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RICARDO ALVES DE SIQUEIRA
METODOLOGIA PARA MODELAGEM E ANÁLISE DE SISTEMAS
PARA CONTROLE DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
São Paulo
2014
RICARDO ALVES DE SIQUEIRA
METODOLOGIA PARA MODELAGEM E ANÁLISE DE SISTEMAS
PARA CONTROLE DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
São Paulo
2014
RICARDO ALVES DE SIQUEIRA
METODOLOGIA PARA MODELAGEM E ANÁLISE DE SISTEMAS
PARA CONTROLE DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Tese apresentada à Escola Politécnica
da Universidade de São Paulo para
obtenção do título de Doutor em Ciências no
Programa de Engenharia Elétrica
Área de Concentração:
Sistemas de Potência
Orientador: Prof. Doutor
José Antônio Jardini
São Paulo
2014
À minha esposa Bernardete e
aos meus filhos Heitor e Ana Beatriz.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, ao nosso Senhor por ter me proporcionado a oportunidade, saúde e sabedoria para
tornar possível a realização deste trabalho.
A minha esposa e aos meus filhos pela compreensão, paciência e apoio durante o período que me
dediquei a este trabalho.
Ao meu orientador Prof. Dr. José Antônio Jardini da Engenharia Elétrica/Sistemas de Potência
(PEA) pela orientação, incentivo e por constantemente confiar no meu potencial e em meus esforços
para concluir este trabalho.
Ao Prof. Dr. Fabrício Junqueira da Engenharia de Controle e Automação Mecânica (PMR) pelas
apropriadas observações, orientação e revisão de textos na área de análise de Sistemas a Eventos
Discretos e Rede de Petri.
Ao Prof. Dr. Paulo Miyagi da Engenharia de Controle e Automação Mecânica (PMR) pelos
valiosos questionamentos e avaliação da proposta, quando do Exame de Qualificação.
Ao Prof. Dr. Luiz Carlos Magrini pelo apoio e colaboração, principalmente na fase de pesquisa
bibliográfica, com a indicação e fornecimento de bibliografias relacionadas ao tema.
Aos Professores da Pós Graduação que tive contato quando do cumprimento das matérias, tanto
da Engenharia Elétrica/Sistemas de Potência (PEA), da Engenharia de Controle e Automação
Mecânica (PMR), quanto da Engenharia de Computação (PCS), pelas excelentes aulas ministras e
inestimável aprendizado proporcionado.
À VOITH Hydro pela confiança, apoio, incentivo e oportunidade de crescimento acadêmico e
profissional.
À ANEEL e à FURNAS pela contribuição e apoio por meio das discussões técnicas e
fornecimento de dados relacionados a Usinas Hidrelétricas.
A todos, mesmo não citados nominalmente que colaboraram, direta ou indiretamente, no
desenvolvimento e conclusão deste trabalho.
RESUMO
A importância da geração de energia elétrica hidráulica, dentro dos requisitos de
qualidade e fornecimento com índices de confiabilidade cada vez mais exigentes, tem se
tornada acentuada, principalmente em atendimento às necessidades de consumo em todas as
áreas de atividades produtivas.
Têm-se notado que as tecnologias desenvolvidas aliadas às mudanças socioeconômicas
trouxeram uma evolução e reestruturação, tanto no setor industrial produtivo como no setor
elétrico (concessionárias de energia elétrica e fornecedores de sistemas e equipamentos para
usinas hidrelétricas e subestações), com aumento significativo da especialização e da
complexidade da automação dos processos envolvidos, onde falhas são consideradas
inaceitáveis. Em consequência, têm-se exigido soluções técnicas eficazes e com investimentos
reduzidos. Desta forma, a Automação Elétrica, que faz parte dos sistemas de Comando,
Controle, Comunicação e Informação altamente integrados (C3I), têm demonstrado uma
participação fundamental no atual cenário deste segmento. Então, de maneira a tratar
adequadamente esta complexidade, tornar as soluções técnicas cada vez mais seguras e
facilitar o estudo e projeto de novos sistemas de controle nesta área, este trabalho apresenta
uma metodologia para modelagem e análise de Sistemas de Controle envolvidos na geração
hidráulica de energia elétrica.
Este trabalho tem como principais desenvolvimentos: uma metodologia que envolve a
teoria de controle de SDED juntamente com conceitos e pesquisas na área de Engenharia de
Software e um formalismo em Rede de Petri Interpretada por Sinais (RPIS) em conjunto com
o paradigma de Orientação a Objetos (OO), representado pela proposta de uma nova RP, a
����_�� (Rede de Petri Interpretada por Sinais – Orientada a Objetos).
