Ambiente computacional para o suporte a implantação de sistemas automatizados de manufatura

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1 Ambiente computacional para o suporte a implantação de sistemas automatizados de manufatura Resumo Joana Cross Fonseca (PUCPR) jocloss45@hotmail.com Eduardo Titze (PUCPR) eduardo.titze@gmail.com Marco Antonio Busetti (PUCPR) marco.busetti@pucpr.br Eduardo Alves Portela Santos (PUCPR) eduardo.portela@pucpr.br Este artigo apresenta uma proposta metodológica para a implantação de sistemas automatizados de manufatura. A partir da utilização da Teoria de Controle Supervisório (TCS) nas etapas de modelagem e síntese do sistema de controle, o trabalho propõe a integração da simulação como ferramenta para a validação de tal sistema. O objetivo fundamental da abordagem proposta é diminuir o tempo de desenvolvimento e implantação de um sistema automatizado, de forma a reduzir e otimizar recursos financeiros. Para ilustrar a metodologia, o artigo apresenta uma aplicação em um protótipo de manufatura. O artigo mostra também como esta proposta pode ser considerada uma ferramenta útil para a gestão estratégica de operações de manufatura. Palavras-chave: Automação, Simulação, Sistemas de Manufatura. 1. Introdução Para ser competitiva, a manufatura, mais que qualquer outra atividade ou setor da economia, deve continuamente adaptar-se a mudanças existentes no mercado. O crescimento da competição global está forçando as empresas a reduzir o tempo de resposta de lançamento dos seus produtos e a oferecer preços competitivos. A diversidade, as flutuações de demanda, o curto ciclo de vida dos produtos em função da freqüente introdução de novas necessidades, além do crescimento das expectativas dos clientes em termos de qualidade e tempo de entrega, constituem atualmente os principais desafios que as empresas devem lidar para permanecerem competitivas e sobreviverem no mercado. Nesse contexto, agilidade e flexibilidade são conceitos reconhecidos com os principais atributos para um sistema de manufatura satisfazer as necessidades de um mercado global competitivo. Por sua vez, este fato resulta na necessidade de produzir produtos com alta qualidade e baixo custo, com reduzido tempo de desenvolvimento e respeitando demandas para diferenciação de produtos através de customizações. Isso significa que o sistema de manufatura deve responder rapidamente a mudanças de produção tanto no que se refere a volume como a variedade, de forma a efetiva, confiável e a um baixo custo (MANZINI et al., 2004). A Manufatura Virtual e a Engenharia Virtual são abordagens identificadas como tecnologias emergentes para a manufatura ágil e flexível. Entende-se por Manufatura Virtual a execução de atividades através da simulação do sistema real, que pode ou não existir. Esta abordagem utiliza todas as informações do processo, dados do controle e gerenciamento e dados específicos do produto. É possível que partes reais da planta coexistam com partes virtuais. A partir desta noção pode-se inferir que a integração de modelos de simulação com os dados do controle e do gerenciamento do próprio sistema real são aspectos essenciais na abordagem denominada Manufatura Virtual (MOORE et al., 2003).Pode-se citar também a simulação como importante ferramenta para a análise dedesempenho dos sistemas demanufatura flexíveis (DJASSEMI, 2005). 1

