Especificação de um Módulo de Informação pata Simulação/Operação de Sistemas de Manufatura

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1 \ \ Especificação de um Módulo de nformação pata Simulação/Operação de Sistemas de Manufatura Ornar Achraf Cesar A. Tacla Gustavo Girnénez Maurizio Tazza Curso de PÓs- Graduação em Engenharia Elétrica e nformática ndustrial Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná - CEFET-Pr Av. Sete de Setembro CEP Curitiba - Paraná - Brazil Abstract: This papel' prc scnts an architccturc for thc coordcnation/supcrvision laycr of a control and information systern. Prcciscly, it specifies the objects and opcrations that cornposc thc nformation Module (M). The M is responsible for the storagc and rctricval of data ncccssary for thc eoordination/supervision laycr of a manufacturing system. Resumo: Este trabalho apr esenta uma arquitetura para o nível de coordenação/supervisão de um sistema de eontrole e informação integrados e, mais precisamente, especifica os objetos e operações que compõem o módulo de informações (MO). O MO é responsável pelo armazenamento/recuperação das informações necessárias à coordenação/supervisão de um sistema de manufatura. 1. ntrodução "Um sistema de informação e de controle integrados (SC) compreende tod os os aspectos de decisão associados à operação de uma indústria, desde o controle de máquinas e processos até a gestão e administração [Gomide (1986)]". A complexidade das decisões envolvidas num SC pode ser reduzida organizando-o hierarquicamente (fig. ). Nível 4 Nivel3 Nível 2 Nivel1 Nível O Parte Operativa Figura : Estrutura Hierárquica de SC. SD A parte operativa de um sistema produtivo realiza as transformações físicas sobre as matériasprimas utilizando insumos e gerando os produtos i acabados [Menendez-Künzle, (1989)J. É composta pelas máquinas de usinagern, inspeção, limpeza e pelos dispositivos de transporte/manuseio de materiais. O nível, comando local. efetua () com ando dos componentes da parte operativa eadetecção e reação às condições anormais de funcionamento apresentadas pelos equipamentos. Cada elemento pertencente ao nível de coordenação/supervisão coordena as ações de um subconjunto de equipamentos da parte operativa visando atingir as metas de produção estabelecidas pelo planejamento da produção. É sua função também, gerir as prioridades para resolver os conflitos encontrados durante a coordenação dos elementos controlados utilizando informações, tais como: urgência de produção e disponibilidade de máquinas [Andreu e.t al. (l994)j. Ainda neste nível é importante a função de detecção e correção de falhas e a manutenção de uma base de dados contendo informações sobre a produção, estado de operação das unidades produtivas. localização dos paletes, das peças, ferramentas, etc. Uma interface de comunieação com o operador da unidade produtiva para acompanhamento da operação e para intervenções também é desejável. O nível de planejamento da produção, baseado no conjunto de pedidos. nas necessidades de mercado ou nas decisões oriundas do nível de gestão. nas datas limites de fabricação e na disponibilidade de recursos, estabelece o plano básico de produção que determina o momento da 166

2 entrada dos lotes de peças no sistema. As informações típicas deste nível são [Gom86]: disponibilidade de matéria-prima, estoques de produtos acabados, estoques de ' produtos em andamento, trabalhos em andamento, conjunto de pedidos e estado atual dos pedidos. No nível 4, encontra-se a função de gerenciamento que é a responsável pela comunicação com o mundo externo à companhia e pela elaboração dos planejamentos estratégicos de longo prazo da mesma. O sistema de informações (SO) é responsável pelo armazenamento de informações relativas à operação do sistema (ocorrências de peças, paletes, ferramentas, rosáceas, pedidos, estado dos pedidos, históricos, planos de processo, programas NC, etc.). Cada nível é responsável pela manutenção das informações que lhe interessam. Porém, ressalta-se a existência de informações compartilhadas por diferentes níveis, mesmo que, conceitualmente, o SD seja representado de forma modular para cada nível. Este trabalho concentra-se no nível de coordenação/supervisão, mais precisamente, no levantamento das informações que lhe são relevantes. Na seção 2, apresenta-se um modelo funcional para o nível de coordenação/supervisão. Na 3, detalha-se o módulo de nformações (MO). O objetivo final é especificar o núcleo de um MO utilizável tanto em simulações quanto em implementações reais. 