SISTEMAS HOlÔNICOS DE MANUFATURA: REVISANDO SEUS CONCEITOS BÁSICOS

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1 4o. SBAI- Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, de Setembro de 1999 SISTEMAS HOlÔNICOS DE MANUFATURA: REVISANDO SEUS CONCEITOS BÁSICOS MSc. Eng, Gustavo Nucci Franco', Prof. Dr, Antonio Batocchíoê Departamento de Engenharia de Fabricação - Faculdade de Engenharia Mecânica - Universidade de Campinas Rua Mendeleiv - Cidade Universitária Zeferino Vaz - CP CEP Campinas -'- SP 'nfrancotêcorreionet.com.br, 2batocchi@fem.unicamp.br Resumo: A necessidade de empresas cada vez mais ágeis para atender às necessidades dos clientes força o desenvolvimento de novos sistemas de manufatura. Os sistemas tradicionais se tomam obsoletos a medida que não apresentam diferenciais competitivos para as empresas que os aplicam. Este trabalho defende o desenvolvimento de elementos autônomos, cooperativos e inteligentes, que interagem dinamicamente formando sistemas reconfiguráveis. Esses são os Sistemas Holônicos de Manufatura (HMS), cujos conceitos básicos serão aqui revisados. Com isso, pretende-se criar uma base para novos desenvolvimentos, uma vez que se esteja conscientizado da importância de participar do processo de busca do sistema de manufatura do século 21. Palavras Chaves: Sistema Holônico de Manufatura, Manufatura Inteligente, Manufatura Ágil Abstract: The necessity of an even more agile enterprise that attends to the customers' needs aims to new manufacturing systems development. Traditional systems became obsolete once they are no more competitive differentials. This work defends the development of autonomous, cooperative and intelligent elements, that internet dynamically building a reconfigurable system. This is the Holonic Manufacturing System (HMS) and its basic concepts will be reviewed in this paper. It intends to be the foundations of new developments, once the importance of the participation in the next century manufacturing system searching process is presented. Keywords: Holonic Manufacturing System, Intelligent Manufacturing, Agile Manufacturing 1 INTRODUÇÃO São muitas as mudanças que empresas dos mais diversos setores têm enfrentado nos últimos anos. Fatores como mercados dinâmicos, necessidade de lotes menores e aumento dos pedidos de produtos customizados estão tomando os tradicionais sistemas de manufatura obsoletos. De acordo com Van Leeuwen & Norrie (1997), os modernos sistemas de manufatura deverão ser reconfiguráveis, baseados módulos autônomos e inteligentes que se interagem dinamicamente para responder às necessidades descritas acima. Fica claro que várias das tecnologias atuais se tomam incapazes frente a esses requisitos. Assim esforços se fazem 263 necessários para busca de novas estruturas. Surgem, com isso, iniciativas 'para se encontrar o que poderá significar o sistema de manufatura do século 21, ainda que boa parte desses esforços vêm sendo realizados pelos antes denominados países desenvolvidos. Embora pouco comentado no Brasil, uma dessas iniciativas é o programa chamado de IMS International, que envolve o Canadá, Estados Unidos, Japão, Austrália, Suíça e os países da União Européia. Esse é apoiado pelos governos dos países participantes, formando-se ações conjuntas envolvendo, ainda, empresas e universidades. Sua importância pode ser notada observando-se os investimentos que estão sendo feitos, o que o toma o maior programa de pesquisa em manufatura já lançado [IMS, 1999]. Existem vários projetos que fazem parte do IMS International. Um desses é o Sistema Holônico de Manufatura (HMS), que desenvolve sistemas de manufatura através da integração de unidades modulares altamente flexíveis, ágeis e reusáveis. Esse sistema será construído a partir de módulos autônomos, cooperativos e inteligentes, capazes de se reconfigurar automaticamente em resposta a novas demandas e/ou componentes. O objetivo