baseada num estudo de acompanhamento, realizado em conjunto com o cliente, e no âmbito da implementação do Piloto da ADIRA. As macro fases que são compreendidas por esta metodologia, e as quais serão seguidas, são: 1) análise detalhada das necessidades de negócio; 2) preparação da especificação da arquitetura; 3) implementação/desenvolvimento; 4) testes e validação; 5) suporte; 6) estabilização; 7) manutenção corretiva e evolutiva; e 8) análise final do projeto e medidas corretivas a aplicar em projetos futuros. Os resultados esperados com o desenvolvimento do projeto estão relacionados com a integração do processo de manutenção industrial, a monitorização contínua das máquinas e a aplicação de técnicas avançadas de manutenção preventiva e pós-ativa das máquinas, especialmente com base em técnicas e boas práticas da área de Engenharia de Software

A Complex Event Processing System for Monitoring of Manufacturing Systems

Future manufacturing systems will require to process large amounts of complex data due to a rising demand on visibility and vertical integration of factory floor devices with higher level systems. Systems contained in higher layers of the business model are rapidly moving towards a Service Oriented Architecture, inducing a tendency to push Web Technologies down to the factory floor level. Evidence of this trend is the addition of Web Services at the device level with Device Profile for Web Services and the transition of OPC based on COM/DCOM communication to OPC-UA based on Web Services. DPWS and OPC-UA are becoming nowadays the preferred options to provide on a device level, service-oriented solutions capable to extend with an Event Driven Architecture into manufacturing systems. This thesis provides an implementation of a factory shop floor monitor based on Complex Event Processing for event-driven manufacturing processes. Factory shop monitors are particularly used to inform the workshop personnel via alarms, notifications and, visual aids about the performance and status of a manufacturing process. This work abstracts the informative value of the event-cloud surrounding the factory shop floor by processing its content against rules and formulas to convert it to valuable pieces of information that can be exposed to business monitors and dashboards. As a result, a system with a generic framework for integrating heterogeneous sources was reached, transforming simple data into alarms and complex events containing a specific context within the manufacturing process

On the orchestration of operations in flexible manufacturing

Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica (Controlo e Gestão) apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraDomínio A capacidade de produzir bem é a chave da riqueza. Uma boa produção concretiza-se pela transformação competitiva de matérias-primas em produtos de qualidade para o mercado global. Tal transformação inclui uma série de operações coordenadas de modo a obter a produtividade que permite o aumento da competitividade. Embora algumas operações possam requerer pessoal especializado, a tendência é para uma crescente automatização. A coordenação das operações automatizadas é também automatizada (através de uma variedade de transportadores, comunicação digital, etc.). Contudo, e embora a produção seja automatizada, a configuração do equipamento é feita manualmente. Situação A necessidade de automatização foi inicialmente sentida e aplicada na produção de longas séries, como no caso da indústria automóvel. Com a necessidade de redução de custos e aumento de flexibilidade, a inclusão de máquinas/equipamentos controlados por computador, assim como de interligações por computadores/redes tem sido extensiva. O aumento de software nestes sistemas, as restrições físicas e as (indesejáveis) interconecções lógicas conduzem a um aumento da complexidade, que em empresas de produção em grande escala é obviado por especialistas. O aumento na procura de produtos personalizados e a rapidez para a sua comercialização determinam a necessidade de uma produção flexível. Contudo, a referida indesejável complexidade constitui um grande obstáculo para o recurso a soluções (semi)-automatizadas, e postos de trabalho (de alta qualidade) são deslocados para países de mão-de-obra mais barata. O caso mais difícil prende-se com a utilização de robôs (que é o tipo de máquina mais flexível) nas empresas mais flexíveis, como sejam as Pequenas e Médias Empresas (PMEs). Deste modo, as condições para a utilização de robôs (juntamente com outro tipo de equipamento) em PMEs (incluindo operações manuais e configuração) representam o maior desafio, uma vez que os sistemas técnicos têm de ser estruturados de forma a suportarem