estruturacao da modelagem de processos e(1)

7/25/2019 Estruturacao Da Modelagem de Processos e(1)

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ESTRUTURAO DA MODELAGEM DE PROCESSOS EM SISTEMAS PRODUTIVOS

DIOLINO JOS DOS SANTOS FILHO*#, JOS REINALDO SILVA*#,NEWTON MARUYAMA*, PAULO EIGI MIYAGI*

* Departamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos

Escola Politcnica da USPAv. Prof. Mello Moraes, 2231CEP05508-900 So Paulo - SP

# Centro de Pesquisa em Informtica UNIFIEORua Narciso Sturlini, 883

CEP 06018-903 - Bela Vista - Osasco - SPE-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumo Os avanos recentes em recursos computacionais tem permitido o tratamento de problemas complexos no projeto desistemas de controle de sistemas de produo. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta uma abordagem algoritmica para oprojeto de sistemas de controle. O conceito fundamental considerado a estruturao do processo de modelagem. Uma analogiaaos conceitos clssicos de linguagens estruturadas definida, no sentido de estabelecer uma metodologia para o projeto

estruturado de sistemas de controle de sistemas de produo que contempla o E-MFG (Enhanced Mark Flow Graph) e o PFS(Production Flow Schema). Neste sentido, o processo de sequenciamento sintetizado atravs de uma estrutura hierrquica, oque facilita a interpretao e a manuteno do projeto alm de permitir a sua reutilizao.

Abstract Recent improvements in computational resources have been used to address complexity in control system design ofproduction systems. In this context, this work presents an algorithmic approach to handle control system design of these systems.The fundamental concept considered here is the structuring of modelling process. An analogy of the classical concepts ofstructured languages is defined in order to establish a methodology for a structured control system design of production systemswhich contemplates the E-MFG (Enhanced Mark Flow Graph) and the PFS (Production Flow Schema). In this way, the processsequencing is expressed through a hierarchical structure, which allows design interpretation and maintenance together withdesign reuse.

Keywords:Petri Nets, Production systems, Structured Programming, Mark Flow Graph.

1 Introduo

De uma forma genrica, pode-se dizer que o projetode um sistema de controle de um SP (sistema produtivo)inicia-se a partir da especificao inicial dafuncionalidade que se deseja associar ao sistema paraque seja possvel realizar um determinado conjunto deprocessos. A partir desta abstrao inicial correspondenteao modelo funcional de cada um dos processos, oobjetivo obter uma descrio formal de um algoritmo

de controle para ser implementado em uma arquiteturade controladores programveis capaz de atuarfisicamente sobre a planta que constitui o SPpropriamente dito.

H vrias propostas no sentido de sistematizar oprocedimento de projeto do sistema de controle de umSP. Por exemplo, em Santos Filho (1998), a proposta desistematizao baseia-se na metodologia Enhanced MarkFlow Graph/ Production Flow Schema and Resouces, ouainda, E-MFG/PFS-R (Santos Filho e Miyagi, 1995;Miyagi et alii, 1998).

Ainda que os resultados obtidos tenham sidoefetivos, h um outro aspecto que deve ser observado e

que no foi considerado em tais trabalhos. Trata-se doproblema de estruturao do processo de modelagem.Mesmo que seja possvel aplicar o conceito de

refinamentos sucessivos para a modelagem dos

processos utilizando modelos PFS-R e, posteriormente,utilizando modelos E-MFG, o projetista ainda estsujeito ao nvel de dificuldade correspondente representao do compartilhamento de recursos e,dependendo da flexibilidade operacional do sistema,torna-se necessrio tambm projetar compensadores paraprogramar a alocao destes recursos para que no hajadeadlock no sistema. Tanto esta alocao de recursosquanto a insero destes compensadores comprometem aestruturao durante o processo de modelagem.

