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MODELAGEM DE SISTEMA DE
CONTROLE SUSTENTÁVEL DE
PROCESSOS PRODUTIVOS DISPERSOS
Carlos Heitor Filgueiras de Souza (UESC )
Carlos Cezar Rodrigues Santos (UESC )
Joao Thiago de Guimaraes Anchieta e Araujo Campos (UFBA )
Robson Marinho da Silva (UESC )
Gesil Sampaio Amarante Segundo (UESC )
A ALTA COMPETITIVIDADE DAS EMPRESAS TEM EXIGIDO
MAIORES INVESTIMENTOS PARA MELHORAR A FLEXIBILIDADE,
O CONTROLE E A SEGURANÇA CONTRA FALHAS, EXIGINDO O
DESENVOLVIMENTO DE NOVAS TECNOLOGIAS QUE PERMITAM
MELHORAR SEUS PROCESSOS PRODUTIVOS. POR SUA VEZ,
NUM MERCADO GLOBALIZADO, OS SISTEMAS DE CONTROLE
DEVEM CONSIDERAR A INTEGRAÇÃO, COM
COMPARTILHAMENTO DE HABILIDADES ESPECÍFICAS E
RECURSOS ENTRE SISTEMAS PRODUTIVOS DISPERSOS (SPDS),
ÀS VEZES EM LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICAS RELATIVAMENTE
DISTANTES. PARA QUE ESTE SPD SEJA ROBUSTO DEVE
CONTER UM SISTEMA DE CONTROLE TOLERANTE À FALHAS E
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RECONFIGURÁVEL CAPAZES DE REGENERAR O SISTEMA, OU
SEJA, UM SISTEMA DE CONTROLE QUE SEJA CAPAZ DE EVITAR
A OCORRÊNCIA DE FALHAS QUE CAUSEM IMPACTOS À VIDA
HUMANA E OTIMIZEM O USO DE RECURSOS MINIMIZANDO OS
IMPACTOS AO MEIO AMBIENTE. O PROJETO DESTE TIPO DE
SISTEMA DE CONTROLE NÃO É TRIVIAL, E DEVEM SER
ADOTADAS TÉCNICAS SISTEMÁTICAS QUE PERMITAM
APROVEITAR O POTENCIAL DE UMA EQUIPE QUALIFICADA.
PORTANTO, ESTE ESTUDO APRESENTA UM MÉTODO BASEADO
EM REDES DE PETRI PARA DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA
DE CONTROLE SUSTENTÁVEL E APLICANDO-O EM UMA
ESTAÇÃO DE SISTEMA MODULAR DE PRODUÇÃO PARA
DESTACAR AS SUAS VANTAGENS.
Palavras-chaves: ODELAGEM DE SISTEMA; SISTEMA DE
CONTROLE; TOLERÂNCIA À FALHAS, SISTEMAS DE
MANUFATURA, REDES DE PETRI
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1. Introdução
A competitividade crescente e a necessidade de eficiência impôs mudanças nos sistemas
produtivos (SPs) exigindo maior flexibilidade sob diferentes aspectos, tais como o volume de
produção, o tipo de produto e/ou de serviço e a natureza dos recursos envolvidos. O sistema
de manufatura (SM), que é uma classe representativa de SP, tem evidentemente evoluído e
novos paradigmas são propostos, os quais podem ser relacionados com os objetivos que
permitem obter vantagens competitivas: (i) mass customization com redução de custos de
produção, (ii) lean manufacturing com elevação da qualidade da produção, (iii) flexible
manufacturing system (FMS) com customização em massa, e (iv) reconfigurable
manufacturing system (RMS). Desse modo, um RMS deve permitir a sustentabilidade na
produção de grande quantidade de produtos personalizados com melhoria contínua de
qualidade e considerar em sua concepção aspectos de flexibilidade e ágil adaptabilidade às
mudanças ou imprevistos. (MEHRABI et al., 2000; SILVA et al., 2011).
