MODELAGEM E CONTROLE DE UM SISTEMA INDUSTRIAL DE TRANSPORTE PNEUMÁTICO DE MATÉRIAS-PRIMAS EM PÓ USANDO A TEORIA DE CONTROLE SUPERVISÓRIO
THIAGO B.OTTO*,ANDRÉ B.LEAL*,YURI K.LOPES*,RODRIGO TRENTINI*
*
Grupo de Pesquisa em Automação de Sistemas e Robótica – GARSDepartamento de Engenharia Elétrica, Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC Campus Universitário Prof. Avelino Marcante s/n, Bom Retiro, 89223-100, Joinville, SC, Brasil
E-mails: thiagobeckert@gmail.com, leal@joinville.udesc.br, yurikazuba@gmail.com, rodrigo.trentini@gmail.com
Abstract In this paper, we apply the Supervisory Control Theory of Discrete Event Systems to model an industrial system of transportation of powder raw material. We use the monolithic approach for the synthesis of a nonblocking and minimally restrictive supervisor for this system to restrict its closed-loop behavior to meet the control specifications. The automaton obtained for the supervisor is translated to a programming language suitable for use on a Programmable Logic Controller. The logic implemented is then tested on a test platform, yielding a closed loop behavior in accordance with the control specifications. Keywords Supervisory Control Theory, Discrete Event Systems, PLC, industrial system of transportation, powder raw material.
Resumo Neste trabalho aplica-se a Teoria de Controle Supervisório de Sistemas a Eventos Discretos para modelar um sistema industrial de transporte de matérias-primas em pó. Utiliza-se a abordagem monolítica para a síntese de um supervisor não bloqueante e minimamente restritivo para este sistema a fim de restringir o seu comportamento de malha fechada de forma que atenda às especificações de controle. O autômato obtido para o supervisor é traduzido num programa em linguagem Ladder e implementado num Controlador Lógico Programável. A lógica implementada é então testada sobre uma plataforma de testes, obtendo-se o comportamento de malha fechada em consonância com as especificações de controle.
Palavras-chave Teoria de Controle Supervisório, Sistemas a Eventos Discretos, CLP, sistema industrial de transporte, matérias-primas em pó.
1 Introdução
O mercado atual depende fortemente de contínuos avanços tecnológicos a fim de atender a exigências dos consumidores com preços baixos, produtos de qualidade e adequação às suas necessidades. Diante desta situação, as empresas devem otimizar seus processos produtivos, realizando melhoria na qualidade, aumento da produtividade e redução dos custos. Neste sentido, os projetos de automatização visam diversos benefícios, atendendo também estas melhorias nos processos de produção.
De acordo com Goeking (2010) a automatização surgiu como o caminho para a redução da participação do trabalho manual do homem sobre os processos industriais. Diante disso, as empresas investem no sistema de transporte automatizado para mecanizar o abastecimento nas máquinas de fabricação.
Segundo Klinzing (2010), de uma maneira geral as empresas investem nestes sistemas com intuito de adquirir benefícios relacionados com o transporte de uma variedade de produtos livres de poeiras, segurança no manuseio, flexibilidade da rotina, distribuição para diversas áreas da fábrica e pela facilidade no controle proveniente da automação. Ribeiro (2003) explica que o fluxo de material é manipulado sob o comando de um controlador, de forma a manter a variável do processo em um valor desejado, devendo também prever, no programa do supervisor, ocasiões externas que possam ocorrer na execução de algum evento.
Contudo, os problemas de controle industriais usualmente são solucionados sem auxílio de uma sistemática, sendo estes resolvidos com base na experiência profissional do projetista. Todavia, no meio acadêmico existem ferramentas e metodologias formais para solução destes problemas. De interesse especial para o contexto deste trabalho, a Teoria de Controle Supervisório (TCS) de Sistemas a Eventos Discretos (SEDs) é uma ferramenta importante para a síntese de supervisores não bloqueantes e minimamente restritivos (Ramadge e Wonham, 1989).
