A communication support for real-time distributed computer controlled systems

In this paper, we analyse the ability of P-NET [1] fieldbus to cope with the timing requirements of a Distributed Computer Control System (DCCS), where messages associated to discrete events should be made available within a maximum bound time. The main objective of this work is to analyse how the network access and queueing delays, imposed by P-NET’s virtual token Medium Access Control (MAC) mechanism, affect the realtime behaviour of the supported DCCS.

A vision of cyber-physical internet

When the Internet was born, the purpose was to interconnect computers to share digital data at large-scale. On the other hand, when embedded systems were born, the objective was to control system components under real-time constraints through sensing devices, typically at small to medium scales. With the great evolution of the Information and Communication Technology (ICT), the tendency is to enable ubiquitous and pervasive computing to control everything (physical processes and physical objects) anytime and at a large-scale. This new vision gave recently rise to the paradigm of Cyber-Physical Systems (CPS). In this position paper, we provide a realistic vision to the concept of the Cyber-Physical Internet (CPI), discuss its design requirements and present the limitations of the current networking abstractions to fulfill these requirements. We also debate whether it is more productive to adopt a system integration approach or a radical design approach for building large-scale CPS. Finally, we present a sample of realtime challenges that must be considered in the design of the Cyber-Physical Internet.

Fractional dynamics in liquid manipulation

This paper presents a fractional calculus perspective in the study of signals captured during the movement of a mechanical manipulator carrying a liquid container. In order to study the signals an experimental setup is implemented. The system acquires data from the sensors, in real time, and, in a second phase, processes them through an analysis package. The analysis package runs off-line and handles the recorded data. The results show that the Fourier spectrum of several signals presents a fractional behavior. The experimental study provides useful information that can assist in the design of a control system and the trajectory planning to be used in reducing or eliminating the effect of vibrations.

Multi-criteria optimization manipulator trajectory planning

In the last twenty years genetic algorithms (GAs) were applied in a plethora of fields such as: control, system identification, robotics, planning and scheduling, image processing, and pattern and speech recognition (Bäck et al., 1997). In robotics the problems of trajectory planning, collision avoidance and manipulator structure design considering a single criteria has been solved using several techniques (Alander, 2003). Most engineering applications require the optimization of several criteria simultaneously. Often the problems are complex, include discrete and continuous variables and there is no prior knowledge about the search space. These kind of problems are very more complex, since they consider multiple design criteria simultaneously within the optimization procedure. This is known as a multi-criteria (or multiobjective) optimization, that has been addressed successfully through GAs (Deb, 2001). The overall aim of multi-criteria evolutionary algorithms is to achieve a set of non-dominated optimal solutions known as Pareto front. At the end of the optimization procedure, instead of a single optimal (or near optimal) solution, the decision maker can select a solution from the Pareto front. Some of the key issues in multi-criteria GAs are: i) the number of objectives, ii) to obtain a Pareto front as wide as possible and iii) to achieve a Pareto front uniformly spread. Indeed, multi-objective techniques using GAs have been increasing in relevance as a research area. In 1989, Goldberg suggested the use of a GA to solve multi-objective problems and since then other researchers have been developing new methods, such as the multi-objective genetic algorithm (MOGA) (Fonseca & Fleming, 1995), the non-dominated sorted genetic algorithm (NSGA) (Deb, 2001), and the niched Pareto genetic algorithm (NPGA) (Horn et al., 1994), among several other variants (Coello, 1998). In this work the trajectory planning problem considers: i) robots with 2 and 3 degrees of freedom (dof ), ii) the inclusion of obstacles in the workspace and iii) up to five criteria that are used to qualify the evolving trajectory, namely the: joint traveling distance, joint velocity, end effector / Cartesian distance, end effector / Cartesian velocity and energy involved. These criteria are used to minimize the joint and end effector traveled distance, trajectory ripple and energy required by the manipulator to reach at destination point. Bearing this ideas in mind, the paper addresses the planning of robot trajectories, meaning the development of an algorithm to find a continuous motion that takes the manipulator from a given starting configuration up to a desired end position without colliding with any obstacle in the workspace. The chapter is organized as follows. Section 2 describes the trajectory planning and several approaches proposed in the literature. Section 3 formulates the problem, namely the representation adopted to solve the trajectory planning and the objectives considered in the optimization. Section 4 studies the algorithm convergence. Section 5 studies a 2R manipulator (i.e., a robot with two rotational joints/links) when the optimization trajectory considers two and five objectives. Sections 6 and 7 show the results for the 3R redundant manipulator with five goals and for other complementary experiments are described, respectively. Finally, section 8 draws the main conclusions.