Destarte, espera-se que a metodologia e a nova RP propostas nesta tese contribuam na
especificação e construção dos algoritmos de controle dos sistemas que participam na
automação da geração de energia elétrica hidráulica, como também, no aprimoramento de
novas abordagens para o desenvolvimento de sistemas de automação elétrica, representando
atualmente o estado da arte nesta área.
Palavras-Chaves: Usina Hidrelétrica. Automação Elétrica. Modelagem e Análise de
Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos. Rede de Petri Interpretada por Sinais – Orientada a
Objetos (����_��).
ABSTRACT
The importance of hydroelectric power generation, considering the increasingly
demanding supply and quality requirements, has become more pronounced especially seeing
the great consumption needs on all productive areas.
It's noticeable that technology developed with socioeconomic changes have brought
evolution and a restructuring both in the industrial and electrical sector (electric companies
and power plant equipment manufacturers), with a notable increase in specialization and
complexity of the automation of these activities, where faults are considered unacceptable. A
demand for more efficient technical solutions and reduced investments has therefore increased
greatly. Electrical automation technology as part of highly integrated command, control,
communication and information (C3I) systems has demonstrated a crucial involvement in the
context of this segment.
In order to handle this evolving complexity, creating more secure technical solutions and
further research and development of new control systems for this sector, this work introduces
a new methodology for modeling and analysis of power plant control systems. A
methodology involving the theory of Discrete Event Dynamic Systems (DEDS) and concepts
of Software Engineering is presented, as well as a new formalism based on Signal Interpreted
Petri Nets (SIPN) together with Object-Oriented Paradigm (OOP) named Object-Oriented
Signal Interpreted Petri Nets (OOSIPN).
The intention is that methodology proposed in this thesis contributes to the correct
specification and construction of control algorithms for power plant control systems, as well
as the state of the art in this research area in the form of a new approach to development of
such automation systems.
Keywords: Hydroelectric Power Plant. Electrical Automation. Modeling and analysis
of Discrete Event Dynamic Systems. Object-Oriented Signal Interpreted Petri Nets
(������).
PALAVRAS RESERVADAS E CONVENÇÕES UTILIZADAS
� Rede de Petri – Fonte: Calibri Light, itálico, 12 pontos, cor preta.
� Matemática Discreta, Teoria de Conjuntos e Definições formais para Rede de Petri –
Fonte: Cambria Math, itálico, cor preta.
� Orientação a Objetos e Linguagem de notação UML – Fonte: Courier New , cor
preta.
� Matemática Discreta e Definições formais para ����_�� – Fonte: Cambria Math,
itálico, azul escuro.
� Palavras de origem estrangeira: – Fonte: Times New Roman, itálico, cor preta.
� O “nome_da_classe” e o “NOME_DO_OBJETO” se dão da seguinte forma: o
nome da classe em letras minúsculas e nome do objeto em letras maiúsculas e
em negrito, ambos na fonte Courier New .
� O vocábulo “atividade” é utilizado em quatro situações distintas, diferenciado pela sua
formatação e contexto em que está inserido:
- No que concerne a uma atividade ou subatividade (Times New Roman itálico em
negrito) que pertence a cada etapa do procedimento proposto para modelagem e
análise do Sistema de Controle e seu Objeto de Controle, conforme o Capítulo 5.
São as Atividades de 0 a 8, ilustradas por meio da Figura 5.4.
- Em referência a uma atividade ou interatividade do PFS (Calibri Light Itálico).
- Citação de uma atividade do Diagrama de Atividades da UML (Courier
New).
- Alusivo a uma atividade de forma geral, que não pertence a nenhum dos três
contextos citados anteriormente (Times New Roman).
ABREVIATURAS
CA Conjunto de alcançabilidade.
CASE Computer Aided Software Engineering.
CFC Continuous Function Chart.
CLP Controlador Lógico Programável.
DBC Desenvolvimento Baseado em Componentes.
DCU Diagrama de Casos de Uso.
DIPMCS Distributed Industrial-Process Measurement and Control Systems.
DTCU Descrição Textual dos Casos de Uso.
ED Engenharia de Domínio.
EFS Elementary Firing Sequence.
FB Function Block.
FBD Function Block Diagram.
GA Grafo de Alcançabilidade.
IEC International Electrotechnical Commission.
IED Intelligent Electronic Device.
IEEE Institute of Electric and Electronic Engineers.
IL Instruction List.
ISA International Society of Automation
ISO International Organization for Standardization
LD Ladder Diagram.
LSH Level Switch High.
LSL Level Switch Low.
