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Metodologia de Projeto de Sistemas de Controle de Sistemas Automatizados de Fabricação

Paulo Eigi Mi yagi pemiyagi@bruspvm.bitnet

Cristina Toshie Motohashi ctmotoha@bruspvm.bitnet

Myrna Yoshie Kagohara mykagoha@fox.cce.usp.br

Laboratório de Automação e Sistemas - Mecatrônica Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia Mecânica

Av. Prof. Mello Moraes. 2231 05508-900 - São Paulo - SP

Resumu

A evolução das atividades humanas vem conduzindo à crescente elaboração de sistemas cujas regras de evolução dinâmica não podem ser dadas pelas leis da física natural: são os chamados Sistemas Dinâmicos de Eventos Discretos (ou simplesmente SED). Nessa categoria são enquadrados os sistemas automatizados de fabricação. cuja utilização vem se intensi licado com a modernização dos parques industriais e desenvolvimento eX! técnicas de Inteligência Artil1cial. Neste trabalho está sendo proposta uma metodologia estruturada para projeto de sistemas de controle de SED. no sentido de sistematizar seu desenvolvimento com a aplicação de uma variação da teoria de Redes de Petri (a técnica do Mark Flow Graph/Production Flow Schema - MFG/PFS). A aplicabilidade aos sistemas automatizados e inteligentes de fabricação é imediata. representando uma contribuição signiticativa para as atividades de planejamento e operação de indústrias oc manufatura.

Palavras Chave: sistemas de eventos disCretos. sistemas automatizados de fabricação. sistemas de controle. Mark Flow Graph/Production Flow Schema (MFG/PFS)

I. Introdução

Os sistemas de fabricação vêm se tomando cada vez mais complexos, devido à utilização crescente eX! tecnologias mais modernas. Isto é, em parte. decorrênCia da maior exigência por parte do mercado consumidor. que tem desejado. cada vez mais. produtos que atendam a requisitos de funcionalidade e estética a preços relativamente baixos. Isso acarreta na evolução dos conceitos de gerenciamento e controle do processo fahril. no sentido de ohtenção de produtos de melhor qualidade, demandando maiores esforços no sentido de otimização dos processos de fabricação.

Nesse sentido. a utilização de sistemas automatizados e inteligentes de fabricação, cuja característica principal é o alto grau de autonomia, vem crescendo, uma vez que a sua implantação e utilização adequadas trazem benefícios em todo o sistema produtivo, como:

• agilização dos processos de fahricação. acompanhada do awnento de produtividade e conl1abilidade;

• controle efetivo do Iluxo de materiais, bem como dos fluxos de infomlação em todo o sistema produtivo;

• melhoria das condiçCies de tmbalho. tanto a nível de chão de fábrica como a nível de atividades de projeto e planejamento de engenharia.

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Sistemas automatizados e inteligentes de fabricação são mais complexos que os sistemas convencionais. sendo de difícil classificação. Vários termos comumente utilizados, como SFP (Sistemas Flexíveis de Produção). Células Flexíveis de Fabricação/Montagem. TFA (Total Factory Automation), dentre outros. são bastante imprecisos na det1nição da estrutura de um sistema produtivo automatizado. Uma possihilidade para a delinição e a classificação eficientes de sistemas automatizados e inteligentes re fahricação é a utilização das suas características de hierarquia; neste caso, o iúvel mais baixo seria representado por unidades de fahricação com um grau mínimo de autonomia (inteligência) e que seria chamado de célula de fabricação (uma analogia à anatomia humana, onde as células têm vida própria e certo grau de autonomia). A célula de fabricação teria capacidade de tomar algumas decisões de caráter operacional para solucionar pequenos problemas. como escolha entre máquinas alternativas equivalentes disponíveis para a realização de operações de fabricação. No nível imediatamente superior surge o conceito de SFP; no nível acima deste, o TFA que envolve o planejamento estratégico, ligado às missões da C( Im panhia.

Qualquer que seja o nível de ahordagem desses sistemas. existem certas características que permitem a sua classilkação como Sistemas Dinâmicos de Eventos Discretos (ou simplesmente SED).

