PROPOSTA DE MODELAGEM DE UM
SISTEMA FLEXÍVEL DE MANUFATURA
CENTRADO EM ROBÔ UTILIZANDO
REDES DE PETRI
FLAVIO PIECHNICKI (PUC)fpiechnicki@gmail.com
Os avanços tecnológicos e o aumento da complexidade dos equipamentos empregados nos processos de manufatura têm exigido cada vez mais a utilização de novas técnicas, tanto no projeto, como no acompanhamento destes sistemas. Contudo, é imporrtante a visualização do processo em várias etapas, que são executadas em seu fluxo de trabalho. Este artigo eleva a importância dos sistemas de gerenciamento de workflow no atual mercado competitivo, por oferecerem apoio às decisões importantes. Além disso, mostra, através da modelagem de um Sistema Flexível de Manufatura (FMS), como a modelagem é utilizada não somente para a especificação dos passos do negócio, mas também para auxiliar as organizações na compreensão de seu próprio processo. Serve também como elemento motivador para profissionais e pesquisadores que atuem em processos de manufatura. Palavras-chaves: Modelagem, Sistemas Flexíveis de Manufatura, Rede de Petri
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1. Introdução
Atualmente as empresas buscam diferenciais para ocuparem um lugar de destaque no mercado em que atuam, mantendo-se fortes e competitivas. Diante disso, diversas são as ferramentas e metodologias que vem sendo testadas e aplicadas para a melhoria dos processos de fabricação. Com o apoio dessas ferramentas, as atividades produtivas podem ser
modificadas em curto prazo, com mais economia e direcionados para os custos, aumentando da eficiência do processo e da produtividade, reduzindo erros operacionais, melhorando as condições de segurança e qualidade do produto, reduzindo custos e mão-de-obra, dentre outros (EGREJA, 1999).
Neste sentido, uma ferramenta muito utilizada para a modelagem de processos na área de manufatura é a Rede de Petri, que pode descrever relações de simultaneidade, sincronismo, distributismo ou paralelismo entre diferentes informações de forma precisa e direta. No presente trabalho propõe-se a modelagem de um FMS - Flexible Manufacturing System (Sistema Flexível de Manufatura), que é um complexo DEDS – Discrete event dynamic
system (Sistema dinâmico de eventos discretos). Para isso, Liang et al. (2008) afirma que
primeiramente deve ser realizado o projeto e a modelagem, então o modelo precisa ser descrito e verificado, e, finalmente, os resultados da simulação devem ser analisados.
2. Referencial teórico
Os avanços tecnológicos têm cada vez mais exigido novas técnicas para a síntese e verificação de sistemas complexos. Normalmente, no mundo real, os sistemas envolvem ambos os sinais contínuos e discretos / lógica. Além disso, são frequentes os casos que, em um sistema, existam várias atividades realizadas ao mesmo tempo (IORDACHE &
ANTSAKLIS, 2006). Em função disso, os sistemas de controle da produção, a integração de novas tecnologias e o trabalho em grupo levam a novos conceitos de reorganização de uma empresa em direção a uma estrutura descentralizada (LEONDES, 2001). As informações precisam estar cada vez mais disponíveis em todos os níveis do processo de fabricação e, dentro da configuração de qualquer tecnologia de processamento de informação, o que é importante é a forma como a informação move-se, é modificada, manipulada e apresentada, de modo a poder ser utilizada no gerenciamento de uma organização (SLACK &
JOHNSTON, 2009).
Devido à complexidade dos sistemas de manufatura, profissionais da área em questão oriundos de instituições de pesquisa, universidades e fornecedores, trabalham em soluções para facilitar a implementação desses sistemas. De acordo com Noureddine (2006), a geração de um modelo conceitual é o primeiro passo da matodologia geral para a modelagem e a análise de sistemas de manufatura. E para a modelagem e avaliação de desempenho desses sistemas, Redes de Petri tem sido usadas frequentemente, com sucesso (AL- JAAR & DESROCHERS, 1990). Redes de Petri são constituídas por ferramentas matemáticas e gráficas, que oferecem um ambiente uniforme para a modelação, análise formal e simulação de sistemas a eventos discretos, permitindo uma visualização simultânea da sua estrutura e comportamento (RAMOS, 2001).
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2.1. FMS – Sistemas Flexíveis de Manufatura
Um sistema flexível de manufatura (FMS) é um arranjo de máquinas interligadas por um sistema de transporte. O sistema de transporte carrega produtos para as máquinas em paletes ou outras unidades de interface, de modo que o registro de trabalho da máquina é preciso, rápido e automático. Um computador central controla tanto as máquinas como o sistema de transporte (SHIVANAND et al, 2006). Sistemas FMS são chamados de flexíveis por serem capazes de processar uma variedade de peças simultaneamente na estação de trabalho e quantidades de produção podem ser ajustadas em resposta à mudanças nos padrões da demanda. Os componentes básicos de um FMS são: (SHIVANAND et al, 2006)
- Workstations (estações de trabalho).