Entretanto, de acordo com Brandin (1996), esta metodologia carece de aplicações em problemas reais para que seja utilizada mais amplamente. Ainda, Queiroz (2004) discute sobre as dificuldades práticas encontradas no processo de implementação da estrutura de controle supervisório.
Diante deste contexto, o presente artigo tem por objetivo utilizar a Teoria de Controle Supervisório para sintetizar a lógica de controle para um sistema industrial de transporte pneumático de matérias-primas em pó, e implementar esta lógica em um CLP (Controlador Lógico Programável) a fim de garantir que o comportamento do sistema real atenda às especificações de controle.
considerado neste trabalho e é aplicada a TCS para a síntese de um supervisor não bloqueante e minimamente restritivo para este sistema. A Seção 4 é dedicada à implementação da lógica de controle do supervisor em CLP usando linguagem Ladder. Por fim, o artigo apresenta as conclusões do trabalho desenvolvido e algumas sugestões de trabalhos futuros.
2 Fundamentação Teórica 2.1 Automatização
O transporte pneumático, de acordo com Cartaxo (2000), consiste no arraste de partículas sólidas por uma corrente gasosa, através de uma tubulação estanque. Segundo Monteiro (2005), “o tamanho de partículas que podem ser transportadas com esta tecnologia pode variar desde a ordem de grandeza dos micrômetros até partículas com tamanho em ordem de grandeza do centímetro”.
Nesta perspectiva, os equipamentos são compostos por tubulações estanques, gerador de movimento, dispositivo de dosagem no início do transporte, sistema de automação para controle e acionamentos de diversos acessórios, além de um conjunto de componentes. Para o controle destes equipamentos em geral são utilizados Controladores Lógicos Programáveis – CLPs, os quais, segundo Otto (2010), geram confiabilidade operacional, permitem comunicações em redes interligadas, controlam fabricações, além de apresentarem uma simplificação em painéis elétricos para uso operacional. Cruz (2011) complementa estas informações afirmando que estes sistemas estão difundidos no controle de processos de automação industrial para controlar equipamentos e instalações.
Contudo, a lógica de controle destes sistemas em geral é desenvolvida de forma empírica, baseada na experiência do profissional da área e sem uma metodologia formal. Há, portanto, uma grande dependência da habilidade humana no desenvolvimento e na implementação desta lógica.
2.2 Teoria de Controle Supervisório
A Teoria de Controle Supervisório (TCS) de Sistemas a Eventos Discretos (SEDs) se baseia no uso de linguagens controláveis e autômatos de estados finitos (CURY, 2001). De acordo com a TCS, o comportamento de um SED pode ser representado por um autômato G = (Σ, Q, δ, q0, Qm)
tal que Σ é o alfabeto dos eventos, Q é o conjunto de estados, δ : Σ×Q → Q representa a função de transição, q0 ∈ Q é o estado inicial e Qm ⊆ Q
representa o subconjunto de estados marcados ou finais (Wonham, 2011). A função de transição citada é uma função parcial em Q para um subconjunto de
Σ. Seja Σ* o conjunto de todas as cadeias finitas de Σ
incluindo a cadeia nula ε, então uma linguagem é um subconjunto de Σ*. A planta pode ser modelada por
um autômato G caracterizado por duas linguagens: o comportamento fechado de G, com todas as possibilidades de sequências de eventos que a planta gera, denotado por L(G); e o comportamento marcado de G, o qual contempla as sequências representando tarefas completas, denotado por Lm(G). O operador || representa a composição síncrona de linguagens ou de autômatos.
Na TCS o alfabeto de eventos é subdividido em dois subconjuntos disjuntos, a saber, um subconjunto de eventos controláveis e outro de eventos não controláveis. Os eventos controláveis Σc ⊆ Σ são aqueles possíveis de serem impedidos de ocorrer através de um agente externo de controle (denominado supervisor), enquanto que os eventos não controláveis Σu ⊆ Σ não podem ser impedidos de ocorrer diretamente pelo supervisor, sendo portanto considerados permanentemente habilitados (Ramadge e Wonham, 1989).