Por sua vez, as novas tecnologias permitem uma forte integração entre os SPs, motivando
assim, o compartilhamento de diversos recursos entre sistemas geograficamente dispersos. Os
sistemas produtivos dispersos (SPDs) possuem um sistema de controle, responsável por
monitorar e supervisionar dispositivos sendo estes responsáveis diretos no processamento das
entidades físicas do sistema. As atividades colaborativas a serem realizados pelos SPDs
devem ser definidos em um framework que torne possível garantir a segurança destes sistemas
integrados usando adequadamente os recursos disponíveis. Desse modo, os sistemas de
controle precisam também considerar a colaboração entre os vários serviços dos sub-sistemas
produtivos que podem ser localizados em posições geográficas diferentes (HAN et al., 2008).
Por outro lado, para que um SPD seja capaz de evitar a ocorrência de falhas que causem
impactos à vida humana e ao meio ambiente, devem-se existir mecanismos de sistemas de
controle tolerantes a falhas e capazes de reconfigurarem o mesmo de forma a minimizar os
efeitos destas falhas (SILVA et al., 2011, 2012), i.e., é necessário considerar a
sustentabilidade no desenvovimento desses sistemas de controle.
Para permitir o desenvolvimento desses tipos de sistemas de controle é necessário a utilização
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de ferramentas e técnicas que gerenciem as informações das operações envolvidas e facilitem
a comunicação entre a equipe envolvida e a tomada de decisão do gestor da produção
(CASSANDRAS & LAFORTUNE, 1999; PRATA, 2007). Segundo Reisig (1985) o
controle de SM pode ser abordado sobre o enfoque de sistema a eventos discretos (DES –
discrete event system) que requerem linguagens e ferramentas de modelagem específicas para
sua abordagem. Segundo Miyagi (1996), o sistema de controle discreto interage com o objeto
de controle e o operador (ou usuário) através dos dispositivos de atuação, detecção, comando
e monitoração. Os sensores que estão no nível de chão-de-fábrica são os componentes que
geram sinais de detecção oriundos dos objetos de controle contendo as informações para a
automação do processo, enquanto os atuadores são responsáveis por converter e
compatibilizar grandezas físicas e por aumentar o nível de potência necessário para dar
movimento ao objeto de controle de um processo produtivo (CAVALCANTE, 2005;
CASTILLO et al., 2012).
Ainda segundo Reisig (1985), a técnica de redes de Petri (PN – Petri nets) é bastante
adequada para modelar sistemas de controle de DES, pois além de oferecer uma representação
gráfica de fácil compreensão, a sua formulação matemática permite a realização de testes que
garantem o correto funcionamento do sistema modelado. De fato, se comparadas com outras
técnicas de descrição de DES, a PN possui um poder equivalente de modelagem com a
vantagem de facilidade de visualização e disponibilidade de ferramentas para simulação do
sistema (SILVA et al., 2011; 2012).
No entanto, desenvolver um sistema de controle sustentável de SPD ainda não é uma tarefa
trivial, e observá-se que existem poucas publicações que de forma sistemática tratam do
projeto desta integração de processos produtivos colaborativos considerando a possível
ocorrência de falhas (SILVA et al., 2011, 2012). Portanto, este trabalho analisa os requisitos e
apresenta um método de modelagem para desenvolver este sistema de controle explorando o
potencial da técnica de PN.
Este texto está organizado da seguinte forma. Seção 2 apresenta uma revisão bibliográfica dos
principais conceitos envolvidos, incluindo um levantamento da evolução dos SMs para o novo
milênio e os desafios no desenvolvimento dos seus sistemas de controle. Seção 3 descreve o
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método proposto que é aplicado em uma estação didática de sistema modular de produção -
modular production system (MPS), a qual emula o funcionamento de um SM. Nesta seção,
também são destacadas as vantagens da aplicação do método e estratégias para permitir a
reconfiguração da estação MPS. A Seção 4 apresenta as principais conclusões deste estudo.
2. Sistemas de manufatura no novo milênio e seus sistemas de controle
Sistema de manufatura (SM) é uma classe representativa de sistema produtivo (SP) que
permite transformar insumo (input) para obtenção de um produto final (output) com certo
valor de mercado (SILVA et al., 2011). Segundo Mehrabi et al. (2000), a evolução dos
paradigmas de SMs pode ser relacionada com os objetivos econômicos que possibilitam obter
vantagens competitivas: (i) mass production com redução de custos de produção, (ii) lean
manufacturing com elevação da qualidade do produto, (iii) flexible manufacturing system com
customização de produtos, e (iv) reconfigurable manufacturing system (RMS) com ágil
adaptabilidade a mudanças e aos novos desafios de mercado. Desse modo, RMS extende as
características dos conceitos anteriores e adota a habilidade de ajustar a capacidade e
funcionalidade da produção de um SM a mudanças imprevistas através da reconfiguração do
sistema (Fig. 1).
