IMPLEMENTAÇÃO DE CONTROLE SUPERVISÓRIO MODULAR LOCAL EM UMA CÉLULA DE MANUFATURA DIDÁTICA

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1 IMPLEMENTAÇÃO DE CONTROLE SUPERVISÓRIO MODULAR LOCAL EM UMA CÉLULA DE MANUFATURA DIDÁTICA Jeferson Luiz Curzel 1 André Bittencourt Leal 2 1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina Cefet-SC Joinville SC Brasil 2 Universidade do Estado de Santa Catarina Udesc Joinville SC Brasil [email protected] [email protected] Resumo Neste trabalho estuda-se a técnica de implementação do controle modular local para uma célula flexível de manufatura didática a ser utilizada para pesquisa de técnicas de controle supervisório. Pretendese desta forma contribuir para disseminar o uso da teoria de controle supervisório junto às indústrias. Palavras-Chave - Célula Flexível de Manufatura Controle Supervisório Sistemas a Eventos Discretos. Abstract In this paper we study the technique of implementation of the modular local control to a didactic flexible manufacturing cell to be used in the research of supervisory control techniques. Whit this work we intend to contribute towards the dissemination of the Supervisory Control theory in the industries. Keywords - Flexible Manufacturing Cell Supervisory Control Discrete Event Systems. I. INTRODUÇÃO A utilização da Teoria de Controle Supervisório [1] possibilita a solução de problemas de controle de forma sistemática garantindo assim que as especificações impostas pelo projetista sejam satisfeitas pelo sistema de controle. O seu uso também facilita alterações no programa do controlador lógico programável (CLP) que são necessárias sempre que é feita alguma modificação no layout da célula flexível de manufatura (inclusão/exclusão de equipamentos). Contudo a resolução de problemas de controle supervisório nas indústrias é feita em geral sem a utilização de um procedimento formal. Neste artigo é mostrada a aplicação da Teoria de Controle Supervisório em uma célula flexível de manufatura didática de forma a encontrar os supervisores modulares [2] que satisfaçam as especificações de controle impostas pelo projetista. Os supervisores modulares obtidos são implementados em CLP utilizando-se a linguagem LADDER por ser esta uma linguagem mais difundida de fácil visualização e compreensão a qual torna possível que alterações e localização de falhas sejam feitas rapidamente. Na seqüência do artigo na seção II é apresentada a célula de manufatura e os dispositivos que a constituem com uma breve descrição do seu funcionamento. Na seção III são apresentados os autômatos que modelam os dispositivos. Na seção IV é feito o projeto dos supervisores modulares locais onde são modeladas as especificações de controle e é apresentada a síntese dos supervisores modulares locais. Na seção V é apresentado o programa implementado em LADDER no CLP e na seção VI têm-se as conclusões do trabalho. II. A CÉLULA FLEXÍVEL DE MANUFATURA A célula de manufatura utilizada (Figura 1) é composta por dois robôs uma mesa giratória uma estação de teste (sensor fotoelétrico) uma esteira transportadora e um depósito (buffer) para peças rejeitadas. O funcionamento da célula prevê que as peças que estão posicionadas no final da esteira de entrada são transportadas pelo robô 1 até a mesa giratória são manufaturadas e testadas e se estiverem com problema são transportadas para a mesa de rejeito pelo robô 2 caso contrário são retiradas da célula pelo robô 2. Como elemento para teste da peça utiliza-se um sensor fotoelétrico que detecta diferença de coloração da peça (branca ou preta). Os sinais dos sensores e atuadores dos equipamentos da célula são interligados respectivamente ao módulo de entradas e saídas digitais do CLP por meio do qual é feito o controle da seqüência de operação de cada dispositivo. As rotinas de execução das tarefas dos robôs são executadas em controladores individuais dedicados para cada robô que estão interligados ao CLP através da interface de sinais de entradas e saídas. A Figura 2 mostra o CLP Siemens S7 300 utilizado para controlar a célula e a interface para adequação dos sinais de entrada e saída do CLP e dos controladores dos robôs. O autor recebeu apoio financeiro da Chamada Pública FAPESC/CNPq n. 004/2007 Infra-estrutura de CT&I para Jovens Pesquisadores

