Representação e Implementação da Tarefa de Controlede Células de Manufatura: Uma Abordagem

Distribuída.Luís Fernando Friedrich, Dr.

Departamento de Informática e EstatísticaUniversidad e Federal de Santa Catarina - UFSCCaixa Postal 476 , ggO I0-970 Florian ópolis , SC

Iff@inLufsc.br

Abstract : Most of dificulries in dcvcloping software for control systerns are due to the lack of a modelwhich is proper to deal with this kind of systcm. For instancc , models which are being used to develop thatsystems are based on hierarquical approachcs which are sequential and centralized. This work presents aparallel/distributed model to control software development. We define the control model, therepresentation forrn used for components anel show an implementation environment to support the controlsoftware parallel model.

Resumo: Grande parte dos problemas encontrados no desenvolvimento de software para sistemas decontrole decorrem da falta de um modelo adequado. Por exemplo, alguns modelos utilizados são baseadosem abordagens hierárquicas, seqüenciais e centralizadas. Neste traba lho apresenta-se uma abordagemparalela/distribuída para o desenvolvimento do software de controle, define-se o modelo de controleusado, a forma de representação dos componentes e um ambiente de suporte para a implementação dosoftware de controle.

IntroduçãoUm dos principais componentes das Células Flexíveisde Manufatura (Flexible Manufacturing Cell ) é ocontrolador, ou sistema de controle da cé lula (SCC) .Considerando que o objetivo das células demanufatura é a possibilidade de r ápida adaptaçãomudanças de mercado, o software de controle ( que éo que realmente controla a célula) eleve estarhabilitado a receber as modificações necessárias paraatender as constantes mud anças de requisitos.

o desenvolvimento de sistemas de controle de chão -de-fábrica representa hoje um dos maiores problemasna criação de indústrias de manufatura flexívelautomatizadas. Uma boa parcela desta dificuldadepode ser atribuída aos altos custos envolvidos nodesenvolvimento e manutenção do software decontrole [SMI92]. Grande parte dos problemasencontrados no desenvolvimento de software parasistemas de controle apontam para Ü falta de um

modelo (arquitetura) adequado para tratar as necessidadesenvolvidas na geração de software de controle genéricopara sistemas de chão-de-fábrica. Os modelos adotadosincluem uma abordagem hierárquica seqüencial ecentralizada para o processo de desenvolvimento dosistema [DUA93]. Mesmo que esta abordagem forneçauma ferramenta de representação útil para muitos sistemas,ela apresenta alguns problemas no tratamento dascaracterísticas dinâmicas de um sistema. Primeiro, omodelo centralizado é inadequado para representaratividades paralelas e simultâneas dos sistemas de chão-de-fábrica devido às restrições que o modelo impõe no que dizrespeito à autonomia das entidades controladas. Segundo,visto que a centralização do controle exige a participaçãoda entidade controladora em cada decisão, o sistema setorna menos flexível. Terceiro, a centralização do controlefaz com que o sistema de controle seja mais dependente deaplicação e ajustado para configurações específicas do

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sistema, não fornecendo meios para uma rápidareconfiguração do sistema.

A adoção de uma esu uturu distribuída para sistemasde controle de chã o-de -fábrica permite a descriçãodas atividades de controle de uma forma genérica , aabstração necessária para os diferentes nívei s e apossibilidade de reconfiguração necessária pararepresentar as rnodi ficações no sistema. Por outrolado, mesmo com a utili zação de um model odistribuído na especi Iicação do sistema, aimplementação do software assume uma formadiferente daquela do model o desenvolvido. Isto éfreqüentemente atribuído à utilização de ambientesque não sup ortam a implementação de softwaredistribuído e paralel o.

Nas seções seguintes é apresentada uma abordagempara o desenvolvimento de sistemas de controle dechão-de-fábrica cujo obje tivo é permitir odesenvolvimento do so ftware de controle, genéric o,flexível e autônomo, de forma que a incorp oração demudanças sej am facilmente gerenciadas . Os principaisaspectos da abordagem di zem respeito ao modelo decontrole adotado e a estrutura utili zada para odesenvolvimento do software de controle.