A remote engineering solution for automating a roller hearth kiln

Remote engineering (also known as online engineering) may be defined as a combination of control engineering and telematics. In this area, specific activities require computacional skills in order to develop projects where electrical devives are monitored and / or controlled, in an intercative way, through a distributed network (e.g. Intranet or Internet). In our specific case, we will be dealing with an industrial plant. Within the last few years, there has been an increase in the number of activities related to remote engineering, which may be connected to the phenomenon of the large extension experienced by the Internet (e.g. bandwith, number of users, development tools, etc.). This increase opens new and future possibilities to the implementation of advance teleworking (or e-working) positions. In this paper we present the architecture for a remote application, accessible through the Internet, able to monitor and control a roller hearth kiln, used in a ceramics industry for firing materials. The proposed architecture is based on a micro web server, whose main function is to monitor and control the firing process, by reading the data from a series of temperature sensors and by controlling a series of electronic valves and servo motors. This solution is also intended to be a low-cost alternative to other potential solutions. The temperature readings are obtained through K-type thermopairs and the gas flow is controlled through electrovalves. As the firing process should not be stopped before its complete end, the system is equipped with a safety device for that specific purpose. For better understanding the system to be automated and its operation we decided to develop a scale model (100:1) and experiment on it the devised solution, based on a Micro Web Server.

Robotic manipulators with vibrations: short time fourier transform of fractional spectra

This paper analyzes the signals captured during impacts and vibrations of a mechanical manipulator. In order to acquire and study the signals an experimental setup is implemented. The signals are treated through signal processing tools such as the fast Fourier transform and the short time Fourier transform. The results show that the Fourier spectrum of several signals presents a non integer behavior. The experimental study provides valuable results that can assist in the design of a control system to deal with the unwanted effects of vibrations.

Controlo de um robô autónomo através de redes neuronais

Neste trabalho pretende-se introduzir os conceitos associados às redes neuronais e a sua aplicação no controlo de sistemas, neste caso na área da robótica autónoma. Foi utilizado um AGV de modo a testar experimentalmente um controlo através de uma rede neuronal artificial. A grande vantagem das redes neuronais artificiais é estas poderem ser ensinadas a funcionarem como se pretende. A partir desta caraterística foram efetuadas duas abordagens na implementação do AGV disponibilizado. A primeira abordagem ensinava a rede neuronal a funcionar como o controlo por lógica difusa que foi implementado no AGV aquando do seu desenvolvimento. A segunda abordagem foi ensinar a rede neuronal artificial a funcionar a partir de dados retirados de um controlo remoto simples implementado no AGV. Ambas as abordagens foram inicialmente implementadas e simuladas no MATLAB, antes de se efetuar a sua implementação no AGV. O MATLAB é utilizado para efetuar o treino das redes neuronais multicamada proactivas através do algoritmo de treino por retropropagação de Levenberg-Marquardt. A implementação de uma rede neuronal artificial na primeira abordagem foi implementada em três fases, MATLAB, posteriormente linguagem de programação C no computador e por fim, microcontrolador PIC no AGV, permitindo assim diferenciar o desenvolvimento destas técnicas em várias plataformas. Durante o desenvolvimento da segunda abordagem foi desenvolvido uma aplicação Android que permite monitorizar e controlar o AGV remotamente. Os resultados obtidos pela implementação da rede neuronal a partir do controlo difuso e do controlo remoto foram satisfatórios, pois o AGV percorria os percursos testados corretamente, em ambos os casos. Por fim concluiu-se que é viável a aplicação das redes neuronais no controlo de um AGV. Mais ainda, é possível utilizar o sistema desenvolvido para implementar e testar novas RNA.