a desejada flexibilidade. À semelhança da incapacidade de uma boa gestão em compensar a falta de competência em actividades como a do comércio ou da investigação cientifica, as etapas de produção têm de ser apropriadamente construídas e mantidas. Estas últimas representam aquilo em que o produtor se deve concentrar e especializar. Assim, sejam quais forem os avanços que facilitem a produção, as práticas de produção competitiva deverão ser mantidas. Especificamente, processos de trabalho com conhecimentos valiosos não devem ser prejudicados por detalhes técnicos irrelevantes. Novas tecnologias que possam aumentar a competitividade e/ou melhorar as condições de trabalho são obviamente desejáveis. Contudo, estas deverão ser combinadas com princípios de utilização simples para os quais os sistemas de produção são construídos. Tópico A complexidade surge tanto na operação como na coordenação, mas também na sua configuração manual. Esta é parcialmente compreensível e gerenciável, uma vez que uma determinada máquina ou processo de fabrico pode ser bastante avançado e complexo. Assim, a complexidade será local. Contudo, e em particular com software envolvido, dependências adhoc acidentais entre operações e coordenação tornam a situação actual mais difícil. Adicionalmente, a configuração de cada máquina e subsistema envolve uma variedade de interfaces de utilizador e ferramentas de configuração/programação. Uma vez mais, as grandes empresas podem contar com engenheiros altamente qualificados para lidar com estes problemas, enquanto que nas PMEs a situação fica facilmente ingovernável. Consideramos que podemos referir o problema como uma questão de orquestração. Orquestração é então definida como o arranjo, coordenação e gestão (semi-) automatizada de complexos sistemas de produção, incluindo as suas interacções em termos de comunicação e os seus serviços em termos de controlo por computador. O tópico pode então ser formulado como a procura de princípios óptimos, ou pelo menos exequíveis, para a orquestração de processos produtivos de pequena escala. Na realidade, existem aspectos fundamentais envolvidos que não representam apenas uma questão de engenharia a ser solucionada. Ao contrário, a situação requer uma abordagem científica com especial atenção para a recente tecnologia de suporte proveniente de outras áreas. Abordagem cientifica - A procura de princípios apropriados a PMEs para a orquestração de processos de produção não se presta a uma análise teórica, que por sua vez requer a utilização de modelos formais e derivação das soluções (sub-)óptimas e suas propriedades. Embora tivesse sido preferível obter provas formais de uma solução óptima, a complexidade do equipamento, o envolvimento de humanos, a considerável desorganização das PMEs, a necessidade de aderir às práticas industriais, assim como a variedade de PMEs existentes, dificultam uma abordagem teórica. Deste modo, foi seguida uma abordagem empírica. A dificultar o teste e a avaliação de uma abordagem empírica estão as possíveis variações no software envolvido, juntamente com a constante mudança que ocorre na produção em sistemas de produção flexíveis. Adicionalmente, a experimentação não pode ser conduzida em ambientes industriais (onde esta iria perturbar a produção). Assim sendo, as experiências deverão ser cuidadosamente seleccionadas e conduzidas em laboratório com recurso a equipamento industrial. Ainda assim, dadas as condições e singularidade de algum equipamento, não é fácil reproduzir os resultados noutros locais, o que constitui um problema para a validação e aceitação dos mesmos. Contudo, caso a solução sugerida em termos de princípios técnicos possa ser encontrada ou confirmada por resultados publicados de investigação independente, ou se técnicas relacionadas derem origem a novos produtos, tal pode desejavelmente contribuir para a validação de resultados. Isto é, embora resultados semelhantes para outros laboratórios sejam válidos, as diferenças actuais vão revelar a existência de variações que merecem estudo detalhado. Abordagem técnica - Os sistemas de produção flexíveis consistem em equipamento distribuído do ponto de vista computacional. Tipicamente, os diferentes aparelhos não foram concebidos para operarem em conjunto, mas devem, no entanto, ser de fácil configuração no local de trabalho. Uma abordagem básica passaria pela utilização de plataformas de software que suportassem componentes distribuídos de uma forma flexível. Contudo, as plataformas computacionais existentes podem não satisfazer com eficiência a necessidade do equipamento integrado, podendo revelar falta de robustez, nomeadamente nas interconecções. Deste modo, é necessário combinar com algum cuidado a tecnologia existente e confrontar as soluções sugeridas com as necessidades actuais das empresas. A abordagem seguida encontra-se dividida em quatro partes: 1. Suportar o acoplamento fraco entre componentes de forma a obter simples composição quando o equipamento é instalado ou substituído. As interacções necessitam ser assíncronas e baseadas em eventos através de interfaces bem definidas e auto-explicativas, contendo serviços definidos em termos de operações de produção (e não em termos de software interno). 