do HMS a longo prazo é desenvolver sistemas flexíveis e adaptativos para manufatura, equivalentes às tecnologias "plug and ptay" dos novos sistemas computacionais. Essa geração de sistemas de manufatura formará fábricas distribuídas, reconfiguráveis e virtuais, nas quais homem, máquina e computador formarão blocos dinâmicos [HMS, 1999). A partir de tiradas sobre a função dos países que ficarem a margem desse processo de desenvolvimento, em 1998 formou-se no Brasil o Grupo de Pesquisa em HMS [GPHMS, 1999). Trata-se de um grupo de pesquisa que visa investigar e traduzir para a realidade brasileira os conceitos desenvolvidos pelos grupos internacionais. Esse pretende abranger vários pontos abordados pelo HMS, indo desde a definição de uma arquitetura básica de referência para o modelo brasileiro até aspectos de necessidades de novas tecnologias. Este trabalho faz uma revisão de alguns conceitos básicos relativos ao HMS. Inicialmente, será feita uma revisão bibliográfica mostrando algumas dos principais trabalhos publicados sobre o assunto, incluindo alguns dos trabalhos do

2 40. SBAI- Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente. São Paulo, SP, de Setembro de 1999 GPHMs'. Em seguida, os conceitos serão revisados, mostrando uma base-para trabalhos futuros. - 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Pode-se dizer que as pesquisas sobre HMS surgiram ainda na década de 60 quando Koestler (1967) introduziu o termo 'holon' para descrever partes que se comportam como 'todos'. A partir disso, Koestler pôde modelar organizações tão complexas quanto as culturas biológicas. São estudos dos campos da evolução e psicologia que uma vez tomados pelo projeto do HMS [Van Leeuwen & Norrie, 1997], proveram bases sólidas para o desenvolvimento de modernos sistemas de manufatura. A comprovação da eficiência dos princípios holônicos aplicados a sistemas de manufatura foi mostrada por Valckenaers et ai. (1994a), que iniciou o desenvolvimento de um sistema piloto no qual foi feito um estudo de benchmarking comparando um sistema holônico com outros hierárquicos e heterárquicos. Os resultados desse estudo foram apresentados em [Valckenaers et ai. 1994b]. desafio constante para os dirigentes (atuais e futuros) dos países e das organizações (empresas, universidades, associações, sindicatos e etc.). No caso particular das empresas e de seus sistemas de manufatura, essas mudanças provocam uma série de problemas, que podem resultar em perda de produtividade e de eficiência e aumentam os custos de produtos e/ou serviços. Como reflexos para as empresas, têmse a perda de competitividade e, então, surgem as dificuldades para se manter no mercado. Hoje em dia, sistemas integrados de manufatura com suas redes interconectadas em células flexíveis de manufatura, já estão se tornando obsoletos e serão gradualmente abandonados, conforme descrito por Van Leeuwen & Norrie (1997). Esses mesmos autores afirmam que: "A próxima geração de sistemas (inteligentes) de manufatura formarão efetivamente, de forma distribuída, fábricas virtuais reconfiguráveis, nos quais módulos humanos (pessoas), máquinas e programas se interagem. em grupos virtuais, formados dinamicamente. Tais sistemas podem ser modelados como inteligentes, autônomos e de elementos cooperativos, os quais formam sistemas reconfiguráveis, extensivos e gradativos". Uma vez consolidados seus conceitos básicos, muitos outros trabalhos surgiram, destacando-se os da PMA Division da Katholieke Universiteit Leuven na Bégica. Wyns et ai. (1996) apresentaram uma arquitetura de referência que uma vez desenvolvida por Van Brussel et ai. (\997), ficou conhecida como PROSA. Bongaerts et a\. (1997) mostram como se dá programação de recursos num sistema holônico. Valckenaers et a\. (1998) mostram o desenvolvimento de um sistema de controle baseado nos conceitos holônicos. Ainda que estudando esses trabalhos, continua obscura