João José Poito
Coelho
Sistemas distribuídos para a monitorização em
João José Poito
Coelho
Sistemas distribuídos para a monitorização em
ambiente industrial
Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para umprimento dos
requisitos ne essários à obtençãodo graude Mestrado emEngenharia
Me- âni a, realizada sob orientação ientí a de José Paulo Oliveira Santos,
Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Me âni a da
Presidente/ President Prof. Doutor Vitor Manuel Ferreira dos Santos
ProfessorAsso iadodoDepartamentodeEngenhariaMe âni adaUniversidadede
Aveiro
Vogais /Committee Prof. Doutor José Paulo OliveiraSantos
Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Me âni ada Universidadede
Aveiro(orientador)
Prof. Doutor Pedro Ni olau Faria daFonse a
Professor Auxiliardo Departamentode Ele tróni a, Tele omuni ações e
AgradeçoàBresimar,aoEng. Ri ardoCarvalho,aoEng. AlexandreFerreira
e espe ialmenteEng. ArmandoCavaleiro,quea ompanhou omeu trabalho
mais de perto, pela oportunidade de desenvolver este trabalho, em que me
foi dado todo o material e apoio ne essário para a realização de um bom
trabalho.
Agradeço a todos os meus amigos,pela amizade e apoio que me
demons-traram ao longo deste trabalho. Em espe ial quero agrade er a todos os
amigos mais hegados, em que foram passados momentos inesque íveis de
grande ompanheirismoao longodo urso.
Porúltimo,agradeço espe ialmenteàminhaMãe,àminha irmã,aoManel,
à Helena e ao Zé pelo apoio onstante, ao longo desta longa aminhada,
troladores, Sistemas de ontrolo distribuídos em tempo-real, Sistemas
em-bebidos,Sistemas de manufa tura.
Resumo Nas últimasdé adas tem sidovisível aproliferação dos sistemas
in orpora-dos ou embebidos nas apli ações industriais. Nestes sistemas, o ontrolo
é geralmente distribuído, o que impli a que vários omponentes troquem
informação entre si. Por outro lado, essatro a de informação é suportada
por uma rede de omuni ação que interliga esses mesmos. Devido a
rigo-rosos requisitostemporais,aspe tos omo oproto olo de a essoaomeio,a
velo idadede transmissão, o tamanho das mensagens,serviços de ontrolo
e supervisão da rede apresentam-se de elevadarelevân ia para este tipo de
sistemas.
Na presente dissertação é revelado um estudo de importantes fatores
te nológi os em ambiente CIM e apresentada uma solução de baixo usto
a ser implementada no hão de fábri a, ao nível do ontrolo de sensores e
atuadores. Nesseintuito,foramestudadosum proto oloabertoeumapilha
proto olar open sour e que permitisse es alabilidade, exibilidade e
me a-nismos dedeteção de erros.
Para omprovar o fun ionamento do sistema foi implementado um
de-monstrador representativo om o proto olo de omuni ação proposto, o
CANopen. Este é omposto por dois nós CANopen e por um omputador
distributed ontrolsystems,Embedded systems,Manufa turingsystems
Abstra t In the last de ades the proliferation of embedded systems has been visible
in industrial appli ation. The ontrolin these systems is generally
distribu-ted whi h impliesan ex hange of informationbetweenseveral omponents.
Subsequently, the information ex hange is supported by a ommuni ation
network that onne ts allthe respe tive omponents. Dueto rigorous time
requirements, features su h the medium a ess proto ol, bitrate, message
length, ontrolservi esandnetworksupervisionpresentrelevan etothe
dis-tributed systems.
The urrent dissertationpresentsastudy inimportantte hnologi alfa tors
in CIM environment and a low ost solution to be implemented at shop
oor, insensorsand a tuators ontrol level. Inthatsense,itwasstudied an
open proto olandaopensour esta kwhi hallowedmodularity,s alability,
exibility and errordete tionme hanisms.
Toverifythesystem'sperforman e,arepresentativedemonstrator ontaining
the proposed ommuni ation proto ol was implemented. This is
onstitu-ted with twoCANopen nodesand a omputertoanalyze and on gure the
1 Introdução 1 1.1 Enquadramento eMotivação. . . 1 1.2 Problema . . . 2 1.3 Objetivos . . . 2 1.4 Organização da dissertação . . . 3 1.5 Publi ações ienti as . . . 3 2 Estado da Arte 7 2.1 Históriada evolução dosparadigmas demanufatura . . . 8
2.2 Classi ação dossistemas deprodução . . . 10
2.3 Computer Integrated Manufa turing . . . 11
2.4 Arquiteturas dasComuni ações Industriais. . . 16
2.4.1 Redes deFábri a . . . 17
2.4.2 Redes deCélula. . . 18
2.4.3 Redes deCampo . . . 18
2.5 Arquitetura dosSistemasdeControlo . . . 19
2.5.1 Arquitetura Centralizada . . . 20
2.5.2 Arquitetura Distribuída . . . 21
2.5.3 Arquitetura Centralizada e Distribuída . . . 24
2.6 Sistemasde Controlo Distribuído emTempo-Real . . . 24
3 Redes de omuni ação 27 3.1 Devi eNet . . . 27 3.2 PROFIBUS . . . 29 3.3 Modbus RTU . . . 30 3.4 EtherCAT . . . 32 3.5 Ethernet Powerlink . . . 33 3.6 PROFINET . . . 34 3.7 Modbus/TCP . . . 34 3.8 CANopen . . . 35
3.8.1 Proto olosubja ente CAN. . . 38
3.8.2 Di ionário deObjetose Ele troni Data Sheet . . . 43
3.8.3 Network Management . . . 45
3.8.4 Servi e Data Obje ts . . . 47
3.8.5 Pro ess Data Obje ts . . . 47
3.8.6 Serviço deSin ronização . . . 49
4 Implementação 53
4.1 Arquitetura daimplementação . . . 53
4.2 MóduloI/O- CANopen . . . 54
4.2.1 Camadafísi a . . . 55
4.2.2 Pilha Proto olar CANopen . . . 57
4.2.3 Hardware . . . 60
4.2.4 Outros omponentes . . . 67
4.3 Interfa egrá a de on guração eanálise . . . 68
4.3.1 Conversor USB-CAN . . . 69 4.3.2 Interfa e Grá a . . . 70 5 Con lusões 77 5.1 Con lusões . . . 77 5.2 Trabalho futuro . . . 79 Bibliogra a 81 A Dadospadrão do proto olo CANopen 85 A.1 Camadafísi a . . . 85
A.2 Comuni ation Obje ts . . . 85
A.3 Standardized devi e appli ation pro les . . . 86
A.4 Comuni ação SDO . . . 87
A.4.1 Códigodefalha . . . 87
A.4.2 Leitura a elerada . . . 88
A.4.3 Es rita a elerada . . . 89
A.5 Comuni ação PDO . . . 90
A.5.1 Con guração da omuni ação PDO . . . 90
A.6 Des riçãodo serviço emergên ia . . . 91
A.6.1 Códigosde erro . . . 91
A.6.2 Codi açãoda ausade erro . . . 92
B Código de apli ação do PIC32 na Explorer16 93
3.1 Alguns proto olos eldbus utilizadosno âmbitoindustrial [32℄.. . . 27
3.2 Tabela om astaxasde transmissão e tamanho de rede possíveis no pro-to oloDevi eNet [33℄. . . 28
3.3 Método de arbitragem dea essoao barramento CAN [4 ℄.. . . 41
3.4 Valoresa eitáveis no ampo DLC[33℄. . . 42
3.5 Pro esso de ltragemdo barramento CAN [4 ℄.. . . 43
3.6 Tiposdedados quede nem asentradas do di ionário deobjetos. . . 44
3.7 Estruturagenéri a dodi ionário de objetos CANopen. . . 44
3.8 Comuni ação dependentedosestadosNMT(Adaptado apartir de [41 ℄). . 45
4.1 Des riçãodospinos doMCP2551.. . . 56
4.2 Alinhamento dospinosno one tor 9-pin D-Sub. . . 57
4.3 Tabela omparativa daspilhasproto olaresabordadas. . . 59
4.4 Comparação entreastrês famíliasdo mi ro ontroladores da Mi ro hip. . . 61
4.5 Taxas de transmissão dasrespetivasposiçõesdo rotary swit h . . . 66
4.6 LEDs omtarefasde feedba k sobre a omuni ação.. . . 68
4.7 Tabelados amposque ompõema trama de leituraa elerada SDO. . . . 72
4.8 Tabelados amposque ompõema trama de es ritaa elerada SDO. . . . 72