2. Produzir princípios unificados para interacção com utilizador e interfaces, permitindo que utilizadores não especializados possam (re)configurar e (re)programar o sistema de produção. Uma interacção com o utilizador que permita combinar operações básicas que resultem num novo serviço, o qual deverá idealmente estar facilmente acessível através de interfaces programadas e manuais. 3. As abordagens baseadas em modelos têm-se revelado eficazes para desempenho e reutilização. No entanto, os modelos consistem em elevado nível de conhecimento e são dispendiosos de obter no âmbito da flexibilidade e desorganização das PMEs. Uma melhor abordagem é permitir a visibilidade do conhecimento envolvido numa determinada etapa em termos do processo de produção, de modo a que o operador transmita inteligência através de uma interface simples. 4. O software é por defeito não descritivo, assim como a execução sequencial de código imperativo não se compõe. Conhecimento no metanível e descrições declarativas deverão ser utilizadas, se possível, sem comprometimento dos itens anteriores. O objectivo é gerar software ao nível de aplicação, partindo de descrições de alto nível. A avaliação experimental deverá verificar técnicas individuais como tal, e os resultados deverão ser comparados com investigação relacionada. A abordagem global consiste em combinar os resultados das diferentes partes em princípios aplicáveis a futuros processos de produção das PMEs. Resultados O uso de arquitecturas orientadas a serviços (SOA) nas redes empresariais resolveu as limitações das arquitecturas orientadas a componentes no que diz respeito ao acoplamento através da standarização das interfaces, protocolos de comunicação, gestão de transacções, e segurança, entre outros. SOA ao nível do dispositivo é o resultado da importação de princípios SOA para os sistemas embebidos com algumas importantes diferenças, nomeadamente: inclusão de padrões de mensagens publish/subscribe, descoberta e descrição directa entre dispositivos, e modelos descritivos genéricos. Numa primeira fase, este trabalho validou os inúmeros trabalhos realizados sobre a aplicação de SOA ao nível do dispositivo em ambiente industrial com o teste num protótipo de célula de trabalho. De seguida foi levado a cabo um trabalho de avaliação comparativa entre duas SOA ao nível do dispositivo com estilos de arquitectura diferentes, servindo como base aos restantes desenvolvimentos da tese. Ainda que os resultados desta avaliação tenham mostrado o grande avanço proporcionado pelo uso de SOA, nomeadamente no que diz respeito ao desacoplamento entre componentes atingido, alguns aspectos críticos para o seu uso efectivo ainda estavam por resolver, designadamente: 1. A geração e a especificação dos serviços ao nível da tarefa 2 A definição de uma linguagem de orquestração adequada às SOA ao nível do dispositivo. Uma abordagem baseada em tarefas, quando relacionadas com processos de manufactura, consubstancia-se na capacidade de disponibilizar um mecanismo flexível (e amigável para o utilizador de uma PME) para a especificação das interfaces de rede. Os programas de robô são um elemento chave na flexibilidade do robô e este trabalho mostrou que o seu uso para a definição de interfaces vai elevar a fasquia da flexibilidade para o nível das interligações. A natureza procedimental de muitas linguagens de robô encaixa-se perfeitamente com o padrão de mensagens definido nas plataformas SOA, com uma mistura de variáveis de estado definidas a partir de variáveis do robô, e com acções definidas a partir de métodos da linguagem robô. A definição de uma linguagem de orquestração preencheu uma lacuna nos padrões de orquestração: sistemas conduzidos a eventos. Estes sistemas definem estados e transições de uma forma clara, potenciando a capacidade do utilizador de acompanhar o estado do sistema. Statecharts constituem um par adequado para a arquitectura SOA, uma vez que as transições de estado são baseadas em eventos, que no nosso caso são eventos na rede, mas os estados (e também as transições) incluem igualmente acções, que podem ser mapeadas para operações. A avaliação empírica efectuada mostrou uma previsível boa curva de aprendizagem para estes