Portanto, ainda que as metodologias existentes

auxiliem no processo de modelagem de SPs, pretende-secontribuir de uma forma efetiva, objetivando estruturar oprocesso de modelagem do controle de SPs utilizando-seos conceitos de programao estruturada.

Uma vez estabelecida a identidade entre o projeto dealgoritmos computacionais e o projeto de sistemas decontrole de SPs, este trabalho descreve a proposta deuma estruturao da modelagem do sistema de controle eapresenta uma metodologia descrevendo em detalhes osprocedimentos que devem ser aplicados para tornar maiseficiente o projeto do algoritmo de controle de processosem SPs.

2 PFS e a Tcnica de Refinamento Sucessivos

Estabelecendo um paralelo com a programaoestruturada, o PFS um tipo de modelo baseado em rede


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de Petri elementar estendida que permite uma descriofuncional hierrquica do sistema a partir de um modeloconceitual de elevado nvel de abstrao. Oprocedimento de modelagem em Production FlowSchema ou PFS (Miyagi, 1996) baseia-se em aplicar atcnica de refinamentos sucessivos, de maneira que sejapossvel inserir progressivamente o detalhamento do

processo dentro do modelo, correspondente aocomportamento desejado para o sistema. importante observar que o PFS no representa o

comportamento dinmico de um SP, uma vez que se tratade uma representao grfica baseada em redes em queno h marcao. Neste contexto, o objetivo do PFS representar o fluxo de operaes (sequenciamento) tendocomo referncia a evoluo de um determinado processo.

O refinamento em nveis de abstrao realizadoatravs da aplicao de uma abordagem top-down emque se assume que a relao entre os elementos bsicosest inteiramente descrita no nvel anterior. Assim, oprocesso de estruturao (Marca, 1988) pode contribuir

enormente para o projeto e verificao do modelo, desdeque as propriedades prinicpais de um nvel de abstraono sejam alteradas pelo refinamento.

Considerando estes aspectos envolvendo o conceitode refinamentos sucessivos, h uma perfeitacorrespondncia desta tcnica de modelagem com osprocedimentos de programao estruturada. Este fato uma das razes porque o PFS tem efetivamentecontribudo para uma srie de aplicaes de sistemasdiscretos, em um contexto bastante abrangente, comopode ser observado em vrios trabalhos recentes (Gustinet alii, 2000; Miyagi et alii, 2000; Santos Filho et alii,2000; Villani et alii, 2000).

Entretanto, h o aspecto de modularizao que deveser observado com mais critrio. Sabe-se que em ummodelo PFS os elementos-atividade tm como funorepresentar um sub-processo. Tambm neste caso, aescolha de um sub-processo (caracterizado por umasequncia de atividades pertencente a um processomaior) no guiada por nenhuma teoria ou esquema, domesmo modo que a escolha de procedimentos e funesem uma linguagem estruturada. H portanto um grandenmero de possibilidades para o refinamento de umaatividade, alguns dos quais podem levar a dependnciasque no podem ser inseridas em um esquema derefinamentos (no caso dos sistemas discretos).

Observa-se, portanto, que as atividades podem ser

interpretadas como mdulos e que h uma entrada esada bem definida que caracteriza a funcionalidade decada um destes mdulos.

Analisando criteriosamente a proposta do PFS emMiyagi (1988), verifica-se que o elemento-atividadecorresponde a um macro-elemento delimitado por [ e], havendo inscries em linguagem natural (ouformal) para especific-lo. Os arcos orientados queestiverem diretamente conectados aos smbolos [ e ]representam o fluxo principal, enquanto os arcosconectados parte interna da atividade representam ofluxo secundrio (Figura 1).

Elemento-AtividadeFluxo Principal

Fluxo

Secundrio

Figura 1: Os fluxos no PFS.