- Sistema de manuseio de materiais e sistema de armazenamento. - Sistema de Controle Computadorizado.
De acordo com Shah & Bohez (2011), um FMS pode produzir uma variedade de produtos de diferentes graus de complexidades. Os benefícios associados à FMS só podem ser alcançados se o sistema for devidamente concebido antes da sua implementação.
Com relação ao leiaute de um FMS, Shivanand (et al, 2006) divide em 5 tipos diferentes: - Tipo progressivo ou linha;
- Tipo loop; - Tipo escada; - Tipo campo aberto; - Tipo centrado em Robô.
No presente trabalho será utilizado o FMS tipo centrado em robô, que é uma forma relativamente nova de sistemas flexíveis em que um ou mais robôs são usados como os sistemas de manuseio de material, como mostrado na figura 1. Robôs industriais podem ser equipados com pinças que os tornam adequados para o manuseio de peças rotacionais.
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Figura 1: FMS Centrado em robô Fonte: Shivanand et al, 2006
2.2. Redes de Petri
De acordo com Samilifard & Wright (2001), as redes de Petri têm sido amplamente estudadas e aplicadas com sucesso na área de sistemas dinâmicos de eventos discretos, que são
caracterizados por paralelismo e sincronização. Os incentivos que levam a pesquisas nessa área são a forte fundamentação matemática e a disponibilidade de ferramentas de análise (PÁDUA et al, 2004).
A teoria inicial das redes de Petri foi apresentada em 1962, na tese de doutorado
Kommunikatin mit Automaten defendida por Carl Adam Petri na Faculdade de Matemática e
Física da Universidade de Darmstadt, Alemanha (PÁDUA et al, 2004). Trata-se uma ferramenta promissora para descrever e estudar sistemas de processamento de informações que se caracterizam como sendo assíncronos, simultâneos, distribuídos, paralelos, não determinísticos e/ou estocásticos. Como uma ferramenta gráfica, redes de Petri podem ser usadas como uma comunicação visual, semelhantes aos fluxogramas, diagramas de blocos, e redes. Além disso, tokens (fichas) são utilizadas nestas redes para simular as atividades dinâmicas. Como uma ferramenta matemática, é possível estabelecer equações de estado, equações algébricas, e outros modelos matemáticos que regem o comportamento de sistemas (MURATA, 1989).
Uma rede de Petri pode ser definida como um tipo particular de linguagem gráfica constituída por três tipos de objetos. Esses objetos são lugares, transições e arcos direcionados, ligando lugares para transições e transições para lugares. Prioritariamente, lugares são retratados por círculos e transições por barras ou caixas. Um lugar é uma entrada para uma transição, se existe um arco direcionado ligando este lugar para a transição. Um lugar é uma saída de uma transição, se existe um arco direcionado conectando a transição para o lugar. Cada lugar pode, potencialmente, deter nenhum ou um número positivo de tokens, que são representados por pequenos pontos sólidos. A distribuição de tokens nos lugares é referido com a marcação. Um exemplo de RdP com regra de disparo é mostrado na figura 2.
2 2 t H2 O2 H2O 2 2 t O2 H2 H2O
Figura 2: Exemplo de uma transição com regra de disparo Fonte: Murata, 1989
5 A Rede de Petri contendo tokens é chamada de rede de Petri marcada. Em uma rede de Petri marcada, as transições podem ser habilitadas e expulsas.
Formalmente, uma rede de Petri marcada pode ser definida como um período de cinco tuplas (GU & BAHRI, 2002).
, onde:
é um conjunto finito de lugares. é um conjunto finito de transições
é uma função de entrada que define os arcos direcionados dos lugares para as transições, onde N é um conjunto de integradores não negativos.
é uma função de saída que define os arcos direcionados das transições para os lugares, e
é a marcação inicial.
Quando utilizada como ferramenta matemática, Redes de Petri possuem algumas
propriedades. Essas propriedades, quando interpretadas no contexto do sistema modelado, permitem que o desenvolvedor do sistema identifique a presença ou ausência de propriedades funcionais específicas do sistema em desenvolvimento. Dois tipos de propriedades podem ser distinguidos: propriedades comportamentais e estruturais. O comportamento das propriedades dependem do estado inicial ou da marcação da Rede de Petri (GU & BAHRI, 2002).
3. Modelagem do FMS
A modelagem de negócios pode ser vista como um mapeamento dos processos existentes dentro de uma empresa. Este mapeamento é muito importante uma vez que permite um melhor entendimento e uma melhoria dos serviços dentro e fora da empresa. O modelo de negócios pode ser visto como uma visão mais simples do negócio.
Segundo Aalst et al. (2003), a iniciativa dos padrões de workflow foi criada com o objetivo de padronizar as exigências que surgem durante o processo de modelagem de negócios e
descrevê-lo de uma forma interativa (através de gráficos). Desde o seu lançamento, esses padrões têm sido amplamente utilizados por profissionais de diversas áreas para o
desenvolvimento de sistemas de workflow.
O objeto de estudo deste trabalho será a modelagem de uma célula de produção (SILVA, 2007). Groover (2001) sugere um sistema FMS do tipo centrado em robô, conforme a figura 3.