Os SED são sistemas dinâmicos criados pelo homem, cujo estado se modifica em resposta à ocorrência de deternlÍnados eventos . isto é. a sua evolução dinâmica édeternlÍnada através de regras delinidas pelo homem. e não por leis invariantes da física. como ocorre com os sistemas dinâmicos re variáveis contínuas. Ou seja. os SED interagem c1iretamente com o homem. relacionando-se fracamente com a natureza. Desta fonna. se a Inteligência é uma característica própria do homem, então sua relação com o SED é evidente. I Ho~m I HoX<.J I

Neste trahalho é proposta uma metodologia de projeto de sistemas de controle de SED, que pode ser aplicada a sistemas automatizados e inteligentes de fabricação. Trata-se de uma tentativa re sistemati/,ação da abordagem de SED baseada na teoria de redes de Petri lMurata84]. Esta abordagem através da técnica MFG/PFS I HasegawaXH I lMiyagi88b] [Miyagi90] tem sua aplicação comprovada em vários trahalhos e atualmente está scndo utilizada num sistema-protótipo na Escola Politécnica da USP, no Lahorat(lrio de Automação e Sistemas (LAS/Mecatrônica): a Célula Integrada de Fabricação, componente do projeto temático Automação da Manufatura (processo FAPESP na 90/4225-3).

11. Metudologia de Prujeto de Sistemas de Controle de SED

11.1. Projeto de Sistemas de Controle de SED

A programahilidade dos controladores de SED existentes pernlite que a scquenciação de estados seja realizada de fonna semelhante à elahoração de software de grande porte. Desta forma, pode-se estabelecer uma metodologia estruturada de projeto de sistemas de controle de SED, visando otimizar os custos e o desempenho da atividade de projeto. minimizando a freqüência de erros. Com isso, obtém-se a sistematização de toda a atividade de projeto.

Analog,ulIcnte ao desenvolvimento estruturado de software, essa metodologia compreende as seguintes etapas:

I. Análise das necessidades

2. Delinição das necessiadades

3. Projeto do sistema de contmlc

4. Projeto do software

5. Desenvolvimento do soJiware

Ó. Testes.

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A transição de uma etapa para outra deve assegurar a obtenção das metas de desempenho e comportamento especificadas na fase antecedente e a minimização dos erros transmitidos à fase subseqüente.

11.2. Análise de Necessidades

A etapa de análise de necessidades consiste na compreensão do objetivo final do sistema, seguida da identilkação e compreensão das características do objeto de controle e dos equipamentos e instalações necessárias para a realização du ubjetivo final. Depois, faz-se o levantamento das diversas necessidades do usuário, passando efetivamente à sua análise: classificação, organização e/ou re fo rn1UI ação , otimização e correção.

Esta etapa tem as seguintes características:

• necessidade de organizar os reladonanlentos humanus: agrupar e conciliar as diferentes considerações, necessidades, exigências, infornIações, etc. dos vários participantes do projeto hásico do sistema;

• necessidade de knol1··-hol1.': conhecimento prático e tecnológico de todos os aspectos envolvidos no sistema, para sua hoa avaliação e análise;

• necessidade de reconsideração dos conceitos: ponderação e freqüente reconsideração, necessária devido à anlbigüidade característica desta fase;

• indetern1inação do final: a difícil decisão do nível de detalhamento das atividades desta etapa depende da capacidade e experiência na execução das etapas seguintes.

Esta etapa pode ser descrita através das seguintes atividades: identificação do objetivo final do sistema; estudu do objeto de controle, equipamentos e instalações; organização dos conhecimentos sobre o dispositivo, equipanlentos e sistema de controle; levantanlento e análise das funções de controle e revisão das necessidades.

É produzida aqui a "especif1cação das necessidades", a partir da qual são previstos custos e cronogranla.

É uma etapa de extrema importância, pois def1ne o ciclo de vida do sistema.

11.3. Definição das Necessidades

A etapa de de1inição das necessidades consiste em analisar a especificação das necessidades, gerando a "especifkação def1niLiva do sistema de controle". Este documento é utilizado para :

• obter a confirnlação e aprovação do usuário em relação às funções do sistema;

• identiticar as especifkaçües para o projeto do sistema de controle e seu software;

• gerar uma referência para a avaliação da qualidade na etapa de testes;

• gerar uma urdem para o fornecimento do hardware;

• gerar uma parte do manual de uperações e de manutenção.