Uma linguagem K ⊆ Lm(G) é dita controlável se Σu ⋂ ( ) ⊆ , sendo o prefixo fechamento de K. Com isso, a ocorrência de um evento não controlável e fisicamente possível de ocorrer após , mantém a sequência no conjunto . Segundo (Ramadge e Wonham, 1989), o conjunto de todas as sublinguagens de K que são controláveis em relação a G possui um elemento supremo único, chamado de máxima linguagem controlável, denotado SupC(K, G).
Os autômatos podem ser graficamente representados por diagramas de transição de estados (grafos direcionados) nos quais os nós representam os estados e arcos etiquetados representam as transições entre os estados. O estado inicial é identificado por uma seta apontando para o mesmo e os estados marcados são ilustrados por nós com linhas duplas. Os eventos controláveis são diferenciados dos demais por intermédio de um traço cortando os arcos.
Na abordagem monolítica de síntese de supervisores, proposta por Ramadge e Wonham (1989), o objetivo consiste em sintetizar um único supervisor que é responsável por restringir comportamentos indesejados da planta e, desta forma, garantir que o sistema em malha fechada atenda às especificações de controle. Este supervisor pode ser representado por um autômato S e um mapa de controle contendo as desabilitações de eventos para cada estado de S. O sistema controlado é denotado por S/G e o seu comportamento é modelado pelo autômato G||S. Assim, os comportamentos fechado e marcado da planta sob supervisão são respectivamente representados por L(S/G) = L(S||G) e Lm(S/G) = Lm(S||G).
Ainda, um supervisor S é dito ser não bloqueante se ( / ) = ( / ), isto é, se a partir de qualquer
estado alcançável de S/G sempre é possível atingir um estado marcado. Assim, dada uma linguagem K
⊆ Lm(G), o objetivo de controle consiste em obter
3 O Sistema de Transporte de Matérias-primas em Pó
3.1 Descrição do Sistema
O sistema utilizado como base para o desenvolvimento deste trabalho consiste num conjunto de equipamentos responsáveis pelo transporte de matérias-primas em pó. A título de ilustração, na Figura 1 apresenta-se um sistema real implantado em uma indústria para transportar matérias-primas em pó até uma máquina de fabricação.
Figura 1. Sistema real para transportar matérias-primas em pó
Este sistema contém moegas destinadas ao recebimento de matérias-primas proveniente de big-bags (sacos industriais para armazenar matérias-primas em grandes quantidades), contém também dosadores e balanças a fim de obter a quantidade necessária de matérias-primas para fabricação, além de um conjunto de vácuo responsável por gerar a energia para transporte de tais matérias-primas. O transporte ocorre pelo interior da tubulação instalada da balança até o alimentador localizado acima da máquina utilizada para a fabricação de um produto a partir das matérias-primas transportadas.
Neste trabalho considerou-se um problema similar ao apresentado na Figura 1, porém um pouco simplificado, diminuindo a quantidade de elementos da planta. O problema tratado é ilustrado na Figura 2. A ideia, de acordo com o layout apresentado, é transportar o material recebido em BIG-BAG para o interior da máquina produtiva, localizada abaixo do equipamento ALIM. Foi alocada uma MOEGA para recebimento do material proveniente do BIG-BAG e um conjunto de tubulação para transportar o material da MOEGA até o ALIM. O conjunto de vácuo está interligado com o ALIM, permitindo, assim, fazer o manuseio desejado.
Figura 2. Layout da linha de produção
A balança, através de células de carga, acusa a quantidade de material presente na moega. Para o caso específico deste trabalho, considerou-se como quantidade mínima de material com 5 kg e quantidade máxima com 30 kg.
As válvulas borboleta permitem ou impedem a passagem de material do BIG-BAG para a MOEGA (eventos “AbraVB4” e “FechaVB4”) e do ALIM para a máquina produtiva (eventos “AbraVB8” e “FechaVB8”).