MCU Modelagem dos Casos de Uso.
MFG Mark Flow Graph
OMG Object Management Group.
OO Orientação a Objetos.
OPN Object Petri Net.
P&ID Piping and Instrumentation Diagram.
PFS Product Flow Schema.
RM-ODP Reference Model – Open Distributed Processing.
RP Rede de Petri Ordinária.
RPC RP Colorida.
RP C/A RP Canal/Agência.
RP C/E RP Condição/Evento.
RPCH RP Colorida Hierárquica
RP L/T RP Lugar/Transição.
RP P/T RP Predicado/Transição.
RP PTD RP Predicado/Transição Diferencial.
RP PTD-OO RP Predicado/Transição Diferencial - Orientada a Objetos.
RP(RPIS) RP Subjacente da RPIS.
RPI RP Interpretada.
RPIC RP Interpretada para Controle.
RPICL RP Interpretada para Controle Lógico.
RPIS Rede de Petri Interpretada por Sinais - Orientada a Objetos
RPO Rede de Petri a Objetos.
RPOO Rede de Petri Orientada a Objetos.
RPS RP Sincronizada.
RUP Rational Unified Process
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition System.
SCDC Sistemas de Controle Distribuídos e Colaborativos.
SDED Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos.
SDRV Sistema Digital de Regulação de Velocidade.
SDVC Sistemas Dinâmicos a Variáveis Contínuas.
SFC Sequential Function Chart
SIPN-Editor Signal Interpreted Petri Net Editor
SHRV Sistema Hidráulico de Regulação de Velocidade.
SMA Sistemas de Manufatura Automatizados.
SP Sistemas Produtivos.
SSOO Sistema de Software Orientado a Objetos.
ST Structured Text.
TSH Temperature Switch High.
UAC Unidade de Aquisição e Controle
UG Unidade Geradora.
UHE Usina Hidrelétrica.
SIMBOLOGIAS
Lógica Proposicional
¬� Negação de � (não �).
� Valor booleano ����� de uma proposição lógica (Contradição).
�(��, … , ��) Função Proposicional.
� ∶= " � é definido como outro nome para ".
� ∧ " Disjunção de � e " (lógica $).
� ∨ " Conjunção de � e " (lógica �&).
� ≡ " Equivalência de � e ".
�⨁" �& )�*�&�+,� de � e ".
� ⟶ " � implica em " (condicional, implicação). Pode ser também � ⟹ ".
� ↔ " Bi-condicional de � e ". Pode ser também � ⟺ ".
1 Valor booleano 1$23�3$+2� de uma proposição lógica (Tautologia).
Conjuntos
(�, 4) Par ordenado.
⟨6�, … , 6�⟩ n-tupla.
{��, … , ��}|;| Lista de elementos de um conjunto.
{�|�(�)} Conjunto de todos os �, para os quais �(�) é verdadeiro. É o mesmo que
{�: �(�)}.
|6| Cardinalidade ou Dimensão do conjunto 6.
∀�: �(�) �(�) é 1$23�3$+2� para todos os � (quantificação universal de �(�)).
∃�: �(�) Existe pelo menos um � tal que �(�) é 1$23�3$+2� (quantificação existencial
de �(�)).
∅ ou { } Conjunto Vazio.
6 = @ Igualdade de conjuntos.
6 × @ Produto cartesiano entre os conjuntos 6 e @.
6 ∩ @ Intersecção de 6 e @ (conjunto que contém todos os elementos que 6 e @ têm
em comum).
6 ∪ @ União de 6 e @ (conjunto que contém todos os elementos que 6 e também
todos os elementos de @).
6 ⊂ @ 6 é um subconjunto próprio de @ (ou 6 está contido propriamente em @).
6 ⊃ @ 6 contém propriamente @.
6 ⊆ @ 6 é um subconjunto de @ (ou 6 está contido em @).
6 ⊇ @ 6 contém @.
� < I � é menor que I.
� > I � é maior que I.
� ∈ 6 � é um elemento do conjunto 6.
� ∉ @ � não é um elemento do conjunto @.
� ≤ I � é menor ou igual I.
� ≥ I � é maior ou igual a I.
ℕ Conjunto dos números inteiros não negativos.
Funções
P(�) Valor da função P em �.
P: 6 ⟶ @ A função P mapeia o conjunto 6 no conjunto @.
∑ �R � RS� Soma de ��, … , ��.
∏ �R � RS� Produto de ��, … , ��.
Matrizes
U�RVW Elemento �RV de uma matriz, onde + é a +-ézima linha e X é a X-ézima coluna da
matriz Y.
Y + [ Soma das matrizes Y e [.