sistemas, em parte devido às vantagens associadas à sua semelhança a técnicas de automação tradicionais, como os Sequential Function Charts. Os resultados desta avaliação são positivos e justificam esforços suplementares para efectuar testes em aplicações reais, o que neste caso implica utilizadores de PME reais. Conclusões Três conclusões devem ser retiradas desta tese: A estratégia proposta para a especificação de serviços é um elemento chave no futuro do uso de SOA ao nível dos dispositivos, devido à importância da definição das interfaces no sucesso destas arquitecturas. A programação ao nível da tarefa é desta forma transferida da programação dos robôs para o nível da rede. Uma linguagem conduzida a eventos foi definida para a orquestração. Testes revelaram o seu uso e compatibilidade com as necessidades das células de fabrico das pequenas e médias empresas, nomeadamente estados explícitos e transições baseadas em eventos. Esta abordagem preenche uma lacuna nos padrões de orquestração existentes na indústria e constitui uma excelente base de trabalho para o futuro. Finalmente, foram abordadas técnicas baseadas em conhecimento, e avaliada a sua integração com a arquitectura definida anteriormente. Estes estudos mostraram a importância das estratégias descritivas e as inúmeras possibilidades abertas quando a semântica é adicionada aos sistemas industriais baseados em software, especialmente quando suportados em bem estabelecidas tecnologias de rede, como as descritas anteriormente.Our ability to manufacture well is the key to our wealth. Obtaining a wider range of different (and better) products in a sustainable way in terms of labour and environment is the big challenge faced by modern manufacturing. In the last few decades, automation has played a key role in the enhanced productivity of mass-production industries, but there has been a paradigm shift: global consumers ask for customization, leading manufacturers to target mass customization and consequently requiring new levels of flexibility for automation. An industrial robot is usually considered to be a flexible machine, which is only true within the large plant scenario. Small enterprises, which are by nature the most flexible ones, do not make use of robot systems as they could, because robot flexibility, which relies on reprogramming and reconfiguring, cannot be taken on by the SME (Small Medium Enterprises) worker at the workshop, and hiring specialists is unacceptable in terms of costs. The easy reconfiguration of a robotic work-cell, which is a distributed environment with computation in different platforms that are coordinated by software, is hindered greatly by the dependencies between cell components. This thesis addresses the problem of dependencies by proposing principles and mechanisms for the orchestration of complex manufacturing systems, i.e., the (semi-) automated coordination of their interactions in terms of communications and computer control. The industrial environment, especially regarding robotics, does not lend itself to theoretical analysis due to the amount of work needed to reach formal models. This is exacerbated in the unstructured SME environment and when working with user-in-the-loop systems. Therefore, the approach used in this thesis was mainly empirical, with validation through laboratory prototypes used by some representative users. The approach consisted of the following parts: 1. supporting loose coupling between components to promote simple composition of services to enable an easier reconfiguration; 2. defining unifying principles in terms of user interaction, by taking into account current robot technologies and improvements from other scientific areas, namely enterprise level networking; 3. enabling a task-based view of knowledge in terms of the manufacturing processes to promote the reconfiguration of the system by process rather than robotics specialists; 4. proposing declarative techniques that support easy configuration of the work-cell in terms understandable by the SME user. The use of service-oriented architectures (SOAs) in the business world has tackled the limitations of component-oriented architectures in terms of coupling through the standardization of interfaces, communication protocols, transaction management, and security, among others. Device-level SOA are the result of the porting of SOA principles to the embedded level with the addition of several important features, namely: publish/subscribe messaging patterns, peer-to-peer discovery description and generic templates. At an initial stage, this work has validated the current trend of using device-level SOA in industrial environments by testing their use against a prototype work-cell. Following