ESTRUTURAÇÃO DA MODELAGEM DE PROCESSOS EM SISTEMAS PRODUTIVOS

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  Resumo Os avanços recentes em recursos computacionais tem permitido o tratamento de problemas complexos no projeto de sistemas de controle de sistemas de produção. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta uma abordagem algoritmica para o
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  ESTRUTURAÇÃO DA MODELAGEM DE PROCESSOS EM SISTEMAS PRODUTIVOS D IOLINO J OSÉ DOS S ANTOS F ILHO *#, J OSÉ R EINALDO S ILVA *#,N EWTON M ARUYAMA *, P AULO E IGI M IYAGI ** Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas MecânicosEscola Politécnica da USPAv. Prof. Mello Moraes, 2231CEP05508-900 – São Paulo - SP # Centro de Pesquisa em Informática – UNIFIEORua Narciso Sturlini, 883CEP 06018-903 - Bela Vista - Osasco - SP  E-mails: diolinos@usp.br, reinaldo@usp.br, maruyama@usp.br, pemiyagi@usp.br   Resumo      Os avanços recentes em recursos computacionais tem permitido o tratamento de problemas complexos no projeto desistemas de controle de sistemas de produção. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta uma abordagem algoritmica para oprojeto de sistemas de controle. O conceito fundamental considerado é a estruturação do processo de modelagem. Uma analogiaaos conceitos clássicos de linguagens estruturadas definida, no sentido de estabelecer uma metodologia para o projetoestruturado de sistemas de controle de sistemas de produção que contempla o E-MFG (Enhanced Mark Flow Graph) e o PFS(Production Flow Schema). Neste sentido, o processo de sequenciamento é sintetizado através de uma estrutura hierárquica, oque facilita a interpretação e a manutenção do projeto além de permitir a sua reutilização.  Abstract   Recent improvements in computational resources have been used to address complexity in control system design of production systems. In this context, this work presents an algorithmic approach to handle control system design of these systems.The fundamental concept considered here is the structuring of modelling process. An analogy of the classical concepts of structured languages is defined in order to establish a methodology for a structured control system design of production systemswhich contemplates the E-MFG (Enhanced Mark Flow Graph) and the PFS (Production Flow Schema). In this way, the processsequencing is expressed through a hierarchical structure, which allows design interpretation and maintenance together withdesign reuse. Keywords: Petri Nets, Production systems, Structured Programming, Mark Flow Graph. 1 Introdução De uma forma genérica, pode-se dizer que o projetode um sistema de controle de um SP (sistema produtivo)inicia-se a partir da especificação inicial dafuncionalidade que se deseja associar ao sistema paraque seja possível realizar um determinado conjunto deprocessos. A partir desta abstração inicial correspondenteao modelo funcional de cada um dos processos, oobjetivo é obter uma descrição formal de um algoritmode controle para ser implementado em uma arquiteturade controladores programáveis capaz de atuarfisicamente sobre a planta que constitui o SPpropriamente dito.Há várias propostas no sentido de sistematizar oprocedimento de projeto do sistema de controle de umSP. Por exemplo, em Santos Filho (1998), a proposta desistematização baseia-se na metodologia Enhanced MarkFlow Graph/ Production Flow Schema and Resouces, ouainda, E-MFG/PFS-R (Santos Filho e Miyagi, 1995;Miyagi et alii , 1998).Ainda que os resultados obtidos tenham sidoefetivos, há um outro aspecto que deve ser observado eque não foi considerado em tais trabalhos. Trata-se doproblema de estruturação do processo de modelagem.Mesmo que seja possível aplicar o conceito derefinamentos sucessivos para a modelagem dosprocessos utilizando modelos PFS-R e, posteriormente,utilizando modelos E-MFG, o projetista ainda estásujeito ao nível de dificuldade correspondente àrepresentação do compartilhamento de recursos e,dependendo da flexibilidade operacional do sistema,torna-se necessário também projetar compensadores paraprogramar a alocação destes recursos para que não haja“deadlock” no sistema. Tanto esta alocação de recursosquanto a inserção destes compensadores comprometem aestruturação durante o processo de modelagem.Portanto, ainda que as metodologias existentesauxiliem no processo de modelagem