Max separation clustering for feature extraction from Optical Emission Spectroscopy Data

This paper proposes max separation clustering (MSC), a new non-hierarchical clustering method used for feature extraction from optical emission spectroscopy (OES) data for plasma etch process control applications. OES data is high dimensional and inherently highly redundant with the result that it is difficult if not impossible to recognize useful features and key variables by direct visualization. MSC is developed for clustering variables with distinctive patterns and providing effective pattern representation by a small number of representative variables. The relationship between signal-to-noise ratio (SNR) and clustering performance is highlighted, leading to a requirement that low SNR signals be removed before applying MSC. Experimental results on industrial OES data show that MSC with low SNR signal removal produces effective summarization of the dominant patterns in the data.

Optimal wafer site selection using forward selection component analysis

Reducing wafer metrology continues to be a major target in semiconductor manufacturing efficiency initiatives due to it being a high cost, non-value added operation that impacts on cycle-time and throughput. However, metrology cannot be eliminated completely given the important role it plays in process monitoring and advanced process control. To achieve the required manufacturing precision, measurements are typically taken at multiple sites across a wafer. The selection of these sites is usually based on a priori knowledge of wafer failure patterns and spatial variability with additional sites added over time in response to process issues. As a result, it is often the case that in mature processes significant redundancy can exist in wafer measurement plans. This paper proposes a novel methodology based on Forward Selection Component Analysis (FSCA) for analyzing historical metrology data in order to determine the minimum set of wafer sites needed for process monitoring. The paper also introduces a virtual metrology (VM) based approach for reconstructing the complete wafer profile from the optimal sites identified by FSCA. The proposed methodology is tested and validated on a wafer manufacturing metrology dataset. © 2012 IEEE.

Effect of cooling rate on the properties of high density polyethylene/multi-walled carbon nanotube composites

High density polyethylene (HDPE)/multi-walled carbon nanotube (MWCNT) nanocomposites were prepared by melt mixing using twin-screw extrusion. The extruded pellets were compression moulded at 200°C for 5min followed by cooling at different cooling rates (20°C/min and 300°C/min respectively) to produce sheets for characterization. Scanning electron microscopy (SEM) shows that the MWCNTs are uniformly dispersed in the HDPE. At 4 wt% addition of MWCNTs composite modulus increased by over 110% compared with the unfilled HDPE (regardless of the cooling rate). The yield strength of both unfilled and filled HDPE decreased after rapid cooling by about 10% due to a lower crystallinity and imperfect crystallites. The electrical percolation threshold of composites, irrespective of the cooling rate, is between a MWCNT concentration of 1∼2 wt%. Interestingly, the electrical resistivity of the rapidly cooled composite with 2 wt% MWCNTs is lower than that of the slowly cooled composites with the same MWCNT loading. This may be due to the lower crystallinity and smaller crystallites facilitating the formation of conductive pathways. This result may have significant implications for both process control and the tailoring of electrical conductivity in the manufacture of conductive HDPE/MWCNT nanocomposites.

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Neural network assisted autotuning of industrial PID controllers

A recent servey (1) has reported that the majority of industrial loops are controlled by PID-type controllers and many of the PID controllers in operation are poorly tuned. poor PID tuning is due to the lack of a simple and practical tuning method for avarage users, and due to the tedious procedurs involved in the tuning and retuning of PID controllers.

Supporting real-time distributed computer-controlled systems with multi-hop P-NET networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within process control applications. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time distributed computer-controlled systems can be implemented. P-NET is a fieldbus communication standard, which uses a virtual token-passing medium-access-control mechanism. In this paper pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time traffic with P-NET networks are established. Essentially, formulae to evaluate the upper bound of the end-to-end communication delay in P-NET messages are provided. Using this upper bound, a feasibility test is then provided to check the timing requirements for accessing remote process variables. This paper also shows how P-NET network segmentation can significantly reduce the end-to-end communication delays for messages with stringent timing requirements.

Distributed computing for the factory-floor: a real-time approach using WorldFIP networks

Field communication systems (fieldbuses) are widely used as the communication support for distributed computer-controlled systems (DCCS) within all sort of process control and manufacturing applications. There are several advantages in the use of fieldbuses as a replacement for the traditional point-to-point links between sensors/actuators and computer-based control systems, within which the most relevant is the decentralisation and distribution of the processing power over the field. A widely used fieldbus is the WorldFIP, which is normalised as European standard EN 50170. Using WorldFIP to support DCCS, an important issue is “how to guarantee the timing requirements of the real-time traffic?” WorldFIP has very interesting mechanisms to schedule data transfers, since it explicitly distinguishes periodic and aperiodic traffic. In this paper, we describe how WorldFIP handles these two types of traffic, and more importantly, we provide a comprehensive analysis on how to guarantee the timing requirements of the real-time traffic.