4.9 Comandos paraalterarosestadosNMT. . . 73
4.10 Entradas dodi ionário de objetospara a on guração da sin ronização. . 73
4.11 Código deestado da mensagemHeartbeat. . . 74
4.12 Entradas dodi ionário de objetospara a on guração do serviço Heartbeat. 74 4.13 Variáveisde uma on guração de transmissão dedados. . . 75
A.1 Re omendações doBit Timing CANopen. . . 85
A.2 Objetosde omuni ação. . . 85
A.3 Tabela omo osper s de equipamento CANopen. . . 86
A.4 Códigos de falhado serviçode transferên ia dedadosSDO. . . 87
A.5 Bytede omando parapedido deleitura. . . 88
A.6 Bytede omando pararesposta aopedidode leituraa elerada. . . 88
A.7 Bytede omando damensagem de es ritaa elerada. . . 89
A.8 Bytede omando para on rmaraes rita. . . 89
A.9 Parâmetros detransmissão PDO. . . 90
A.10Parâmetros dere epção PDO. . . 90
A.11Tiposdetransmissão PDO. . . 90
A.12Des riçãodos ódigos deerro. . . 91
2.1 Modeloabstratodo sistemade manufatura(Adaptado apartir de [8℄). . . 7
2.2 Evolução ronográ adosparadigmas de produção.. . . 8
2.3 Evolução dosparadigmas de produção (Adapatado a partir de[7 ℄). . . 9
2.4 ModeloY -S heerdo sistema(Adaptadoa partir de [15℄). . . 12
2.5 Sistema detransporte dematerial AGV [18 ℄. . . 14
2.6 Sistema dearmazenamento e re uperação automáti a [19℄. . . 15
2.7 Modelohierárqui o dossistemasde fabri oautomatizados. . . 17
2.8 Camadas domodelo EPA (Adaptado apartir de [24℄). . . 19
2.9 Sistema de ontrolo. . . 19
2.10 Sistema de ontrolo entralizado. . . 20
2.11 Sistema de ontrolo distribuído. . . 21
2.12 Diagramadeblo osdetalhadodeumsistemade ontrolodistribuído (Adap-tadoa partir de [24℄). . . 22
2.13 Representaçãotemporaldotempoentreaamostragemeaatuação (Adap-tadoa partir de [24℄). . . 23
3.1 Esquema da omuni ação Devi eNet. . . 29
3.2 Esquema de fun ionamento do proto olo PROFIBUS (Adaptadoa partir [35℄). . . 30
3.3 Pilha proto olar do PROFIBUS[34 ℄. . . 30
3.4 Estruturada mensagem MODBUS-RTU.. . . 31
3.5 Trama EtherCAT (Adaptadoa partir [38℄). . . 33
3.6 CANopen eo modelode referên ia OSI(Adaptadoa partir de[41 ℄). . . . 37
3.7 Des riçãodo proto olo CANopen (Adaptado apartir de [42℄). . . 37
3.8 Níveis detensão do barramento CAN. . . 39
3.9 Segmentosda mensagemCAN [45 ℄. . . 39
3.10 Formato de umatrama de dadospadrão. . . 41
3.11 Formato de umatrama estendida.. . . 42
3.12 Esquema da omuni ação NMT(Adaptadoa partir de [42℄). . . 45
3.13 Estados NMT. . . 46
3.14 Esquema de omuni ação SDO(Adaptadoa partir de [42 ℄). . . 47
3.15 Esquema de omuni ação PDO(Adaptado apartir de [42℄). . . 48
3.16 Con guração doserviço de omuni ação de tempo ríti o. . . 48
3.17 Esquema doserviço de sin ronização(Adaptado apartir de [42℄). . . 49
3.18 Esquema temporalda mensagem desin ronização (Adaptado a partir de [41℄). . . 50
4.1 Arquitetura global dasolução para o sistemapretendido. . . 54
4.2 Componentesprin ipais deumnó. . . 55
4.3 Trans eiver deAlta Velo idade Compatível. . . 55
4.4 Esquema elétri o dotrans eiver [49℄. . . 57
4.5 Esquema daarquitetura domóduloI/O. . . 60
4.6 Hardwareutilizado parao nó. . . 60
4.7 Diagrama da arquiteturageral doPIC32. . . 62
4.8 Grá o obtido experimentalmente de duasPWMssobrepostas. . . 65
4.9 Fotogra a dosrotary swit hs. . . 66
4.10 Ilustração dainformação apresentadapelo LCD. . . 67
4.11 Interfa eentre o omputador eo barramento. . . 69
4.12 Fotogra a do sistemadesenvolvido. . . 70
4.13 Gestão dodi ionário de objetos.. . . 71
4.14 Estruturada mensagem NMT. . . 72
4.15 Gestão e on guraçõesda redeCANopen. . . 73
A.1 Formato da mensagem depedidode leitura deforma a elerada . . . 88
A.2 Formato da mensagem derespostaao pedidode leiturade formaa elerada 88 A.3 Comuni ação SDO:Formato dasmensagem de es ritaa elerada . . . 89
A.4 Comuni ação SDO:Formato da mensagem de on rmação dees rita . . . 89
C.1 Esquema dospinosdo mi ro ontroladorPIC32MX795F512L. . . 99
ADC Analog-to-Digital Converter
ADU Appli ation Data Unit
AGV Automati Guided Vehi le
AS/RS Automated Storage/Retrieval System
CAD Computer Aided Design
CAE Computer Aided Engineer
CAM Computer Aided Manufa turing
CAN Controller Area Network
CAP Computer Aided Planning
CAQ Computer Aided Quality
CiA CAN in Automation
CIM Computer Integrated Manufa turing
CIP Common Industrial Proto ol
CNC Controlo Numéri oComputorizado
COB-ID Communi ation Obje t Identi er
CRC Cy li Redundan y Che k
CSMA/NBA Carrier Sense MultipleA ess with Non-destru tive BitwiseArbitration
DLL Dynami Link Library
DNC Dire t Numeri al Control
DS Draft Standard
DR Draft Re ommendation
EDS Ele troni Data Sheet
EtherCAT Ethernet Control AutomationTe nhonogy
FIFO First In,FirstOut
HMI Human Ma hine Interfa e
I/O Input/Output
ISO International Organization for Standardization
JIT Just in Time
LCD Liquid CrystalDisplay
LED Light EmittingDiode
MAC Medium A ess Control
NMT Network Management
OSI Open SystemsInter onne tion
PDO Pro ess Data Obje ts
PDU Proto ol Data Unit
PNO Pro bus User Organization
PPC Produ tion Planning and Control
PROFIBUS PRO essField BUS
PROFINET PRO ess Field NET
PWM Pulse Width Modulation
RAM Random A essMemory
ROM ReadOnly Memory
SCADA Supervisory Control andData A quisition
SDO Servi e Data Obje ts
SPI Serial Peripheral Interfa e
TDMA Time Division Multiple A ess
TCP/IP TransmissionControl Proto ol/Internet Proto ol
TT Time-Triggered
Tq Time-quantum
USB Universal Serial Bus
WIP Work in Pro ess
Introdução
1.1 Enquadramento e Motivação
Atémeados doanos70,ossistemas de ontrolo automáti o omputorizado baseavam-se
emarquiteturas entralizadas, que onsistiamnum omputadoraexe utarum i lo
in -nito de umalgoritmode ontrolo que apli ava determinadas atuações apartir de dados
sensoriais. Contudo, já na altura, eram indi ados ertosin onvenientes omo a elevada
ablagem eo elevadoesforço omputa ional, umavez quetodososdispositivosestavam
ligados aumaunidade entral depro essamento [1℄.
A pressão e onómi a e a legislação laboral e ambiental mais restritiva onduziram
a que a indústria re orresse a sistemas om melhores níveis de automatização numa
perspe tiva de melhorar o ontrolo de qualidade de pro essos e produtos e também de
reduzir ustos. Com o passar do tempo os problemas das arquiteturas entralizadas
tornaram-se ada vez mais evidentes. Por essa razão, surgiram ossistemas de ontrolo
distribuídos,umasoluçãoquesebaseianadistribuiçãodefun ionalidadesdosistemapor
várias unidades pro essadoras interligadasentresi por umaredede omuni ação [1℄.
O aumento da integração eletróni a permitiu onstruir nós om dimensões
reduzi-das, om interfa e Input/Output (I/O) e uma ou mais interfa es de omuni ação. As
reduzidas dimensões permitiram que estas pudessem ser olo adas dentro dos próprios
sistemas a ontrolar, dando origem aos sistemas de ontrolo distribuídos e embebidos.
Este pro esso de implementar um sistema de ontrolo no interior do próprio sistema a
ontrolar, surge emapli açõesdesde o ontrolo de umautomóvel, de umavião, de
má-quinas ferramentas, de rob s, de instrumentação médi a, ou até mesmo ao ontrolo de
experiên ias emlaboratórios.