2 Nesse contexto, o presente trabalho propõe que a implantação de um sistema automatizado de manufatura seja realizado num ambiente computacional específico. Com o uso da abordagem proposta, objetiva-se a diminuição do ciclo de desenvolvimento do projeto, uma vez que as ferramentas computacionais utilizadas nesta abordagem auxiliam o projetista nas fases de identificação, modelagem, simulação, testes, implementação e otimização do sistema de manufatura automatizado. O trabalho está organizado da seguinte forma: na seção 2 são apresentados os fundamentos conceituais utilizados na abordagem proposta modelos formais, simulação e a metodologia de projeto de sistemas automatizados. Na seção 3 é descrito o ambiente computacional que realiza e dá suporte a implantação destes sistemas. Na seção 4 é apresentado um exemplo de aplicação, a partir do projeto de um protótipo de sistema automatizado de manufatura. Na seção 5 são apresentadas as conclusões e perspectivas futuras do trabalho. 2. Fundamentos Desde que uma grande parte da atividade de projeto de sistemas de manufatura automatizados é consumida na elaboração do sistema de controle, muitos trabalhos têm sido desenvolvidos no sentido de formalizar a obtenção de tal sistema. Existe uma intensa atividade de pesquisa voltada à busca de modelos matemáticos adequados a representação de sistemas de manufatura, sem que se tenha conseguido encontrar um modelo que seja matematicamente tão conciso e computacionalmente tão adequado como o são as equações diferenciais para os sistemas dinâmicos de variáveis contínuas (por exemplo, a representação de variáveis como pressão, temperatura, velocidade, no decorrer do tempo). Diversos modelos que tratam de sistemas de manufatura podem ser citados, sendo que tais modelos refletem os diferentes tipos bem como diferentes objetivos na análise dos sistemas em estudo. Pode-se citar os principais modelos utilizados: Redes de Petri, Cadeias de Markov, Teoria das Filas, Processos Semi-Markovianos Generalizados e Simulação, Álgebra de Processos, Álgebra Max-Plus, Lógica Temporal, Teoria de Linguagens e Autômatos. Dentre os modelos citados anteriormente, pode-se destacar o modelo de Ramadge & Wonham (1989) baseado na teoria de Linguagens e Autômatos. Diferentemente dos outros modelos que enfatizam a análise de sistemas de manufatura, o modelo citado é dotado de procedimento de síntese de controladores, o que é uma grande vantagem em relação às outras abordagens citadas. O presente trabalho utiliza o modelo proposto por Ramadge & Wonham (1989) como ferramenta formal de modelagem e síntese do sistema de controle aplicado ao sistema de manufatura. As subseções a seguir descrevem de forma resumida este modelo bem como os passos a serem seguidos no ciclo de desenvolvimento do sistema automatizado. 2.1 Teoria de Controle Supervisório A Teoria de Controle Supervisório (TCS) foi desenvolvida com o objetivo de prover uma metodologia formal para a síntese automática de controladores para Sistemas a Eventos Discretos (RAMADGE & WONHAM, 1989). A TCS faz uma distinção clara entre o sistema a ser controlado, denominado planta, e a entidade que o controla, que recebe o nome de supervisor. A planta é um modelo que reflete o comportamento fisicamente possível dos subsistemas, isto é, todas as ações que estes são capazes de executar na ausência de qualquer ação de controle. Em geral, este comportamento inclui a capacidade de realizar determinadas atividades que produzam um resultado útil, sem contudo se limitar a esse comportamento 2

3 desejado. Por exemplo, dois robôs trabalhando em uma célula de manufatura podem ter acesso a um depósito de uso comum, o que pode ser útil para passar peças de um ao outro. No entanto, cria-se com isso a possibilidade física de ocorrer um choque entre ambos, o que é, em geral, indesejável. O papel do supervisor na TCS é, então, o de exercer uma ação de controle restritiva sobre os subsistemas, de modo a confinar seus comportamentos aqueles que correspondem a uma dada especificação. Queiroz & Cury (2000) propõem estender o modelo de Ramadge & Wonham (1989), propondo a denominada abordagem modular local. Esta abordagem propõe uma arquitetura de controle distribuída em que cada módulo de controle atua somente sobre os subsistemas envolvidos. Para a realização desta abordagem em controladores industriais, Queiroz & Cury (2002) propõem uma estrutura de controle em três níveis, apresentada na figura 1. Em linhas gerais, os níveis denominados Supervisores Modulares e Sistemas Produto correspondem ao sistema de supervisão, enquanto o nível Seqüências Operacionais corresponde ao controle local dos subsistemas (ou células) do sistema de manufatura. Supervisores Modulares desabilitações eventos Sistema Produto comandos respostas Seqüências Operacionais saídas do S.C. Sistema Físico Sistema de Controle entradas do S.C. Figura 1 Estrutura de controle modular local (QUEIROZ & CURY, 2002) 2.2 Ciclo de Desenvolvimento de Sistemas Automatizados Esta seção apresenta uma abordagem de desenvolvimento de sistemas automatizados de manufatura. A figura 2 ilustra o ciclo de desenvolvimento, caracterizado em três etapas: modelagem, síntese e implementação. Na etapa de modelagem seleciona-se, a partir de bibliotecas de subsistemas e de especificações, um conjunto de modelos para a representação do sistema real e da aplicação demandada, respectivamente. Na etapa de síntese, os modelos são utilizados na geração dos supervisores modulares, de acordo com a TCS (RAMADGE & WONHAM, 1989) e a Teoria de Controle Modular (QUEIROZ & CURY, 2000). Na etapa de implementação, os três níveis da estrutura de controle (supervisores modulares, sistema produto e as seqüências operacionais) são integrados e implementados gradativamente em três fases: simulação; inserção das tecnologias de controle e comunicação; realização. O desenvolvimento do sistema de controle ocorre ciclicamente em três etapas modelagem, síntese e implementação até o atendimento da aplicação demandada para o sistema real, resultando no sistema automatizado e integrado. Esta forma de desenvolvimento permite uma revisão contínua dos resultados obtidos em cada etapa. Assim, o projetista poderá receber uma nova aplicação (por exemplo, uma necessidade da reconfiguração dos processos, inclusão ou ampliação de subsistemas, mudanças de leiaute, dentre outros) e selecionar novos modelos de especificações ou de subsistemas que atendam adequadamente esta nova aplicação. Uma biblioteca de Tecnologias Avançadas de Manufatura AMTs da suporte a base tecnológica na definição das seqüências operacionais relacionadas aos subsistemas, da implementação dos supervisores modulares e das necessidades de reconfiguração dos 3