Uma vez que se est investigando o aspecto modularde um elemento-atividade no processo de modelagem,observa-se que o fluxo secundrio gera um precedentepara que possam existir entradas e sadas incondicionaisquebrando a estruturao. Portanto, para manter o PFSestruturado a primeira alterao que deve ser efetuada noprocedimento original de no permitir a representaode fluxos secundrios em elementos-atividade. Apresena deste tipo de fluxo descaracteriza a atividadecomo um elemento prprio (Linger, 1975), o que a pr-condio para se obter um esquema estruturado.

Assim, o fluxo secundrio estaria associado a"falhas" na modularizao (equivalente a cortar um

procedimento simples no meio de uma iterao), o queobriga - para manter a funcionalidade do processo - arecorrer a desvios incondicionais como foi j apontadoem (Silva, 1995).

3 PFS e o uso Racional de GOTOs

O comando GOTO uma forma de implementardesvios na estrutura de controle de um programa.Basicamente, este comando pode ser aplicado em duassituaes distintas:

Que geram um desvio incondicional, tratando-se de

um risco para a manuteno da estruturao doprograma.Que geram desvios condicionais no contexto de

implementar uma declarao iterativa do tipo padro(WHILE/REPEAT).

De acordo com Ghezzi e Jazayeri (1987) acontrovrsia a respeito do uso de GOTO emprogramao computacional j motivo de discussesdesde 1970. A proposio do Teorema de Bohm eJacopini (Teorema da estruturao) estabelece o conjuntomnimo de estruturas de controle que podem serincluidas em um programa estruturado. Portanto, oGOTO deve ser usado somente como uma tcnica deimplementao de estruturas de controle legtimas1 casoa linguagem no as inclua como sinnimos em seusrecursos.

A estruturao do processo de modelagem em PFSpode perfeitamente adotar esta abordagem deprogramao estruturada. A representao de desviosincondicionais no caso de modelar-se a funcionalidadede SPs s teria sentido de ser utilizada caso fossenecessrio representar situaes anormais de falhas,erros, etc. Em situaes normais de realizao dosprocessos, deve-se representar as estruturas baseando-senas formas padres de controle, herdadas daprogramao estruturada, de acordo com a Figura 2.

1 Entende-se por estruturas legtimas as declaraes do tiposeqencial, iterativa e condicional que fazem parte do contexto deaplicao do conceito de programao estruturada nodesenvolvimento de algoritmos computacionais.


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Um processo de um SP predominantementeseqencial envolvendo essencialmente estruturas demodelo baseadas no item (a) da Figura 2.

Em determinadas situaes pode ser possvel acoexistncia de diferentes rotas para a realizao doprocesso, implicando em uma estrutura do tipocondicional (item (b) da Figura 2).

H casos ainda em que necessrio repetir oprocessamento de um determinado elemento, podendoutilizar-se as estruturas (c) ou (d) da Figura 2.

(a) Sequenciamento

(d) Iterativa (repeat)

Ativ_1 Ativ_2 Ativ_3

(b) Condicional

Ativ_1

Ativ_2

Ativ_3

Ativ_4

(c) Iterativa (while)

Ativ_1 Ativ_2

Ativ_1 Ativ_2

Ativ_3

Return

Ativ_3

Figura 2: Estruturas padres para modelagem em PFS estruturado.

Portanto, a essncia do processo de modelagemestruturada em PFS est caracterizada. Contudo, parahaver consistncia nas observaes realizadas necessrio considerar algumas hipteses fundamentais:

Sendo o PFS um modelo funcional, deve-se associara cada modelo um determinado processo a ser realizadoem um SP. Mltiplos processos implicam em uma sriede modelos PFS pertinentes a cada deles.

O objetivo do modelo PFS estritamenterepresentar a lgica do fluxo de operaes (work flow)

que est associada realizao de um determinadoprocesso, no devendo questionar o mrito de alocaode recursos para a realizao de cada uma das operaes.Isto significa que o modelo PFS do processo ummodelo que representa como se deseja que as operaesque constituem o processo sejam realizadas,representando, portanto, o que se denomina nestetrabalho de nvel de Controle de Processos.