Ossistemasde ontrolo distribuídoa arretamvantagens omoadiminuiçãodos
us-tos de ablagem, melhor utilização de re ursos, omposição dos sistemas por módulos,
fa ilidade de re on guração e diagnósti o. Contudo, impli a que vários omponentes
troquem informação entre si. Essa informação é geralmente tro ada re orrendo a uma
rede de omuni ação que interliga todos os omponentes intervenientes no sistema de
ontrolo. Este tipo de implementação pode por isso trazer problemas omo o
apare i-mento deatrasosintroduzidos namalha pelo pro essode omuni ação, oque degradao
1.2 Problema
A res ente ompetitividade e globalização do mer ado obrigam a novos desa os e
no-vos on eitos para os sistemasde produção, omvista ao aumento da sua exibilidade,
modularidade, adaptabilidade, apa idade de ooperação ede integração. A integração
dos re ursos fabris, o suporte dos uxos de informação na instalação fabril omo forma
de aumentar a produtividade e a exibilidade são elementos essen iais para o aumento
da ompetitividade dasempresase a haveparao seusu esso. Todavia,agrande
diver-sidade deproto olosde omuni açãoedeequipamentosfabrisdi ultam essaintegração
e aumentam os ustosde produção dasempresas.
As omuni ações industriais têm requisitos diferentes para os vários níveis do
pro- esso industrial. As apli ações industriais usadas no hão da fábri a ontêm ada vez
maiselementos omsistemasin orporadosouembebidos. Nonívelemqueeste trabalho
in ide, um dosrequisitosprin ipais passa pela suapre isão temporal, umavez que este
tipode redesgeralmente sãodimensionadospara partilhardadosnumaredede
omuni- ação, om umnúmero de nós signi ativo,que por vezes ontrolam pro essos ríti os,
onde falhas podem resultar em onsequên ias imensuráveis. No desenvolvimento de
sis-temasdistribuídoséfundamentalapresentarem apa idades omoarápidaadaptaçãoàs
mudanças, maior robustez e a fá il integração para ontrariar prin ipalmente a rigidez
de algumasarquiteturas de ontrolo sema apa idade de resposta dinâmi a.
O ontrolo implementadodeumaformadistribuída, poderáa arretar atrasos
asso i-ados à omuni ação da informação de ontrolo, devido à transmissão de dados, a erros
e omissões. A questão sobre a pre isão temporal asso iada a umarede partilhada é
di-fí il de ser assegurada quando se trata de transmitir informação de ontrolo neste tipo
de redes. O proto olo de a esso ao meio, a velo idade de transmissão, o tamanho da
mensagem e quantidade de tráfego na rede são ondi ionantes, om um peso relevante
no atraso temporal entre o instante em que é amostrado um pro esso e o instante em
queé apli adoo ontrolo nesse mesmopro esso.
Tendo em onta que os atrasos podem ser in uen iados pelo proto olo de
omuni- ação utilizado e pela sobre arga da rede, nos sistemas de tempo-real, estes aspe tos
ganhammaiorimportân ia,umavezquesenãoforemsatisfeitasassuasne essidadesde
pre isãotemporal,quernos ál ulosquer nas omuni ações,a qualidadedodesempenho
do ontrolo do sistema é omprometida. Por exemplo, um sistema que tenha a função
de ontrolar a posição de um braçorobóti o, ertasordens terão de ser dadasa tempo,
paraevitar onsequên ias om ustosimensuráveis.
1.3 Objetivos
No âmbito desta dissertação, serão estudados importantes fatoreste nológi os para
de-senvolver uma solução parti ular para uma implementação em ambiente Computer
In-tegrated Manufa turing (CIM) para os sistemas integrados de produção. O objetivo
prin ipal passa pela implementação de uma rede industrial, parainterligar dispositivos
I/O, que seja ável, de baixo usto, que não esteja dependente do seu posi ionamento
Nessesentido, osseguintes objetivosdeverãoserrealizados:
Levantamento do estado de arte: Em que serão abordados aspetos importantes
sobre omodelo CIMealgumas redesde omuni ação em ambienteindustrial;
De nir umarede de ampoapósrealizadas algumas omparações;
Implementar osmódulos I/O omumproto olo de omuni ação es olhido.
Desenvolverumainterfa e quepermitaqueo utilizador seja apazde efetuar
dife-rentes on gurações;
A mdeatingirosníveisdesejadosde exibilidadeeagilidade,aimplementaçãodeve
ser apazde umprirosseguintesrequisitos:
Modularidade: A atribuição de diferentes funções a módulos espe í os torna o
sistemaespe ializado e es alável;
Reduzir o esforço de programação: O ato de reprogramar sistemas inteiros em
ordemparalidar omasmudançasdeproduçãoouaadiçãoouremoçãode
ompo-nentespodesermuitodemorada edispendiosa. Assim,umdosprin ipaisobjetivos
é terumsistema ompou a ounenhumane essidade de reprogramação, tro ando
todo otrabalho para on guração, no qualserá maisfá il emaisrápido;
Possua apa idadesparainteragir omoutrosproto olosmaisutilizadoparaníveis
superiores.
1.4 Organização da dissertação
A dissertaçãoestá organizadaem5 apítulos:
No apítulo2éapresentadooestadodeartequeabordaossistemasdemanufatura
e o paradigma CIM. Em virtude da abordagem à produção em ambiente CIM
são des ritas ara terísti as gerais sobre as redes de omuni ação industrias e os
sistemas de ontrolo.
No apítulo 3 são apresentados alguns proto olos de omuni ação industriais em
que sãomen ionadas asprin ipais ara terísti as geraisde ada um. O proto olo
CANopenédes ritoemmaispormenor,umavezqueserviudesuportenarealização
deste trabalho.
No apítulo 4é justi ada ases olhasrealizadas naimplementação e des reveem
detalhe alguns pormenores sobre osnós riadose da interfa e desenvolvida paraa
on guração dosrespetivosnós.
No apítulo 5 são apresentadas as on lusões relativas ao trabalho desenvolvido e
algumassugestõesparatrabalho futuro.
1.5 Publi ações ienti as
De seguida serão apresentados alguns estudos desenvolvidos no âmbito de dissertações
O autor [1 ℄ apresenta uma ontribuição teóri a nas redes de omuni ação em
siste-masde ontrolodistribuídos,impulsionadaporestessistemaspossuíremelevadalatên ia
quando omparada oma orrespondentelatên ia numsistemanão distribuído,no qual
é induzida pela redee poderá ausar degradação do desempenho e estabilidadedo
on-trolo. Oseuestudoé fo adonasredesde omuni ação baseadas embarramento elétri o
série om meio partilhado, nos aspe tos da arquitetura fun ional, nos paradigmas de
disparo das omuni ações e nos proto olos Medium A ess Control (MAC ). Através de
uma ferramenta de simulação TrueTime, o autor simulou modelos simples de sistemas
distribuídos de ontrolo,quepermitiramanalisaro efeitode latên iainduzidopelarede,
sobin uên iadeváriospadrõesdetráfegoedeváriosproto olosdea essoaomeioMAC.
Oautor[2℄napro uradeumasolução inovadora,versátil,e onómi a,de alto
desem-penho e fá il utilização no âmbito da domóti a des reve a implementação de umarede
domóti a baseada nasredes Ethernet e CANopen. Asua implementação passapor
uti-lizar uma redeController Area Network (CAN)/CANopen omo barramento de ampo
para ligar sensores a umarede entral, on ebendo umpequeno sistema de iluminação
utilizando sensores e atuadores usados em Domóti a e o gateway CANopen-Ethernet
implementado. Des reve algunsdossensores utilizados, omo:
BinaryInput; BinaryOutput; Analog Input; Analog Output; Dimmer; Detetor deMovimento; Detetor dePresença; Painéisde Controlo; Detetoresde Humidade; Sensor de Luz; Sensoresde Temperatura; Controlo deTemperatura;
Medidor deConsumo Elétri o;
Orbiters.
Como trabalho futurofaz referên ia aoportedapilha proto olar CANopenutilizada no
omputador apartir do "CAN Festival"para osmi ro ontroladores.
O autor [3 ℄ analisou a interligação de uma rede do tipo Fieldbus, vo a ionada para
o nível mais baixo da hierarquia CIM, numa infraestrutura global de omuni ações
in-dustriais. Oobjetivo do autorpassou por permitir aintegração, emambienteCIM,das
fun ionalidadeseatividades obertasporessetipoderedes,quesãoespe ialmente
vo a- ionadas para apli açõesde tempo ríti o. Apresentaumestudo realizadono âmbitoda
produção integrada por omputador, os uxos de informação emambiente CIMe redes
de omuni ação paraosníveis inferioresdahierarquia CIM.
O autor [4℄ apresenta um trabalho que tem por base um sistema om um nó
on-trolador responsável por re eber informação do nó sensor, pro essar essa informação e
tenhaumdeterminado omportamento. Onó ontroladornestetrabalho usaté ni asde
ontrolo digital, nomeadamente ontrolo adaptativo, sistema apaz de modi ar o seu
omportamentoemrespostaavariaçõesdinâmi asdopro essoa ontrolarouavariações
do ponto de fun ionamento do pro esso, implementado num mi ro ontrolador de baixo
usto, tendo omo suporte o barramento CAN. Apresenta um estudo bené o para o
levantamento realizado sobreo proto olo CAN.