4 processos. Segundo Gouvêa da Costa et al. (2000), o conceito de AMT abrange aparatos de base numérica e computacional (software e hardware), projetados para realizar ou suportar atividades e tarefas da manufatura. As tecnologias de comunicação, controladores programáveis, sensores e atuadores industriais, dentre outros, são exemplos de AMTs. A proposta do presente trabalho é prover um ambiente computacional que dê suporte a etapa de implementação do sistema automatizado. O trabalho é focado na primeira atividade da etapa de implementação a simulação. Sistema Real Aplicação Biblioteca de Tecnologias Avançadas de Manufatura IMPLEMENTAÇÃO Simulação Biblioteca de Modelos de Subsistemas Modelagem Biblioteca de Modelos de Especificações Supervisores Modulares Modelos dos Subsistemas Modelos das Especificações Síntese Simulação + TCC Realização Figura 2 Ciclo de desenvolvimento de sistemas automatizados de manufatura. 3. Ambiente Computacional de Suporte a Implantação de Sistemas Automatizados O ambiente computacional proposto no presente artigo é constituído de duas plataformas computacionais que conjuntamente realizam a atividade de simulação da etapa de implementação de acordo com a metodologia apresentada na seção anterior. A primeira plataforma, denominada Code Generator (SupCoG), é responsável pela leitura dos modelos teóricos obtidos na etapa de síntese e geração da estrutura de controle associada (ilustrada na figura 1). Dessa forma, o Code Generator assume o papel de controlador do sistema, sem no entanto existir ainda qualquer ligação física entre a plataforma e o sistema de manufatura real. A segunda plataforma, um simulador de sistemas de manufatura, é responsável pela ralização virtual dos subsistemas que compõem a planta estudada. No presente trabalho, foi utilizado o software de simulação EM-Plant. Nessa plataforma são inseridos todos os modelos virtuais dos subsistemas de acordo com a configuração física da planta. A junção das duas plataformas se dá através de um protocolo de comunicação baseado em TCP-IP. O SupCoG gera os eventos correspondentes ao início de operação de cada subsistema, enquanto o simulador, ao receber tais eventos, dá início a simulação. Finalizada a atividade de cada subsistema no simulador, este gera eventos de finalização que são enviados ao SupCoG. Este, ao receber tais eventos, atualiza os estados dos supervisores (estabelecendo 4

