METODOLOGIA PFS/MFG PARA A AUTOMAÇÃO BALANCEADA DE SISTEMAS DE PRODUÇÃO ENXUTA

4o.SBAI- Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1999 METODOLOGIA PFS/MFG PARA A AUTOMAÇÃO BALANCEADA DE SISTEMAS DE PRODUÇÃO ENXUTA Paulo Eigi Miyagi, Myrna Yoshíe Kagohara, Fabrício Junqueira, Luis Alberto l\1. Riascos Depto de Engenharia Mecânica - Escola Politécnica da USP Av. Prof. Mello Moraes, 2231 CEP 05508-900 - São Paulo - SP 1 Introdução Baseada na atual realidade sócio-econômica e tecnológica mundial e a crescente tendência de globalização de mercados, as para sobreviverem, procuraram: (a) empregar tecnologias modernas e eficientes na sua atividade produtiva e que requerem maior capacitação dos operadores para operação de equipamentos automatizados, (b) atender às exigências internacionais de qualidade e ambientais e (c) melhora do bem estar dos ' empregados. A própria avaliação de desempenho. assume um caráter dinâmico e globalizado com o advento do conceito de MANUFATURA DECLASSE MUNDIAL (SEQUEIRA, 1990), que consiste na utilização de índices de desempenho, calculados de forma padronizada para que se possa estabelecer critérios de comparação consistentes entre as diversas instalações em todo o mundo, sofrendo, estes: constante evolução devido aos programas de melhorias contínuas ("kaizen"). Ambientes de trabalho em que o empregado não é mais um mero recurso de produção, mas sim o elemento principal do sistema produtivo (abordagem antropocêntrica, descrita por KOVACS; MONIZ (1995», vêm sendo implantados com sucesso (ROBOTICS TOWARDS 2000, 1996). Como resultado, tem o conceito de Automação Balanceada onde as empresas têm obtido maior produtividade e, os empregados, maior satisfação com o trabalho devido ao balanceamento. adequado da tecnologia das máquinas e o potencial dos operadores. Por outro lado, os sistemas produtivos concebidos, construídos e operados por homens e de acordo com regras também estabelecidas pelo homem têm sido abordados formalmente sob a ótica dos sistemas dinâmicos a eventos discretos conforme relatado em HO (1992) e rro et. ai. (1996). E, contexto, uma das propostas que têm comprovado sua como ferramenta de modelagem e análise de sistemas é a teoria de Redes de Petri, descrita em MURATA (1989) e REISIG (1992). Aplicações específicas para sistemas de manufatura são descritas por exemplo em SANTOS p!l (1993), ARATA (1994), PELLICER; CARELLI (1997) e RIASCOS et. ai. (1998). Esta teoria foi desenvolvida de forma genérica e em.aplicações específicas considera-se diferentes interpretações. No caso de sistemas de manufatura, a metodologia PFSIMFG, descrita em MIYAGI (1996), tem se destacado pela sua aplicabilidade a plantas de diversos portes, àquelas de pequeno e médio porte. Esta metodologia de modelagem para fins de planejamento e controle de sistemas de produção apresenta as características de flexibilidade e integração exigidas pelos sistemas de -produção enxuta e podem representar uma solução para as empresas que almejam ser competitivas. Nesse sentido, este trabalho estuda a aplicação da metodologia PFSIMFG para a implementação do sistema de automação balanceada, de acordo com o conceito de produção enxuta. 2 Conceitos Fundamentais 2.1 SISTEMAS DE PRODUÇÃO ENXUTA. (LEAN MANUFACTURING SYSTEMS) Em sistemas de produção enxuta, as tarefas de fabricação são realizadas por equipes de trabalho multifuncionais e a tecnologia empregada na planta, visa fundamentalmente o aproveitamento da autonomia operacional dos empregados responsáveis pelas atividades que efetivamente agregam valor ao produto (BARFIELD et. ai. 1986). Dadas suas características, as plantas de sistemas de produção enxuta está diretamente associada com a abordagem de automação balanceada. A operação de um sistema de produção enxuta busca constantemente a eliminação do "supérfluo", ou seja, de tudo aquilo. que aumenta os custos indiretos de produção. Genencamente, o "supérfluo" de um sistema produtivo pode ser classificado em (1) atividades gerais que não agregam valor ao produto, (2) excesso de estoques e (3), tempos-mortos de produção. Porém isso só é possível quando os empregados têm plena