Os autores [5℄ apresentam um artigo útil para a introdução ao estudo dos sistemas
de produção. Apresenta umestudo sobreosparadigmasde manufatura,tiposde
produ-ção, requisitosfuturos dossistemasde produção, arquiteturas lássi asparasistemasde
Estado da Arte
Aprodução onsistenopro essodetransformaçãoque onvertematéria-primaou
produ-tos semi-a abados emprodutos nais om valor no mer ado. Os produtos são
transfor-mados apartir do trabalho manual, dasmáquinas,ferramentas eenergia. Este pro esso
pode ser de omposto emvários passosaté serobtido o produto nal. Os passos
indivi-duais sãode nidos omooperaçõesde produção [6℄.
Asempresasilustradas podemserdivididas emdoistipos. Empresasde manufatura
quesãotipi amenteidenti adaspelaproduçãodeartigosdis retos, omoo asodos
au-tomóveis, omputadores, máquinas-ferramentas e o omponentes que asintegram.
Em-presasde pro essamento queestão rela ionadas om umpro esso de produção ontínua
omoo asodaproduçãode energia,papel, omida, materiaisde onstrução, quími ose
plásti os[7℄.
As estratégias organiza ionais que de nem as diretrizes de produção, tais omo, o
tipode produção eo planode produção alongo oumédio prazo, sãoin uen iadas
prin- ipalmentepelapro urae pelas perturbações externas(ver gura2.1).
Figura2.1: Modelo abstratodosistemade manufatura (Adaptadoa partir de [8℄).
Osresultadosdopro essode produção sãoosprodutosa abadosqueserãoentregues
ao mer ado dea ordo om asexigên ias dos liente. Tendo em onta a vida útil de um
de planeamento e ontrolo, que passa pela possibilidade de serem apresentadas ações
orretivasaolongodotempo,podeserumaaspetoful ralparaosu essodeumaempresa.
2.1 História da evolução dos paradigmas de manufatura
Oambientefabrilen ontra-seem onstanteadaptaçãoàsexigên iasdos lientes,inovando
desta forma om ainformatização e te nologiasde automação (ver gura 2.2e2.3).
Figura2.2: Evolução ronográ a dosparadigmas deprodução.
Antes do sé ulo XX, predominava a produção do tipo artesanal, em que o trabalho
erarealizadoportrabalhadoresespe ializados. Arevoluçãoindustrialfoiumpassomuito
importante para a evolução dossistemas de produção e por onsequente introdução de
novostiposdeprodução, omeçando porajudar aprodução artesanalatéàprodução de
produtos quemuitodi ilmente seriampossíveis artesanalmente.
Mesmono mundo automóvel, em1896, Ford onstruiu artesanalmenteo seu
quadri- i lo, assim hamado devido aos seus pneus estreitos, pare idos aos de uma bi i leta.
Nesta épo a a maioria dos arros eram onstruídos emquantidadeslimitadas, seguindo
umtipode produção artesanal. Essa seriaumadasrazõespara quea empresa de
auto-móveis de Ford não tivesse êxito. Todavia, mais tarde, reentra no negó io e, em 1908,
a Ford lança no mer ado dos Estados Unidos, o modelo T. Com base nas teorias de
Taylor,o on eitodeproduçãoemmassa, araterizada pelaproduçãodomesmoproduto
em larga es ala, utilizando uma linha de montagem rígida, mudando o paradigma da
existên ia de pequenaso inas ompessoalaltamente espe ializado para,grandes áreas
de trabalho, om equipamento espe ializado e deelevado usto[7 ℄.
A introdução da linha de montagem de produção, em média o i lo de trabalho de
montagem, ou seja, o tempo que o operador trabalha, antes de repetir a mesma tarefa,
foireduzida de 514 minutos para2,3minutos[9℄.
O modelo de produção em massa requer estabilidade e ontrolo das variáveis de
entrada,dosmer adosedaforçadetrabalho. Masapartirdosanos70,estesparâmetros
tornaram-se mais instáveis devido às utuações e onómi as, ao aumento do poder do
onsumidor, àhomogeneidade do mer ado e om aglobalização dosmer ados.
Aprodução emmassaidealizada por Ford foiin apaz de tratar asvariaçõesno tipo
deproduto. Asempresaspre isavamdesetornaremmais ompetitivas, a mde umprir
asexigên iasdomer adoparaareduçãodepreços,melhorqualidadedoproduto,reduzir
o tempo de entrega e diversi ar a oferta. Por isso, a rigidez da produção em massa,
OJust in Time (JIT )foiuma loso a degestão deoperações, introduzida por uma
empresa japonesa, a Toyota Motor In , supervisionado pelo engenheiro- hefe Tai hii
Ohno, depoisdeterestudadoomodeloFord[9℄. Esta loso a onsisteemteromaterial
erto no lugar erto,na hora erta,eliminando desta forma,asexistên ias eusando um
ontrolo muito simples. Produzir em JIT requer um uxo ontínuo de materiais e de
informação oordenados de a ordo om umsistemapull, a trabalhar omum tempo de
i lopróximo aodo takt time,umtempo de i loque éde nido emfunção da pro ura.
Muitasempresas,espe ialmentenorte-ameri anas, estudaramo sistemade produção
da Toyota, utilizando omobaseo on eitolean produ tion,noqual oobjetivo prin ipal
era eliminar o desperdí io em todas as atividades, onseguindo fabri ar produtos om
menor tempodeprojeto,menoresexistên ias,melhorqualidadee omreduzidostempos
de on guração.
Nadé adade80,muitas empresas pro uraram desenvolverparadigmasete nologias
à pro ura da exibilidade. Porém, nos anos 90, foram desa ados pela ne essidade de
aumentar a agilidade. Amanufatura ágil, introduzida pelo Instituto Ia o a na
Univer-sidade de Lehigh, onsiste na apa idade do sistemaseadaptar de umamaneira rápida
e rentávela mudanças ontínuase inesperadas no ambientede produção [10 ℄.
Figura2.3: Evoluçãodosparadigmas de produção (Adapatadoa partir de [7℄).
O impa to da agilidade na manufatura, no projeto do produto, no rela ionamento
om lientes,bem omonaproduçãotemsidoexpressoporquatroprin ípiossubja entes
[11 ℄: dar valor ao liente, apa idade de reagir a alterações, o valor do onhe imento
humanoe ashabilidades e apa idade de onstruir par erias virtuais. Ostrês primeiros
prin ípios podem ser en ontrados no paradigma do lean produ tion, o quarto prin ípio
faz a diferença entre a lean manufa turing da manufatura ágil: na manufatura ágil as
empresas formam alianças temporárias om outras empresas, até mesmo on orrentes,
parareagirasituaçõesinesperadas, ombenefí iosmútuospara ambasasempresas [10℄.
Nosdiasdehoje,os on eitosdelean manufa turing edemanufaturaágilpodemser
bené os paraas empresas que ome em do zero oupara empresas in apazesde
supor-taremgrandes ris os nan eiros. Ambossebaseiamnoprin ípiodeforne erprodutosde
alta qualidadee de baixo usto om omínimo de desperdí io.
Com o onstante aumento da pro ura de produtos ada vez mais personalizados a
baixos preços no mer ado, surgiu o on eitos mass ustomisation [12℄. A mass
usto-misation requer bons níveis de exibilidade e agilidade, utilizando pro essos exíveis, a
diversosprodutospersonalizados.
Esteúltimoparadigmamen ionadopodeserumaboaabordagemparaosdiasdehoje,
vistoqueasempresasoperam adavezmaisemambientesmaisexigenteseimprevisíveis.
E estas novas abordagens podem não ser sinónimo de obter produtos mais aros aos
obtidos, por exemplo, pelaprodução emmassa.
2.2 Classi ação dos sistemas de produção
Os sistemas deprodução podemser lassi ados dea ordo omo layout de produção e
volume de produção [7 ℄.
A lassi ação realizadade a ordo om olayout deumsistemade produção,
orres-pondeà lassi açãodo sistemadeprodução dea ordo omadisposiçãodasinstalações
físi as. Nasindústrias de produção, de itens dis retos, é possívelen ontrar três layouts
de produção prin ipais: xed position, produ t ow layout e pro ess layout.
Noesquemada xed position,oprodutonãomudadeposição,devidoaoseutamanho
e peso, por issosão osoperadores easmáquinas ase adaptaremao produto.
No esquema do produ t ow layout, o equipamento está disposto numa linha de
produção, demaneiraa minimizar otempo de transporte entre máquinas. Otransporte
pode ser realizado manualmente, através de transportadores automáti os, rob s e por
Automati Guided Vehi le (AGV). Este layout apresenta baixos tempos de transporte
e um simples sistema de planeamento e ontrolo de produção. Mas apresenta pou a
exibilidade na mudança do produto e requer um investimento elevado, ao dupli ar o
equipamento na linhade produção.
Noesquema depro esslayout, asmáquinassão agrupadasde a ordo omo pro esso
defabri o. Destaforma adaprodutopodeterasuasequên iadeoperações. Estelayout
éadequadoparaobat hprodu tiontype,poisapresenta exibilidadeebaixoinvestimento.