Y[ Produto das matrizes Y e [.
Y\ Transposta da matriz Y.
Rede de Petri
� Conjunto finito e não vazio de arcos que conectam lugares a transições ou
transições a lugares de uma RP.
]^(�R) Marcação específica _ de um lugar �R de uma RP.
]R ` abbbc ]^ Sequência de disparo � da marcação ]R à marcação ]^.
]d Marcação inicial de uma RP.
]^ Marcação específica de uma RP.
�R• Conjunto de transições de entrada de �R. Pre-set de um lugar.
�R• Conjunto de transições de saída de �R. Pos-set de um lugar.
� Conjunto finito e não vazio de lugares.
�R Lugar específico de uma RP.
�2$ Lugares precedentes de uma transição ou incidência anterior.
���f Lugares seguintes de uma transição ou incidência posterior.
�� Rede de Petri Ordinária.
g Conjunto finito e não vazio de transições.
fV Transição específica de uma RP.
fV• Conjunto de lugares de entrada de uma transição. Pre-set de uma transição.
fV• Conjunto de lugares de saída de uma transição. Pos-set de uma transição.
hi Matriz de Incidência de Entrada, de uma RP.
hj Matriz de Incidência de Saída, de uma RP.
h Matriz de Incidência, de uma RP.
kRVi Elemento da matriz hi o qual indica o peso do arco ligando o lugar de entrada
�R à transição fV.
kRVj Elemento da matriz hj o qual indica o peso do arco ligando o lugar de entrada
�R à transição fV.
Rede de Petri Interpretada por Sinais
+R Sinal digital de entrada
�R Sinal digital de saída
� Conjunto finito e não vazio dos sinais lógicos de entrada.
� Conjunto finito e não vazio dos sinais lógicos de saída.
���� Rede de Petri Interpretada por Sinais.
l(�R) Função de saída de um lugar
m(fR) Condições ou Função de disparo de uma transição
n Função de saída combinando a saída l com todos os lugares marcados.
Rede de Petri Interpretada por Sinais - Orientada a Objetos
o6(����_�o�`_�p) Conjunto de Alcançabilidade do objeto p, da classe de
número q, do Sistema de Controle de um sistema modelado em
RPIS_OO.
o6(����_�owx_�y) Conjunto de Alcançabilidade do objeto y, da classe de
número ], do Objeto de Controle de um sistema modelado em
RPIS_OO.
��` Conjunto finito e não vazio de arcos que conectam lugares a transições ou
transições a lugares para a classe q do Sistema de Controle.
�wx Conjunto finito e não vazio de arcos que conectam lugares a transições ou
transições a lugares para a classe ] do Objeto de Controle.
z6(����_�o�`_�p) Grafo de Alcançabilidade do objeto p, da classe de número
q, do Sistema de Controle de um sistema modelado em
RPIS_OO.
z6(����_�owx_�y) Grafo de Alcançabilidade do objeto y, da classe de
número ], do Objeto de Controle de um sistema modelado em
RPIS_OO.
� Conjunto finito dos sinais lógicos de entrada.
�wxix{ Variável de interface � da classe ] do Objeto de Controle, onde está
armazenado o nome do objeto y que está associado ao método que pode
ser chamado por um objeto do Sistema de Controle.
��`ix| Variável de interface � da classe q do Sistema de Controle, onde está
armazenado o nome do objeto p que está associado ao método que pode
ser chamado por um objeto do Sistema de Controle.
}d_wx: é a Marcação inicial da classe ] do Objeto de Controle.
}d_�` Marcação inicial da classe q do Sistema de Controle.
}{_wx: é a Marcação y da classe ] do Objeto de Controle.
�owx_�y Objeto y da classe de número ], do Objeto de Controle de um sistema
modelado em ����_��.
}|_�` Marcação p da classe q do Sistema de Controle.
}wx É o conjunto de Marcações, significando que cada uma representa o estado
de um objeto da sub-rede do Objeto de Controle.
}�` É o conjunto de Marcações, significando que cada uma representa o estado
de um objeto da sub-rede do Sistema de Controle, sendo:
]{_wx_0: Marcação inicial (_ = 0) do objeto y da classe ] do Objeto de
Controle.
]{_wx__ É a marcação alcançável _ do objeto y da classe ] na ����_�owx .
]|_�`_� Marcação alcançável � do objeto p da classe q na ����_�o�` , de sua
classe o�`.
�owx Classe de número ] do Objeto de Controle constituída pela ����_�owx .
Para reduzir a quantidade de letras, as classes do Objeto de Controle serão
identificadas individualmente apenas como owx (classe de número ] do
Objeto de Controle).