A Arquitetura de ControleA arquitetura de contro le adotada neste trabalho levaem considera ção a necessidade de informação globalao mesmo tempo que tenta manter a independência dedesenvolvimento das entidades. A arquitetura decontrole de chão-de-fábrica adotada prevê 2 níveis(Figura I) : equipamento e centros de trabalho.

O nível de equipamento tem como característicaprincipal a representaçã o lógica de uma máquinaf ísica, ou seja, uma entidade deste nível é compostapelo contro lador do equipamento, o controlador damáquina, e a máquina prop riamente dita. Ocontrol ador de equipamento está divid ido em duaspartes : I) a parte genérica que funciona comointerface entre a máquina que e le representa e orestante do chão-de-fábrica, e 2) a parte específ ica,que é responsável pelo controle da máquina real ,atr avés do controlador da máquina. O nível deequipamento pode ser definido como o conjunto deequipamentos E = { CI , CZ, ... , CIl } , onde para cadaCj E E. ej =< CCj, M, > onde: CCj é um contro ladorde equipamento e Mj é uma máquina (dispositivo)física e seu contro lado r. O conjunto pode ser

particionado em { EPM, EMM, ETM, EAM }onde:EPM = {Cj IM, é um equipamento de processamento de

material },EMM ={Cj IM, é um equipamento de movimentação de

material },ETM = { Cj I M, é um equipamento de transporte de

material }, eEAM ={Cj IM, é uma equipamento de armazenamento de

material }.

O nível de centro de trabalho é composto por um ou maisequipamentos sob o controle do controlador de centro detrabalho . Neste nível , a ênfase é na sincronização doscontrolad ores de equipamento. Usualmente, os centros detrabalho são definidos a partir do layout físico dosequipamentos.

Formalmente , CT ={CtJ, Ct z, ..., Ctn} é um conjunto decentros de trabalho onde para cada Ctj E CT, Ct, = <Cct. , Ei, PC/Si> onde:

Cct, é o controlador do centro de trabalho,E, = EPM j U EMMi U ETMi U EAMi ,PC/Si é um pont o de entrada/saída de material.

A arquitetura prevê a ligação entre entidades do mesmonível , por exemplo entre centros de trabalho e entreequipamentos de um centro de trabalho, promovendo assimUlll modelo distribuído de controle. Vantagens destaestrutura incluem: a definição dos componentes de formaindependente da estrutura global do sistema, possibilidadede descrição das atividades paralelas e simultâneas ecapacidade de reconfiguração a partir da definição dasinterações entre os componentes .

Centro deTrabalho

Controlador

l14

•Equipamento 1

Controlador Controlador

I Máquina IFigura i . Níve is de Controle

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Estrutura do ControladorO cont rolador, independe nteme nte do nível decontrol e (equipamento, cent ro), tem habili dade parareceber informações, tomar decisões e trocarinformações com os outros co ntro lado res ICHOlJ3] . Afunção de tom ada de dec isões co rrcspondc as funçõesde planejamento e escalonamento, enquanto que orec ebimento e geração de informações corrcs po ndc Üfunção de execuç ão. As saídas do planejamentoservem como en trada do escalonamento, as saídas doescalonamento servem como entrada para a execução,e as saída s da execução gerenciam os equipament osfísicos do chão -de- fábri ca. A Figura 2 mostra aestrutura de um controlador.

Canais de/ comunicaç ão

,e . _ ,

.' Planejamento :. .. . . .. .. ... . . . . .