2. Modelo Funcional de Coordenação/Supervisão A figura 2 apresenta o modelo funcional de uma unidade de coordenação/supervisão. As principais funções deste nível são : a) interagir com os níveis superior e inferior do SC através do módulo de comando; b) coordenar um sub-conjunto de elementos pertencentes à parte operativa da planta sob seu domínio e informar e consultar o MD (módulo de informações) sobre o estado atual dos elementos comandados (sub-módulo de coordenação); c) gerir prioridades e resolver conflitos encontrados na coordenação respeitando as restrições impostas pelo plano de produção e utilizando informações fornecidas pelo MO (módulo de escalonamento); d) detectar, diagnosticar e corrigir falhas na área sob seu domínio e informar ao MD o estado dos elementos em falha (sub-módulo de detecção e tratamento de falhas); e) coletar, armazenar (utilizando o MD) e mostrar dados sobre a operação da unidade produtiva, tais como, dados de produtividade, estado de operação. (módulo de monitoração); f) prover uma interface com o operador permitindo o acompanhamento dos dados de produtividade, a intervenção na função de comando em caso de falha ou quando requisitado (módulo interface operador); Planejamento Comando Local Figura 2: Modelo Funcional de Coordenação/Supervisão. O nível coordenação/supervisão ainda é decomposto em 3 sub-níveis hierárquicos [Tazza et a. (\992)]: planta, célula e estação. Cada um destes subníveis é composto por um conjunto de unidades de coordenação/supervisão. Uma ordem de fabricação, proveniente do nível de planejamento, é sucessivamente refinada pelos sistemas de coordenação/supervisão da planta, células e estações (nesta sequência) transformando-a num conjunto de ordens para o nível de comando local que, finalmente, dispara os processos da parte operativa. 3. Módulo de nformações (MD) O MD funciona como um integrador de todos. os módulos, pois é responsável pelo registro e acesso às informações relevantes para a coordenação/supervisão. São informações relevantes, o estado dos elementos controlados (peças, máquinas, paletes, ferramentas, etc.), registro histórico dos estados dos elementos e políticas de prioridades para a resolução de conflitos na disputa por recursos. O MD é composto por um conjunto de classes de objetos que representam os elementos controlados. Cada classe possui um conjunto de operações que realizam a evolução de estado dos objetos do sistema produtivo. As operações implementam a integração entre o MD e os demais módulos. A primeira parte desta seção trata da identificação das classes e das associações entre elas. O resultado é o diagrama de classes [Rumbaugh (1991)]. Em seguida, os atributos de cada uma das classes são descritos utilizando-se MC tlrformation Modelling by 167

3 Composition, [Durchholz-Richter (1992)]. Para cada classe identificada descrevem- se as operações que podem ser aplicadas e o modelo dinâmico correspondente utilizando-se máquinas de estado. Diagrama de Classes A entrada para a coordenação/supervisão é um conjunto de lotes determinado pelo nível de planejamento. Um lote é uma ordem de fabricação de uma quantidade de peças de mesmo tipo. Cada lote pode ser constituído por vários sublotes. Um sublote é formado por uma ou por mais peças que trafegam no chão-de-fábrica sobre o mesmo palete ou uma peça isolada despaletizada. Uma peça, paletizada ou não, um palete, uma f erramenta ou uma rosácea, em um instante de tempo qualquer, ocupam uma posição de armazenagem pertencente a um recurso de armazenagem. Todos os equipamentos que possuam ao menos uma posição destinada a receber um material são definidos como recursos de armazenagem. Por recurso operativo entende-se um dispositivo de transporte ou qualquer equipamento que execute algum processo (movimentação, carga, descarga, usinagem, inspeção, etc.). O processo pode ser executado sobre um material (peça, palete, rosácea ou ferramenta). Figura 3: Diagrama de classes. Descrição das Classes contém Apresentam-se resumidamente a estrutura, as operações e modelos dinâmicos das principais classes de objetos: recurso operativo, peça, recurso de armazenagem e posição de armazenagem. A descrição completa está