Estudo de uma instalação de climatização adiabática

Esta dissertação teve como objetivo o estudo de uma central de climatização adiabática, que tem como finalidade controlar a temperatura e a humidade de um salão com equipamentos de torcedura e de bobinagem, pertencente à Continental - ITA. Foi realizado um levantamento de dados relativamente à temperatura e humidade interior e exterior do referido salão. Verificou-se que estes parâmetros não estavam dentro dos valores ótimos desejados, 26 ± 1˚C e 50 ± 5%, e por isso foi necessário estimar as necessidades nominais de arrefecimento. Este valor foi determinado a partir do Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE), obtendo-se o valor de 79 kWh/m2.˚C. No sentido de avaliar se as centrais de climatização instaladas no salão em estudo satisfaziam estas necessidades, calcularam-se as suas capacidades de arrefecimento obtendo-se um valor máximo de 64 kWh/m2.˚C. Paralelamente a este estudo, foi calculada a eficiência de humidificação para cada central nos meses de março e setembro. Os valores obtidos foram oscilantes obtendo-se um valor máximo de 100% em setembro. Este fato deve-se à temperatura exterior neste mês ser mais alta e, por consequência, a eficiência de humidificação da central é maior, pois a quantidade de água que o ar pode conter na sua composição é também mais elevada. Com o objetivo de colmatar a diferença entre as necessidades nominais de arrefecimento e a capacidade de arrefecimento das centrais, foram analisadas algumas soluções que, a serem implementadas, poderiam ajudar na poupança energética. Uma dessas soluções era a substituição do sistema atual de humidificação por um sistema mais eficiente de alta pressão. Com o estudo económico deste investimento obteve-se um período de retorno de dois anos. Foram ainda apresentados mais dois investimentos onde foi alterado o sistema de controlo automático existente, obtendo-se para um, dois anos de período de retorno e para o outro três anos e meio.

Optimising the energy consumption on pultrusion process

This study is based on a previous experimental work in which embedded cylindrical heaters were applied to a pultrusion machine die, and resultant energetic performance compared with that achieved with the former heating system based on planar resistances. The previous work allowed to conclude that the use of embedded resistances enhances significantly the energetic performance of pultrusion process, leading to 57% decrease of energy consumption. However, the aforementioned study was developed with basis on an existing pultrusion die, which only allowed a single relative position for the heaters. In the present work, new relative positions for the heaters were investigated in order to optimise heat distribution process and energy consumption. Finite Elements Analysis was applied as an efficient tool to identify the best relative position of the heaters into the die, taking into account the usual parameters involved in the process and the control system already tested in the previous study. The analysis was firstly developed based on eight cylindrical heaters located in four different location plans. In a second phase, in order to refine the results, a new approach was adopted using sixteen heaters with the same total power. Final results allow to conclude that the correct positioning of the heaters can contribute to about 10% of energy consumption reduction, decreasing the production costs and leading to a better eco-efficiency of pultrusion process.

Navegação de robôs móveis por marcas artificiais em ambientes semi-estruturados

Mestrado em engenharia electrotécnica e de computadores - Área de Especialização de Sistemas Autónomos

Optimizing the embedded heaters position in the pultrusion process using finite element analysis

This study is based on a previous experimental work in which embedded cylindrical heaters were applied to a pultrusion machine die, and resultant energetic performance compared with that achieved with the former heating system based on planar resistances. The previous work allowed to conclude that the use of embedded resistances enhances significantly the energetic performance of pultrusion process, leading to 57% decrease of energy consumption. However, the aforementioned study was developed with basis on an existing pultrusion die, which only allowed a single relative position for the heaters. In the present work, new relative positions for the heaters were investigated in order to optimize heat distribution process and energy consumption. Finite Elements Analysis was applied as an efficient tool to identify the best relative position of the heaters into the die, taking into account the usual parameters involved in the process and the control system already tested in the previous study. The analysis was firstly developed with basis on eight cylindrical heaters located in four different location plans. In a second phase, in order to refine the results, a new approach was adopted using sixteen heaters with the same total power. Final results allow to conclude that the correct positioning of the heaters can contribute to about 10% of energy consumption reduction, decreasing the production costs and leading to a better eco-efficiency of pultrusion process.