a visualização do sistema holônico como um sistema de manufatura. Para ajudar a compreender melhor a relação de elementos levando a um sistema funcional, Wyns & Langer (\998) descreveram esse sistema de uma maneira singular, onde técnicas textuais, em IDEFO e orientadas a objeto formaram um ambiente de análise completo. Motivado por esses trabalhos, o GPHMS vêm submetendo trabalhos pioneiros no Brasil. Franco & Batocchio (1999a) trata da utilização de um ambiente de projeto baseado em axiomas para que o foco nos princípios holônicos básicos seja mantido durante todo o projeto de um sistema de manufatura. Franco & Batocchio (1999b) propõe o desenvolvimento de um sistema de informação baseado nos conceitos holônicos para que se alcançar um diferencial competitivo para pequenas e médias empresas. Deve-se destacar que muitos dos desenvolvimentos do HMS não são disponibilizados para sociedade, uma vez que os acordos que formam todos projetos do IMS International prevêem a propriedade tecnológica para os participantes do programa. 3 OS SISTEMAS HOlÔNICOS As mudanças que estão ocorrendo na sociedade, quer nas questões relativas ao mercado (redução do ciclo de vida dos produtos, aumento na demanda de produtos personalizados, preços competitivos, qualidade assegurada), quer nas questões ambientais (preservação do meio ambiente, redução da poluição) e sociais (aumento da longevidade, necessidade de melhoria no padrão de vida, redução da violência) são um Com a finalidade de desenvolver tal sistema, algumas iniciativas vêm sendo tomadas por alguns governos, empresas e centros de pesquisa. Recentemente, uma dessas iniciativas, cujos reflexos serão aferidos no futuro próximo, é o denominado "Consórcio dos Países Ricos para o século 21", que pretende levantar novas luzes sobre o que se fazer para se tornar competitivo no próximo século. Os governos da Austrália, Canadá, Japão e Estados Unidos da América acordaram nos termos referidos e, em 1995, o Internacional Consórcio de IMS (Intelligent Manufacturing Systems - Sistemas de Manufatura Inteligentes) foi sediado no Canadá para gerenciar e direcionar as suas operações. O Internacional Consórcio de IMS compreende uma pequena secretaria suportando um Comitê Diretor Internacional que capta recursos de todos os participantes da região. O governo da Suíça uniu-se também a esse consórcio e, em dezembro de 1996, o Parlamento Europeu aprovou o acordo de participação e essa decisão foi homologada pelo Conselho Europeu. O Internacional Consórcio de IMS [IMS, 1999] está apoiando o desenvolvimento do Sistema Holônico de Manufatura (HMS), que será o sistema de manufatura do século 21. O HMS é um projeto internacional, industrialmente dirigido para a sistematização e padronização, pesquisa, desenvolvimento précompetitivo, desdobramento e suporte de arquiteturas e tecnologias para ser um sistema aberto, distribuído, inteligente, autônomo e cooperativo em sua essência global. Essas novas gerações de sistemas holônicos serão providos de flexibilidade, agilidade e robustez necessárias para a entrega rápida de produtos manufaturados aos clientes' no mercado competitivo global [Van Leeuwen & Norrie 1997]. As estruturas de controle da maioria dos sistemas de manufatura atuais são construídas de acordo com uma hierarquia de vários níveis. Cada um desses níveis possui seus próprios sinais de entrada e saída e conexões, formando um sistema global. Assim, esse sistema se torna rígido. O HMS propõe uma arquitetura para sistemas de manufatura altamente descentralizados, construída por elementos modulares semi padronizados, autônomos, cooperativos e inteligentes. 264