No entanto, apresenta baixa e iên ia no transporte de material e maior omplexidade
no sistemade planeamento e ontrolo de produção.
Os sistemas de produção lassi ados de a ordo om o volume de produção podem
ser divididosemtrês ve tores[6℄: job shop,produção em loteseprodução emmassa.
No asodo jobshop, sãoproduzidaspequenasquantidadese geralmente omgrande
variedade de produtos. Por isso, o material utilizado para este tipo de produção deve
ser exível e deve suportar grande variedade de produtos. A produção de
máquinas--ferramentas, moldese aviõessão algunsdosexemplosdeste tipo de produção.
Aprodução emlotes orrespondeà produção de quantidadesmédias domesmo
pro-duto, naqual têm umapro uraregular. Geralmente oequipamento utilizado neste tipo
de produção é on ebidoparater taxasdeprodução elevadas. Épossívelen ontrar este
tipode produção nafabri ação deequipamentos eletróni ose de móveis.
Aprodução em massaestárela ionada om aprodução espe ializada aum pequeno
númerode produtos, omvelo idades de produção elevadas. Como oobjetivo passapor
terelevadasvelo idades deprodução,oequipamentoea plantadafábri a sãodedi ados
àprodução deumdeterminado produto. Estetipode produção éutilizada,porexemplo
2.3 Computer Integrated Manufa turing
O paradigma CIM onsiste na integração das atividades da empresa, rela ionadas om
a produção, de te nologias de informação, omo base de dados, que permita a tro a e
partilha dedados [13℄.
Paraumaempresa onseguirresponderaosdesa osdomer ado,temqueadotarmeios
quepermitam,nãosótratare ientementetodaainformaçãone essáriaàsuaoperação,
omo tambémdisponibilizar essainformação. Por exemplo, quandoumaempresa
apre-senta uma base de dados para ada departamento, torna-se ompli ada a transferên ia
de dados. A m de eliminar o tempo de transferên ia de dados, este on eito propõe
uma base de dados omum. Desta forma, os diferentes se tores, omo o de marketing,
design e planeamento de sistemas,vão seaproximar.
Éfundamentalinterligar todososníveisdeumaempresa,demodoatomaras
melho-res medidas,para quesepossamaumentara produtividade e oslu ros. Por isso,é ada
vez maisimportante omodo omo o uxodeinformação éplaneado eimplementado. O
desa odeproduzirdeforma ágil, omgrande exibilidade,baixo ustoealtaqualidade,
exige que toda a informação envolva todos os intervenientes que ne essitem, de forma
simplese imediata, emtempo-real [14℄.
Como é ilustrado na gura 2.4, o modelo Y representa a integração de várias
ati-vidades organizativas e té ni as, ligadas e oordenadas, num ambiente de produção,
atravésde umsistemade informação totalmenteintegrado. Asatividades organizativas
orrespondem ao planeamento, gestão e ontrolo de produção. As atividades té ni as
referem-seao ComputerAided Design (CAD), ComputerAidedManufa turing (CAM),
Computer Aided Planning (CAP), Computer Aided Engineer (CAE) eComputer Aided
Quality (CAQ )[15℄.
No lado esquerdo do modelo estão as atividades de planeamento e ontrolo da
pro-dução, enquanto do ladodireito estão asatividades té ni as de engenharia e produção.
Na parte superior do modelo estão situadas as atividades relativas ao planeamento e
na parte inferior a se ção da implementação, onde são in luídas as atividades
respon-sáveis pelo ontrolo da produção. No meio do modelo Y são representadas a base de
dados que alimenta o uxo de informaçõesdo sistemas, por exemplo om, dados sobre
osequipamento, níveis de existên iaselistas de materiais[15 ℄.
Asatividadesopera ionaisestãorela ionadas omoProdu tionPlanningandControl
(PPC). Este orresponde àsatividadesdesde queérealizada umaen omenda,passando
pelaestimativa de ustos epeloplaneamento deprodução, om ajustamento da
apa i-dade,seforne essário, atéàgestãodemateriais, lançamento dasordensde ompra ede
produção. Oestadodasordensdeproduçãoé ontroladoapartirdare olha dedadosda
planta fabril. Por suavez,estesdadospermitem ontrolarquantidades defabri o, usto
e tempos deoperação.
Produ tion Planning and Control
Paraenfrentaras res entesexigên iasdos onsumidores, oPPCéumelemento de isivo
naestratégiadasempresasparaenfrentaras res entesexigên iaspelamelhorqualidade,
maiordiversidade de produtose produtos nais mais on áveis. Éum elemento entral
na estrutura de um sistema de manufatura, fundamental para garantir a e iên ia e a
Figura2.4: Modelo Y- S heerdo sistema(Adaptadoa partir de[15℄).
O PPC é baseado num onjunto de funções inter-rela ionadas, para omandar o
pro esso produtivo e oordená-lo om osvários se tores administrativosda empresa. A
suaintegração dependedotipodeindústria,dimensãoe,asváriasestruturas naempresa
em questão[17 ℄.
A prioridade é queo PPCseja umsistemade apoioà produção, que omande e
o-ordeneo pro essoprodutivo,fundamentalpara umpriro planeamento eaprogramação
dospro essos de maneirae az, paraassim satisfazerosrequisitosde tempo,qualidade
e quantidadesdo sistemaprodutivo.
Computer Aided Planning
O planeamento é um pro esso importante omo elo de ligação entre o projeto e
pro-dução. É muito importante o plano de trabalhos desde o estado ini ial até ao estado
naldo produto. Aferramenta CAP vêmpor issoauxiliaràelaboração dasequên ia de
operações, omoopro essamento,montagem einspeção,ne essáriasparaaproduçãodo
produto. É também de referir que esta fase tem omo base as espe i ações feitas no
desenhoté ni o, porque ara terísti as omo aspropriedades dosmateriaisetolerân ias
podem serin uentes neste plano.
Osprin ipaispassosda elaboração doplano dopro esso são:
seleçãoda matéria-prima;
determinação dasequên ia de operações;
seleçãodo tipo de máquinasque exe utam asoperações;
a essórios eequipamentosde inspeção;
determinação deparâmetros de produção (velo idadede orte,avanço,et .);
determinação de tempos de fabri ação (tempo para a preparação, tempo de
pro- essamento,tempo demaquinagem).
Computer Aided Design
Opro esso de desenhopodeser divididonas seguintes fases[15 ℄:
Con eção;
Desenvolvimento;
Detalhe.
A fasede on eção orresponde àanálise e avaliaçãode várias soluçõese propostas.
Nafasededesenvolvimentoassoluçõessãoavaliadas,porexemplo,atravésda onstrução
deprotótipos. Por m,afasededetalhe orrespondeàrepresentação eespe i açãodas
peças. Nesta última fasejáé realizada apreparação dasinstruçõesparaa produção.
Atravésda ferramenta CAD todo estepro esso de desenho pode sair bene iado. O
CAD tem omo base oseditores grá os, onstituídos por um onjunto de rotinas que,
permitema riaçãoe manipulação deimagens ompostas omo auxíliodo omputador.
A sua utilização permite riar, atualizar e do umentar umprojeto. O tempo de
desen-volvimento diminui ea qualidade émelhorada. Por isso, éevidente queesta ferramenta
visao aumento da produtividade de on eçãodo projeto.
Computer Aided Engineering
OCAEéumaferramenta que omplementa oCAD,poisbaseia-sena onstruçãoe teste
deprotótipos,anívelde software e,permiteavaliaraexequibilidadee fun ionalidadedo
produto, umavez queforne e ferramentas omputa ionais de análiseme âni a,
inemá-ti a e deelementos nitos.
Aanálise realizadaatravésdestaferramenta aprimoraa qualidadedo produto,visto
queveri a seoproduto obede eàs ara terísti as me âni as e estruturaisexigidas.
Computer Aided Manufa turing
A omponenteCAMrefere-seao ontroloinformatizadodetransporte,armazenamentoe
dasmáquinasdeprodução. Tantoaprodução autónoma omoasformasorganiza ionais
paraa produção exíveis podemser abordadas através destaatividade.
Asmáquinas de ontrolo numéri o foram um dosprimeiros passos dados na
produ-ção assistida por omputador. As máquinas de ontrolo numéri o surgiram, nos anos
inquenta, depois de uma demonstração bem su edida no Instituto de Te nologia de
Massa husetts. O uso das máquinas de ontrolo numéri o permitiu melhorar
substan- ialmente a qualidade e repetibilidade dos produtos produzidos. Por isso, nos anos 70,
surgem as máquinas-ferramentas om Controlo Numéri o Computorizado (CNC ). As
máquinas CNCequipadas omsistemasautomáti os dealimentaçãode peças, armazém
de ferramentas e tro a de ferramentas automáti a, apazes de exe utar interpolações e
ompensações dasdimensõesdas ferramentas, permitiram diminuir ostemposnão
automati amente programas de maquinagem, pois a elaboração manual de programas
é uma tarefa que pode dar muito trabalho e ser sus etível a erros humanos. A riação
automáti adosprogramas, apartirdeopós-pro essador on guradoparaamáquinaem
questão,veioreduzirotempode on epçãodeumprograma,mastambémapossibilidade
de analisar melhorasestratégiasde maquinagemutilizadas.