Os sensores de níveis são do tipo pás-rotativas e, na presença de material “AtivaSNmax” ou “AtivaSNmin”, detectam e emitem sinal para o CLP. Enquanto não houver material no nível do sensor é acusado “DesativaSNmax” ou “DesativaSNmin”. O vácuo, por sua vez, é ligado com “IniVacuo” e desligado com “FimVacuo”.
3.2 Modelagem da Planta
(a) Vácuo (b) Válvula borboleta 8”
(c) Válvula borboleta 4” (d) Sensor de nível mínimo
(e) Sensor de nível máximo (f) Balança Figura 3. Elementos da planta
3.3 Modelagem das Restrições Físicas
Conforme Moraes e Leal (2006), muito embora os modelos individuais descrevam o comportamento de cada subsistema, eles podem não possuir algumas informações importantes sobre aspectos construtivos do sistema global. Assim, neste trabalho foram criadas algumas restrições físicas da planta a fim de obter um modelo no qual transições de estado que não são fisicamente possíveis de ocorrer na planta real também não sejam contempladas no comportamento modelado. Os autômatos para as restrições físicas são apresentados na Figura 4.
(a) Restrição R1 (b) Restrição R2
(c) Restrição R3 (d) Restrição R4
(e) Restrição R5
(f) Restrição R6 Figura 4. Restrições Físicas
A restrição R1 mostrada na Fig. 4(a) modela a impossibilidade de ocorrer falta de material no interior da moega quando o vácuo está desligado.
O autômato da Fig. 4(b) modela a restrição física de que a balança não acusará valor maior de 30kg se a válvula borboleta 8” não estiver aberta.
Na Fig. 4(c) modela-se a restrição de que os sensores de nível mínimo e máximo, presentes no alimentador, só poderão ser desativados caso a válvula borboleta 4” esteja aberta.
O autômato da Fig. 4(d) modela a restrição R4 de que o sensor de nível máximo só será ativado quando o sensor de nível mínimo estiver ativado.
De forma similar, o sensor de nível mínimo somente será desativado se o sensor de nível máximo também estiver desativado, restrição esta modelada pelo autômato da Fig. 4(e).
Por fim, a restrição modelada na Fig. 4(f) refere-se ao fato de que no início da operação do sistema o sensor de nível mínimo somente será ativado após o vácuo ter sido ligado, pois somente assim poderá haver material no interior do alimentador. Note que não foram modeladas restrições para ativação dos sensores quando o vácuo estiver desligado, pois apesar de improvável, não é impossível que estes eventos ocorram em função da inércia existente no transporte de material após o desligamento do vácuo. 3.4 Modelagem das Especificações de Controle Outro passo necessário para a solução do problema de controle supervisório consiste na modelagem das especificações de controle. Foram definidas então 9 (nove) especificações a fim de restringir o comportamento livre da planta a um comportamento desejado em malha fechada. Estas especificações estão caracterizadas na Figura 5 e são sucintamente descritas na sequência.
A especificação E1, vista na Figura 5(a), relaciona os elementos válvula borboleta 8” e balança e impõe que uma vez aberta, esta válvula só poderá ser fechada quando a moega atingir o limite máximo de quantidade de material, sendo acusado pela balança como mais do que 30 kg. Além disso, após ser fechada, esta válvula só poderá ser aberta novamente quando houver falta de material na moega, ou seja, quando a balança acusar valor menor do que 5 kg.
O objetivo das especificações E2 e E3, mostradas nas Figuras 5(b) e 5(c), respectivamente, consiste em permitir o início do vácuo somente quando as duas válvulas borboleta estiverem fechadas.