de SPs, pretende-secontribuir de uma forma efetiva, objetivando estruturar oprocesso de modelagem do controle de SPs utilizando-seos conceitos de programação estruturada.Uma vez estabelecida a identidade entre o projeto dealgoritmos computacionais e o projeto de sistemas decontrole de SPs, este trabalho descreve a proposta deuma estruturação da modelagem do sistema de controle eapresenta uma metodologia descrevendo em detalhes osprocedimentos que devem ser aplicados para tornar maiseficiente o projeto do algoritmo de controle de processosem SPs. 2 PFS e a Técnica de Refinamento Sucessivos Estabelecendo um paralelo com a programaçãoestruturada, o PFS é um tipo de modelo baseado em rede  de Petri elementar estendida que permite uma descriçãofuncional hierárquica do sistema a partir de um modeloconceitual de elevado nível de abstração. Oprocedimento de modelagem em Production FlowSchema ou PFS (Miyagi, 1996) baseia-se em aplicar atécnica de refinamentos sucessivos, de maneira que sejapossível inserir progressivamente o detalhamento doprocesso dentro do modelo, correspondente aocomportamento desejado para o sistema.É importante observar que o PFS não representa ocomportamento dinâmico de um SP, uma vez que se tratade uma representação gráfica baseada em redes em quenão há marcação. Neste contexto, o objetivo do PFS érepresentar o fluxo de operações (sequenciamento) tendocomo referência a evolução de um determinado processo.O refinamento em níveis de abstração é realizadoatravés da aplicação de uma abordagem “top-down” emque se assume que a relação entre os elementos básicosestá inteiramente descrita no nível anterior. Assim, oprocesso de estruturação (Marca, 1988) pode contribuirenormente para o projeto e verificação do modelo, desdeque as propriedades prinicpais de um nível de abstraçãonão sejam alteradas pelo refinamento.Considerando estes aspectos envolvendo o conceitode refinamentos sucessivos, há uma perfeitacorrespondência desta técnica de modelagem com osprocedimentos de programação estruturada. Este fato éuma das razões porque o PFS tem efetivamentecontribuído para uma série de aplicações de sistemasdiscretos, em um contexto bastante abrangente, comopode ser observado em vários trabalhos recentes (Gustin et alii , 2000; Miyagi et alii , 2000; Santos Filho et alii ,2000; Villani et alii , 2000).Entretanto, há o aspecto de modularização que deveser observado com mais critério. Sabe-se que em ummodelo PFS os elementos-atividade têm como funçãorepresentar um sub-processo. Também neste caso, aescolha de um sub-processo (caracterizado por umasequência de atividades pertencente a um processomaior) não é guiada por nenhuma teoria ou esquema, domesmo modo que a escolha de procedimentos e funçõesem uma linguagem estruturada. Há portanto um grandenúmero de possibilidades para o refinamento de umaatividade, alguns dos quais podem levar a dependênciasque não podem ser inseridas em um esquema derefinamentos (no caso dos sistemas discretos).Observa-se, portanto, que as atividades podem serinterpretadas como módulos e que há uma entrada esaída bem definida que caracteriza a funcionalidade decada um destes módulos.Analisando criteriosamente a proposta do PFS emMiyagi (1988), verifica-se que o elemento-atividade  corresponde a um macro-elemento delimitado por “[“ e“]”, havendo inscrições em linguagem natural (ouformal) para especificá-lo. Os arcos orientados queestiverem diretamente conectados aos símbolos “[“ e “]”representam o fluxo principal, enquanto os arcosconectados à parte interna da atividade representam ofluxo secundário (Figura 1). Elemento-Atividade Fluxo PrincipalFluxoSecundário  Figura 1: Os fluxos no PFS.Uma vez que se está investigando o aspecto modularde um elemento-atividade no processo de modelagem,observa-se que o fluxo secundário gera um precedentepara que possam existir entradas e saídas incondicionaisquebrando a estruturação. Portanto, para manter o PFSestruturado a primeira alteração que deve ser efetuada noprocedimento srcinal é de não permitir a representaçãode fluxos secundários em elementos-atividade . Apresença deste tipo de fluxo descaracteriza a atividadecomo um elemento próprio (Linger, 1975), o que é a pré-condição para se obter um esquema estruturado.Assim, o fluxo secundário estaria associado a"falhas" na modularização (equivalente a cortar umprocedimento simples no meio de uma iteração), o queobriga - para manter a funcionalidade do processo - arecorrer a desvios incondicionais como foi já apontadoem (Silva, 1995). 