Aintrodução dosrob spermitiu o aumento daprodutividade, darobustez, da
velo- idade e da resistên ia a ambientes adversos. Há muitas de nições paraos rob s, omo
ade nição realizadapeloInstitutoAmeri anodeRobóti a,quede ne "orob é um
ma-nipulador multi-fun ional, programável, projetado para mover materiais, omponentes,
ferramentas oudispositivosespe iais atravésdemovimentos programáveis variáveis para
a exe ução de uma variedade de tarefas". Na indústria, em geral, é apli adona pitura,
soldadura, montagem ou emoperaçõesde manuseamento de material.
Ossistemas de produção automatizados podemser otimizados seo forne imento de
ferramentas, peçase materiais de produção tambémfor automáti o. O AGV, ilustrado
pela gura 2.5, é um sistema de transporte de material inteligente, exível e versátil.
Alimentadoa partir de baterias e, ontrolado por mi ropro essador, onsegue-se mover
numa trajetória pré-de nida. É apaz de se moverem todas asdireções, para arregar
ou des arregar automati amente materiais, mesmoemambienteshostis.
Figura2.5: Sistemade transportede material AGV[18 ℄.
Um Automated Storage/Retrieval System (AS/RS ) é vo a ionado para armazenar
temporariamente materiais, atravésde dispositivosautomáti ose geridoporte nologias
deinformação,semintervençãohumana. Estessistemassãoamplamenteutilizados,para
armazenarmatérias-primas,peçasintermediárias,produtosa abados,ferramentas,peças
para re uperar e peças não onformes. Apresenta-se omo umaboa solução de
armaze-namento,vistoque,otimizaoespaçodearmazenamento,porquepodeterumaestrutura
om elevada altura e om orredores estreitos. Também a nível superior, o sistema de
ontrolodeproduçãoébene iado,poisforne einformações, omoasexistên iasedatas
de forne imento no sistema, evita ruturas e possibilita uma gestão em tempo-real (ver
gura2.6).
Um entrodepro essamentoéde nidoporumamáquina om ontrolonuméri o, om
tro a de ferramenta automáti a equepodelidar oma exe uçãodevárias operaçõesde
trabalho numpro esso ontínuo. Opro esso demaquinagempodeser onsiderado omo
um exemplo lássi ode um entro de pro essamento. Os entros de pro essamento são
muito omplexas,mesmo emníveisde produção depequeno porte. Integração de várias
operaçõespermite queotempo depro essamento sejabemreduzido [15℄.
Figura2.6: Sistemade armazenamento e re uperação automáti a [19℄.
Uma élulade fabri o exível onsiste emmáquinasautomatizadas, omumsistema
de armazenamento intermédio e uma estação de arregamento e de aperto automáti o.
Pode onterfunções omputorizadasa mde propor ionaro ontrolo daferramenta,
va-riáveisespe iaisemonitoramentoemtempo-real. Assim,uma éluladeprodução exível
é omposta por váriasmáquinas-ferramentas ontroladasnumeri amente, quepode
pro- essar automati amente partes de produção similares durante um período prolongado.
Se a aquisiçãoea deposição de peçasde produçãotambém for automatizado,as élulas
de produção,em seguida,são exíveis[15 ℄.
O sistema de produção exível onsiste num sistema de pro essamento, em que o
sistema de uxo de materiais e o sistemade uxo de informação, estão interligados
en-tre si. Através de programas de ontrolo, o omputador assume o transporte de peças
de produção e das ferramentas, bem omo o forne imento às instalações de produção.
A sequên ia de operações pode ser exível, uma vez que o transporte não se baseia
numa ordem espe í a de pistas da máquina. Uma vez que as estações de
pro essa-mento são forne idas om programas de ontrolo numéri o, a partir do omputador de
ontrolo do sistema de produção exível, isto pode ser interpretado omo um sistema
Dire tNumeri alControl (DNC). Asestaçõesdepro essamentoindividuaissãoemgeral
Computer Aided Quality Assuran e
Cada vez mais ossistemas de veri ação dasempresas de produção são automatizados,
porexemplo, omsensoresesistemasdevisão,eoplaneamentodopro essodeveri ação
apoiado por sistemas informáti os. Os pro edimentos de teste podem ser apresentados
atravésda estatísti a epesquisasparaplanear operaçõesde ontrolo dequalidade.
Asquestõesde qualidadee ontrolo a ompanham opro esso desde averi ação dos
materiais de entrada, o ontrolo de qualidade do pro esso de produção e, o ontrolo do
produto nal. Segundo [15℄, a des oberta tardia de qualquer erro pode levar a grandes
ustos, ou por outras palavras, a garantia da qualidade pode onstituir até 50% dos
ustosde produção.
Vantagens
Asprin ipais vantagens doparadigma CIMpodemserlistadas omo [13;20 ℄:
Aumento da produtividade: a eliminação da redundân ia de informação onduza
umamelhor gestãoe ontrolo dosre ursos, ommelhorias arondar os40a 70%;
Aumento da exibilidade: umavezqueainformaçãoépartilhadaépossívelterum
ontrolodes entralizado,oquelevaamelhorararapidezderespostaaperturbações
externas einternas;
Aumento da qualidade: a integração de sistemas automatizados reduz o número
de falhas, uma vez que a informação nun a é dupli ada. Com o sistema CIM é
possívelaumentar2 a5 vezes aqualidade doproduto;
Redução do tempo do projeto: umavez quea informação do desenho do produto
é partilhada por todasasequipas responsáveis, onsegue-se obterumaredução na
ordem dos15 a30%no tempode desenhono projeto;
Workin Pro ess (WIP): este tipo degestão integrada permite umareduçãode 30
a 60%do trabalho emprogresso.
2.4 Arquiteturas das Comuni ações Industriais
OCIMenglobatodasasatividadesnossistemasdefabri o,nãosóasoperaçõesdefabri o,
omo a oordenação e ooperaçãoentre osdiferentessubsistemas. As omuni ações são
umaspetoimportante, umavez queasatividadesdefabri odesenvolvidas,emambiente
CIM,traduzem-seessen ialmentepelatransferên ia,armazenamentoepro essamentode
informação. Outro fator a ter em onta passa pela heterogeneidade do ambiente fabril,
no que to a aos equipamentos, por isso é importante de nir normas nos sistemas de
omuni ação.
As omuni ações requerem infraestrutura té ni as, omo o software e o hardware, e
regras que ondi ionem aspe tosté ni osefun ionais, omoosproto olos. É
fundamen-tal que estastenham apa idade de tornar a informação de uma lo alização geográ a
a essível para outra e, por outro lado, om apa idade de transferir informação de um
ponto para o outro omeventual ne essidade de armazenamento de informação por
pe-ríodosde nidos ouinde nidos detempo.
Segundo a International Organization for Standardization (ISO ), os sistemas de
seja referente àsindústrias de fabri o dis reto, o modelo, ilustrados na gura 2.7, pode
também serapli adoao ontrolo depro essos [3 ℄.
Figura2.7: Modelohierárqui o dossistemasde fabri o automatizados.
Adivisãoemdistintosníveisébaseada, entreoutrosaspe tos,nostiposdeatividades
realizadasnasempresas,egeralmente,nautilizaçãodediferentestiposderedesde
omu-ni ação nosdiferentes níveis. A partirdeste modelo os uxos de informação podemser
mais per etíveis. Os uxos verti ais orrespondem aos uxos entre entidades de níveis
hierárqui os adja entes e os uxos de informação horizontais aos uxos entre entidades
do mesmonível.
Nasáreas dotopo da pirâmide,rela ionadas omo planeamento ou oma
engenha-ria de on eção, as omuni ações devem satisfazer tro as om grandes quantidades de
informação, nasquais têmde serpro essadas duranteperíodosrelativamentebaixos.
Osníveisinferiores dahierarquia geralmentetro ampequenasquantidadesde
infor-mação,quene essitamserpro essadasdeformarápida, porqueabaixonívelsão
ontro-lados pro essos industriais de tempo ríti o. Este tipo de transações tem normalmente
umaperiodi idade í li a efrequên ia relativamente elevada.
Asredesparaosníveismaisbaixosdahierarquiadasredesde omuni açãosão
desig-nadaspor redesde ampo ou eldbus,que sãobasi amente vo a ionadas parainterligar
sensores,atuadores e ontroladores.
Asatividades rela ionadas omo ontrolo do pro esso industrial estão intimamente
ligadas à estrutura de omuni ações que lhes serve de suporte. Daí surge também a
adoção de um modelo hierárqui o para a arquitetura de omuni ações. A estrutura de
ontrolopodevariaremnúmerodeníveis,entrequatroeseis,masaoníveldaarquitetura
de omuni açõesé usualestar dividido emtrês.