5 uma nova ação de controle) e envia um novo evento de início de operação de determinado subsistema. Dessa forma, a simulação evolui de acordo com a estratégia de controle estabelecida no SupCoG. Para que o software EM-Plant suporte essa sistemática de simulação, foram necessárias inclusões de rotinas específicas no seu ambiente. Basicamente, a cada bloco correspondente a um subsistema são associadas duas variáveis de recebimento e envio: a primeira corresponde ao evento de início de operação (gerada e enviada pelo Code Generator) e a segunda relacionada ao evento de fim de operação (gerada no Em-Plant e enviada ao Code Generator). Dessa forma, a simulação realizada no EM-Plant considera, além do tempo como variável fundamental, a lógica de controle obtida na etapa de síntese. 4. Exemplo de aplicação O ambiente computacional proposto é utilizado na atividade de simulação (etapa de implementação) de um protótipo de sistema automatizado de manufatura. Inicialmente, o projeto é desenvolvido considerando-se a utilização de um conjunto de modelos de subsistemas e especificações. Em seguida, em virtude da identificação de um gargalo na produção, um novo conjunto de modelos é utilizado. O protótipo do sistema, apresentado na figura 3, executa operações típicas na manufatura: processos de fabricação, transporte, medição, armazenamento e classificação. O sistema tem por objetivo principal classificar, processar e armazenar os produtos de acordo com determinados atributos. O sistema é composto de seis subsistemas: fornecimento de material (G1), classificação e medição (G2), transporte (G3), processamento 1 (G4), processamento 2 (G5) e armazenamento (G6). Armazenamento G 6 classificação G 1 P1 G 3 P4 P3 G 5 fornecimento medição P2 G 2 G 4 Figura 3 Protótipo de sistema de manufatura utilizado. Na etapa de modelagem, podem ser utilizadas bibliotecas de modelos que representam os subsistemas do protótipo (G1 a G6) e as especificações operacionais necessárias para o correto funcionamento do mesmo. Para os subsistemas são escolhidos modelos em autômatos de dois estados, e nove especificações para atender a aplicação demandada. Para maiores detalhes da modelagem, consultar Santos & Busetti (2004). A partir destes modelos nove supervisores modulares são obtidos na etapa de síntese. A etapa de implementação inicia com a simulação baseada nas duas plataformas computacionais descritas anteriormente. O SupCoG faz a interpretação e tradução dos supervisores modulares teóricos (obtidos na etapa de síntese) na estrutura de controle proposta por Queiroz & Cury (2002) (de acordo com a figura 5

6 1). Simultaneamente, os modelos virtuais dos subsistemas são implementados no EM-Plant, sendo o modelo global apresentado na figura 4. Figura 4 Modelo virtual do protótipo de sistema de manufatura no software EM-Plant. De acordo com o ambiente computacional proposto, o software de simulação (cujo modelo virtual está apresentado na figura 4) comunica-se com o Code Generator, de forma que a simulação ocorra de acordo com a lógica de controle obtida na etapa de síntese. Essa comunicação se dá através de rotinas implementadas no Em-Plant e no Code Generator. A figura 5 detalha os blocos utilizados no Em-Plant que são necessários para o estabelecimento da comunicação com o Code Generator. A figura 5a mostra os blocos correspondentes ao subsistema G1, sendo que A1 e B1 representam o início e o final de operação desse subsistema. Estes blocos podem ser entendidos como a entrada e saída virtuais de G1. O bloco Gerar_BETA1 é responsável pelo envio do evento de final de operação do subsistema G1. A figura 5b mostra os blocos responsáveis pelo gerenciamento da comunicação com o Code Generator. Os blocos SendEvent e ParseEvent realizam o recebimento (Code Generator Em- Plant) e envio (Em-Plant Code Generator) dos eventos de início de operação e fim de operação, respectivamente. Os blocos Client_Socket and Server_Socket correspondem ao protocolo de comunicação estabelecido entre as duas plataformas computacionais. A figura 5c apresenta o bloco EnableEvent, que tem a função de habilitar ou ativar o início de operação de determinado subsistema, de acordo com o evento recebido do Code Generator. De posse dos resultados preliminares da simulação, identificou-se que o subsistema G6 (manipulador que realiza o armazenamento), em função de características mecânicas, causava atraso na produção de peças. Dessa forma, este subsistema tornou-se o gargalo do protótipo de manufatura apresentado na figura 3. A partir deste resultado e da análise dos modelos dos subsistemas utilizados e da ação de controle imposta pelos supervisores modulares, propôs-se modificar o modelo do subsistema G6, enquanto o conjunto de especificações permanceria o mesmo. A figura 6 apresenta o modelo utilizado anteriormente (autômato de dois estados) e o 6