em [Achraf (1997)]. Recurso Operativo Um recurso operativo é um dispositivo que realiza um processo que demanda tempo. Ele é capaz de receber ordens de operação, emitir respostas de finalização das mesmas, receber pedidos de reserva e enviar as respectivas respostas. A figura 4 mostra a estrutura da classe. RecursoOperativo PriorReserva: Hi<lnrion' PriurR" oe"re<opcr lihisltíricll _ Figura 4: Classe Recurso Operativo Descrição dos Atributos: drecoperativo: identifica univocamente um recurso operativo; PriorReserva: define a prioridade de reserva de um recurso operativo. É utilizada quando há mais de um pedido de reserva para o recurso operativo.. As prioridades de reserva podem ser as seguintes: FFO: o primeiro pedido a chegar é o primeiro a ser atendido ; UFO: o último pedido a chegar é o primeiro a ser atendido ; Priorizar os sublotes mais adiantados ou os mais atrasados em relação ao plano de processos ; EstadoAtual: contém o estado atual do recurso de acordo com o modelo dinâmico mostrado adiante; Compartilhado: indica que um recurso operativo é ou não é compartilhado com o nível hierárquico superior de controle em relação àquele ao qual ele pertence; Histórico: contém os estados assumidos pelo recurso ao longo da simulação/operaç ão do sistema bem como os instantes de mudança dos estados ; ListaPedidosReserva: contém os pedidos de reserva para o recurso; ListaRespostasReserva: contém as resposta s aos pedidos de reserva; ListaComandos: contém a lista de comandos a serem executados pelo recurso operativo; ListaRespostasCmdos: contém a lista das respostas dos comandos executados ; Operações Criar: cria um recurso operativo; Reservar: nsere um pedido na lista de pedidos de reserva. O pedido será tratado de acordo com o atributo PriorReserva. ConsumirReserva: consome uma reserva da lista de respostas aos pedidos de reserva do recurso; VerificarReserva: apenas verifica a presença de reserva na lista de respostas aos pedidos de reserva ; 168

4 Executar: insere um comando na lista de comandos do recurso operativo; ConsumirResp: consome uma resposta da lista de respostas dos comandos relativa à execução de um comando; VerificarResp: apenas verifica a presença de uma resposta na lista de respostas; MudarEstado: realiza a mudança de estado para um dos estados do conjunto: {Livre, Reservado. Operando. Quebrado. Manutenção}. Somente as mudanças definidas no modelo dinâmico são permitidas (figura 5). Estado: retoma o estado atual do recurso de operativo. Modelo Dinâmico Histórico: contém os estados e as posições de armazenagem assumidos pela peça ao longo da simulação/operação bem como os instantes das mudanças de estado ou de posição de armazenagem; ListaVlrsMedidas: contém os valores das medidas da peça e valor do erro inserido pelas máquinas; dpeça: ºªª EsladoAlual: ListaVlrsMedidas: dmedida: dsublote: lêéj EstadoPlanoProc: ErroAtual: dpalele : PosArmaz: t4... Peça Histórico: Figura 6: Classe Peça. Figura 5: Modelo Dinâmico do Recurso Operativo Um recurso operativo no estado Livre, mediante solicitação de reserva proveniente do módulo de comando, passa a Reservado. Outra alternativa é passar diretamente ao estado Operando. Um recurso Reservado pode operar um material passando ao estado Operando. Quando a operação é enc errada o recurso pode ser liberado. (Livre) ou continuar Reservado. Um recurso Reservado pode ser liberado passando ao estado Livre. Observe que de qualquer um dos estados já descritos pode-se passar ao estado Quebrado. Do estado Quebrado passa-se ao estado Reparo. A cada mudança de estado um registro é inserido no histórico permitindo que o módulo de monitoração obtenha informações sobre a utilização do recurso. Operações: Criar: cria uma peça. A criação ocorre quando o escalonador decide pela entrada de um sublote de peças no sistema; MudarEstado: muda o estado de uma peça. O novo estado pertence ao conjunto {Alançar, AoperarArmaz. Aoperar'ransp, Operação, Operada Transp, Operadaérmaz, Transp, ArmazCélula, Armazl'lanta, Finalizada}. Somente as mudanças definidas no modelo dinâmico são permitidas. Quando a ocorre uma troca de estado, insere-se um registro no histórico; Mover: muda a posição de armazenagem de uma peça; PeçaPosArmaz: retoma a posição de armazenamento ocupada por uma peça; PeçaPaletizar : associa uma peça a um palete; Despaletizar: desfaz a relação da peça com seu palete atual; PeçaPalete: Retoma o identificador do palete associado à peça; Modelo Dinâmico Peça Descrição dos Atributos: dpeça: identifica univocamente uma peça dsublote: identifica o sublote ao qual a peça está associada; dpalete: identifica o palete ao qual a peça está associada; EstadoAtual: estado atual da peça de acordo com o modelo dinâmico apresentado adiante; EstadoPlanoProc: estado atual da peça relativo ao plano de processos; PosArmaz: posição de armazenagem onde a peça se encontra; Figura 7: Modelo Dinâmico para Peça. 169