3 40. SBAI-Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, de Setembro de Holons e holarqulas A noção de sistemas holônicos foi introduzida inicialmente por Koestler (1967), o qual fez estudos nos campos da evolução e psicologia que se estendem a várias organizações sociais. Esses foram tomados como referência para o desenvolvimento do HMS, sendo seus conceitos aplicados na busca de novos sistemas de manufatura. Segundo os estudos de Koestler, organizações complexas, com um certo grau de coerência e estabilidade, são compostas por estruturas intermediárias e estáveis dispostas numa série de níveis. Uma propriedade fundamental dessas estruturas intermediárias foi chamada por Koestle r de efeito de Janus: "essas estruturas intermed iárias foram descritas como 'todos' assertivos.ou auto contidos e, ao mesmo tempo, 'partes' integrativas e dependentes dentro de uma hierarquia mais expansiva". Para descrever os nós numa estrutura hierárquica caracterizados pelo efeito de Janus, K.oestler introduziu o termo 'holon'. Outro termo introduzido por Koestler foi holarquia, a qual representa o sistema formado por holons cooperativos, organizados de tal forma que estabeleçam ambientes operacionais e interfaces externas. Finalmente, Koestle r define. uma holarquia como uma hierarquia de holon auto regulados que funcionam como "todos" autônomos em supra ordenação de suas partes e, ao mesmo tempo, como partes dependentes em subordinação de controles em níveis mais elevados e em coordenação com o ambiente local. 3.2 Hierarquias, heterarquias e holarquias: uma comparação Com o propósito de comparar o sistema holônico com outros sistemas, Valckenaers et ai. (1994b) mostraram o resultado do estudo de caso proposto em Valckenaer et ai. (1994a). Nesse, eles aplicam os princípios dos sistemas holônicos no controle de um sistema integrado por computador. Para isso, são criados três cenários, conforme será visto a seguir, onde um sistema deverá cumprir ordens de produção. Um programador faz o seqüenciamento das tarefas, mas condições não previsíveis, como paradas de equipamentos, faz com que cada controle se comporte de maneira diferente. Controle hierárquico: nesse sistema, as tarefas são seguidas seqüencialmente, conforme prescrito pelo programador. Quando necessário, o sistema de controle espera pela liberação de recursos necessários ou pelo restabelecimento do sistema através da intervenção de um operador.. Controle heterárquico: esse sistema segue apenas as ordens de produção, ignorando qualquer outro programa como o seqüenciamento indicado pelo programador. Cada estação controla suas atividades de produção de forma independente. Assim, esse irá seqüenciar suas próprias atividades de modo a aumentar sua eficiência isoladamente. É um sistema extremamente simples; autônomo mas não cooperativo. Controle holárquico: esse sistema coopera com o programador. Considera a programação inicial como sugestão, a qual será seguida a princípio. No entanto, quando a programação sugerida se toma inviável, como no caso das paradas das máquinas, o controle holônico autonomamente adapta sua programação a situação encontrada, retornando as informações ao programador. Esse é um sistema autônomo e cooperativo. Enquanto o sistema hierárquico espera pelo sistema de manufatura, o sistema holárquico utilizará a disponibilidade de outros equipamentos ou processos alternativos. Da mesma forma, o sistema holárquico sistematizará a informação gerada pelo programador para tomar melhores decisões a nível global do que os ortodoxos sistemas heterárquicos. 4 SISTEMAS HOlÔNICOS DE MANUFATURA A tarefa do consórcio de.hms é de traduzir os conceitos que Koestler desenvolveu para organizações sociais e organismos vivos num conjunto de conceitos apropriados para as indústrias manufatureiras. O objetivo é o de levar para a manufatura os benefícios que organizações hol ônicas dão a esses sistemas, isto é, estabilidade diante de distúrbios, adaptabilidade. e flexibilidade diante de mudanças e autilização eficiente dos recursos disponíveis. O conceito-chave para o desenvolvimento dos sistemas holônicos de manufatura envolve os seguintes termos [Van Leeuwen & Norie, 1997]: holon: um conjunto de sistemas de manufatura autônomo e cooperativo para a transformação, transporte, armazenagem c/ou validação de informação e objetos físicos. O holon consiste de uma parte da.informação em processamento e, às vezes, uma parte do processamento físico. Um holon pode formar/ser parte de um outro holon. Na figura I, vê-se o modelo genérico de atividade para um holon. Nota-se que a informação flui através e entre os componentes internos do holon. O termo holon descreve a unidade e é derivado do grego "holos", significando todo, inteiro, completo, e o sufixo "on", que denota a partícula (como o neutron). cooper9?'j. V Controla BoB Coopera GNF 98 Figura 1-Exemplo de uma holarquia Autonomia: a capacidade de uma entidade de criar e controlar a execução de seus próprios planos e/ou estratégias. Cooperação: o processo pelo qual um conjunto de entidades desenvolvem mutualmente planos exeqüíveis e os executam. Holarquia (holarchy): um sistema de holons que podem cooperar para alcançar uma meta ou um objetivo. As holarquiasdefinem as regras básicas para a cooperação entre os holons, e, assim, limitam suas autonomias. Sistema Holônico de Manufatura (Holonic Manufacturing System - HMS): uma holarquia que integra uma completa gama de atividades de manufatura, de emissão de ordens 265

4 40. SBAI- Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, de Setembro de 1999 através do projeto, produção e marketing, formando a empresa recursos, fazendo reservas de recursos, monitorando o de manufatura ágil. progresso de execução, interrompendoprocessos, etc. De acordo com Bongaerts et al. (1996), um sistema holônico de manufatura consiste de três tipos básicos de holons: holons de recurso, holons de produto e holons de pedido, conforme visto na figura 2. Esses são derivados da existência de três áreas de interesse: recursos, aspectos tecnol6gicos relacionados a produto e processo e logística (demandas e datas de entrega). Holon de recurso: contém uma parte física, os recursos de produção do sistema de manufatura, e. uma parte de informações de processo que controlam os recursos. Oferece capacidade e funcionalidade ao holons que o cercam. Possui a habilidade de alocar os recursos e os conhecimentos de produção, organizando, controlando e usando esses recursos para gerarem produção. Um holon de recurso é uma abstração de meios de produção como fábricas, máquinas e matéria prima. Em contraste com as arquiteturas de controle de chão de fábrica, o HMS não separa o sistema de manufatura de seu sistema de controle. Holon de produto: compreende os conhecimentos de produtos e processos para garantir a produção correta do produto com qualidade suficiente. Um holon de produto contém informações consistentes e atualizadas do ciclo de vida do produto, necessidades dos clientes, projeto, planejamento de processo, contas de materiais, procedimentos para assegurar a qualidade, etc. Ele contém o "modelo de produto" do tipo de produto, e não o "estado do modelo de produto" de um produto sendo produzido. Esse holon serve de informante para os outros holons do sistema. O holon de produto inclui a funcionalidade que é tradicionalmente coberta pelo projeto, planejamento de processo e qualidade assegurada do produto. Holon de pedido: representa uma tarefa dentro do sistema de manufatura. O holon de ordem é responsável por executar o trabalho designado corretamente e no prazo. Esse administra o produto sendo produzido, o modelo de estado do produto e todas as informações logísticas.relacionadas ao processo. Deve representar os pedidos dos clientes, ordens de produtos para estoque, pedidos de protõtípos, ordens para manter e reparar recursos, etc. Em geral, o holon de pedido pode ser considerado.como a peça que possui um comportamento de controle que administra a fábrica. Como pode ser visto na figura 2, esses três tipos de holons trocam conhecimentos sobre o sistema de