3 PFS e o uso Racional de GOTOs O comando GOTO é uma forma de implementardesvios na estrutura de controle de um programa.Basicamente, este comando pode ser aplicado em duassituações distintas:Que geram um desvio incondicional, tratando-se deum risco para a manutenção da estruturação doprograma.Que geram desvios condicionais no contexto deimplementar uma declaração iterativa do tipo padrão(WHILE/REPEAT).De acordo com Ghezzi e Jazayeri (1987) acontrovérsia a respeito do uso de GOTO emprogramação computacional já é motivo de discussõesdesde 1970. A proposição do Teorema de Bohm eJacopini (Teorema da estruturação) estabelece o conjuntomínimo de estruturas de controle que podem serincluidas em um programa estruturado. Portanto, oGOTO deve ser usado somente como uma técnica deimplementação de estruturas de controle legítimas 1 casoa linguagem não as inclua como sinônimos em seusrecursos.A estruturação do processo de modelagem em PFSpode perfeitamente adotar esta abordagem deprogramação estruturada. A representação de desviosincondicionais no caso de modelar-se a funcionalidadede SPs só teria sentido de ser utilizada caso fossenecessário representar situações anormais de falhas,erros, etc. Em situações normais de realização dosprocessos, deve-se representar as estruturas baseando-senas formas padrões de controle, herdadas daprogramação estruturada, de acordo com a Figura 2. 1 Entende-se por estruturas legítimas as declarações do tiposeqüencial, iterativa e condicional que fazem parte do contexto deaplicação do conceito de programação estruturada nodesenvolvimento de algoritmos computacionais.  Um processo de um SP é predominantementeseqüencial envolvendo essencialmente estruturas demodelo baseadas no item (a) da Figura 2.Em determinadas situações pode ser possível acoexistência de diferentes rotas para a realização doprocesso, implicando em uma estrutura do tipocondicional (item (b) da Figura 2).Há casos ainda em que é necessário repetir oprocessamento de um determinado elemento, podendoutilizar-se as estruturas (c) ou (d) da Figura 2. (a) Sequenciamento(d) Iterativa (“repeat”)Ativ_1 Ativ_2 Ativ_3(b) CondicionalAtiv_1Ativ_2Ativ_3Ativ_4(c) Iterativa (“while”)Ativ_1 Ativ_2Ativ_1 Ativ_2Ativ_3ReturnAtiv_3 Figura 2: Estruturas padrões para modelagem em PFS estruturado. Portanto, a essência do processo de modelagemestruturada em PFS está caracterizada. Contudo, parahaver consistência nas observações realizadas énecessário considerar algumas hipóteses fundamentais:Sendo o PFS um modelo funcional, deve-se associara cada modelo um determinado processo a ser realizadoem um SP. Múltiplos processos implicam em uma sériede modelos PFS pertinentes a cada deles.O objetivo do modelo PFS é estritamenterepresentar a lógica do fluxo de operações (work flow)que está associada à realização de um determinadoprocesso, não devendo questionar o mérito de alocaçãode recursos para a realização de cada uma das operações.Isto significa que o modelo PFS do processo é ummodelo que representa como se deseja que as operaçõesque constituem o processo sejam realizadas,representando, portanto, o que se denomina nestetrabalho de nível de Controle de Processos.As questões que envolvem o problema de quemdeve processar cada uma das etapas deve ser delegado aoutro nível de controle que não faz parte do escopo destetrabalho.Este aspecto de não se alocar os recursos no modeloPFS é fundamental porque no caso em que o sistema éflexível, operando com vários processos diferentes esimultâneos compartilhando os mesmos recursos, temsido exaustivamente discutido em Banaszak e Krogh(1990), Viswanadham et alii (1990), Cho et alii (1995),Ezpeleta et alii (1995), Xing et alii (1995), Hasegawa(1996), Hasegawa et alii (1996A), Hasegawa et alii  (1996c) e Xing et alii (1996).Apesar de haver um controle adequado no nível decada processo que está sendo executado em um sistemaprodutivo, quando há o compartilhamento dos recursos,provoca-se um ‘fluxo dos recursos’ entre os processos.Este aspecto pode ser interpretado como o surgimento deum fluxo adicional de controle importante que é maiscomplexo do que uma simples alocação de recursosconforme é sugerido no modelo PFS da Figura 3. Ativ_B1 Ativ_B2 Ativ_B3Ativ_A1Ativ_A2 Ativ_A3Ativ_C1 Ativ_C2 Ativ_C3 R1R2R5 R3 R4 Figura 3: Representação em PFS de recursos compartilhados (R1,R2, R3, R4, R5). O modelo PFS da Figura 3 exige que técnicasadicionais de controle sejam incorporadas ao modelopara estabelecer uma política de alocação de recursosque evite o travamento do sistema. Em muitos casospráticos, principalmente em sistemas discretosautomatizados, usa-se separar os processos sequenciais(nível sequencial direto) da identificação da política dede alocação de recursos e resolução de conflitos (nível decontrole inteligente). 