�{_wx Nome do objeto y, da ����_�owx , onde seu estado é representado pela
marcação ]{_wx__.
�|_�` Nome do objeto p, da classe q do Sistema de Controle, onde seu
estado é representado pela marcação ]|_�`_�.
�\ Conjunto de todos os lugares de uma ����_��.
�wx Conjunto finito e não vazio de lugares da classe ] do Objeto de Controle.
��` Conjunto finito e não vazio de lugares da classe q do Sistema de Controle.
��`_x|: Conjunto finito e não vazio de lugares �R de um objeto p da classe q do
Sistema de Controle.
�R_wx Lugar + da classe ] do Objeto de Controle (� indica Objeto de Controle).
�R_wxix{ Lugar + do objeto y, da classe ] do Objeto de Controle.
�R_�` Lugar + da classe q do Sistema de Controle (� indica Sistema de Controle).
�R_�`ix| Lugar + do objeto p, da classe q do Sistema de Controle.
�w Lugar qualquer pertencente ao conjunto �\.
���fwx Contém todos os lugares que são conectados a fV_wx, f��_wx por arcos
direcionados, das transições aos lugares, para a classe ] do Objeto de
Controle.
���f�` Contém todos os lugares que são conectados a fV_�`, f��_�`,
f��_�` por arcos direcionados, das transições aos lugares, para a classe q do
Sistema de Controle.
�2$wx Contém todos os lugares que são conectados a fV_wx, f��_wx por arcos
direcionados, dos lugares às transições, para a classe ] do Objeto de
Controle.
�2$�` Contém todos os lugares que são conectados a fV_�`, f��_�`,
f��_�` por arcos direcionados, dos lugares às transições, para a classe q do
Sistema de Controle.
����_�� Rede de Petri Interpretada por Sinais - Orientada a Objetos.
����_�o Conjunto de sub-redes que representa as classes do Objeto de Controle.
����_�o Conjunto de sub-redes que representa as classes do Sistema de Controle.
����_�owx Sub Rede de Petri Interpretada por Sinais - Orientada a Objetos Marcada, de
número ], do Objeto de Controle.
����_�o�` Sub Rede de Petri Interpretada por Sinais - Orientada a Objetos Marcada, de
número q, do Sistema de Controle.
��wx RP Ordinária, da classe de número ] do Objeto de Controle.
���` RP Ordinária, da classe de número q do Sistema de Controle.
�o�` Classe de número q do Sistema de Controle constituída pela ����_�o�` .
Para reduzir a quantidade de letras, as classes do Objeto de Controle serão
identificadas individualmente apenas como o�` (classe de número q do
Sistema de Controle).
�o�`_�p Objeto p da classe de número q, do Sistema de Controle de um sistema
modelado em ����_��.
g�_wx Conjunto de transições da ����_�owx que produz um método a outras
classes , o qual descreve um serviço implementado por esta classe , ou
seja, é o conjunto de operações que a classe ����_�owx disponibiliza e
pode ser “chamado” por outras classes.
g�_�` Conjunto de transições da ����_�o�` que produz um método a outras
classes , o qual descreve um serviço implementado por esta classe , ou
seja, é o conjunto de operações que a classe ����_�o�` disponibiliza e
pode ser “chamado” por outras classes do Sistema de Controle.
g\ Conjunto de todas as transições de uma ����_��.
g\wx Conjunto de todos os tipos de transição definidos para a classe ] do
Objeto de Controle.
g\�` Conjunto de todos os tipos de transição definidos para a classe q do
Sistema de Controle.
gwx Conjunto de transições da ����_�owx de número ] do Objeto de Controle
(inscrição �), que não são produtoras nem são consumidoras.
g�` Conjunto de transições da ����_�o�` de número q do Sistema de Controle
(inscrição �), que não são produtoras nem são consumidoras.
fV_wx• Conjunto de lugares de saída (pós-lugares) de uma transição X da classe de
número ] do Objeto de Controle.
fV_�`• Conjunto de lugares de saída (pós-lugares) de uma transição X da classe de
número q do Sistema de Controle.
f��_wx• Conjunto de lugares de saída (pós-lugares) de uma transição produtora � da
classe de número ] do Objeto de Controle.
f��_�`• Conjunto de lugares de saída (pós-lugares) de uma transição produtora � da
classe de número q do Sistema de Controle.
f��_�`• Conjunto de lugares de entrada (pós-lugares) de uma transição consumidora I
da classe de número q do Sistema de Controle.
fV_wx• Conjunto de lugares de entrada (pré-lugares) de uma transição X da classe
de número ] do Objeto de Controle.