Figura 1 – Evolução dos paradigmas da produção. Fonte: (MEHRABI et al., 2000)
Por outro lado, observa-se que existem várias propostas para sistemas produtivos distribuídos
que podem estar dispersos, ou seja em localizações geográficas diferentes (FATTORI et al.,
2011). Um SPD é composto por vários subsistemas que fornecem serviços específicos com
certo grau de autonomia e conectados à internet. Figura 2 apresenta um exemplo de SPD,
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onde cada subsistema encapsula um serviço de um SP: inspeção, alimentação (armazenagem e
fornecimento de peças), montagem e transporte. Operadores podem atuar neste SPD e clientes
podem encomendar e acompanhar pedidos a distância. Assim, pode-se afirmar que esta
organização oferece um automation service cloud (NAGORNY et al., 2012), onde atividades
operacionais são descritas como serviços.
Figura 2 – Exemplo de SP disperso
Adaptado de Fonte: (FATTORI et al., 2011)
Portanto, para garantir que um RMS atinja seus objetivos é necessário atualizar seu sistema de
controle garantindo o uso adequado da tecnologia, autonomia, algum grau de inteligência,
reuso de modelos, interoperabilidade e portabilidade (SILVA et al., 2012). Segundo Dorf &
Bishop (2001), um sistema de controle é uma interconexão dos componentes arranjados de
um processo que ocasionará uma resposta planejada desse processo. O projeto de um sistema
de controle é baseado nos fundamentos fornecidos pela relação de causa e efeito para os
componentes do processo. Ou seja, a relação entrada-saída descreve o tratamento de causa e
efeito de um processo, que, por sua vez, descreve o tratamento de um sinal de entrada para o
fornecimento de uma saída variável, na maioria das vezes com uma amplificação de potência.
O aumento da complexidade dos sistemas de controle e a necessidade de obtenção de um
desempenho ótimo tornou necessário considerar na estrutura de controle o inter-
relacionamento de muitas variáveis controladas.
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Esses sistemas podem ser encontrados em duas formas básicas, tais quais: sistemas de
controle a malha aberta (controle de variáveis discretas) e sistemas de controle a malha
fechada (controle de variáveis contínuas) (BOLTON, 1995). Segundo Miyagi (1996), o
sistema de controle discreto (i.e., a malha aberta) interage com o objeto de controle e o
operador (ou usuário) através dos dispositivos de atuação, detecção, comando e monitoração,
conforme ilustrado na Fig. 3.
Figura 3 – Diagrama conceitual de sistemas de controle
Fonte: Miyagi (1996)
De acordo com Moraes & Castrucci (2007), a técnica de redes de Petri (PN) se destaca na
modelagem de sistemas de controle pelas seguintes qualidades: (i) capturam as relações de
precedência e os vínculos estruturais dos sistemas reais; (ii) são graficamente expressivas; (iii)
modelam conflitos e filas; (iv) têm fundamento matemático e prático; (v) admitem várias
especializações (RPs temporizadas, coloridas, estocásticas, de confiabilidade etc); e (vi)
servem como ferramenta de integração desde o nível da abstração de um processo produtivo
até o nível de implementação.
A PN é uma ferramenta de modelagem de fácil interpretação devido a sua representação
gráfica, quando comparada a outras técnicas. Constitui-se de lugares (termos relacionados a
PN estão em Arial) representados por círculos, transições representadas por barras, arcos,
representado por setas, orientando as direções e ordem cronológica dos eventos aos
componentes anteriores e marcas (tokens), representadas por pontos pretos, as quais
definem o estado de uma PN (Fig. 4).