Di ilmenteseria apazdeexistirumaúni aredede omuni ação apazdesatisfazer
osrequisitosne essáriosparaastro asdeinformaçãoexistentesnumambienteindustrial,
devido às distintas ara terísti as que o ambiente pode ter. Nos níveis inferiores da
hierarquia CIM,podemser abordadas diferentessoluções.
2.4.1 Redes de Fábri a
As redes de fábri a são vo a ionadas para os níveis superiores da hierarquia da
pro esso e demateriais e asáreasde engenharia nan eira e omer ial.
O uxo de informações arateriza-se essen ialmente para os níveis inferiores, nas
ordens de fabri o e nasinformações asso iadas ao seu es alonamento. E para osníveis
superiores, relativas aoestado dasordens de fabri o, àqualidade do pro esso produtivo
e aospedidosde aquisiçãode materiaise re ursos.
Por isso,asredes defábri adistinguem-sepelofa tode teremde apresentar
ara te-rísti asquepermitam umelevado uxodeinformação semrequisitostemporais ríti os.
2.4.2 Redes de Célula
Asredes de élulapro uram satisfazerasne essidades intermédiasdahierarquia. Como
foi men ionada anteriormente, uma élula agrupa um onjunto de equipamentos que
ooperampara a exe uçãode umatarefa.
Aeste nívelpretende-se orrespondera atividades omo o es alonamento, o
sequen- iamento,exe uçãodetarefas,re olhadosdadosdaqualidadedeproduçãoere olha dos
dados relativosaodesempenho dosequipamentos onstituintes de uma élula.
Estas redes sãopretendidas para transferirparaníveis des endentesinformação que
podem onter, porexemplo,ordensde exe uçãodeoperaçõesouprogramas de ontrolo,
e emsentido as endente devemdisponibilizar informação sobre a evolução e resultados
dasoperações exe utadas.
Por isso, este nívelapresenta uxos de informação de volume intermédio om
requi-sitosde tempoexigentes, masquepodemnãoser ríti os.
2.4.3 Redes de Campo
As redes de ampo apresentam ara terísti as vo a ionadas para o ontrolo direto do
pro esso industrial, nomeadamente a exe ução de algoritmos de ontrolo, nos
equipa-mentos oudispositivosqueatuam si amente nopro esso dosprodutosaoperar. Desta
forma, a interfa e om o pro esso é realizada através de sensores e atuadores, em que
alguns podemapresentar apa idades de pro essamento omplexas.
Aeste nívelos uxos deinformação apresentam, por isso, umreduzido volume,mas
om requisitostemporais ríti os.
Omodelode referên ia Open SystemsInter onne tion (OSI ) servede basepara
des- reveraarquitetura on eptualde umsistemade omuni ação genéri o. Masem
apli a-ções de tempo-realos re ursos omo a apa idade de pro essamento e a quantidade de
memória por vezessãolimitados. Como édesejáveltambémamenor latên iapossível,o
modelo de referên ia OSImuitas vezes não é totalmente implementado, podendo
desig-nar aestaimplementação par ial,representada pela gura2.8, deEnha ed Performan e
Ar hite ture EPA [21 ; 22 ℄.
A amada físi a é responsável pela odi ação, des odi ação e temporização dos
bits, pela sin ronização e pelas ara terísti as físi as do barramento, omo a topologia
da rede, o anal físi outilizado paraa omuni ação, a taxa de transmissão, o tamanho
máximo do barramento, o número máximo de nós que podem ser ligadas à rede e a
imunidadeàsinterferên ias eletromagnéti as [23 ℄.
A amada da ligaçãode dados o upa-se da transferên ia de informação entre vários
pontosdarede,en apsulando/desen apsulandoainformaçãosobaformadetramas,pelo
A amada de apli ação sele iona os serviços om as funções apropriadas para ada
umadasapli ações[24 ℄.
Existemdiferentestiposdetopologiaspossíveisparaasinfra-estruturasde
omuni a-ção de tempo-real emsistemasdistribuídos: barramento, estrela,anel, malha ouárvore,
ontudo asmaisutilizadas emsistemas de tempo-realsão astopologias embarramento
e emanel[25; 26℄.
Figura2.8: Camadasdo modeloEPA (Adaptadoa partir de [24℄).
2.5 Arquitetura dos Sistemas de Controlo
A res ente des entralização ao níveldasfunçõesde ontrolo e a res ente utilizaçãode
dispositivosinteligentesbaseados emmi ropro essadoresoumi ro ontroladores, riaram
ondiçõesne essárias paraodesenvolvimento dasredes de ampo.
Umsistemade ontrolotemumpapelrelevanteparaofun ionamento orretoeseguro
de umpro esso industrialde qualquer natureza. Independentemente da omplexidade e
dimensãodopro essoindustrialem ausa,estepodeserde ompostoemtrêssubsistemas,
omoérepresentadopela gura2.9: pro esso ontrolado, ontroladoreoperadorhumano.
Figura2.9: Sistema de ontrolo.
O ontroladoréumequipamentointermediário, umavezqueinterageatravésdeduas
interfa es distintas om osoutros doissubsistemas.
Ainterfa e queinterage omo pro esso ontrolado,de nida omo ainterfa e de
ins-trumentação, onsiste num onjunto de sensores e atuadoresque transformam ossinais
físi os do pro esso ontrolado emsinais om ara terísti as apropriadaspara serem
uma quantidade físi a e apaz de a onverter num sinalmensurável por um utilizador.
Os sensores podemser de vários tipos, desde sensores detemperatura, humidade,
lumi-nosidade, pressão,entreoutros. Os sensores sãopor issoum omponenteimportantena
malha de ontrolo,vistoquepermitequeo ontrolador onheçaoestado dosistema. Na
sua ausên iaqualquer tipode ontrolo por realimentação seriaimpossível ser realizado.
O atuador é um elemento da malha de ontrolo que pretende ontrolar o sistema. A
sualo alizaçãofísi a é muitoimportante, tendo muitas vezes de seguirrequisitos muito
espe í os, atravésde me anismosme âni os, pneumáti oou elétri os.
Ainterfa e que interage omo operador humano, de nida omo ainterfa e
homem--máquina ouHuman Ma hineInterfa e (HMI), onsistenum onjuntodedispositivosde
entrada e saída, que permitem a interação om um operador humano. Esta interação
tipi amente realiza-se ao nível da de nição dos parâmetros do pro esso e da supervisão
da respetiva evolução. Muitas vezes deve ser olo ada num lo al remoto do sistema a
ontrolar, omo,porexemplo,emfábri asondesãomuitasvezes entralizadasem entros
de omando,para umagestão global simpli ada.
Basi amente, o ontrolador é responsávelpor ontrolara evolução do pro esso
atra-vés da exe ução de um algoritmo de ontrolo adequado, a partir do pro essamento da
informaçãooriundadainterfa edeinstrumentaçãoedaHMI. Pararealizarestasfunções
o ontroladordispõe deumaestruturafun ional,baseadanautilizaçãode equipamentos
adequadosao pro esso em ausa, quesuporta aexe uçãodo algoritmo de ontrolo.
2.5.1 Arquitetura Centralizada
A arquitetura omum nossistemas deautomação industrial ede ontrolo eraa
entrali-zada, até aos anos80. Como é apresentada pela gura 2.10, a arquitetura entralizada
onsistenumponto entralondetodoopro essamento de ontroloérealizadoeondesão
idealizados todosos omandos paraseremapli ados aopro esso [23 ℄.
Figura2.10: Sistemade ontrolo entralizado.
Otipodetopologiaemestrelaa arretaalgumasimpli idade,porqueainformaçãoestá
entralizada e é sin ronamente oordenada por apenasuma unidade pro essadora. Mas
algumas in onveniên ias podem serlevantadas, umavez que ossensorese/ou atuadores
podem estardispersos,originando algunsproblemas omo [23℄:
Umagrande on entração de ablagemjunto do ontrolador, omosproblemas de
atravan amento inerentes, resultandoem di uldadedeinstalação e manutenção;
Uma extensão poten ialmente muito grande da ablagem total, om um elevado
Sensibilidadeaoruído,muitoemparteporqueamaioriadastransmissõesI/Oeram
analógi as.
Estetipode arquiteturaapresentatambémbaixa abilidade, umaavariadaunidade
entral omprometeriaofun ionamento detodoo onjunto. Estein onvenientepodeser
ríti o,sepelanaturezaou ondi ionantee onómi anãosejaa eitávelquepossao orrer
uma interrupção do pro esso. O número de entradas e saídas estão limitadas, tendo
em onta, que um possível aumento do sistema possa originar mais pro essamento, de
tal formaque aunidade entral possa não terre ursos su ientesparapro essar todaa
informação [27℄.
2.5.2 Arquitetura Distribuída
Problemas omo alguns men ionados na arquitetura entralizada impulsionaram outras
soluções, omo os sistemas de ontrolo distribuído. Várias funções de ontrolo, omo
o ál ulo e a supervisão podem estar distribuídos pelos vários elementos do sistema,
normalmente designados nósou nodos.