fV_�`• Conjunto de lugares de entrada (pré-lugares) de uma transição X da classe
de número q do Sistema de Controle.
f��_wx• Conjunto de lugares de entrada (pré-lugares) de uma transição produtora � da
classe de número ] do Objeto de Controle.
f��_�`• Conjunto de lugares de entrada (pré-lugares) de uma transição produtora � da
classe de número q do Sistema de Controle.
fV����� Transição normal X do objeto y, da classe ] do Objeto de Controle.
f��_�` → f��_wx_�wxix{ Transição f��_�` chama o método associado à f��_wx, cujo
nome está armazenado na variável �wxix{ do objeto de
número y da classe de número ] do Objeto de Controle.
f��_�` → f��_�`_��`ix| Transição f��_�` chama o método associado à f��_�`, cujo
nome está armazenado na variável ��`ix| do objeto de
número p da classe de número q do Sistema de Controle.
f��_�`• Conjunto de lugares de entrada (pós-lugares) de uma transição consumidora I
da classe de número q do Sistema de Controle.
f��_�`ix| Transição consumidora I do objeto p, da classe q do Sistema de
Controle.
fV_wx Transição de número X da classe de número ] do Objeto de Controle
(inscrição �), que não é produtora nem consumidora, denominada como
transição normal da classe owx.
fV_�` Transição de número X da classe de número q do Sistema de Controle
(inscrição �), que não é produtora nem consumidora, denominada como
transição normal da classe o�`.
fV_�`ix| Transição normal X do objeto p, da classe q do Sistema de Controle.
f� Transição qualquer pertencente ao conjunto g\.
f��_wx Transição produtora de número � da classe (sub-rede) de número ] do
Objeto de Controle (inscrição �), que pode ser consumida por outras
classes . A transição produtora � tem uma operação que pode ser
“chamada” por outras classes .
f��_wxix{ Transição produtora � do objeto y, da classe ] do Objeto de Controle.
f��_�` Transição produtora de número � da classe (sub-rede) de número q do
Sistema de Controle (inscrição �), que pode ser consumida por outras
classes . A transição produtora � tem uma operação que pode ser
“chamada” por outras classes do Sistema de Controle.
f��_�`ix| Transição produtora � do objeto p, da classe q do Sistema de Controle.
1{_wx Instância de 1wx da ����_�owx , para o objeto y.
1|_�` Instância de 1�` da classe q do Sistema de Controle, para o objeto p.
1wx Conjunto de variáveis formais que pertence ao conjunto de atributos de
uma classe de número ] do Objeto de Controle.
1�` Conjunto de variáveis formais que pertence ao conjunto de atributos de
uma classe de número � do Sistema de Controle.
,+R Sinal de entrada interno (virtual input) recebido via rede de outros IEDs.
,�R Sinal de saída interno (virtual output) gerado e utilizado internamente no
programa do CLP, para lógicas internas ou sinalização em IHM (Interface
Humano Máquina).
n|_�` Possível saída produzida por um objeto p de uma classe q do Sistema de
Controle, durante sua evolução. Esta representa a soma ou conjunção das
saídas de todas as marcações alcançáveis (diferentes estados) de um objeto
desta classe .
n�` Função de saída combinando a saída l�` com todos os lugares marcados de
um estado alcançável.
n�`�]|_�`_�� Função de saída combinando a saída l�`_x| com todos os lugares marcados
em sua marcação �, do objeto p da classe q do Sistema de Controle
(]|_�`_�), ou seja, é o produto binário dos lugares marcados. É o mesmo que
n�]|_�`_��.
mwx É um mapeamento associando cada transição fV_wx ∈ gwx com uma função
(ou condição) de disparo mwx�fV_wx� = P�+�, +�, … +|�|� e também, associando
cada transição f��_wx ∈ gwx com uma função de disparo mwx�f��_wx� =
P�+�, +�, … +|�|�.
m�` Mapeamento que associa cada transição fV_�` ∈ g�` com uma função (ou
condição) de disparo m�`� fV_�`� = P�+�, +�, … +|�|�, cada transição f��_�` ∈
g�_�` com uma condição de disparo m�`�f��_�`� = P�+�, +�, … +|�|� e também,
associando cada transição f��_�` ∈ g�_�` com uma condição de disparo
m�`�f��_�`� = P�+�, +�, … +|�|�.
l�` Mapeamento associando cada lugar �R_�` ∈ ��` com uma saída
l�`��R_�`�.
m�fV������ Função de disparo da transição normal X do objeto y, da classe ] do
Objeto de Controle.
m�f��_�`ix|� Função de disparo da transição consumidora I do objeto p, da classe q
do Sistema de Controle.
m�fV_�`ix|� Função de disparo da transição normal X do objeto p, da classe q do
Sistema de Controle.
m�f��_wxix{� Função de disparo da transição produtora � do objeto y, da classe ] do
Objeto de Controle.
m�f��_�`ix|� Função de disparo da transição produtora � do objeto p, da classe q do
Sistema de Controle.
l��R��ix|� Função de saída do lugar + do objeto p, da classe q do Sistema de
Controle. É o mesmo que l�`��R_�`ix|�.