4 Metodologia EstruturadaE-MFG/PFS O conceito de modelagem estruturada aplicado aocontrole de processos de SPs sugere que o problema dealocação de recursos para realizar cada uma das etapasque constituem um determinado processo seja realizadoem uma etapa diferente da modelagem do próprioprocesso.Outro fator digno de nota é que o nível sequencial eo nível dito inteligente (DiCesare, 1994) têm diferentesníveis de aderência aos modelos físicos. Portanto seriamelhor a abordagem estruturada que nos garante a partesequencial, antes de tratar com o nível de controleinteligente, incluindo aí a política de compartilhamentode recursos.Todas as observações sobre estruturaçãoevidenciadas para a situação em que se aplica o PFS paraa modelagem funcional de um sistema, aplica-se tambémpara o E-MFG. O modelo E-MFG introduz identificaçãonas marcas sem no entanto fugir do modelo de redeelementar convencional]. A identificação de marcas é umfator à mais na análise de fluxo de controle, o que   justifica a abordagem E-MFG, sem no entanto introduzirmaior complexidade de análise com um formalismo maiselaborado.A abordagem estruturada delineada no PFS podeser ainda utilizada no E-MFG desde que se introduza umelemento passivo (um box) entre o início e o final decada atividade do PFS, o que faz com o que o PFS deixede ser um esquema estruturado de modelagem de MFGpara passar a ser uma rede hierarquica (Silva, 1996). EmMiyagi (1996) já foi proposto um processo sistemáticode tradução de modelos PFS em MFG.Portanto, deve-se tomar o devido cuidado para nãohaver problemas de "vazamento" e "intrusão" de marcasdentro de uma atividade que foi detalhada conformeabordado em Miyagi (1996).Em síntese, a metodologia PFS/MFG descrita emMiyagi (1996) precisa ser revisada em três aspectos:Em relação ao contexto de modelagem estruturadabasta obedecer aos critérios de construção do PFS jádescritos anteriormente.Em relação à extensão de MFG para E-MFG, bastaconsiderar uma etapa adicional de definição do conjuntode atributos que devem ser utilizados para representar aindividualidade de cada marca.Não faz mais sentido executar a etapa derepresentação de recursos e seu controle no modelo.Portanto, a metodologia PFS/E-MFG (ou E-MFG/PFS) engloba os seguintes procedimentos:Representação de cada processo por um modelo PFSconceitual de alto nível de abstração.Detalhamento de cada processo em atividades,definindo a lógica de seqüenciamento inerente a cada umdeles.Definição do conjunto de atributos que deve serassociado a cada marca do grafo E-MFG.Detalhamento as atividades dos processos através demodelos E-MFG.Mapeamento dos sinais de controle indicando oseventos gerados pelo controlador a partir de arcos desinal de saída e os eventos ocorridos na planta a partir deportas externas. 5 Exemplo Aplicativo Considere um SP em estudo composto pelosseguintes elementos:Quatro estações de trabalho para processamento:EST_1, EST_2, EST_3 e EST_4.Cada uma destas estações possui algum dispositivomanipulador dedicado que é utilizado para efetuar asoperações de carga e descarga de peças a seremprocessadas, bem como uma máquina-ferramenta queprocessa uma peça por vez.Uma estação de entrada de materiais (EST_IN) quearmazena o estoque de matéria-prima (peças) queabastece as estações de trabalho.Uma estação de saída (EST_OUT) que armazena osestoques de peças acabadas.Para a realização do fluxo de materiais entre asestações, há um conjunto de veículos de transporte (VTs)movimentando-se sobre um circuito de via única,transportando um produto de cada vez. À medida que osprodutos são processados, os VTs são requisitados pelaestação correspondente e a retirada dos produtos dosmagazines de saída é realizada na ordem FIFO.No presente sistema executa-se um processoidentificado por PROC_A que envolve uma seqüência deoperações e utiliza os recursos disponíveis de acordocom as relações (5.1) e (5.2) descritas a seguir: E A ={s A (0), s A (1),s A (2), s A (3), s A (4), s A (5)} (5.1) Onde: ¡ s q (i) representa a i- ésima etapa daseqüência de produção do elemento q.   ¢ s q (0) representa a etapa inicial daseqüência de produção. r* A ={B_IN, EST1, EST2, EST3, EST4, B_OUT} (5.2) Onde: ¢ r q (j) representa o recurso utilizadona etapa s q (i) da seqüência de produção doelemento q  Para construir o modelo estruturado do controle doprocesso, será aplicada a metodologia estruturada PFS/E-MFG:  A) Identificação dos Processos Representa-se o processos a serexecutado nosistema a partir de modelos PFS, de acordo com a Figura4. Apesar deste procedimento inicial parecerdesnecessário por ser evidente, é importante porquedestaca a natureza orientada a produto desta metodologiade modelagem. [ Proc.A ]   Figura 4: Modelo PFS dos Processos.  B) Detalhamento dos Processos em PFS  Refina-se o modelo PFS anterior para descrever alógica de seqüenciamento das atividades. A Figura 5ilustra esse modelo detalhado em PFS. Neste modelo éimportante observar que há três tipos básicos deatividades que compõem cada processo:A atividade de requisição de uma peça para serprocessado, de acordo com a ordem de serviço prescritaou o pedido prescrito (atividade “  Requis… ”).A atividade de despacho que libera a peça pronta ouatendida (atividade “  Dispatch… ”).A atividade de processamento de cada etapa doprocesso a ser executada em cada recurso específico(atividade “ Proc …” ) [Proc.A1]   [Requis.A]   [Proc.A2]   [Dispach A]   Peça A  Pedidos Estoque   [Proc.A3]   [Proc.A4]   Figura 5: Modelo PFS dos Processos.  C) Definição do Conjunto de Atributos e Detalhamento das Atividades Uma vez que já se elaborou um modelo do processodetalhando-se as diversas atividades concatenadaslogicamente, nesta fase deve ser definido o conjunto deatributos a serem associados às marcas individuais do E-MFG. A Figura 6 mostra como os diversos valores sãoatribuídos ao conjunto de atributos especificado. ATRIBUTOS V (a)Peça(b)Pedido(c)Destino(d)VTA IFPROC_ATHENa=AIF PED_1THEN b=1IF EST_1THEN c=1IF VT_1THEN d=1 L IF PED_2THEN b=2IF EST_2THEN c=2IF VT_2THEN d=2 O … IF EST_3THEN c=3IF VT_3THEN d=3 R … IF EST_4THEN c=4 E IF EST_InTHEN c=5 S IFEST_OutTHEN c=6IF ESTACTHEN c=7 Figura 6: Definição dos atributos das marcas individuais. O modelo detalhado da atividade de requisição podeser observado na Figura 7. Requis.X SolicitaTransportede St. inPedidoa2:=Pedidoa1:=XRequisiçãomaterial XMaterial p/ transportetransportepara 1a.  Figura 7: Modelo genérico da atividade “  Requis.X  ”. O modelo detalhado genérico de uma atividade deprocessamento pode ser obtido a partir da lógicautilizada para modelar a primeira etapa de processamentodo processo A que está exemplificado na Figura 8. Proc.A1 CargaProcna Maq. 1a3:=2DescargaSolicitaVTTransportede 1 p/ 2  Figura 8: Exemplo de modelo da atividade de processamento. Finalizando esta etapa há o modelo da atividade dedespacho, conforme ilustrado na Figura 9. Dispatch X   VT na   St. out   ElementoP/ Estoq.   Estoque   N   A   Figura 9: Modelo genérico da atividade   “  Dispatch.X  ”.  D) Mapeamento dos Sinais Externos de Controle Os eventos gerados pelo controlador devem serenviados para o exterior através de arcos de sinal desaída. Por sua vez, os eventos provocados na plantadevem ser enviados ao controlador através de portashabilitadoras/inibidoras externas. As Figuras 10, 11 e 12ilustram este procedimento, devendo estar claro que paramapear-se todos os sinais de controle seria necessárioenumerar todas as atividades modeladas em E-MFG. Requis.X SolicitaTransportede St. inPedidoa2:=Pedidoa1:=XRequisiçãopeça XPeça p/ transportetransportepara 1a.   Controle VTHá VTVT AguardaTransportar Estoque  Figura 10: Mapeamento dos sinais externos no controle de“  Requis.X  ”. Proc.A1 Procna Maq. 1a3:=2SolicitaVTTransportede 1 p/ 2Maq 1Maq 1Iniciou AMaq 1Terminou AControle VTHá VTVT AguardaTransportarCargaDescarga  Figura 11: Mapeamento dos sinais exte r nos no controle de“ Proc.X  ”. Conclui-se, portanto, a modelagem do controle deprocessos do estudo de caso. 6 Observações Finais Este artigo discute a aplicação do conceito deestruturação no processo de modelagem, mostrandocomo construir um modelo PFS de forma estruturada,questionando a alocação de recursos durante esta etapa
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