As questes que envolvem o problema de quemdeve processar cada uma das etapas deve ser delegado aoutro nvel de controle que no faz parte do escopo destetrabalho.

Este aspecto de no se alocar os recursos no modelo

PFS fundamental porque no caso em que o sistema flexvel, operando com vrios processos diferentes esimultneos compartilhando os mesmos recursos, temsido exaustivamente discutido em Banaszak e Krogh

(1990), Viswanadham et alii (1990), Cho et alii (1995),Ezpeleta et alii (1995), Xing et alii (1995), Hasegawa(1996), Hasegawa et alii (1996A), Hasegawa et alii(1996c) e Xing et alii(1996).

Apesar de haver um controle adequado no nvel decada processo que est sendo executado em um sistemaprodutivo, quando h o compartilhamento dos recursos,

provoca-se um fluxo dos recursos entre os processos.Este aspecto pode ser interpretado como o surgimento deum fluxo adicional de controle importante que maiscomplexo do que uma simples alocao de recursosconforme sugerido no modelo PFS da Figura 3.

Ativ_B1 Ativ_B2 Ativ_B3

Ativ_A1Ativ_A2 Ativ_A3

Ativ_C1 Ativ_C2 Ativ_C3

R1

R2

R5

R3

R4

Figura 3: Representao em PFS de recursos compartilhados (R1,R2, R3, R4, R5).

O modelo PFS da Figura 3 exige que tcnicasadicionais de controle sejam incorporadas ao modelopara estabelecer uma poltica de alocao de recursosque evite o travamento do sistema. Em muitos casosprticos, principalmente em sistemas discretosautomatizados, usa-se separar os processos sequenciais(nvel sequencial direto) da identificao da poltica dede alocao de recursos e resoluo de conflitos (nvel decontrole inteligente).

4 Metodologia EstruturadaE-MFG/PFS

O conceito de modelagem estruturada aplicado aocontrole de processos de SPs sugere que o problema dealocao de recursos para realizar cada uma das etapas

que constituem um determinado processo seja realizadoem uma etapa diferente da modelagem do prprioprocesso.

Outro fator digno de nota que o nvel sequencial eo nvel dito inteligente (DiCesare, 1994) tm diferentesnveis de aderncia aos modelos fsicos. Portanto seriamelhor a abordagem estruturada que nos garante a partesequencial, antes de tratar com o nvel de controleinteligente, incluindo a a poltica de compartilhamentode recursos.

Todas as observaes sobre estruturaoevidenciadas para a situao em que se aplica o PFS paraa modelagem funcional de um sistema, aplica-se tambm

para o E-MFG. O modelo E-MFG introduz identificaonas marcas sem no entanto fugir do modelo de redeelementar convencional]. A identificao de marcas umfator mais na anlise de fluxo de controle, o que


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justifica a abordagem E-MFG, sem no entanto introduzirmaior complexidade de anlise com um formalismo maiselaborado.

A abordagem estruturada delineada no PFS podeser ainda utilizada no E-MFG desde que se introduza umelemento passivo (um box) entre o incio e o final decada atividade do PFS, o que faz com o que o PFS deixe

de ser um esquema estruturado de modelagem de MFGpara passar a ser uma rede hierarquica (Silva, 1996). EmMiyagi (1996) j foi proposto um processo sistemticode traduo de modelos PFS em MFG.

Portanto, deve-se tomar o devido cuidado para nohaver problemas de "vazamento" e "intruso" de marcasdentro de uma atividade que foi detalhada conformeabordado em Miyagi (1996).

Em sntese, a metodologia PFS/MFG descrita emMiyagi (1996) precisa ser revisada em trs aspectos:

Em relao ao contexto de modelagem estruturadabasta obedecer aos critrios de construo do PFS jdescritos anteriormente.

Em relao extenso de MFG para E-MFG, bastaconsiderar uma etapa adicional de definio do conjuntode atributos que devem ser utilizados para representar aindividualidade de cada marca.