2 Fig. 1. A Célula Flexível de Manufatura Didática. Fig. 3. Planta baixa da célula. TABELA I Descrição dos Eventos da Célula de Manufatura Fig. 2. O CLP utilizado e a interface de sinais. III. MODELAGEM DA CÉLULA A modelagem da célula e a resolução de problemas de controle são feitos seguindo a Teoria de Controle Supervisório de Sistemas a Eventos Discretos [1]. Nesta abordagem o controle é feito por autômatos denominados de supervisores os quais restringem o comportamento do sistema físico satisfazendo a um conjunto de especificações. O alfabeto de eventos que compõe os modelos individuais de cada dispositivo e que darão origem aos supervisores modulares locais é dividido em dois tipos de eventos: os eventos controláveis cuja ocorrência pode ser desabilitada pela ação de controle como por exemplo o início de uma atividade ou a parada de uma esteira e os eventos não controláveis cuja ocorrência não pode ser desabilitada pela ação de controle como por exemplo a ativação de um sensor [3]. Como simplificação para a resolução do problema proposto neste trabalho adota-se apenas duas posições para a mesa giratória onde na primeira posição tem-se a entrada da peça e na segunda posição tem-se o teste e a retirada da peça da mesa giratória conforme mostrado na Figura 3. A Tabela I indica o evento associado a cada dispositivo da célula e a descrição do evento. EVENTO DESCRIÇÃO S_liga Sensor da esteira ligado S_desl Sensor da esteira desligado E_liga Esteira ligada E_desl Esteira desligada I_giro Início de giro da mesa F_giro Fim de giro da mesa T_M Início do robô 1 transporte para a mesa F_rb1 Fim de operação do robô 1 T_R Início do robô 2 transporte para o rejeito T_S Início do robô 2 transporte para a saída F_rb2 Fim de operação do robô 2 I_teste Início do teste de peça T_OK Resultado do teste para peça boa. T_NOK Resultado do teste para peça ruim. Nos modelos dos autômatos apresentados os círculos representam os estados do dispositivo e os círculos duplos representam os estados onde a tarefa é completada. Os arcos entre os estados indicam as transições ou eventos. Arcos seccionados por uma pequena linha transversal indicam que o evento é controlável [3]. A. Modelos dos dispositivos da planta Para a modelagem dos autômatos de cada dispositivo da célula foi utilizada a Tabela I como referência para os eventos controláveis e não controláveis. O funcionamento da esteira pode ser modelado pelo autômato G01 mostrado na Figura 4 onde o estado inicial 0 representa a esteira desligada e o estado 1 representa a esteira ligada. Nota-se aqui que os eventos E_liga e E_desl são eventos controláveis. Fig. 4. Autômato para a esteira.

3 A Figura 5 ilustra o autômato G0 que modela o sensor colocado no final da esteira. Fig. 5. Autômato para o sensor. A Figura 6 ilustra o autômato G1 que modela o funcionamento da mesa giratória onde o evento I_giro é controlável. abordagem permite explorar a modularidade das especificações e da planta de forma a diminuir a complexidade computacional da síntese de supervisores e o tamanho das soluções. Esta extensão à teoria clássica sugere maior facilidade nas alterações que somente exigirão mudança nos supervisores modulares locais correspondentes e não no sistema como um todo. A seguir são apresentadas as especificações para o controle da célula. A. Modelo das especificações A especificação da Figura 10 indica que a esteira pode ser ligada somente quando o sensor está desativado e deve ser desligada apenas quando o sensor está ativado. Fig. 6. Autômato para a mesa giratória O comportamento do robô 1 é modelado pelo autômato G2 da Figura 7 onde o evento T_M é controlável. Fig. 10. Autômato para a Especificação 1. Fig. 7. Autômato para o Robô 1. A Figura 8 ilustra o autômato G3 que modela o comportamento do robô 2. Nota-se que os eventos T_R e T_S são eventos controláveis. A especificação da Figura 11 indica que o robô 2 executa o transporte da peça para o rejeito ou para a saída em função do resultado da estação de teste. Fig. 8. Autômato para o Robô 2. O funcionamento da estação de teste pode ser modelado pelo autômato G4 da Figura 9. O evento I_teste é controlável. Fig. 11. Autômato para a Especificação 2. A especificação da Figura 12 impõe que a mesa giratória inicie seu giro somente após o fim de operação do robô 1. Fig. 12. Autômato para a Especificação 3 Fig. 9. Autômato para a estação de teste. A especificação da Figura 13 indica que o robô 2 deve iniciar sua operação somente após o fim de giro da mesa. Além disso a mesa só pode girar novamente após o fim de operação do robô 2. IV. PROJETO DOS SUPERVISORES A Teoria proposta por [1] prevê que a partir de uma especificação que traduza a condição desejada para a operação do sistema possamos chegar ao supervisor para controlar o seu funcionamento de acordo com a seqüência de eventos desejada. Nesta abordagem conhecida como clássica ou monolítica o sistema é analisado como um todo e procura-se um autômato que represente todas as possíveis seqüências de eventos que ele pode gerar e tarefas que pode completar. Qualquer alteração/inclusão de dispositivos ou especificação de controle requer que o supervisor monolítico seja gerado novamente e isso implica em refazer todo o projeto. Uma extensão à teoria clássica proposta por [2] aborda o problema de modelagem e controle de forma modular. Esta Fig. 13. Autômato para a Especificação 4. A especificação da Figura 14 indica o robô 1 só pode finalizar sua operação com a mesa em repouso. Fig. 14. Autômato para a Especificação 5. A especificação da Figura 15 indica que a estação de teste deve iniciar sua operação somente após o fim de giro da mesa. Além disso um novo giro na mesa não deve ser iniciado enquanto o teste não for finalizado.