7 modelo a ser utilizado posteriormente (autômato de três estados). Figura 5 Blocos constituintes do modelo virtual G1. A melhoria operacional do sistema de manufatura em função da substituição do modelo do subsistema G6 ocorre em função da lógica pré-estabelecida pela estrutura de controle obtida. Considerando o modelo de dois estados, a simulação do subsistema G6 inicia no momento em que o Code Generator envia o evento α 6 e finaliza quando o Em-Plant gera o evento β 6 (indicando que a operação do manipulador finalizou). O problema está na ação de controle sobre este subsistema: os estados dos supervisores somente são atualizados após o recebimento do evento β 6. Em função do tempo prolongado de operação do subsistema G6, toda a evolução da lógica de controle é interrompida até a chegada do evento β 6, ocasionando uma perda de eficiência do sistema de manufatura. De fato, alguns subsistemas permanecem ociosos desnecessariamente em função da espera do evento de finalização de operação do subsistema G6. A proposta escolhida para amenizar os problemas descritos (uma vez que modificações mecânicas para este caso não estavam previstas) foi utilizar um outro modelo em autômato para representar o comportamento do subsistema G6. O novo modelo, mostrado na figura 6, possui um estado intermediário adicional, quando comparado ao modelo anterior. No modelo de três estados, o novo estado intermediário (estado 1) tem por função gerar um novo evento - µ 6 - de forma que os estados dos supervisores sejam atualizados sem que seja necessário a ocorrência do evento de finalização β 6. Resumidamente, o que irá diferenciar os dois modelos na simulação é o fato de que, no primeiro modelo de dois estados, outras tarefas são liberadas somente quando a variável β 6 é enviada ao Code Generator, enquanto que no segundo modelo de três estados elas são liberadas com o envio do evento intermediário µ 6. α 6 α 6 β 6 β 6 µ 6 Figura 6 Modelos em autômatos utilizados na representação do subsistema G6. 7

8 Com a alteração do modelo do subsistema G6, houve uma melhoria na produção conforme mostra a tabela 1. Na análise comparativa de produção, no período de 1 hora e 38 minutos foram fabricadas 5 peças a mais no modelo 2, processo onde a variável µ 6 foi inserida. Tabela 1 Resultado de produção quando da utilização de dois modelos distintos para G6. / Modelo1 (dois estados) Modelo2 (três estados) Peça Preta 8 12 Peça Vermelha 8 8 Peça Metálica 3 6 Descarte 2 0 Total de Peças Tempo Total (horas) 1:38:56.5 1:38:56.5 Tempo por Peça (Peça/min) Conclusões O ambiente computacional proposto no presente artigo possibilita a avaliação contínua do sistema automatizado a ser implantado. A partir da utilização de técnicas de simulação e de modelos formais de síntese de controladores, chega-se a um ambiente propício para a análise, avaliação e implementação do sistema automatizado de manufatura. O ambiente computacional permite que, a partir da simulação, seja possível analisar a eficiência da planta operando com determinada estrutura de controle. Permite também que o projetista possa a qualquer momento modificar o modelo virtual (em função de planejamento de modificações de leiaute, inclusões e ampliações, dentre outros) e também o conjunto de modelos teóricos dos subsistemas e especificações (em função de mudanças físicas ou de novas aplicações demandadas). Por sua vez, ao simular o modelo virtual acoplado a estrutura de controle, o projetista pode validar a lógica de controle realizada, identificar a completude das especificações e propor melhorias nos modelos utilizados. A contribuição da presente pesquisa reside em fornecer ao meio industrial um ambiente computacional que dê suporte aos requisitos impostos por um mercado competitivo e globalizado. Deseja-se com a utilização deste ambiente reduzir o tempo de desenvolvimento de tais sistemas e tornar o tempo de entrada de um novo produto mais curto. Referências DJASSEMI, M. A simulation analysis of factors influencing the flexibility of cellular manufacturing. International Journal of Production Research,vol. 43,no. 10, GOUVÊA DA COSTA, S.; PLATTS, K.; FLEURY, A. Advanced Manufacturing Technology: defining the object and positioning it as an element of manufacturing strategy. In: VI International Conference on Industrial Engineering and Operations Management VI ICIEOM, São Paulo, MANZINI, R. ; GAMBERI, M. et al. Framework for designing a flexible cellular assembly system. International Journal of Production Research, vol. 42, no. 17, MOORE, P.R; PU J.; NG, H.C. et al. Virtual engineering: an integrated approach to agile manufacturing machinery design and control. Mechatronics, 13, p ,

9 QUEIROZ, M. H. & CURY, J. E. R. Controle Supervisório Modular de Sistemas de Manufatura. Revista controle & automação, SBA, 13, pp , RAMADGE, P.J. & W. M. WONHAM, W. M. The control of discrete event systems, Proc. of IEEE, Special Issue on Discrete Event Dynamic Systems, 77, pp , SANTOS, E. A. P. & BUSETTI, M. A. Modeling the Control of a Discrete Event Manufacturing Cell. In: IFAC Conference on Management and Control of Production and Logistics, Santiago,