Assim, aplic,mdo a metodolugia para sistemas automatizados de fabricação, o documento deve possuir o seguinte cunteúdo:

• visualização da estrutura da instalaçãu e das máquinas e equipamentos;

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• visualização das funções do sistema de controle e da estrutura das funções;

• visualização das inter-relações entre as [unções e o t1uxo das mesmas;

• indicação dos intertraVi.Ullentos entre as operações ou entre as funções;

• del1nição das dimensües, capacidade, custo, etc. do hardware;

• indicação do procedimento em casos i.U1ormais.

O ohjelO, o sistema e as funções de controle são organizados hierarquicamente, estabelecendo as relaçües entre estas três partes e entre os elementos que compõem cada elemento conforme apresentado na Figura I. Os elementos de um mesmo nível estão relacionados enúe si e estão representados no diagri.U11a por uma linha de conexão. Além disso. as três partes não são independentes entre si. isto é. possuem conexiies mútuas. Como ilustram os elementos com as mesmas hachuras na Figura 1, as [unções das máquinas possuem ligaçües tanto com o objeto de controle como com o sistema de controle que é responsável pela realização destas funções. Desta fOffila. na etapa de definição das necessidades é necessário estabelecer uma especil1cação que satisfaça as relações entre objeto de controle. sistema de contrulc e as funçües.

,GáqUi;>,

, nlvel de nlvel do • ,planejamento I ,

nlvel dos equipamentos nlvel de decisão de controle nlvel do dispositivo de controle

Figura 1- Exemplo da estrutura de um sistema de controle

Baseado nessas inter-relaçües, são realizadas as seguintes atividades:

• Dcl1nição das funçiies de controle: as [unções devem ser desenvolvidas até se obter uma completa descrição de sua realização física. chegi.U1do ao nível mais inferior das funções que constituem o objeto de controle ou dos módulos funcionais do software de controle; são especiticados os elementos do sistema de controle de SED (dispositivos de atuação, de detecção. de comando. de monitoração); os comandos de operação e de monitoração são classificados em: inicialização da operação. seleção do modo de operação. seleção do local de operação, sinalização do local de operação, sinalização/indicação. comi.U1do de operação. medição. sinalização de falha e alarme. Os documentos gerados são os seguintes:

I. Diagrama das [unções de controle

2. Lista dos dispositivos de atuação

~. Lista dos dispositivos de detecção

4. Lista dos dispositivos de cOI11i.U1do e monitoração

5. Lista dos intertravamentos entre funçües ou entre elementos do objeto de controle. condições de partida, condição de operação, etc

Ó. Diagri.U11a do sistema de alimentação de energia.

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1'~"idO ~ II,"ido B VA VB

material sólido

()

M.O~~ Jvc motor da esteira '

(~o',

detector de passagem de material \._)

WWA WA+WB misturador

MT

PO motor do misturador

chave limite : vertical ,..'.,.."\

o -\õ )MP . lO . d ' motor para mc mar o mistura or .

- - - - - P1 ~ chave limite: horizontal

Figura 2 - Exemplo de um diagrama esquemáticu de um objeto de controle

Figura 3a- MFG/PFS das funções de controle - nível macro

valor medido >=WA

fim'do tempo de mistura

fim da inicialização

valor medido >=WA+WB

P1:0N PO:ON

"";00='1 do misturador

I--~-~

Atividade de inicialização

Atividade de entrada de material

Atividade de mistura

Atividade de saída

Figura 3b - MFG/pFS das funções de controle - nível de detalhe

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• Definiçãu do fluxo das funções de controle: são definidus os procedimentos de controle que ativam as várias [unçües, utilizando u MFG/pFS. Documentos gerados:

I. Diagrama das funçües de controle

2. Fluxograma de chaveéllllento, representando operações manuais aleatórias ou em caso de exceção

3. Proposta de tratamento de anumalias.

A figura 2 mostra o diagrélllla esquemático de um sistema de fabricação a ser controlado; os fluxos das funçües de controle são descritas pelus diagramas MFG/PFS das figuras 3a e 3b.

• Revisão da especificação

11.4. Projeto do Sistema de Controle

Esta etapa cunsiste na atribuiçãu necessárias à realização do objetivo, atendendo as especificações.