No faz mais sentido executar a etapa derepresentao de recursos e seu controle no modelo.

Portanto, a metodologia PFS/E-MFG (ou E-MFG/PFS) engloba os seguintes procedimentos:

Representao de cada processo por um modelo PFSconceitual de alto nvel de abstrao.

Detalhamento de cada processo em atividades,definindo a lgica de seqenciamento inerente a cada umdeles.

Definio do conjunto de atributos que deve serassociado a cada marca do grafo E-MFG.

Detalhamento as atividades dos processos atravs demodelos E-MFG.

Mapeamento dos sinais de controle indicando oseventos gerados pelo controlador a partir de arcos desinal de sada e os eventos ocorridos na planta a partir deportas externas.

5 Exemplo Aplicativo

Considere um SP em estudo composto pelosseguintes elementos:

Quatro estaes de trabalho para processamento:EST_1, EST_2, EST_3 e EST_4.

Cada uma destas estaes possui algum dispositivomanipulador dedicado que utilizado para efetuar asoperaes de carga e descarga de peas a seremprocessadas, bem como uma mquina-ferramenta queprocessa uma pea por vez.

Uma estao de entrada de materiais (EST_IN) quearmazena o estoque de matria-prima (peas) queabastece as estaes de trabalho.

Uma estao de sada (EST_OUT) que armazena osestoques de peas acabadas.

Para a realizao do fluxo de materiais entre asestaes, h um conjunto de veculos de transporte (VTs)movimentando-se sobre um circuito de via nica,transportando um produto de cada vez. medida que os

produtos so processados, os VTs so requisitados pelaestao correspondente e a retirada dos produtos dosmagazines de sada realizada na ordem FIFO.

No presente sistema executa-se um processoidentificado por PROC_Aque envolve uma seqncia deoperaes e utiliza os recursos disponveis de acordocom as relaes (5.1) e (5.2) descritas a seguir:

EA={sA(0), sA(1),sA(2), sA(3), sA(4), sA(5)} (5.1)

Onde: sq(i) representa a i-sima etapa da

seqncia de produo do elemento q. sq(0) representa a etapa inicial da

seqncia de produo.

r*A={B_IN, EST1, EST2, EST3, EST4, B_OUT} (5.2)

Onde: rq(j) representa o recurso utilizado

na etapa sq(i) da seqncia de produo doelemento q

Para construir o modelo estruturado do controle doprocesso, ser aplicada a metodologia estruturada PFS/E-MFG:A) Identificao dos Processos

Representa-se o processos a serexecutado nosistema a partir de modelos PFS, de acordo com a Figura4. Apesar deste procedimento inicial parecerdesnecessrio por ser evidente, importante porquedestaca a natureza orientada a produto desta metodologiade modelagem.

[ Proc.A]Figura 4: Modelo PFS dos Processos.

B) Detalhamento dos Processos em PFS

Refina-se o modelo PFS anterior para descrever algica de seqenciamento das atividades. A Figura 5ilustra esse modelo detalhado em PFS. Neste modelo importante observar que h trs tipos bsicos deatividades que compem cada processo:

A atividade de requisio de uma pea para serprocessado, de acordo com a ordem de servio prescritaou o pedido prescrito (atividade Requis).

A atividade de despacho que libera a pea pronta ouatendida (atividade Dispatch).

A atividade de processamento de cada etapa doprocesso a ser executada em cada recurso especfico(atividade Proc )

[Proc.A1][Requis.A] [Proc.A2]

[Dispach A]

Pea APedidos

Estoque

[Proc.A3] [Proc.A4]

Figura 5: Modelo PFS dos Processos.


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C) Definio do Conjunto de Atributos e

Detalhamento das Atividades

Uma vez que j se elaborou um modelo do processodetalhando-se as diversas atividades concatenadaslogicamente, nesta fase deve ser definido o conjunto deatributos a serem associados s marcas individuais do E-MFG. A Figura 6 mostra como os diversos valores soatribudos ao conjunto de atributos especificado.