Sistemas de supervisão e controlo de autómatos: soluções baseadas em OPC E IEC 60870-5-104

Atualmente, no segmento metro-ferroviário, há uma tendência para que todos os equipamentos que constituem os sistemas auxiliares de uma estação (escadas mecânicas, elevadores, bloqueadores, validadores de bilhética, ventiladores, bombas, entre outros) sejam dotados de inteligência. Tipicamente, um conjunto de equipamentos são ligados a um autómato que permite o controlo local e remoto e é vulgar que, sendo de fabricantes diferentes, suportem tecnologias distintas. Um sistema de supervisão que permita o acesso à informação disponibilizada por cada um dos autómatos, ou à atuação sobre um deles, terá por isso que implementar e suportar diversos protocolos de comunicação de forma a não ficar limitado a um tipo de tecnologia. De forma a diminuir os custos de desenvolvimento e operação de um sistema de supervisão e controlo e facilitar a integração de novos equipamentos, com diferentes características, têm sido procuradas soluções que garantam uma mais fácil comunicação entre os diversos módulos intervenientes. Nesta dissertação são implementadas soluções baseadas em clientes OPC-DA e OPC-AE e no protocolo IEC 60870-5-104, permitindo que os sistemas de supervisão e de controlo comuniquem com os equipamentos através destes três módulos. Os principais aspectos inovadores estão associados à implementação de uma arquitetura multiprotocolo usando as novas tendências de supervisão e controlo baseadas em soluções distribuídas.

Towards Active Course Marks for Autonomous Sailing Competitions

This paper describes the environmental monitoring / regatta beacon buoy under development at the Laboratory of Autonomous Systems (LSA) of the Polytechnic Institute of Porto. On the one hand, environmentalmonitoring of open water bodies in real or deferred time is essential to assess and make sensible decisions and, on the other hand, the broadcast in real time of position, water and wind related parameters allows autonomous boats to optimise their regatta performance. This proposal, rather than restraining the boats autonomy, fosters the development of intelligent behaviour by allowing the boats to focus on regatta strategy and tactics. The Nautical and Telemetric Application (NAUTA) buoy is a dual mode reconfigurable system that includes communications, control, data logging, sensing, storage and power subsystems. In environmental monitoring mode, the buoy gathers and stores data from several underwater and above water sensors and, in regatta mode, the buoy becomes an active course mark for the autonomous sailing boats in the vicinity. During a race, the buoy broadcasts its position, together with the wind and the water current local conditions, allowing autonomous boats to navigate towards and round the mark successfully. This project started with the specification of the requirements of the dual mode operation, followed by the design and building of the buoy structure. The research is currently focussed on the development of the modular, reconfigurable, open source-based control system. The NAUTA buoy is innovative, extensible and optimises the on board platform resources.

O sistema de controlo interno nas autarquias locais: o caso do Município de Espinho

Dissertação de Mestrado Apresentada ao Instituto de Contabilidade e Administração do Porto para a obtenção do grau de Mestre em Auditoria Orientador: Doutor Carlos Mota Coorientadora: Doutora Ana Paula Lopes

O auditor interno e a gestão do risco empresarial

O objetivo central deste estudo consiste em demonstrar de que forma o trabalho do auditor interno contribui no processo de gestão de riscos empresariais. Neste sentido, faz-se uma abordagem sobre o conceito de Auditoria Interna, sendo uma atividade destinada a acrescentar valor à organização na medida em que a auxilia na consecução dos seus objetivos, proporcionando-lhe informações oportunas e relevantes para a tomada de decisão. Faz também considerações ao Controlo Interno, no sentido de que as organizações vão sentir diferentes necessidades de controlo interno dependendo da sua dimensão e complexidade do negócio. O controlo interno é um processo desenvolvido pelos Orgãos de Gestão com o propósito de garantir uma segurança razoável no cumprimento dos objetivos estabelecidos. Cabe ao auditor interno auxiliar nesse sentido, ou seja, debruçar-se sobre a avaliação da adequação e eficiência do Sistema de Controlo Interno. Por fim é abordada a importância da Gestão do Risco, neste contexto as organizações têm como compromisso prioritário a implementação de mecanismos de avaliação e gestão dos riscos que possam afetar as suas operações e o cumprimento dos objetivos estratégicos definidos. A Auditoria Interna vai fornecer segurança acerca da eficácia das atividades de gestão do risco das organizações para assegurar que os principais riscos de negócio estão a ser geridos de forma apropriada bem como os sistemas de controlo interno estão a funcionar eficazmente. Ainda na gestão do risco é abordado o modelo COSO ERM, instrumento importante para as organizações na medida em que melhoram a performance e o desempenho dos controlos internos implementados e progridem para um processo de gestão do risco. Faz-se também uma breve referência sobre a Lei Sox, que veio promover uma profunda reforma na elaboração dos relatórios financeiros, no detalhe minucioso sobre os aspetos do controlo interno nas organizações e na transparência das informações divulgadas pelas organizações.