5 Consider ando os níveis hierárqu ivos de coordenação/supervisão uma peça pode encontr arse em uma estação, célula ou plant a. Uma peça perm anece no estado Alançar até que o escalonador decid a pelo seu lançamento no chão-de-fábrica. Lançada, a peça vai a uma estação onde permanece no estado Aope rar/crma: no armazém de entrada aguarda ndo por uma operação. Durante o transporte até a máquin a e sua descarga na máquin a ela permanece no estado Aoperar'ransp até que aoperação se inicie. Neste momento passa ao es tado Operação. Terminada a operação, a peça permanece no estado OperadaTrallSp durante seu transp orte até o armazém de saída e, quand o lá chega, passa ao estado Operada/vrmaz. Uma peça Operada/uma; aguarda a decisão do esca lonador sobre a próxima operação e o local de sua realização. Deci são tomada, a peça é conduzida até a estação. Durante este transporte ela passa ao estado Tran sp, Caso seja armaze nada temporariamente em algum armazém da cé lula ela passa ao estado Armat.Célula. Ao chega r na estação destino a peça entra no estado Aop erar/vnna; Quando uma peça necessita visitar estações pertencentes a célul as distintas então ela deve utilizar o sistema de transporte da planta. Para utilizá-lo ela passa ao estado An nazi'lant. Uma vez em transporte, a peça passa ao estado Transp e chegand o na es tação des tino entra em Aoperar/vrma t. Aca badas todas as operações previstas no plano de processos a peça pode passa r ao estado Finalizada. Recurso Armazenagem Por recurso de armazenage m entende-se um armazé m, uma máqu ina-ferramenta ou qualquer outro equipamento destinado a co nter, durante o período de uma operação ou de uma espera, um conjunto de sublotes de peças, de paletes, de rosáceas ou deferramentas. drecarmaz RocArlll"i ReslriçãoReserv RccArm"1 PriorReserv, RecursoArmaz AlgReserv ' AgR"j Compartilhado ListaPedidosReserv: ListaRespReserv: podrs\1 -- _ RO'PRS\l --- Figura 8: Classe Recurso de Armazenagem Descrição dos Atributos: drecarmaz: identi fica univocamente um recurso de armazenage m; ListaPedidosReserv: pedid os de reserva que ainda não foram atendido s; ListaRespostasReserv: respostas aos pedidos de reserva; PriorReserv: prioridade para rese rvar uma das posiçõe s do recurso de armaze nage m. É util izada quando há mais de um pedido de reserva para o mesmo recurso. FFO : primeiro pedido a chega r é o primeiro a ser atendido ; UFa: o último pedid o será o mais prioritário; AlgReserv : algoritmo a ser utiliz ado na reserva de uma das pos ições de armazenagem do recurso (as posições de armazenagem são descritas em seg uida). Reserv e ôualquerllma: reserva a leator iamente uma das posições no estado Livre; Reservel'rimeira Cresc ente; reser va a primeira posição Liv re do equipa mento pesqui sand o na orde m cresce nte das posições; Reser vel'rinieiralrecre scente: reserva a primeira pos ição Livre do equipamento pesqui sand o na orde m decrescente das posições; Reserv el'artindocent ro: reserva as posições pesquis ando-se prim eiramente a posição do centro e dep ois as vizinhas; Reservelvlaisi'rtiximo: reserva a posição mais próxima de uma posição dada; RestriçãoReserv: estabelece as res tnçoes na reserva de uma posição de armaze nagem. Por exe mplo, pode-se desejar que uma posição do recu rso fique livre quando ex iste uma peça em operação na estação (para impedir situações bloqueantes). Os valores possíveis para o atributo Restriç ãokeserva são :. Semkestri ções: não há restrição para a reserva das posiç ões de armazenage m; Deixelhnal.ivre: a reserva somente é efetuada se existirem duas pos ições livres; Compartilhado: indica se o recu rso é ou não co mpartilhado co m o nível hier árquico de coo rde nação/supervisão super ior ao qual ele pertence. Um recurso co mpartilhado pode ser reservado tanto pelo nível ao qual ele pertence quanto pelo nível superior. Operações Criar: cria um recur so de armazenamento; Reservar: insere um pedido de res erva para o recurso; ConsunúrReserva: consome uma reserva da lista de respostas dos pedidos de rese rva; Reserva: verifica a exis tência de uma reserva na lista de respostas dos pedidos de reserva; Posição de Armazenagem Um recurso de armaze nage m é comp osto por uma ou mais posições de armazena gem. Por exemplo. um buffer pode ter capacidade para 5 palet es. Cada um destes esp aços deve ser mapeado para uma posição de armazenagem. 170