4 Fig. 15. Autômato para a Especificação 6. A especificação da Figura 16 indica que a operação do robô 1 deve ser iniciada somente se houver peça ativando o sensor. Fig. 16. Autômato para a Especificação 7. A especificação da Figura 17 indica que o robô 1 só deve iniciar sua operação se a esteira estiver desligada. Fig. 17. Autômato para a Especificação 8. A especificação da Figura 18 prioriza o início de teste em detrimento ao início de transporte do robô 1. Fig. 18. Autômato para a Especificação 9. B. Síntese dos supervisores Concluídos os modelos dos dispositivos que compõe a planta e as especificações de funcionamento é preciso fazer a composição síncrona de todos estes modelos [3]. Para isso foi utilizado o software Grail [4]. Primeiramente a composição síncrona foi feita entre os autômatos dos dispositivos de forma a se obter as plantas locais da seguinte forma: G L 1 = G0 G01.. G L 2 = G3 G4 G L 35 = G1 G2.. G L 4 = G1 G3.. G L 6 = G1 G4 G L 78 = G0 G01 G2 e G L 9 = G1 G2 G4. Na seqüência foi feita a composição síncrona das plantas locais com as especificações da planta que continham eventos comuns gerando as especificações locais da seguinte forma: EL 1 = GL1 E1 EL 2 = GL2 E2 EL 35 = GL35 E35 EL 4 = GL4 E4 EL 6 = GL6 E6 EL 78 = GL78 E78 e EL 9 = GL9 E9. Por fim calculou-se a máxima linguagem controlável denotada SupC(G Li E Li ) obtendo-se os supervisores que serão implementados no CLP. Os números indicados entre parêntesis são respectivamente o número de estados e o número de transições de cada supervisor: S L1 (46) S L2 (812) S L35 (44) S L4 (45) S L6 (45) S L78 (821) e S L9 (1232). Porém é necessário assegurar a modularidade local do conjunto de supervisores locais garantindo que a ação conjunta de todos os supervisores é não bloqueante conforme demonstrado em [2]. A verificação da modularidade local consiste em realizar a composição síncrona de todos os supervisores locais. Caso o autômato resultante dessa composição não tenha estados bloqueantes pode-se afirmar que supervisores locais são modulares entre si. Assim após a realização do teste da modularidade observou-se que não haviam estados bloqueantes ou seja a modularidade foi satisfeita. V. PROGRAMAÇÃO DO CLP O CLP utilizado para a programação foi o Siemens da família Step7_300 e a CPU 312IFM. Esta CPU possui 10 entradas e 06 saídas digitais as quais são interligadas à planta para a monitoração dos estados dos sensores e acionamento dos dispositivos. A linguagem utilizada na programação do CLP foi a Diagrama de Contatos (LADDER) por ser mais conhecida no meio industrial e de fácil edição e entendimento. A metodologia aqui utilizada é proposta no trabalho de [2] onde é utilizada a implementação modular local havendo a desabilitação de eventos controláveis pelo supervisor. Para a implementação foram criados blocos de programa de forma a facilitar a organização: bloco de gerenciamento blocos dos supervisores locais blocos dos subsistemas físicos bloco das desabilitações A. Programação do bloco OB1 O bloco OB1 é responsável pelo gerenciamento do ciclo do programa. Desta forma em sua rotina de programação são definidos quais blocos de função (FCs) serão executados (chamados). A ordem de execução destes blocos não afeta a coordenação do sistema devido ao ciclo de varredura do CLP atualizar o estado das saídas somente após ter processados todos os blocos de programa. Conforme visto na Figura 19 observa-se na Network 1 um comando chamado FIRST CHECK cuja função é inicializar todos os supervisores e também os subsistemas no estado inicial garantido assim a sincronização dos supervisores locais ou seja todos os supervisores e subsistemas iniciam no estado 0 (estado inicial). Por uma questão de organização do programa são executados primeiramente os blocos dos supervisores modulares locais (Network 2 a Network 8) na seqüência são executadas as rotinas de programação dos subsistemas (Network 9 a Network 14) e por último (Network 15) é executado o bloco das desabilitações. Esta estrutura de programa permite que caso ocorra uma falha no sistema ou a parada de algum dispositivo seja possível localizar rapidamente sua causa através da monitoração do bloco OB1 onde será possível verificar em que bloco de programa ocorreu o problema.