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Figura 4- Elementos de uma rede de Petri
Fonte: Campos e Silva (2012)
Em outras palavras, a PN é um grafo orientado que apresenta transições (transitions) e
posições (places). Os arcos representados no grafo partem de posições para transições ou
vice-versa, associando-se aos arcos números (inteiros) fixos, os quais representam seus
pesos. Cada posição pode apresentar um numero (inteiro) de marcas (tokens), e estas, sob
certas condições, podem mover-se ao longo dos arcos, respeitando sempre os sentidos destes
(MORAES; CASTRUCI, 2007).
3. Método proposto e exemplo de aplicação
Para a modelagem propõe-se um método dividido em duas etapas, a seguir descritas.
1ª Etapa - análise e mapeamento do processo através da representação por fluxograma:
deve-se levantar todos os requisitos, variáveis de entrada e saída e o fluxo de controle dos
processos produtivos. Com a utilização de fluxogramas é possível visualizar todas as
situações envolvidas nos processos, desde as situações normais até as mais críticas. Este
fluxograma descreve o macroprocesso (i.e., considera todo o processo produtivo sob controle)
do objeto de controle. Dessa forma, é possível visualizar e verificar as possíveis ocorrências
de falhas durante o macroprocesso, além de facilitar a alocação de todas as variáveis.
2ª Etapa - modelagem em redes de Petri: esta etapa é desenvolvida levando-se em
consideração todas as informações adquiridas na etapa anterior. Para a criação dos modelos
em redes de Petri, é proposto três sub-etapas a seguir: (i) definir uma lista de condições e
ações da PN baseado no fluxograma do macroprocesso criado na etapa anterior, (ii) criar
matrizes de entrada e saída responsável pela relação entre estados e transições, (iii)
representar graficamente as PNs e definir a marcação inicial da rede modelada.
Este método é aplicado numa estação de distribuição de um sistema modular de produção ‐
modular production system (MPS) (FESTO, 2013), a qual emula os sistemas de manufatura
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(SMs) e que está lotada e em operação no laboratório de automação e metrologia da
Universidade Estadual de Santa Cruz (UESC), Ilhéus, BA (Fig. 5a). A seguir as etapas citadas
acima são aplicadas no desenvolvimento do sistema de controle da MPS.
1ª Etapa - análise e mapeamento do processo através da representação por fluxograma: as
estações MPSs representam um modelo de produção industrial, os quais consistem num
conjunto de módulos didáticos interligados. Segundo Campos e Silva (2012), esses módulos
didáticos tem como base a combinação entre sistemas produtivos dispersos e os módulos de
montagem e usinagem ou componentes que permitem a produção célere de bens de média e
baixa tecnologia, sendo controlado por controladores lógicos programáveis (CLPs) o que
também permite maior flexibilidade dos processos de produção.
Figura 5- MPS – Estação de distribuição da UESC (Ilhéus, BA)
(a) (b)
Inicialmente, é realizado uma análise dos atuadores elétricos e pneumáticos (devido sua
fundamental importância no funcionamento da estação), avaliando características, tais quais:
precisão dos movimentos, fonte de energia, custos do equipamento, e segurança contra
sobrecarga. Desse modo, é possível obter um banco de dados com as vantagens e
desvantagens de cada tipo de equipamento no emprego adequado dessas ferramentas na
estação MPS. Além disso, foi realizada uma análise dos pré-requisitos gerais da estação para
o conhecimento dos sistemas integrados na estação e a função que cada sistema exerce.
Os atuadores pneumáticos da MPS são elementos mecânicos de um sistema que através de
movimentos lineares ou rotativos transformam a energia cinética do ar pressurizado em
expansão, em energia mecânica produzindo assim energia mecânica. Conforme Silva (2002),
as principais características desses atuadores são: (i) apresentam baixa rigidez devido à
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compressibilidade do ar; (ii) não há precisão na parada em posições intermediárias; (iii)
apresentam uma favorável relação peso/potência; (iv) segurança à sobrecarga; (v) facilidade
de inversão; e (vi) proteção à explosão (FIALHO, 2007).