As principais atividades desta etapa são:

• Definiçãu das interfaces c alocaçãu das funções: são definidos o tipo e a quantidade de dispositivos de controle a serem utilizadus, baseado na classificação hierárquica das funções de controle. Gera-se os seguintes documentos:

I. Diagrama de interfaces e das funções

2. Lista das interfaces

• Definição c alocação dos sinais de entrada e saída: são definidos o tipo e a quantidade de unidades de · entrada e saída dos controladures, considerando-se aspectos como: velocidade de resposta, imunidade a ruídos, conliabilidade dos contatos, características e capacidade de carga, especificações especiais e capacidade de expélllsão; geréllldo os seguintes ducumentos:

I. Diagrélllla de conexües da unidade de entrada e saída do controlador

2. Esquema de roteamento das l/O remotas

3. Tabela uu diagrama de alocaçãu das entradas e saídas.

• Delinição da estrutura do software: elaboraçãu do diagréllua estrutural do programa

• Revisão do projetu

O conjunto dos documentos gerados nesta etapa consiste no "projeto do sistema de controle", que compreende a alocação das funçües, alocação dos simais de entrada e saída e o diagrama estrutural do software.

11.5. Projeto do Software de Controle

A etapa de projeto do software de controle consiste em realizar concretamente a lógica das funções de controle definidas nas etapas anteriures.

Os problemas inerentes a esta etapa são:

• minimizar de eITUS e influência pessoal, com alta produtividade;

• aumentar a capacidade dos profissionais iniciantes.

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A solução. visando O aumento da produtividade e da qualidade do sof1ware. pode ser a padrunização e a reutilização de programas.

Os documentos gerados nesta etapa. muitas vezes obtidos automaticamente das ferramentas de apoio. é o projetu detalhadu du software. que cumpreende o grafo de representação do procedimento lógico re controle. tabela de sinais. mapa da memória

11.6. Desenvolvimento do Software de Controle e Testes

A etapa de desenvulvimento do software de controle consiste na implementação do programa. em linguagem de controle de SED e a sua codificação (obtido automaticanlente de ferramentas de apuio)

A etapa de testes consiste em planejar e realizar os testes. Os programas são carregados nos controladores. é veri11cado o cumprimento das exigências do usuário. isto é. conferindo com a especificação.

Na prática. os testes são divididos em duas etapas:

• Testes mudulares: cada módulo é depurado e corrigido com base nos resultados das execuções obtidas re simuladores de entrada e saída.

• Teste de sistema: os controladores (com os progranlas já testados) são ligados às entradas e saídas re sinais da instalação real. e então u sistema de controle é testado.

111. Aplicaçãu aos Sistemas Automatizados e Inteligentes de Fabricação

Além da Célula Integrada de Fabricação citada anterionnente. esta metodulogia foi aplicada no projeto e implementação de diversos sistemas de controle de SEDs no ambiente de automação indust.rial. Os resultados positivos obtidos em sistemas a nível de protótipos (linha de produção [Hasegawa84J. robôs industriais [Miyagi85a. MiyagU~5bJ. planta piluto de detergentes [Furukawa90J, célula de manufatura I MiyagiHHa I. veículos de transpurte auto-guiados [Santos92]) e sistemas industriais na área automohilística (autopeças e montadora) e de agro-indústria comprovam a eficácia da metodolugia proposta. Apesar de. em todos os casos. a equipe envolvida possuir inicialmente pouca experiência em projeto de sistemas de controle. a metodologia assegurou tanto o atendimento das especificações técnicas como () cumprimento do cronograma previsto. Este fato é relevante no sentido de que até muito recentemente praticamente não se tem notícia de nenhuma abordagem sistemática para o projeto. análise e implementação de sistemas de controle de SEDs.

IV. Observações Finais

O texto apresenta; de fomla resumida. os principais passos e as documentações a serem geradas por uma metodologia de projeto de sistemas de controle. A metodologia é baseada em MFGIPFS devido aos trahaU10s anteriores que comprovaranl seu potencial na descrição e análise de SED. Os resultados das aplicações até agora realizadas demonstram a existência de um campo amplo para o desenvolvimento re ferramentas computacionais para melliorar a produtividade do desenvolvimento de sistemas de controle. Neste contextu. é evidente que as técnica') de representação. análise e controle de SEDs desempenham um papel fundamental para o aprimoranlento da metodologia de projeto de seus sistemas de controle.

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