(a) Especificação E1 (b) Especificação E2
(c) Especificação E3 (d) Especificação E4
(e) Especificação E5 (f) Especificação E6
(g) Especificação E7 (h) Especificação E8
(i) Especificação E9 Figura 5. Especificações de Controle
De modo complementar, a especificação E5, mostrada na Figura 5(e), permite que o fim do vácuo seja realizado somente após a ativação do sensor de nível máximo ou no momento em que a balança acusar menos que 5 kg de material na moega.
A Figura 5(f) apresenta a especificação E6, a qual permite abrir a válvula 4” somente após a ativação do sensor de nível máximo, ou seja, após haver material carregado no interior do alimentador.
Todavia, a especificação E7 mostrada na Figura 5(g) propõe que esta mesma válvula borboleta 4” só poderá ser fechada após desativar o sensor de nível mínimo, no momento em que o material for despejado do alimentador para a máquina produtiva.
A especificação E8, por sua vez, proíbe as válvulas borboleta 8” e 4” de serem abertas durante a geração de vácuo (ver Figura 5(h)).
Por último, a especificação E9 ilustrada na Figura 5(i) garante que o vácuo não será gerado enquanto o sensor de nível máximo estiver ativado, obrigando-o a acontecer somente quando este sensor for desativado.
3.5 Síntese do Supervisor
O próximo passo no processo de síntese de um supervisor monolítico (Ramadge e Wonham, 1989) consiste em obter autômatos que representem o
comportamento global da planta G, e da especificação de controle E. Estes modelos foram obtidos fazendo-se a composição síncrona dos modelos individuais, ou seja, G = G1||...||G6 e E = E1||...||E9.
Seguindo (Moraes e Leal, 2006), para a obtenção de um modelo mais refinado para a planta foram consideradas as restrições físicas modeladas na Seção 3.3, ou seja, obteve-se um autômato GR = G||R, onde R = R1||...||R6. Este processo foi realizado com auxílio da ferramenta IDES (Rudie, 2006) e resultou em um autômato para GR com 56 estados e 242 transições e um autômato para E com 128 estados e 516 transições.
Por fim, obteve-se a linguagem-alvo K fazendo-se K = GR || E, e a máxima sublinguagem de K que é controlável em relação a GR, dada por SupC(K,GR). O autômato obtido para o supervisor SR tal que Lm(SR/GR) = SupC(K,GR) possui 118 estados e 286 transições.
Para fins de comparação, obteve-se também o supervisor S considerando-se o modelo da planta G sem as restrições físicas. Na Tabela 1 são apresentadas informações destes supervisores, podendo perceber que o supervisor SR possui um número significativamente menor de transições e de estados do que o supervisor S.
Tabela 1. Comparativo entre os supervisores Supervisor S Supervisor SR
No de estados 256 118
No de transições 1.032 286 É importante destacar que as transições excedentes no supervisor S não são possíveis de ocorrer na planta física, de modo que a eliminação delas não significa qualquer restrição imposta pelo controlador.
Tendo em vista a dificuldade de visualização gráfica do autômato do supervisor no IDES, devido a grande quantidade de estados e transições, exportou-se este para o formato Grail+ (Reiexportou-ser et al., 2006), o qual pode ser aberto em qualquer editor de texto. Basicamente este formato apresenta a estrutura de transição do autômato na forma “estado de partida – evento – estado de chegada”.
No intuito de ilustrar a lógica de controle obtida, parte deste supervisor é mostrada na Figura 6, onde o estado inicial e final estão indicados por pseudo instruções, separados por símbolos |– e –|. As informações (START) e (FINAL) são pseudo estados (Reiser et al., 2006).
Figura 6. Trecho do Supervisor no formato Grail+
4 Implementação e testes
4.1 Implementação da Lógica de Controle em CLP Como elemento de controle deste sistema é utilizado um CLP S7-200 da Siemens, o qual recebe sinais dos sensores e da balança e, em resposta, atua sobre o conjunto de vácuo e das válvulas borboleta.