consciência de seu trabalho. Através da manutenção somente daquilo que está diretamente relacionado à atividade produtiva em si, os sistemas de produção enxuta buscam a "perfeição" do processo e do produto. Além de terem instalações produtivas com resposta rápida às solicitações de mercado, as indústrias mais competitivas também se destacam por terem ciclos de desenvolvimento de produtos cada vez mais curtos e eficientes. O projeto de novos produtos é realizado por equipes de desenvolvimento multidisciplinares, em um ambiente de engenharia simultânea, para que nenhum dos aspectos envolvidos na colocação do produto no mercado seja perdido de vista durante todo o desenvolvimento. Para a implantação de tamanhas inovações 553

40. SBAI - Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1999 nas filosofias de projeto e de processo, é necessário que os setores administrativos da empresa operem com plena consciência dos objetivos "enxutos", tomando todas as medidas necessárias para que a fábrica possa vir a operar de modo eficiente no novo sistema (ROBOTICS TOWARDS 2000, 1996). 2.2 OPERADORES EM SISTEMAS DE PRODUÇÃO ENXUTA Uma fábrica enxuta tem como elemento básico a equipe de trabalho multifuncional. As características básicas dessas equipes de trabalho são. 1. Multifuncionalidade: os empregados recebem qualificações em todos os serviços de sua equipe e também em operações simples de manutenção, sendo também responsáveis pela reposição dos materiais necessários para realizar o serviço e pelo controle de qualidade. 2. Autonomia: empregados treinados de forma a despertar sua criatividade e iniciativa, possibilitando a delegação do máximo de autonomia aos niveis mais baixos da hierarquia da fábrica, liberando os níveis superiores da hierarquia de grande parte das tarefas de controle operacional para se dedicarem ao máximo ao trabalho criativo e à supervisão operacional. Algumas das pesquisas sobre sistemas antropocêntricos de produção têm sido orientadas às instalações produtivas de empresas de pequeno e médio porte que, na verdade, sustentam as economias nacionais. Nesse sentido, destacam-se as investigações relacionadas ao desenvolvimento eàaplicação de metodologias de projeto de sistemas de automação balanceada para este porte de indústria. Uma dessas metodologias, que tem se destacado, é o PFSIMFG (production Flow Schema/Mark Flow Graph), (MIYAGI 1996). 2.3 AUTOMAÇÃO EM SISTEMAS DE PRODUÇAO ENXUTA A automação de tarefas apresenta uma série de vantagens, dentre elas a repetibilidade, a precisão e a rapidez. Entretanto em sistemas de produção, a automação s6 é eficiente quando aplicada em plantas que passaram por processos de racionalização, como é o caso da implantação do conceito de produção enxuta. A determinação do grau de automação a ser empregado na planta envolve, dentre ôutrõs fatores, a flexibilidade eaintegração,.:. Flexibilidade: É a facilidade de se trocar de mix de produtos bem como a facilidade de se adaptar às novas tendências do mercado..:. Integração: Em sistemas de produção enxuta, as informações sobre o estado atual do sistema produtivo devem representar fielmente a situação dos materiais dentro da fábrica e ser disponibilizada rapidamente para os envolvidosno controle do fluxo de materiais. A integração por computador permite a troca de dados eletrônicos entre os diversos setores da instalação de produção e entre estas e os setores administrativos e de projeto e desenvolvimento. Assim, a situação de todo o sistema de manufatura pode ser prontamente avaliada a qualquer momento e quaisquer intervenções podem ser realizadas rapidamente. 