6 dposa rmaz: [::31 PosiçãoArmaz dreca rmaz Posição EsladoAlual Histórico 1 ntei"1 E.<RecArma1 Figura 9: Classe Posição de Armazenamento. Atributos dposarmaz: identifica a posição de armazenamento dentro de um recurso de armazenagem. É composto por duas construções: () drecarmaz que identifica o recurso de armazenagem e (2) Posição que identifica uma posição dentro do recurso de armazenagem. EstadoAtual: contém o estado atual do recurso de acordo com o ciclo de vida mostrado em seguida; Histórico: contém os estados assumidos pela posição de armazenagem ao longo da simulação e/ou operação bem como os instantes de mudança dos estados. Operações Criar: cria uma posição; MudarEstado: realiza a mudança de estado de uma posição para um dos estados do conjunto: Livre, Reservada, Ocupada}. Estado: estado atual da posição de armazenagem; drec: retoma o identificador do recurso associado a uma dada posição. Modelo Dinâmico Uma posição de um recurso de armazenagem normalmente inicia no estado Livre. Mediante solicitação de reserva proveniente da planta, da célula ou da estação passa ao estado Reservada, quando não há reserv a, vai diretamente ao estado Ocupada. Uma posição Reservada pode receber um material passando a ser Ocupada. Na retirada de um material a posição pode voltar ao estado Livre ou continuar Reservada. Uma posição Reservada pode ser liberada passando ao estado Livre. Figura 10: Modelo Dinâmico para Posição de Armazenagem 4. Conclusão Este artigo apresentou uma arquitetura para o nível de coordenação/supervisão de um sistema de controle e informação integrados. Especificou-se o módulo de informações responsável pela integração dos módulos do nível coordenação/supervisão. O MO é composto por um conjunto de objetos, cada um com suas operações e modelo dinâmico. As operações implementam a integração entre os módulos eomodelo dinâmico dita as mudanças de estado permitidas. A partir desta especificação pretende-se estabelecer um núcleo mínimo necessário para simular e implementar um sistema produtivo real. As classes definidas permitem a extração de dados de produtividade do sistema controlado (atributo Histórico), o comando dos elementos e escalonamento das atividades. Este trabalho está inserido em um contexto maior, o da ferramenta Analytice para projeto e análise de Sistemas Flexíveis de Manufatura. Analytice permite a simulação do nível comando local. Encontra-se em implementação a ligação do simulador com equipamentos reais. O próximo passo éaimplementação do nível de coordenação/supervisão. s. Referências O. Achraf. Controle de Sistemas Flexíveis de Manufatura-Especificação e projeto dos Simuladores dos Níveis Estação e Célula do Sistema Analytice, Dissertação de Mestrado, CPGE-CEFET-PR, 1997, 94p D. Andreu et a. Commande Temps Réel Hierarchisée. Application à une maquette d'atelier jlexible.rapport LAAS 94268, 1994,12p. F. Deschanel. Pilotage d'une Cellule Flexible D'Usinage. France, 1989, 238p. Thêse de Doctorat, Université de Franche-Comte F.A.C Gomide, M.L. Andrade Netto. ntrodução a Automação ndustrial nformatizada. Escola Brasileiro-Argentina de nformática, Kapesluz, 1996,165p. N. Komoda et a. An Autonomous, Decentralized Control System for Factory Automation. EEE Computer, v.17(no.12), p.73-83, dec.1984 C. Menendez, L.A. Künzle. Controle de Sistemas Flexíveis de Manufatura: Uma abordagem Estruturada. Anais do 10 Encontro Regional de Automação e nstrumentação - ES, 1989, p J. Rumbaugh. Object Modeling and Design, Prentice- Hall, nc., USA, M. Tazza et a. Sistemas Flexíveis de Manufatura: Projeto e Análise. Anais do X Congresso Brasileiro de Automática, Vitória, ES, p.62-8q, sep R. Durchholz, G. Richter. Compositional Data The MCMCL Reference Manual, nglaterra, 1992, 167p. Objects, Wiley, 171

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