Apêndice A – Exemplo de Aplicação
Nomenclatura dos Sistemas
1.TK Reservatório de Óleo.
2.PG Geração de Pressão Hidráulica.
3.TK Tanque Acumulador de Pressão Ar-Óleo
4.HASM Acionamento Hidráulico dos Servomotores.
5.HAL Acionamento Hidráulico das Travas de Segurança.
6.PA Desligamento de Emergência – Atuação Mecânica.
7.EHV Desligamento de Emergência – Atuação Elétrica.
8.GW Roda Dentada.
9.TK Tanque de Drenagem de Óleo de Infiltração.
Identificação dos Sinais
I Entrada Digital do CLP (hardware).
Q Saída Digital do CLP (hardware).
VI (Virtual Input) Entrada Digital gerada internamente no CLP por software.
VQ (Virtual Output) Saída Digital gerada internamente no CLP por software.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................25
1.1 Tema.........................................................................................................................25
1.2 Objetivo....................................................................................................................28
1.3 Motivações e Justificativas.......................................................................................29
1.4 Solução Proposta......................................................................................................44
1.5 Metodologia de Pesquisa Adotada...........................................................................45
1.6 Organização e Estrutura da Tese..............................................................................47
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................50
2.1 Introdução.................................................................................................................50
2.2 Abstração do Modelo Baseada em Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos
(SDED).....................................................................................................................51
2.3 Automação Elétrica..................................................................................................52
2.4 Utilização do Paradigma de Orientação a Objetos e da Linguagem UML..............53
2.5 Uso dos Conceitos de Componentização.................................................................55
2.6 Utilização do Conceito de Estruturação Hierárquica-Modificada............................56
2.7 Utilização da Técnica Product Flow Schema (PFS).................................................57
2.8 Formalismo de Modelagem Baseado em Rede de Petri (RP).........................................59
2.9 Rede de Petri Interpretada por Sinais (RPIS).......................................................................62
2.10 Rede de Petri e Orientação a Objetos......................................................................65
2.11 Considerações sobre o Capítulo..............................................................................69
3 FORMALISMO ...............................................................................................................70
3.1 Seleção do Formalismo de Apoio.............................................................................71
3.2 Rede de Petri (RP).........................................................................................................................73
3.2.1 Rede de Petri Ordinária (RP)........................................................................73
3.2.2 Rede de Petri Ordinária Marcada.................................................................76
3.2.3 Rede de Petri Condição/Evento (RP C/E)....................................................81
3.2.4 Rede de Petri Lugar/Transição (RP L/T)......................................................82
3.2.5 Conjunto de Alcançabilidade (CA) e Grafo de Alcançabilidade (GA) de
uma RP..........................................................................................................83
3.2.6 Rede de Petri Interpretada por Sinais (RPIS)...............................................85
3.3 Paradigma OO e Rede de Petri.................................................................................91
3.4 Rede de Petri Interpretada por Sinais juntamente com o Paradigma de Orientação
a Objetos...................................................................................................................93
3.4.1 Estrutura e Dinâmica dos Modelos das Sub-redes (Classes ) e
Objetos ......................................................................................................93
3.4.2 Estrutura de uma ����_�owx......................................................................96
3.4.3 Comportamento e Semântica de uma ����_�owx......................................99
3.4.4 Representação Gráfica de uma ����_�owx..............................................101
3.4.5 Estrutura de uma ����_�o�`......................................................................102
3.4.6 Comportamento e Semântica de uma ����_�o�`......................................106
3.4.7 Representação Gráfica de uma ����_�o�`................................................108
3.4.8 Interfaces de Comunicação entre as Classes .................................109
3.4.9 Composição dos Modelos Integrados.........................................................113
3.4.9.1 Procedimento para o Desdobramento das Sub-Redes e Composição
dos Modelos Integrados................................................................114
3.5 Exemplo de Aplicação............................................................................................117
3.5.1 Descrição Informal do Sistema de Drenagem do Óleo de Infiltração
do SHRV.....................................................................................................117
3.5.2 Definição das Classes e Objetos do modelo do Sistema...................121
3.5.2.1 Classes do Objeto de Controle.................................................122
3.5.2.2 Classes do Sistema de Controle...............................................124
3.5.2.3 Grafo de Marcação dos Estados Alcançáveis das Classes .......127
3.5.3 Construção dos Modelos Integrados...........................................................128