2.4 AUTOMAÇÃO BALANCEADA DE SISTEMAS DE PRODUÇÃO Em sistemas de produção, deve-se considerar, além das informações administrativas e das informações técnicas, o poder de decisão atribuído aos operários. BARFIELD el. alo (1986) realizaram estudos detalhados sobre a interação entre o homem e os sistemas computadorizados de controle de sistemas de manufatura, indicando que, para que este tipo de automação seja bem sucedida, é necessária a utilização de metodologias de projeto e técnicas de controle adequadas que assegurem a eficiente interação entre o homem e os demais elementos de um sistema automatizado de fabricação. Tais metodologias devem representar adequadamente as características de integração, envolvendo o fluxo de informações, o fluxo de materiais e os demais componentes de um sistema de manufatura e- também devem dar suporte adequado à flexibilidade do sistema de produção, essencial para os ambientes de produção enxuta: Segundo MIY AGI (1996), o processo de produção caracterizase pelo fluxo de são submetidos aos processos de fabricação. Sob este ponto de vista, o processo de produção pode ser decomposto em um conjunto de atividades e condições interrelacionadas. Estas inter-relações devem ser explicitamente representadas no modelo de controle. Neste contexto, uma atividade está relacionada a uma operação de produção e uma condição, a um estado no processo de produção. Assim, os sistemas de produção se caracterizam por elementos de natureza discreta, ou finita (atividades e condições), podendo ser estudados sob o enfoque de sistemas a eventos discretos, HO (1992) e rro et ai. (1989). As técnicas baseadas em Redes de Petri, descritas em MIYAGI (1996), MURATA (1989) e REISIG (1992), são também efetivas para a especificação do controle de sistemas. Em particular, destaca-se a técnica do PFSIMFG (Production Flow Schemal Mark Flow Graph), descrita por MIYAGI (1996) e SANTOS F' (1993), que é uma interpretação das Redes de Petri para a modelagem e controle de sistemas. 2.5 METODOLOGIA PFSIMFG Baseado nas características de controle de sistemas a eventos discretos e nas implicações sobre os requisitos para o modelo de. controle do sistema produtivo, foi desenvolvido o PFS (Production Flow Schema). Na metodologia PFS/MFG, a partir do modelo conceitual do sistema representado por um grafo PFS, realiza-se o detalhamento das atividades até o nivel de atividade desejado utilizando o MFG (Mark Flow Graph). 2.5.1 PFS - Production Flow Schema O PFS é uma interpretação da rede de Petri do tipo canalagência, segundo REISIG (1992), concebida com o objetivo de representar o fluxo de itens (materiais ou informações), dos tipos de atividades e suas inter-relações. Desta forma, um grafo PFS é uma representação conceitual de um sistema produtivo, baseado nos fluxos de materiais e informações. Os elementos do PFS são representados na Figura 1. Neste tipo de grafo, os elementos de atividade e os elementos de distribuição são conectados mutuamente através dos arcos orientados onde, elementos do mesmo tipo não podem ser conectados diretamente uns aos outros e cada um destes elementos recebe inscrições indicando sua interpretação específica para o modelo elaborado. 554

40. SBAI- Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP; OS-lOde Setembro de 1999 to Box TEMPORlZADO TRANSIÇÃO TEMPORIZADA Figura 3. Elementos de temporização 2.5.2 MFG - Mark Flow Graph O MFG é - uma ferramenta de modelagem do comportamento dinâmico do sistema, com capacidade para representar assincronismo, seqüencialização, paralelismo, concorrência e intertravamentos. Em MIYAGI (1996) encontra-se uma descrição completa do MFG. Os elementos do MFG estão representados na Figura 2. Sua temporização e modularização, nas figuras 3e 4. Para efetuar a modelagem utilizando o MFG, devem ser observadas os seguintes pontos: :. Os boxes e as transições são necessariamente conectados de forma intercalada através dos arcos orientados..:. Não existe limite para o número de arcos que entram ou saem dos boxes e das transições. Mas, em um par transição-box ou transição-origem da porta externa, pode existir apenas 1 arco...:. As portas e arcos de sinal de saída são formas de representação explícita das condições de controle..:. É definida uma regra de disparo das transições que tem como.conseqüência a evolução das marcas no grafo.. 