Assim, para implementar a lógica de controle neste CLP é necessário traduzir a estrutura de transição e de desabilitação do supervisor numa linguagem de programação aceita pelo mesmo. Esta etapa foi realizada sem auxílio de uma ferramenta computacional, projetando a lógica Ladder de forma manual e inserindo os dados no software STEP-7-Micro/WIN para posterior carregamento no CLP. A metodologia de implementação adotada foi baseada em (Curzel, 2008) e foram seguidos preceitos importantes como o de priorização no tratamento dos eventos não controláveis da planta.
Na Figura 7 apresenta-se parte do programa referente à lógica de controle implementada no CLP em linguagem Ladder.
Figura 7. Trecho da lógica de controle implementada em Ladder
A Network 1 da Figura 7 representa a transição do estado 0 para o estado 1 do trecho do supervisor mostrado na Figura 6, bem como contempla a geração do evento controlável destinado a abrir a válvula borboleta 8”, dando-se início ao processo de abastecimento. Com isso, o programa seta a variável referente à abertura desta válvula e reseta a variável referente ao fechamento da mesma.
Na Network 2 é feita a transição do estado 1 para o estado 2 do supervisor (ver Figura 6) a partir da identificação do evento não controlável emitido pela balança, acusando >30kg de material na moega. Com isso, o programa reseta esta informação da balança e seta o próximo estado, para dar continuidade a lógica projetada.
Para maiores informações sobre implementação da estrutura de controle supervisório em CLP sugere-se consultar (Leal et al., 2012).
4.2 Realização de Testes Preliminares
No intuito de realizar alguns testes preliminares, montou-se uma plataforma de testes na qual foram utilizadas chaves do tipo liga-desliga para simular a ocorrência de eventos não controláveis, e sinalizadores luminosos para indicar a ocorrência de eventos controláveis. Como elemento de controle utilizou-se um CLP S7-200 da Siemens.
Os equipamentos do sistema de transporte estudado foram esboçados na plataforma de testes e os comandos de saída do CLP (eventos controláveis) foram identificados por sinalizadores luminosos instalados junto a esta plataforma.
Foram realizados diversos testes sobre esta plataforma, simulando diversas opções que podem ocorrer na planta real, e em todos eles obteve-se um comportamento de malha fechada em consonância com as especificações de controle.
5 Conclusão
Neste trabalho, utilizou-se a Teoria de Controle Supervisório de Sistemas a Eventos Discretos para sintetizar um supervisor para um sistema industrial de transporte pneumático de matérias-primas em pó. No processo de síntese do supervisor monolítico foram modeladas algumas restrições físicas da planta, o que resultou em um autômato para o supervisor com menor número de estados e transições quando comparado com o supervisor obtido sem considerar as restrições físicas.
Esta redução facilitou a tradução manual da estrutura de controle obtida em uma lógica de controle em linguagem Ladder. Esta lógica foi então implementada em um CLP e testes foram realizados em uma plataforma de testes, obtendo-se um funcionamento do sistema de acordo com as especificações de controle.
estrutura de controle supervisório numa linguagem de programação do CLP. De acordo com Pires et al. (2011), não há uma padronização acerca da metodologia de implementação, permitindo que cada programador siga sua própria linha de raciocínio, o que dificulta a compreensão da lógica de controle e, consequentemente, a realização de manutenções e atualizações nos programas usuais.
Vale destacar que o problema tratado neste artigo também foi solucionado por intermédio da abordagem modular local de síntese de supervisores, proposta por Queiroz (2000). Assim, tendo em vista que os supervisores modulares locais obtidos são não conflitantes, pretende-se, num trabalho futuro, fazer a implementação da estrutura de controle supervisório proposta por Queiroz (2004) a fim de comparar os resultados obtidos com o uso da abordagem monolítica.
Por fim, também num trabalho futuro, deve-se complementar este trabalho no sentido de tratar o sistema completo ilustrado na Figura 1 e implementar a lógica de controle obtida em um sistema real. Esta etapa deverá ser realizada na empresa Albag Engenharia Industrial Ltda (http://www.albag.com.br/), fabricante do equipamento mostrado na Figura 1.
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