. . . T ,Ar: Esc alonamcn to :

Figura 2. Estrutura de um Controlador

A função de execução é desenvo lvida com base nosis tema físic o ou no se u modelo. As funções deplanejamento e escalonamen to não dependem apenasda função de execução mas também dos requis itos deprodução. Desta forma, as necessidades doplanejamento e do escalonamento mud am conformeos requisitos de produção. No caso da função deexecução, as mudança s só acontecem quando damodificação da configuração da célul a ou do centrode trabalho . A função de execução do contro lador decentro de trabalho rec ebe as me nsagens de controle,necess árias para processar as peças e gerenciar osrecursos, e envia detalhadas para a funçãode execução dos contro ladores de equipamento ond e,para cada mensagem recebida, é especi ficada umasequência de ações a se rem tomadas . A função deexecução dos controladores (centro de trabalho eequipamento), comunica-se com outros controladorese também com as funções de escalonamento eplanejamento . A funç ão de execução pode serdetalhada em três sub-funções : I) mon itoração demensagens de entrada, 2) execução de ações , e 3)geração de men sagens de saída. A sub-função de

monitora ção recebe mensagens dos outros controladores eas identi fica para posteri or execução de ações. Porexemplo , uma ação para um controlador de máquina podese r a ca rga/des ca rga de peças, processamento, etc. A sub-função de geraç ão de mensagen s de saída envia mensagens(co ntro le e informação) resultantes da execução de açõespara os outros controladores. Desta forma, o contro lador éum dispositiv o rea tivo que responde a mensagens recebidasde controladores externos, a partir da interpretação dasinformações e da tomada das ações determ inadas.

Representação dos componentesA representação dos componentes do si stema leva emco nside ração a estrutura e o comportamento din âm ico dos 'mesmos. A es trutura é " caracterizada pelos atributos(está ticos e din âmicos) e pelas operações individuais. Ocomportamento define como cada subsistema executa suasoperações.

O mode lo funcional (estrutura) descreve os componentesindivi dualmente, através da especificação dos seusatributos, ope raçõe s e relacionamentos. Um componente édefinido por : .C = {CI, At, Op, Re } , onde :

• Cl é a classe do componente,

• At = Ate U At, é O conjunto d e atributos docompo nente , onde :Ate é O co nju nto de atributos estáticos, caracter ísticasque não mudam se us valores durante a operação, eAtd é o conj unto de atr ibutos dinâmicos que mudamseus valores durante a operação (estado docompo nente).

• Op = Op, U Op., U Op, é o conj unt o de operações docomponente, onde :Op, é o co nj unto de operações que tratam eventos deentrada que recebem comandos ou requisições deoutros componentes,Op, é o conjunto de operações de processamento queexecutam tarefas de controle, eOp, é o co nj unto de operações que tratam eventos desaída atr avés da comunicação com outroscompo nentes .

• Re é o co nj unto de outro s componentes (recursos) queinteragem com o componente sendo descrito.

O comportamento dos co mponentes é rep resentado com ouso da s redes de comportamento [FRI96]. A rede decomportamento de um componente é formada por um

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conjunto de estados e um conjunto de atividades.Cada estado representa uma condição particular docomponente, e cada atividade representa a realizaçãode alguma operação no ciclo de vida do componente.A idéia principal das redes de comportamento éinspirada nas redes de Petri [PEH I ][DES94] .

Cada componente é representado por uma redeautônoma que troca mensagens com os outroscomponentes do sistema através dos canais deEntrada/Saída. Um canal de entrada recebeinformações de fora do componente, enquanto que umcanal de saída envia informações para fora docomponente. O conjunto de canais de EIS docomponente define a sua interface. A comunicaçãoentre componentes é estabelecida pela ligação docanal de saída do enviante ao canal de entrada doreceptor.

Uma rede de comportamento é um grafodirigido Rc = ( E, C, A ), onde :

• E é um conjunto finito de condi ções (lugaresinternos).

• C é um conjunto de canais externos, C = C, u C.onde

C, é o conjunto de canais de entrada, eC. é o conjunto de canais de saída

• A é o conjunto de atividades.