3 Modelagem e Controle de um Sistema Produtivo De modo geral, a aplicação racional e sistemática do PFSIMFG para modelagem e controle de sistemas de fabricação consiste nas seguintes etapas (1) identificação das principais atividades de transformação de itens (materiais e/ou informações); (2) detalhamento dos fluxos de itens entre as atividades; (3) detalhamento das atividades, identificando as sub-atividades; (4) introdução dos elementos de controle de recursos e (5) detalhamento dos sinais trocados entre o sistema de controle e a planta. BOX CAPACIDADE CÉ.ULA AN1ERIOR (G') BOX AGRUPADOR CÉ.ULAAWAL(J: BOX DlSPERSOR Figura 4. Elementos de Modularização O sistema considerado para o estudo da seguinte proposta com utilização do PFS/MFG foi urna célula de fabricação em um sistema de produção enxuta e é representada na Figura 5, em que podem ser identificados o fluxo de materiais, que é transportado em recipientes padronizados (RPs) e o fluxo de requisições de componentes. A peça considerada é submetida a tomeamento, fresamento e posterior limpeza conforme seqüência descrita através do PFS da figura 6 onde ficam explícitas, as relações de concorrência pelo robô, na usinagem, e pelo operador, na limpeza. As operações envolvidas no processamento das peças são detalhadas na Figura 7, através do grafo MFG, em que as relações dinâmicas entre as atividades são apresentadas e que pode ser utilizado na análise da célula' verificando-se se o desempenho desta é satisfatório ou se são necessárias alterações no sistema. Para efetuar o controle de uma célula antropocêntrica de produção, o modelo de análise deve considerar e representar a interação entre os equipamentos da planta e a autonomia do operador, devendo-se observar os aspectos de qualificação e autonomia deste, controle das operações da planta e controle e monitoração.de atrasos e falhas operacionais. CÉ.lJI.A l'os11rior ro. ) RPV A'lJO <=m RpVAZlO Figura 5. Célula de fabricação a ser estudada DOX Figura 2. Elementos do MFG 555

40. SBAI-Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1999 "drivers" de comunicação, que são as interfaces entre o controlador e os equipamentos da célula 20 Figura 6. Atividades realizadas na célula C N 4 Controlador Baseado em PFS/MFG OS equipamentos da célula de fabricação estudada pertencem a duas classes genéricas, sob o ponto de vista de integração de sistemas de controle por computador (figura 8): equipamentos com controle integrado DIRETO (através do painel de controle DNC - DirectNumeric Control- da própria máquina) ou com controle integrado INDIRETO, com a necessidade de outros elementos para efetuar o controle das operações de fabricação através do.controle centralizado. Os equipamentos do primeiro tipo são os idealizados para utilização em um ambiente de Manufatura Integrada por Computador (CIM). Os do segundo, tipo, entretanto, são os mais freqüentes na prática e precisam ser adaptados para serem devidamente utilizados. No caso da célula do estudo de caso, que é considerada um sistema antropocêntrico de produção, o elemento humano tem um papel imprescindível na operação da planta, estando capacitado a efetuar com autonomia a integração entre a fabricação e o sistema integrado de informações. A figura 9 ilustra esta forma de integração. PRCKiRMIADE CONTROLEEM PI'SIMFG RrPRSA!DA VAl:O. Figura 7. Modelo funcional para análise da célula em MFG 4.1 PROJETO DO CONTROLADOR A figura 9 também ilustra a estrutura do controlador que apresenta três sub-módulos: O NÚCLEO DE CONTROLE, o GERENCIADOR DECOMUNICAÇÕES com a planta eainterface COM NÍVEIS SUPERIORES. 4.1.1 Núcleo de Controle O NÚCLEO DE CONTROLE baseia-se nas especificações dos procedimentos de controle em PFSIMFG e avalia, a cada instante, e de acordo com as regras de execução do grafo, as transições habilitadas e as dispara, definindo assim novas ações no sistema de manufatura. Com isso, os programas de controle da.célula, especificados através de grafos MFG, são executados, controlando o andamento das operações de fabricação através da sincronização de estados e atividades. 4.1.2 Comunicação Entre o Controlador e a Célula O GERENCIADOR DE COMUNICAÇÕES é a parte do controlador responsável pela comunicação entre o núcleo de controle e os CAso 1: CONIllOUl INlroRAOO DIRI<1O CASO 2: CONrRcJu; INlroRADO INIlIREIO Figura 8. Troca de sinais entre o programa de controle e os equipamentos da planta 4.1.3 Interface com NíveisSuperiores Neste trabalho, as interfaces com níveis superiores de controle são efetuadas apenas com relação ao sistema operacional: o supervisor do controlador inicializa o sistema de controle através de comandos e recebe mensagens durante a operação da célula, podendo: interromper o processo quando necessário, gerar relatórios simples e dados estatísticos dos "estados atingidos". 4.2 IMPLEMENTAÇÃO A célula considerada é composta por um tomo da MAZAK, frezadora da TRAUB e robô da ABB. A plataforma base do 556