manufatura, formando-se, assim, linhas de troca de informações. Conhecimento de processo: são as informações relacionadas a como executar um certo processo num certo recurso. É o conhecimento sobre as capacidades do recurso, quais processos esse pode realizar; os parâmetros, a qualidade e as alternativas desses processos, etc. Conhecimento de produção: são as informações relacionadas a como produzir um certo produto utilizando-se certos recursos. E o conhecimento sobre os roteiros de fabricações possíveis de serem executados nos recursos, as estruturas de dados para representar o resultado dos processos, os métodos para acessar as informações desses processos, etc. Conhecimento de execução: são as informações relacionadas ao progresso de execução de processos em certos recursos. É o conhecimento sobre como requerer o início de processos nos 5 CONCLUSÕES Sistema Holõnlco de Manufatura GNF98 Figura 2-Sistema holônico de manufatura [adaptado de Wyns & Langer, 1998] Este trabalho mostra a importância de se obter diferenciais competitivos para que se garanta a sobrevivência no próximo século. De acordo com os investimentos que vêm sendo feitos por alguns países, fica clara a necessidade de se desenvolver novos sistemas de manufatura. O HMS mostra um potencial grande, que, se desenvolvido, pode levar a vantagens para aqueles possuírem seu conhecimento. Para isso, fica clara a necessidade de maiores pesquisas. Deverão surgir novos conceitos, sistemas e tecnologias, que introduzirão autonomia, cooperação e inteligência às fábricas... o que não se pode prever é qual será a posição daqueles que ficarem às margens desse processo de desenvolvimento. As perspectivas não são boas. Assim, esforços como os do GPHMS se tomam válidos e devem ser seguidos por outros. AGRADECIMENTOS Este trabalho somente foi possível com a ajuda da Fapesp (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) que vem financiado estas pesquisas, de acordo com o processo Fapesp # , e do RECOPElFINEPIBID, pelo seu apoio financeiro ao Sub-Grupo de Modelagem e Gestão da Sub-Rede de Automação. 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5 40. SBAI - SimpósioBrasileirode" Automação Inteligente, São Paulo,SP, de Setembrode 1999 HMS, Welcome to the Holonic Manufacturing System (HMS) Web Site. In hms.ifw.uni-hannover.de (web site). IMS, Intelligent Manufacturing Systems. In (web site). Koestler, A, The ghost in the machine. London: Arkana Books. Valekenaers, P., Van Brussel, H., Bongaerts.' L., Wyns, J., Peeters, P., Holonic Manufacturing Control at K.U.Leuven. In Proc. of INCOM 98, IFAC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing, Nancy, France, June Valckenaers, P., Van Brussel, H., Bonneviller, L., Bongaerts, L., Wyns, J., 1994a. IMS Test Case 5: Holonic Manufaeturing Systems. Preprints of IMS '94, lfac workshop, Vienna. Jun. Valekenaers, P., Van Brussel, H., Bonneviller, L., Bongaerts, L., Wyns, J., 1994b. Results of the Holonie System Benehmark at KULeuven. In Proceedings of Rensselaer's 4th Intemational Conference on Computer Intergrated Manufacuturing and Automation Technology (CIMAT), Rensselaer's Polytechnic Institute, New York, usa.oet. Van Brussel, H., Wyns, J., Valckenaers, P., Bongaerts, L., Peeters, P., Referenee Arehitecture for Holonic Manufacturing Systems: PROSA. Computer in lndustry, special issue on intelligent manufacturing systems. Van Leeuwen, E.H., Norrie, D., Holons and holarchies. Manufacturing Engineer. pp Apr. Wyns, J., Langer, G., Holonie Manufaeturlng Systems described in plain text, IDEFO, and Object-Oriented methods. In Proceedings of IMS-EUROPE 1998, the First Intemational Workshop on Intelligent Manufacturing Systems, Lausanne, Apr. Wyns, J., van Brussel, H., Vaekenaers, P., Bongaerts, L., Wórkstation arquehieteeture in Holonic Manufaturing Systems. In 2{fh Cirp International Seminar on Manufacturing Systems, Johannesburg, South Africa, May