A cada atividade em A corresponde um par (Ee, Es),onde Ee é o conjunto de estados de entrada e Es é umconjunto de estados de saída da atividade. O conjuntoEe é um subconjunto não vazio de C, u E, com nomáximo um elemento de Cc. Se Ee n C, 7= 0 aatividade é dita global ou externa, caso contrário échamada local ou interna. O conjunto Es é umsubconjunto de C. u E . Para cada ativid ade em Aestá associada uma seqüência de ações . A seqüênciade ações determina como são afetados os estados desaída correspondentes à atividade. Figura 3 mostraa representação de um componente da classeMáquina_CN. Neste caso o componente pertence aclasse Máquina_CN, possui os atributos maq_status,que representa o estado da máquina (atributodinâmico) , e maq_id, que representa o identificadorda máquina (atributo estático). Entre as operações docomponente estão as operações de carga de peças(maq_carga) e descarga de peças (maq_descarga). Ocomponente desc rito tem como um de seus

relacionados o componente Controlador_centro eom o qualrelaciona-se através da troca de mensagens. Em seguida éapresentado a Rc do componente, ou seja, qual ocomportamento que o componente executa. A Interface deentrada é composta por todas .operações do componenteque são consideradas de entrada, ou seja, requisições deoutros componentes. A interação com outros componentesé representada na interface de saída.

CI : Máquina_CNAt :maq_statusmaq_id

Op :maq_cargamaq_descarga

Re :Controlador Centro

Rc\---"----.- - - - - - -"

\\IIIIIICanaljde

IS'I/

."

Interface deSaída

Figura 3. Representação de um componente

o Ambiente de ImplementaçãoA partir da definição do modelo de controle adotadoe da representação dos componentes do sistema, é propostoum ambiente de implementação destes modelos. Esteambiente tem como base o trabalho apresentado em[COR93] [MON95] (CAM95]. O ambiente deimplementação proposto provê o suporte necessário para aconstrução e execução dos modelos com base naabordagem .distribuída. A construção diz respeito àconversão das especificações em uma representação internacom base em estruturas predefinidas. A execução significaa realização, passo a passo, das interações entre

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Figura 4 . Ambiente de Impl ementação

serv idor de dispositivo (NSD) que comunica-se com ocontrolador de dispositivos (CD) . O CD pode controla rmais de um dispositi vo físico. A Figur a 4 mostra oscomponentes do ambiente de impl ement açã o prop osto.

( serviços

kernel

tijJ--_<, \I II JI JI J\ '" /

NT

NT

NSE

NSD

NCC

WorkStation

C

B

ross

ar

ConclusãoA abordagem proposta nesta pesquisa fornece umaes trutura para o desen volvimento do so ftwa re de controlepara sistemas de manufatur a celul ar. A abordagem util izaum modelo distribu ído onde os compo nentes de co ntro lesão es pec ificados de forma individua l e depois ligadosatravés de canais de comunicação para formar o sistema decontro le. A separação das funções básica s de contro lepermite um desen volvimento independ ente de forma quediferent es estratégias de planejamento e esc alonamentopodem se r usadas com a mesma função execução. Até omomento foram desenvolvidas as funçõ es execução decompo nentes de manu fatura dos dois níveis de controle

controladores e contro lados (clientes e servidores). Osuporte de implementação envol ve um conj unto defunções que implementam as caracter ísticas básicasdo mod elo. Por exemplo, para os co ntro ladoresrealizarem as suas funções básicas (plane jamento,escalonamento e execução) , necessitam de um suport ede impl ementação que é responsáve l por lun çõcscomo comunicação e ace sso a dad os. As funçõesbásicas dos comp onentes de controle do chão-de-fábrica (controladores) são representadas porprocessos, os quais reali zam intera ções do tipocliente/servidor. A comunicação entre os processos sedá a partir da troca de mensagens através de ca nais decomunicação pré definid os,