Os atuadores elétricos são componentes responsáveis por transformar energia elétrica em
energia mecânica de rotação. Esses atuadores são geralmente, motores elétricos
(BONACORSO; NOLL, 2007). Segundo Rosário (2005), esses motores podem ser de
corrente contínua ou alternada e de passo, e apresentarem alto grau de precisão e simplicidade
de controle. Suas principais vantagens são: (i) eficiência calculada, com controle preciso; (ii)
fonte de energia acessível; e (iii) custo relativamente pequeno. Entretanto, esses atuadores
apresentam as seguintes desvantagens: (i) impossibilidade de manter um momento constante
nas mudanças de velocidade de rotação; (ii) possibilidade de ocorrência de danos no caso de
cargas pesadas o suficiente para parar o motor; e (iii) baixa razão entre o peso do motor e sua
potencia de saída exige um motor de grande dimensão para eficiência do atuador.
Através da análise de requisitos na estação de distribuição MPS foi observado que as ações
são realizadas, principalmente, por meio de dois atuadores. O primeiro é um cilindro que se
encontra no dispensador de compartimento em pilha (buffer). O segundo atuador se encontra
acoplado a um braço mecânico rotatório e serve para dar movimento de rotação a esse braço
que por um sistema de vácuo transfere produtos do magazine para uma próxima estação MPS.
Assim, neste texto, por simplificação e por serem as principais ações realizadas na estação
MPS de distribuição, são apresentados os dois processos envolvendo a movimentação do
cilindro e o braço giratório, levando em consideração as possíveis falhas envolvidas. Assim,
seguindo as etapas propostas do método, a modelagem do sistema de controle sustentável
desses processos produtivos são descritas. A Tab. 1 sintetiza o levantamento das vantagens e
desvantagens relacionadas com esses atuadores da MPS.
Tabela 1 - Vantagens e desvantagens de cada sistema atuador da MPS
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Fonte: Adaptado de Bavaresco (2007)
Nesta etapa também são analisados e descritos o funcionamento de todos os processos
envolvidos na estação MPS, que funciona da seguinte forma: um dispensador (“buffer”) é
utilizado como um estoque de produtos (“peças”) (Fig. 5b), esse estoque possui a capacidade
de até 8 “peças”. Na base do dispensador há um sensor de presença e ao detectar a presença
de “peça” um sinal é emitido para um atuador que movimenta o cilindro. Este último tem
como finalidade o transporte de peças do “dispensador” para uma plataforma de saída
(“magazine”). Outro sensor de presença detecta a presença de “peça” no “magazine” emitindo
um sinal para a atuação de um braço mecânico (“braço de distribuição”), que transporta a
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peça para um módulo posterior. No “braço de distribuição” há uma “ventosa”, responsável
pela fixação da peça no “braço de distribuição”, essa fixação ocorre através de um gerador de
vácuo. Logo após o transporte da peça para o próximo módulo, a peça é liberada e todos os
componentes envolvidos retornam a posição inicial aguardando a liberação para ocorrer um
novo ciclo.
Para melhor visualizar o processo envolvido na estação, elabora-se um fluxograma. Este
facilita a identificação dos processos e as prováveis falhas no sistema assim como as
estratégias de controles que podem atuar de forma corretiva. A Fig. 6 ilustra o fluxograma do
macroprocesso. As variáveis envolvidas no processo também são definidas nesta etapa, pois a
cada mudança de estado os estados binários das entradas e saídas do CLP são indicados por
essas variáveis.
Figura 6– Lista de condições e ações do macroprocesso
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2ª Etapa - modelagem em redes de Petri: nesta etapa utilizou-se o software PIPE (BONET et
al., 2007), editor e simulador de PN, como ferramenta de suporte e análise dos modelos
desenvolvidos. O PIPE caracteriza-se pela facilidade de manuseio e o alto nível de detalhes na
representação gráfica, além de ser um software de código aberto e gratuito escrito em
linguagem JAVA. Para a modelagem em redes de Petri, deve-se seguir as três sub-etapas
propostas no método.
Desse modo, elaborou-se a modelagem em PN do macroprocesso da estação. Para tanto,
levando em conta o fluxograma da Fig. 6 e a análise de requisitos da 1ª etapa, define-se uma
lista de condições e ações deste macroprocesso (Tab. 2). Baseado nesta lista de condições e
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ações, elaborou-se as matrizes de entrada e saída ilustrada na Fig. 7 e parte da PN (em
destaque em azul) da Fig. 8.