this, a comparison was made between device-level SOA platforms that embodied two different architectural styles. This served as a basis for the rest of the thesis. Although the results from this evaluation have shown the great advances brought about by the use of device-level SOA, for instance in terms of decoupling, some critical issues for their effective use remained unchallenged, namely: 1. The generation and the specification of task-level services (contracts), with transparent and easy-to-use techniques for the SME user. 2. The definition of orchestration techniques adapted to the device-level SOA, with adequate expressiveness and simplicity for the SME user. A task-based view of knowledge in terms of manufacturing processes relies on the ability to provide a flexible (SME user-friendly) mechanism for the specification of network interfaces. Robot programs are the key element for robot flexibility. This work has shown that their use in interface definition will feature flexibility also at the interconnection level. The procedural nature of many robot programming languages copes perfectly with the device-level SOA messaging style, with a mixture of evented state variables defined by robot variables, and with actions defined by robot methods. The definition of an orchestration language has addressed a missing pattern in service orchestration: event-driven systems. These systems define states and transitions in a clear way, thus enhancing the user’s ability to predict the state of the system. Statecharts provide a perfect match for the device-level SOA since the state-transitions are event-based, but the states (and the transitions) embody actions, which can be mapped to operations. The empiric evaluation made with several types of users has shown the predictable steep learning curve of these systems, partly due to their resemblance to traditional automation techniques like SFCs. The results are therefore positive and justify the effort of testing the system against real applications, which in this case means with real SME users. Descriptive techniques for software are one of the keys to establish the bridge between humans and computer programs. Despite recent evolutions, these techniques are not yet ready for use, and supportive technologies and methodologies need to be tested. In this work, a cell specification language has been defined and software developed that configures a programming-by-demonstration robotic work-cell. In conclusion, there are three main outcomes from this thesis. The proposed strategy for the specification of services is a key enabler in the future use of device-level SOA in industrial robotics, due to the importance of interface definition in the success of these architectures. Task-level programming is in this way extended from the robot programming level to networked devices. An event-driven language has been defined for the orchestration. Tests revealed its ease of use and compatibility with the orchestration needs of SME work-cells, namely: explicit states and event-based transitions. This approach fulfils a missing orchestration pattern in the industry, and provides an excellent basis for future work. A descriptive robotic cell specification has been introduced that supports the automatic workcell (re)configuration. This work has shown the importance of descriptive knowledge in automation, especially when supported by the networking integration techniques described previously.Project SMERobot, Integrated project funded under the European Union’s Sixth Framework Programme (FP6

Decision Support Systems

Decision support systems (DSS) have evolved over the past four decades from theoretical concepts into real world computerized applications. DSS architecture contains three key components: knowledge base, computerized model, and user interface. DSS simulate cognitive decision-making functions of humans based on artificial intelligence methodologies (including expert systems, data mining, machine learning, connectionism, logistical reasoning, etc.) in order to perform decision support functions. The applications of DSS cover many domains, ranging from aviation monitoring, transportation safety, clinical diagnosis, weather forecast, business management to internet search strategy. By combining knowledge bases with inference rules, DSS are able to provide suggestions to end users to improve decisions and outcomes. This book is written as a textbook so that it can be used in formal courses examining decision support systems. It may be used by both undergraduate and graduate students from diverse computer-related fields. It will also be of value to established professionals as a text for self-study or for reference