A classe de processos executor , realizam a função deexecução dos contro lado res , tem como estruturasbásicas um conjunto de canais de comunicação apartir dos quais o processo se comunica c umaestrutura que descreve o comportamento (oufuncionalidade) a ser executado. Os canais decomunicaç ão estabe lecem as ligações que o proce sso(compo nente ) realiza com o objet ivo de troca rmen sagen s. A est rutura de compo rtamento descre ve aRc do compo nente que o processo irá executar, ousej a, as atividades que o componente real iza emfunção do estado interno e das mensagens recebidas.As ações, esp ecificad as pe las ati vidades que umcomponent e realiza, podem necessitar dos se rviços dosuporte de implementa ção. A funcionalidade dosprocessos da classe executor inclui as tarefas deconstruç ão do comportament o e de execução docompo rtame nto dos componentes represen tados.

O ambiente de implementação é compos to por umconjunto de processad ores que se comunicam entresi através de um meio de interc onexão. Cad aproc ess ador ou nó de trabalho (NT) contém: ocomponente (compo rtamento) que está sendoexecutado, um conjunto de serviços locai s e umnúcleo que implementa serviços b ásic os parasuportar'o modelo distribuído. Dois processadore stêm fun ções específi cas: o gere nte de comun icaçãoou nó co ntro lador de conexões (NCC ) é responsáve lpela ge rê ncia dos n ós e estabelecimento dasconexões entre os mesmos; e o n ó ser vidor extern o

permite a comunicação com a es tação detrabalho que fornece serv iços do sistema de arquivospara os proc essos . Neste caso, a estação de trabalhofunciona como interface entre o usuário e o sistemade arquivos. Com o propósito de permitir a interaçãoentre os componentes de software e um equipamentofísico o - ambiente de imp lementação fornece o nó

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propostos (eq uipamento e centro de trabalho). Afunção execução de cada componente estabelece ocomportamento do mesmo e um processo é criado,para cada componente espec ificado , para executares te comportamento. As próximas etapas do trabalho

Referências Bibliográficas

[CAM95 ]Campos, Rodri go A., Um SistemaOperaci onal Fundamentado no Modelo Cliente-Servidor e um Simulador Multiprogramado dcMulticornputador . Dissertação de Mestrado,CPGCC-UFSC, Maio , 1995 .

[CH093]Cho, Hyuenbo, An Intell igent ControllerforComputer Integrated Manufacturing, P.H.D.Thesis, Te xas A&M University, December1993.

[COR93]Corso, Th adcu B. Ambiente paraPro grama ção Paralela em. Multicomputador.Relatóri o Técnico , UFSC-CTC-INE,F lor ianópo lis, Novembro, 1993.

[DES94] Desrochers, A.A. and Al- Jaar, R.Y. ,Applications of Petri nets in automatedmanufacturing systems: mode ling, control, andperformance analysi s. Piscataway, Nl . IEEEPress, 1994 .

incluem : a incorporação das funções de planejamento eescalonamento, permitindo que cada componente possa termais intelig ência , e o desenvolvimento de uma interface deusuário para a configuração do sistema de controle.

[DUA93]Duan, Niu, ·Extended Moore Machin e NetworkMode l for Discrete Event Control of FlexibleManufacturing Systems . P.H.D. Thesis, ThePenn sylvania State University, December 1993.

[FRI 96] Fried rich, Luis F. Uma Abordagem Distribuída noDesenvolvimento e Implementação do Software deControle de Chão-de-Fábrica em Sistemas deManufatura Celular. Tese de Doutorado.Universidade Federal de Santa Catarina. Fevereiro,1996 .

[MON95]Montez , Carlos B ., Um Sistema Operacionalcom Micron úcleo Distribuído e um SimuladorMul tiprogramado de Multicomputador. Dissertaçãode Mestrado, CPGCC-UFSC, Maio , 1995 .

[PET81] Peterson, l .L. , Petri net; theory and modellingof systems. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1981".287p.

[SMI92] Smith, l effrey S., A Formal Design andDevelopment Methodology for.Shop fioor Control inContputer lntegrated Manufacturing , PhD Thesis,The Penn sylvan ia St ate Uni versity , December 1992.

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