40. SBAI - Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1999 controlador é uma estação RISC6000 da IBM com placa multiserial. I NTERFA CE COM NfvSIS SUPER IORES NÚCLEO DO CONTROLADOIt (DlNAwICA DE CONTR OLa) GBkENCIAMENTO DECONUNICAÇO ES r "NEL DE I _ CONTROLE M AQlIlNA Ap ONTAM ENTOS DE -.. PRODUCAo U DD C Or-'T ROLA DOR SornrAUDK COlfntou: 80FTWAJUt DE COMU1UCAÇÁO M ií.quina DNC (CA SO) IDI!AL) "r--y"" Pa C7:[E OORAMA. DE C!LULA Figura 9. Sistema de controle da Célula Integrada de Manufatura I C OLl:.""TOR DE D...DOS IMAQuIN. NAD DNC DACaULA M ÁQUI NA {CASO 2) 4.2.1 Características Gerais do Controlador O controlador consiste de vários processos sendo executados simultaneamente no computador dedicado ao controle da planta, a saber:.:. Núcleo de controle e gerenciador de comunicações.:. ''Driver'' de comunicação com equipamentos da célula: programa de troca de mensagens entre o controlador e o programa de comunicação serial com o equipamento; programa de transmissão e recepção dos dados de controle e monitoração do equipamento através da porta serial. 4.2.2 Execução do Controle A interface com os níveis superiores na hierarquia de controle é feita de modo simples, através de mensagens de supervisão do funcionamento (quando ocorrem alterações de estado na célula) e da geração do relat6rio ao final do processo de fabricação. Detalhes do controlador implementado e testes realizados estão em KOGOHARA (1998). 5 Conclusões A metodologia PFSfMFG é abrangente, sendo utilizada desde as etapas de concepção até - a análise e implementação do controle de sistemas de produção, e possibilita a consideração do grau de autonomia dos operadores. Com isso, todo o processo de desenvolvimento de uma automação balanceada. dentro de um ambiente de produção enxuta, foi realizada. O fato de se utilizar uma s6 ferramenta em todo o processo faz com que os resultados sejam atingidos de modo mais rápido e eficiente, sem perda nem redundância de informações (abordagem enxuta). Com a implementação do controlador baseado em PFSfMFG, foi obtido um sistema de controle no contexto de automação balanceada. Os testes realizados comprovam a possibilidade de execução do controle integrado diretamente a partir de um grafo MFG que leva em conta o paradigma de produção enxuta. Além disso, o sistema implementado dessa forma demonstra como pode ser realizado o aproveitamento de equipamentos obsoletos na migração de um sistema de produção convencional para um sistema de produção enxuta. As características do PFSIMFG como técnica de modelagem, por sua vez, contribuem para a elaboração de programas de controle facilmente adaptáveis a variações nos parâmetros de produção. Além disso, os recursos de troca de smais com elementos externos ao grafo MFG possibilitam a modelagem imediata da integração do sistema de produção, tanto com os níveis inferiores quanto com os níveis superiores na hierarquia de controle do CIM. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARATA, w. M. Análise Quantitativa de Sistemas de Manufatura: Abordagem baseada em redes GSPN ("Generalized Stochastic Petri Nets"). São Paulo, 1994. Dissertação (Mestrado)- Escola Politécnica da USP. BARFIELD, W.; HWANG, S. L.; CHANG, T. C. Humancomputer Supervisory Performance in lhe Operation and Control of Flexible Manufacturing Systerns. "Flexible Manufacturing Systems: Melhods.and Studies" - A. Kusiak, 1986, p. 377-408.. HO, Y.C. Discrete Event Dynarnic Systems: Analyzing Complexity and Performance in the Modem World. IEEE Press, 1992. rro, S.; NAKAYAMA, Y.; MIZUTANl, H. Model-Based Explanation of Specifications for Sequencial Control. 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