Architectural design and evaluation of quality information and management software for paper and pulp mills

Abstract

The pulp and paper industry is a steadily growing market that demands adaptable and efficient software solutions to manage the complexities of production processes. This thesis aimed to design and evaluate a quality information and management software architecture for paper and pulp mills. The primary challenge was to create a system that meets both functional and non-functional requirements, ensuring adaptability to future needs and seamless integration with existing systems.

To achieve this, the Design Science Research (DSR) methodology was employed, which includes problem identification, definition of objectives, design and development, demonstration, evaluation, and communication. The research produced a modular architecture divided into three main containers: the user interface, main logic, and connections container. Each container was further divided into modules with specific responsibilities, ensuring a clear separation of concerns and enhancing maintainability.

The architecture was demonstrated through various scenarios using sequence diagrams, showcasing its ability to handle different use cases such as configuration reception, process data handling, and data provision to other systems. The evaluation was conducted using the Software Architecture Analysis Method (SAAM), which confirmed that the architecture met the functional and non-functional requirements, including compatibility, reliability, security, and maintainability.

The research concluded that a combination of monolithic and distributed architecture best satisfies the criteria for software designed for grade information and reporting in paper and pulp mills. The core functionality was isolated into a monolithic container, while other non-crucial functionalities were distributed into separate containers. This approach ensures maintainability and adaptability to future requirements. The architecture's modular design, with a clear separation of concerns and well-defined boundaries for each module, ensures its evolvability. The architecture's ability to work with existing systems also contributes to its ability to evolve alongside other systems in the manufacturing plant.

Sellu- ja paperiteollisuus on tasaisesti kasvava markkina, joka vaatii mukautuvia ohjelmistoratkaisuja tuotantoprosessien monimutkaisuuden hallintaan. Tämän työn tavoitteena oli suunnitella ja arvioida laadun tieto- ja hallintaohjelmiston arkkitehtuuri sellu- ja paperitehtaille. Ensisijainen haaste oli luoda järjestelmä, joka täyttää sekä toiminnalliset että ei-toiminnalliset vaatimukset, varmistaen mukautuvuuden tulevaisuuden tarpeisiin ja saumattoman integraation olemassa oleviin järjestelmiin.

Tavoitteen saavuttamiseksi käytettiin Design Science Research (DSR) -metodologiaa, joka sisältää ongelman tunnistamisen, tavoitteiden määrittelyn, suunnittelun ja kehityksen, esittelyn, arvioinnin ja viestinnän. Tutkimuksessa luotiin modulaarinen arkkitehtuuri, joka jaettiin kolmeen pääalueesen: käyttöliittymä, päälogiikka ja yhteydet. Jokainen alue jaettiin edelleen moduuleihin, joilla on erityiset vastuualueet, varmistaen selkeän vastuunjaon ja ylläpidettävyyden parantamisen.

Arkkitehtuuria esiteltiin eri skenaarioiden avulla sekvenssikaavioita käyttäen, mikä osoitti sen kyvyn käsitellä erilaisia käyttötapauksia, kuten konfiguraation vastaanoton, prosessidatan käsittelyn ja datan jakamisen muille järjestelmille. Arviointi, joka suoritettiin Software Architecture Analysis Method (SAAM) -menetelmällä vahvisti, että arkkitehtuuri täytti toiminnalliset ja ei-toiminnalliset vaatimukset, mukaan lukien yhteensopivuus, luotettavuus, turvallisuus ja ylläpidettävyys.

Tutkimuksessa todettiin, että monoliittisen ja hajautetun arkkitehtuurin yhdistelmä parhaiten täyttää sellu- ja paperitehtaiden laadunhallinta- ja raportointiohjelmistojen vaatimukset. Pää funktionaalisuus eristettiin monoliittiseen alueeseen, kun taas muut ei-kriittiset toiminnot jaettiin erillisiin alueisiin. Tämä lähestymistapa varmistaa ylläpidettävyyden ja mukautuvuuden tulevaisuuden tarpeisiin. Arkkitehtuurin modulaarinen arkkitehtuuri, jossa jokaisella moduulilla on selkeä vastuunjako ja hyvin määritellyt rajat, varmistaa sen kehitettävyyden. Arkkitehtuurin kyky toimia olemassa olevien järjestelmien kanssa edistää sen kykyä kehittyä muiden tuotantolaitoksen järjestelmien rinnalla.