5 B. Programação dos blocos FCs - Supervisores locais Na programação dos blocos dos supervisores modulares locais cada estado do supervisor corresponde a uma memória interna do CLP que é ativada ou desativada de acordo com a seqüência de eventos. O supervisor local 1 S L1 é mostrado na Figura 20 onde cada estado foi nomeado no bloco de programação com o sufixo S1 seguido do estado assim o estado 0 do supervisor passou a ser simbolizado por S10 na programação do CLP (Figura 21). Fig. 20. Supervisor local 1 SL1. Conforme ilustrado na Figura 21 a partir do comando FIRST CHECK o supervisor ativa o estado S10 (Network 1). Neste estado o supervisor fica aguardando a ocorrência do evento E_liga (Network 2) que será ativado no subsistema correspondente. O evento E_liga é controlável ou seja uma ação de controle (desabilitação) é associada a este evento. No bloco FC7 é gerada a ação de controle para acionar a saída que liga o motor da esteira. Quando essa saída é acionada ela ativa o evento E_liga conforme visto na Figura 22 o que permite que o supervisor 1 transite do estado S10 para o S11. Fig. 19. Programação do bloco OB1 em LADDER. Fig. 21. Programação do SL1 em LADDER.

6 C. Programação do blocos FCs - Subsistemas Neste bloco são definidas as ações dos subsistemas. Assim cada supervisor desabilita o evento correspondente à sua ação de controle o que é processado no bloco das desabilitações (FC20). Por exemplo quando o supervisor local 1 estiver no estado S10 a desabilitação correspondente é o evento d_e_desl conforme a Figura 23 (Network 1). Ainda na mesma figura na Network 2 observa-se que se o evento d_e_liga não é desabilitado permite-se que o subsistema G01 (Figura 22) evolua de estado e execute a seqüência operacional para ligar a esteira. CLP mostrou-se bastante prática. A organização do programa em blocos de funções permite que o programa seja melhor visualizado tornando mais simples a tarefa de reprogramação e inclusão de novos dispositivos na célula bem como a solução de problemas durante o funcionamento da célula uma vez que é possível identificar em que bloco ocorreu o problema e solucioná-lo sem a necessidade de percorrer todo o programa do CLP. Quando comparada com a implementação do supervisor monolítico a implementação modular local economizou em torno de 10% da capacidade de memória do CLP o que é significativo para sistemas de grande porte. Fig. 23. Programação do bloco FC20 em LADDER. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fig. 22. Programação do bloco FC7 em LADDER. D. Programação do bloco de Desabilitações Neste bloco são desabilitados os eventos controláveis de acordo com o estado dos supervisores locais. Desta forma a desabilitação do evento E_desl será ativada nos estados dos supervisores S L1 E S L78 conforme a Figura 23. VI. CONCLUSÕES O emprego da Teoria de Controle Supervisório Modular Local para a célula flexível de manufatura didática modelada a partir de autômatos e sua implementação em linguagem de [1] P. J. Ramadge and W. M. Wonham The Control of Discrete Event Systems Proceedings of IEEE Vol. 77 n. 1 pp [2] M. H. Queiroz E.A.P. Santos e J.E.R. Cury Síntese modular do controle supervisório em diagrama escada para uma célula de manufatura Anais do V Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente Vol. 5 p [3] J. E. R. Cury Teria de Controle Supervisório de Sistemas a Eventos Discretos V Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (Minicurso) [4] D. Raymond and W. Derick Grail: A C++ library for automata and expressions in Journal of Symbolic Computation 11 pp BIOGRAFIAS Jeferson L. Curzel possui mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade do Estado de Santa Catarina e é professor no CEFET-SC. André B. Leal é membro permanente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UDESC líder do Grupo de Pesquisa em Automação de Sistemas e Robótica GASR e tutor do Grupo PET Engenharia Elétrica.