3.5.3.1 Identificação da Fusão das Transições das Classes -
Passo 1..........................................................................................128
3.5.3.2 Desdobramento das Classes em Objetos e Renomeação para
o nível de Objetos - Passo 2.....................................................129
3.5.3.3 Fusão das Transições dos Objetos do Objeto de Controle -
Passo 3..........................................................................................136
3.5.3.4 Fusão das transições dos Objetos do Sistema de Controle -
Passo 4..........................................................................................139
3.5.3.5 Modelo Integrado dos Objetos do Sistema de Controle -
Passo 5..........................................................................................142
3.6 Considerações sobre o Capítulo.............................................................................143
4 ANÁLISE DOS MODELOS .........................................................................................146
4.1 Introdução...............................................................................................................146
4.2 Alcançabilidade e Propriedades Básicas da RP......................................................148
4.3 Alcançabilidade e Propriedades da ����_��........................................................151
4.3.1 Alcançabilidade da ����_��.....................................................................151
4.3.2 Álgebra de Sinais da ����_��..................................................................153
4.3.3 Propriedades da ����_��..........................................................................164
4.4 Verificação Formal da ����_��...........................................................................170
4.4.1 Propriedades Funcionais Padrões da ����_��..........................................170
4.5 Método de Verificação da ����_��......................................................................174
4.6 Considerações sobre o Capítulo.............................................................................178
5 METODOLOGIA PROPOSTA ................................................................................179
5.1 Introdução...............................................................................................................179
5.2 Especificação e Projeto de Sistemas de Automação para Unidades Geradoras –
Uma Visão Geral....................................................................................................179
5.3 Bases Conceituais para a Metodologia Proposta....................................................181
5.4 Apresentação da Metodologia................................................................................183
5.4.1 Descrição das Fases, Etapas e Atividades..................................................185
5.5 Considerações sobre o Capítulo.............................................................................191
6 CONCLUSÕES..............................................................................................................193
6.1 Principais Contribuições.........................................................................................194
6.2 Propostas de Trabalhos Futuros..............................................................................196
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................198
APÊNDICE A – EXEMPLO DE APLICAÇÃO ...............................................................207
A.1 Modelagem e Análise do SHRV............................................................................208
A.1.1 Atividade 0 – Especificação Informal.........................................................208
A.1.1.1 Objeto de Controle.......................................................................208
A.1.1.2 Sistema de Controle......................................................................217
A.1.2 Atividade 1 – Modelo em PFS....................................................................227
A.1.3 Atividade 2 – Modelagem dos Casos de Uso..............................................229
A.1.4 Atividade 3 – Diagrama de Atividades.......................................................230
A.1.5 Atividade 4 – Definição das Classes e Objetos ..................................240
A.1.6 Atividade 5 – Diagrama de Sequência........................................................246
A.1.7 Atividade 6 – Diagrama de Comunicação..................................................253
A.1.8 Atividade 7 – Modelagem das Classes e Objetos em ����_��........254
A.1.8.1 Modelagem e Consolidação das Classes e Objetos do Objeto
de Controle e do Sistema de Controle..........................................254
A.1.8.2 Identificação da fusão das transições das Classes ...................271
A.1.8.3 Desdobramento das Classes em Objetos e sua
Renomeação.................................................................................275
A.1.8.4 Fusão das Transições dos Objetos do Objeto de Controle.......280
A.1.8.5 Fusão das Transições dos Objetos do Sistema de Controle......281
A.1.8.6 Modelo Integrado dos Objetos do Sistema de Controle...........283
A.1.9 Atividade 8 – Verificação Formal...............................................................285
A.1.9.1 Grafo de Alcançabilidade do Objeto Integrado
��_��` = SUP_PR_B-1................................................................285
A.1.9.2 Verificação para Corretude Formal dos Objetos do Sistema de
Controle – Propriedades Obrigatórias..........................................288
A.1.9.3 Verificação para Corretude Formal dos Objetos do Sistema de
Controle – Propriedades Eletivas.................................................289
A.2 Considerações sobre o Apêndice............................................................................290
APÊNDICE B – Product Flow Schema (PFS)………..................................................…..292
APÊNDICE C – O Paradigma de Orientação a Objetos..................................................295
APÊNDICE D – Unified Model Language (UML)……………………………..………..299