Tabela 2 – Lista de condições e ações do sistema de controle do macroprocesso
Figura 7 – Matrizes de entrada e saída do macroprocesso
Figura 8 - Rede de Petri do macroprocesso considerando a ocorrencia de falha
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A definição das marcações iniciais do sistema de controle de movimentação do cilindro do
buffer são então elaboradas. Com esse sistema de controle é possível detectar as falhas
envolvidas na movimentação do cilindro, e propor estratégias de controle e reconfiguração.
Assim, elabora-se a lista de condições e ações (Tab. 3) e as matrizes de entrada e saída
considerando as possíveis falhas da movimentação do cilindro, ou atuador, do buffer (Fig. 9).
A Fig. 10 representa graficamente a PN do sistema de controle de movimentação do cilindro.
Assim, é obtida a modelagem do sistema de controle do macroprocesso da estação de toda a
PN, apresentada anteriormente na Fig. 8.
Tabela 3 – Condições e ações do sistema de controle do cilindro (atuador) do buffer
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Figura 9– Matrizes de entrada e saída do sistema de controle do cilindro do buffer
Com o uso de simulação e do software PIPE, bem como da flexibilidade de aplicação das
estratégias de controle modeladas em PN, nas bancadas MPS é possível a criação de
diferentes cenários que servem para análise comparativa e validar as vantagens do
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procedimento. Por exemplo, seguindo todos os passos anteriores para a modelagem em PN,
que por simplificação não são apresentados, elabora-se outra modelagem do sistema de
controle de movimentação do braço de distribuição considerando que o mesmo fosse movido
por energia elétrica levantando as possíveis falhas nesse cenário. A Fig. 11 representa
graficamente esta modelagem em PN do sistema de controle de movimentação do hipotético
braço pneumático. Desse modo, foi possível observar o funcionamento do sistema sob as
diferentes tecnologias, simular e comparar os modelos baseado no lead time de cada um.
Além disso, o método permitiu a integração dos sub-sistemas produtivos nesses e outros
diferentes cenários considerando as falhas e reconfigurando o sistema quando necessário.
Figura 10– Modelagem da estação com sistema de controle do cilindro
Figura 11– Modelagem do sistema de controle do macroprocesso
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4. Conclusão
Este estudo apresenta um método para desenvolvimento sistemas de controle sustentável de
sistemas produtivos dispersos (SPDs). O método combina técnicas de engenharia de
requisitos e de modelagem em redes de Petri (PN) e baseado no levantamento de dados são
propostas estratégias de controle visando à correção de falhas. Os modelos são editados e
simulados num software de redes de Petri (PN) validando os modelos através da verificação
do atendimento das boas propriedades de PN para sistemas produtivos.
Aplica-se o método proposto em uma estação de sistema modular de produção (MPS) que
emula um sistema de manufatura, importante classe de SPD. Foram analisados os dois
principais processos de controle de movimentação da estação MPS e comparou-se diferentes
tecnologias de atuação, i.e., elétrica e pneumática. O método permitiu a integração dos sub-
sistemas produtivos nesses diferentes cenários considerando as falhas e reconfigurando o
sistema quando necessário. A comparação das condições e ações que precisam ser atendidas
em cada sistema de controle com as transições e lugares dos modelos em PN permitiu uma
análise qualitativa dos modelos e o desenvolvimento de estratégias de controle para correção
de possíveis cenários de falhas. A reconfiguração do sistema é aplicada para melhorar o
desempenho do sistema tanto na ocorrência de falhas, como através do controle do lead time
dos processos, através da velocidade de atuação do sistema e o controle de pressão
pneumático ou manipulação do sistema elétrico. Desse modo, o método proposto permitiu
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aumentar a robustez da estação MPS e a análise da reação do sistema de controle numa
eventual perda de produtividade.
O método pode ser ampliado para outros sistemas produtivos reais, haja vista que em sistemas
projetados e implementados pelo homem a ocorrência de falhas são consideradas inevitáveis.
Portanto, o método contribui também para a inovação tecnológica no novo milênio
considerando a sustentabilidade, pois o método considera a mitigação de acidentes ou
imprevistos de SPD e o uso adequado de seus recursos. Além disso, o método reduz esforços
no desenvolvimento de controle de processos produtivos, pois modelos em PN facilitam o
desenvolvimento de linguagens de implementação em controladores lógicos programáveis, e
desse modo a redução de custos e o aumento da produção.
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