Aplicação de redes neuronais artificiais à deteção e isolamento de falhas em processos industriais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Engineering PROFIBUS networks with heterogeneous transmission media

A significant number of process control and factory automation systems use PROFIBUS as the underlying fieldbus communication network. The process of properly setting up a PROFIBUS network is not a straightforward task. In fact, a number of network parameters must be set for guaranteeing the required levels of timeliness and dependability. Engineering PROFIBUS networks is even more subtle when the network includes various physical segments exhibiting heterogeneous specifications, such as bus speed or frame formats, just to mention a few. In this paper we provide underlying theory and a methodology to guarantee the proper operation of such type of heterogeneous PROFIBUS networks. We additionally show how the methodology can be applied to the practical case of PROFIBUS networks containing simultaneously DP (Decentralised Periphery) and PA (Process Automation) segments, two of the most used commercial-off-the-shelf (COTS) PROFIBUS solutions. The importance of the findings is however not limited to this case. The proposed methodology can be generalised to cover other heterogeneous infrastructures. Hybrid wired/wireless solutions are just an example for which an enormous eagerness exists.

Utilização de plataformas de fonte aberta no controlo de condição

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Aplicação de variadores de velocidade em sistemas de climatização

Por um lado vivemos numa sociedade cujos padrões de conforto são cada vez mais exigentes, por outro encontramo-nos numa era pautada por um certo declínio económico, social e também ambiental. Não se assumindo uma estratégia que limite ou diminua essas condições de conforto resta-nos atuar de forma a que os recursos utilizados para garantir esse mesmo conforto sejam utilizados da melhor forma possível. O setor dos edifícios é responsável por uma grande parcela de consumo de energia na sociedade atual, sendo que os sistemas de climatização que dele fazem parte, apresentam.se na maioria dos casos como os grandes consumidores de energia. Nesse sentido têm sido feitos esforços enormes no sentido de encontrar soluções que garantam a eficiência energética destes sistemas. O Variador Eletrónico de Velocidade apresenta-se como uma das soluções amplamente difundidas, na vertente do controle de processos e economia de energia. A sua aplicação em sistema de climatização é mais um desses casos. Nesse sentido, numa primeira parte é feito o estudo das características e funcionamento dos Variadores de Velocidade, Sistemas de Climatização e sua aplicação conjunta. Em seguida é realizada uma aplicação informática que pretende demonstrar a economia de energia garantida por aplicação de um Variador de Velocidade.

Projecto de Controladores usando Redes Neuronais

Neste documento descreve-se o projeto desenvolvido na unidade curricular de Tese e Dissertação durante o 2º ano do Mestrado de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores no ramo de Automação e Sistemas, no Departamento de Engenharia Eletrotécnica (DEE) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). O projeto escolhido teve como base o uso da tecnologia das redes neuronais para implementação em sistemas de controlo. Foi necessário primeiro realizar um estudo desta tecnologia, perceber como esta surgiu e como é estruturada. Por último, abordar alguns casos de estudo onde as redes neuronais foram aplicadas com sucesso. Relativamente à implementação, foram consideradas diferentes estruturas de controlo, e entre estas escolhidas a do sistema de controlo estabilizador e sistema de referência adaptativo. No entanto, como o objetivo deste trabalho é o estudo de desempenho quando aplicadas as redes neuronais, não se utilizam apenas estas como controlador. A análise exposta neste trabalho trata de perceber em que medida é que a introdução das redes neuronais melhora o controlo de um processo. Assim sendo, os sistemas de controlo utilizados devem conter pelo menos uma rede neuronal e um controlador PID. Os testes de desempenho são aplicados no controlo de um motor DC, sendo realizados através do recurso ao software MATLAB. As simulações efetuadas têm diferentes configurações de modo a tirar conclusões o mais gerais possível. Assim, os sistemas de controlo são simulados para dois tipos de entrada diferentes, e com ou sem a adição de ruído no sensor. Por fim, é efetuada uma análise das respostas de cada sistema implementado e calculados os índices de desempenho das mesmas.