ATRIBUTOS

V (a)

Pea

(b)

Pedido

(c)

Destino

(d)

VT

A IFPROC_ATHENa=A

IF PED_1THEN b=1

IF EST_1THEN c=1

IF VT_1THEN d=1

L IF PED_2

THEN b=2

IF EST_2

THEN c=2

IF VT_2

THEN d=2

O IF EST_3THEN c=3

IF VT_3THEN d=3

R IF EST_4THEN c=4

E IF EST_InTHEN c=5

S IFEST_OutTHEN c=6

IF ESTACTHEN c=7

Figura 6: Definio dos atributos das marcas individuais.

O modelo detalhado da atividade de requisio podeser observado na Figura 7.

Requis.X

Solicita

Transporte

de St. in

Pedido

a2:=Pedido

a1:=XRequisiomaterial X

Material p/transporte transporte

para 1a.

Figura 7: Modelo genrico da atividade Requis.X.

O modelo detalhado genrico de uma atividade deprocessamento pode ser obtido a partir da lgicautilizada para modelar a primeira etapa de processamentodo processo A que est exemplificado na Figura 8.

Proc.A1

CargaProc

na Maq. 1

a3:=2

DescargaSolicita

VTTransporte

de 1 p/ 2

Figura 8: Exemplo de modelo da atividade de processamento.

Finalizando esta etapa h o modelo da atividade dedespacho, conforme ilustrado na Figura 9.

Dispatch X

VT na

St. out

Elemento

P/ Estoq.

Estoque

NA

Figura 9: Modelo genrico da atividadeDispatch.X.

D) Mapeamento dos Sinais Externos de Controle

Os eventos gerados pelo controlador devem serenviados para o exterior atravs de arcos de sinal desada. Por sua vez, os eventos provocados na plantadevem ser enviados ao controlador atravs de portashabilitadoras/inibidoras externas. As Figuras 10, 11 e 12ilustram este procedimento, devendo estar claro que paramapear-se todos os sinais de controle seria necessrioenumerar todas as atividades modeladas em E-MFG.

Requis.X

Solicita

Transporte

de St. in

Pedido

a2:=Pedido

a1:=XRequisiopea X

Pea p/transporte transporte

para 1a.

Controle VT

H VT

VT Aguarda

TransportarEstoque

Figura 10: Mapeamento dos sinais externos no controle deRequis.X.

Proc.A1

Procna Maq. 1

a3:=2

Solicita

VT

Transporte

de 1 p/ 2

Maq 1

Maq 1Iniciou A

Maq 1Terminou A

Controle VT

H VT

VT Aguarda

Transportar

Carga Descarga

Figura 11: Mapeamento dos sinais externos no controle de

Proc.X.

Conclui-se, portanto, a modelagem do controle deprocessos do estudo de caso.

6 Observaes Finais

Este artigo discute a aplicao do conceito deestruturao no processo de modelagem, mostrandocomo construir um modelo PFS de forma estruturada,questionando a alocao de recursos durante esta etapa


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de modelagem. Em seguida, discute-se as vantagensobtidas com o procedimento de separar o problema dealocao de recursos do problema de garantir o perfeitoseqenciamento das operaes que constituem umdeterminado processo. Finalizando, a metodologia E-MFG/PFS estruturada apresentada como resultado deum aprimoramento da metodologia PFS/MFG original.

Como evoluo deste trabalho, uma srie deatividades tem sido realizadas no sentido de estabeleceruma metodologia que aborde tambm um conjunto deprocedimentos para programar a utilizao dos recursosdisponveis em situaes que envolvem a execuo deprocessos simultneos e um intenso compartilhamentode recursos.

Dispatch X

VT naSt. out

Elemento

P/ Estoq.

Estoque

NA

a1=A

VT em St. outRecebimento OK.

Figura 12: Mapeamento dos sinais externos nocontrole de Dispatch.X.

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