Figura2.11: Sistema de ontrolo distribuído.
A gura2.11, lari aque adanótemautonomiadepro essamentoe adaumdestes
elementosfaz interfa e omopro essoatravésdosrespetivos omponentesde I/Oe om
osrestantesnósdo sistemaatravésde umsistemade omuni ação. Apenasé ne essário
um analde omuni ação omumatodosparainterligá-los,masdestaformaéne essário
que haja um sistema de omuni ação que suporte todas as tro as de informação entre
osvários nós eque garanta o bomfun ionamento do onjunto, omníveis de segurança
a eitáveis paraquea informação nãoseja adulteradae hegue íntegra ao seudestino.
Oalgoritmode ontrolo já nãoseexe uta apenasnumaúni aunidade ontroladora,
onde é relativamente fá il sin ronizar todas as atividades desempenhadas. Passa a ser
ompostopormúltiplosprogramasquerequeremsin ronizaçãoe omuni açãoadequadas.
Apesar desta arquitetura apresentar simpli ação da ablagem, a omplexidade da
suaimplementaçãoémaior, ontudoapresentaoutrasvantagens, omoamaiorliberdade
ao res imento do sistema, ao nível da apa idade de pro essamento e da omuni ação.
haja apa idade de omuni ação disponível. Se a apa idade de omuni ação ar
es-gotada, a solução passa pela des entralização do pro essamento da informação, riando
módulos ompro essamentosindependentes, demaneiraaqueainformação ir ulepelas
vias de omuni ação, omuns a todosos módulos, para que a informação seja re ebida
por todos, e estes as utilizem em função das suas ne essidades. Quando se riam
mó-dulos espe ializados num determinado tipo de pro essamento, ada um deles faz o seu
pro essamento independente e ao mesmotempodosrestantes módulos[1℄.
Generi amente quando se trata de sistemas de ontrolo distribuído poderão advir
ertasvantagens omo [1℄:
Otimização de re ursos: Numa apli ação distribuída é inerente um tipo de
pro- essamento paralelo, otimizando assim a gestão de tempos e re ursos. Com a
apa idade de ál ulo de ada nó, a informação re olhida poderá ser tratada, ao
linearizar e digitalizar a informação, para ar menos sus eptível a erros durante
umatransmissão e diminuira quantidade de informaçãotransportada narede;
Modularidade: A apa idade de pro essamento dosnóspossibilita que
fun ionali-dadesespe í assejamatribuídas a adanó. Aointerligar osváriosnósatravésde
uma rede onduz a uma estruturação mais modular e, onsequentemente, menos
omplexa,bene iandodestaformanamanutençãoenaevoluçãodestessistemas;
Cablagem: O uso de uma rede partilhada torna a ablagem mais simples e om
maisvantagens. Por exemplo, numsistemabaseado num barramento de ampo,é
possívelfazer ir ularumnúmero elevado desinaisdiferentes sobreo mesmomeio
geralmente omum abo omdois ouquatro ondutores;
Es alabilidade: Esta ara terísti a indi a a habilidade de manipular uma porção
res ente detrabalho, deformauniforme, ouestar preparadoparaadi ionarnovos
elementos;
Tolerân ia a falhas: Os sistemas de ontrolo distribuído onseguem repli ar o
mesmo programaem vários nós riando umaredundân ia espa ial. Assimse uma
dasrépli as falhar outrapoderáa substituir;
Partilhadedados: Comoainformação nãoestá entralizada,a redepropor ionaa
fa ilidade napartilha de informação.
Figura2.12: Diagramadeblo osdetalhadodeumsistemade ontrolodistribuído
A gura2.12, apresenta o diagrama de blo os detalhado de umsistema de ontrolo
distribuído, assim omo os tempos de pro essamento e de omuni ação asso iados ao
seu fun ionamento. Odiagrama lari aa proveniên ia de possíveisatrasos quepodem
estar asso iados tanto ao pro essamento das tarefas em ada nó omo à utilização do
barramento. Épossívelidenti arosatrasosquemedeiamentreoinstantedeamostragem
eoinstantedeatuação. Essesatrasossãodedoistipos: tempodepro essamentointerno
em adaumdosnós, omo
tps
,tpc
,tpa
,eotempointroduzidopelome anismode ontrolodo a essoaobarramento, omo
t
b
. Essesatrasoslevamaque existain erteza quanto aoinstantedeatuaçãosobreosistema. Podetambémexistirin ertezaemrelaçãoaoinstante
de amostragem,dependendodomodo omoéfeita aativaçãodatarefaresponsávelpela
mesma.
Otempode a essoaobarramento depende dométodode ontrolo de a essoao meio
espe í o de ada barramento, do tipo de tráfego e dos me anismos de es alonamento
utilizados [24 ;28 ℄.
Figura2.13: Representação temporal dotempo entre aamostragem ea atuação
(Adap-tadoa partirde [24 ℄).
A gura 2.13, apresenta os tempos envolvidos entre o instante de amostragem e o
instantedeatuaçãopara ada i lode ontrolo. Operíododeamostragemérepresentado
por
h
. As setas para ima e para baixo representam, respetivamente, o instante deamostragem e o instantede atuação. Através dessa imagem fa ilmentese pode deduzir
otempoentreaamostragemea atuação,sabendo queesteévariável, de i lopara i lo
de ontrolo,e originandopor issoin ertezano instantede atuação:
t
sa
= tsc
+ tca
(2.1)Essa in ertezaé designada,neste ontexto,por jitter. Podem-se obteroutras expressões
mais pormenorizadas para
t
sa
. Basta omparar a gura 2.13 om a gura 2.12 para seobterem asexpressões:
t
sc
= t
ps
+ t
b
(2.2)t
ca
= t
pc
+ t
b
+ t
pa
(2.3)O valor de
t
sa
varia onsoante o tráfego presente no barramento e o me anismo de2.5.3 Arquitetura Centralizada e Distribuída
Em termos on eptuais,osaspe tosque mais ontrastam aarquitetura distribuída om
a entralizada são:
A apli açãode sistemade omuni ação partilhado;
O barramento de ampo, que permite introduzir uma grande simpli ação de
a-blagem e redução dorespetivo usto;
A distribuiçãodo algoritmode ontrolo, oqual pode serdividido emvárias partes
que exe utamparalelamente em ada umdosnós;
A informação re olhida deve ser a mais ompleta, orretae atual sobre o estado do
pro esso, para que o ontrolo seja realizado de forma mais e az quer em termos da
qualidade do ontrolo.
A integração e apli ação em larga es alarequer umaarquitetura adequada que
sus-tenteasinteraçõesne essáriasà on retizaçãodosobjetivosglobaisdosistema. A
arqui-tetura dos sistemas deautomação industrial e de ontrolo tem vindo a evoluir ao longo
dostempos,havendohojeum larodomíniodasarquiteturasdistribuídas,asquais
apre-sentam inúmeros benefí ios relativamente às arquiteturas mais antigas, baseadas num
modelo entralizado de ontrolo e operação.
2.6 Sistemas de Controlo Distribuído em Tempo-Real
Osavançoste nológi osaliados omdiminuiçãodos ustosdeimplementaçãofa ilitaram
a introdução dos sistemas de ontrolo de tempo-real distribuídos. Hoje em dia, este
tipodesistemasestão presentesemdispositivosqueinteragem omoquotidiano deuma
forma direta, mas pelo o fa tode serem in orporadas faz om queos utilizadores nais
não tenham muitas vezes ons iên ia dasuaimportân ia,ou mesmo dasuaexistên ia.
Um sistema designa-se por tempo-real quando a orreção do seu omportamento
depende não sódo valor nal resultanteda suaação mas também doinstante temporal
emqueessevaloré produzido. Ossistemasdetempo-realpodem lassi ar-sedea ordo
om otipo de restriçõestemporais, emhard ou soft [29 ℄.
Umsistema de tempo-real é do tipo hard se a produção do resultado para além do
instante temporal imposto pela deadline pode originar falhas atastró as na operação
do sistema ou no ambiente em que este se insere. Neste tipo de sistemas a falha
pro-duzida pode ter onsequên ias fatais, omo por exemplo, no aso de uma passagem de
nível automáti a. Se a an ela não for fe hada dentro de um período de tempo bem
determinado após a deteção da aproximação do omboio pode dar-se um a idente que
pode resultar naperdade vidas[24℄.
Seporoutroladoodeadlinepudersero asionalmenteultrapassado, omperdado
de-sempenho do sistema mas sem onsequên ias desastrosas, então o sistema de
tempo-real diz-se do tipo soft. Um exemplo típi o, são as apli ações multimédia, omo
por exemplo,ostreaming de vídeo [24℄.
Para que os sistemas de ontrolo estejam distribuídos, o meio de omuni ação tem
de apresentar elevados níveis de rendimento e abilidade ne essários para este tipo de
apli ações. Deve garantir o transporte da informação dentro de um intervalo de tempo