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Machine worktable Machine tool
Robot
Parts carousel V
Figura 3: Célula de Manufatura automatizada com duas máquinas e robô Fonte: Groover, 2001
Trata-se de um sistema de manufatura automatizado, constituído de uma célula de produção com duas máquinas CNC (Controle Numérico Computadorizado), aplicação típica de FMS, que são carregadas e descarregadas por um robô industrial.
Para o presente trabalho, uma adaptação do sistema proposto por Groover (2001) será utilizada. Consiste em um sistema com esteiras de entrada e saída, três máquinas (n=3) para processos específicos e um robô para o manuseio dos materiais e sequenciamento do
processo. Os buffers são identificados por B0, B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7. Propõe-se dois tipos de peças a serem processadas (A e B). A figura 4 mostra a sistema em questão (SILVA, 2007).
7 B1 B2 B3 B4 B5 B6 Máquina M1 Máquina M2 Máquina M3 Esteira de Entrada Esteira de Saída B7 B0 Robô
Figura 4: Sistema de manufatura centrado em robô, caso específico para n=3 Fonte: Silva, 2007
Para o sistema em questão, será considerado que a peça tipo A será manufaturada pelas máquinas M2 e M3 respectivamente, e a peça tipo B pelas máquinas M1, M2 e M3
respectivamente. Será considerado dois estados de operação das máquinas (autômatos): um para máquina em repouso, e um para a realização de uma tarefa. O sistema de produção adotado neste trabalho pode ser classificado como processo discreto, ou seja, envolve de maneira mais significativa variáveis discretas em função do tempo. Além disso, é um processo que se inicia através de uma necessidade de produção emitida por um plano de produção.
8 Início Tipo da peça? Matéria-prima Máquina M1 Máquina M2 Máquina M3 Fim A B
Figura 5: Fluxograma do sistema de manufatura centrado em robô a ser utilizado. Fonte: Autoria própria, 2011.
Existem muitas descrições de detalhes nas mudanças dos objetos em Redes de Petri básicas, e cada estado ou condição do objeto é indicado por um lugar, e cada mudança ou evento é indicado por um transição. Portanto, há muitas observações a serem feitas no sistema quando ele é aplicado de fato ao sistema (LIANG et al., 2008). A figura 6 mostra a RdP do FMS centrado em robô. P1 P2 P3 P4 P11 P6 P5 P7 P8 P9 P10 T1 T2 T3 T5 T6 T4 T12 T7 T8 T9
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Figura 6: Modelo da Rede de Petri do sistema de manufatura centrado em robô. Fonte: Autoria própria, 2011.
Segundo as regras de controle, algum tipo de entrada é convertido em uma saída, com a utilização de algum recurso, que é a atividade de produção. A relação de atividades de
produção é mostrada através das entradas e saídas do sistema, conforme relacionado na tabela 1.
Tabela 1: Interpretações das transições e lugares do modelo da Rede de Petri.
Lugar Descrição Transição Descrição
P1 Início - Plano de produção T1 Emitindo plano de produção P2 Buffer B0 - Matéria-prima para produto A
ou B pronta T2
Transportando produto da esteira de entrada para a máquina M2
P3 Buffer B3 - Produto inserido na máquina M2
pronto T3
Transportando produto da esteira de entrada para a máquina M1
P4 Buffer B1 - Produto inserido na máquina M1
pronto T4 Máquina M1 processando
P5 Buffer B2 - Produto na máquina M1 pronto T5 Máquina M2 processando
P6 Buffer B4 - Produto na máquina M2 pronto T6 Transportando produto da máquina M2 para a máquina M3
P7 Buffer B5 - Produto inserido na máquina M3
pronto T7 Máquina M3 processando
P8 Buffer B6 - Produto na máquina M3 pronto T8 Transportando produto da máquina M3 para a esteira de saída
P9 Buffer B7 - Produto pronto na entrada da
esteira de saída T9 Relatório de produção
P10 Processo pronto
P11 Recurso compartilhado - Sistema de
Transporte (Robô)
Fonte: Autoria própria, 2011.
O modelo da Rede de Petri pôde ser construído com base nas características do processo de produção do sistema de manufatura centrado em robô proposto e nas regras das RdP’s. O modelo pode ser mostrado na figura 6, e as interpretações de transições e lugares na RdP do modelo são mostradas na tabela 1.
4. Considerações Finais
Os avanços da tecnologia têm exigido cada vez mais novas técnicas para a síntese e verificação de sistemas complexos. Para isso é comumente realizada a decomposição do processo de produção em várias etapas de fabricação, que são executadas em seu fluxo de trabalho. Este artigo eleva a importância dos sistemas de gerenciamento de workflow no atual mercado competitivo, por oferecerem apoio às decisões importantes. Além disso, mostra, através da modelagem de um Sistema Flexível de Manufatura (FMS), como a modelagem é utilizada não somente para a especificação dos passos do negócio, mas também para auxiliar
10 as organizações na compreensão de seu próprio processo, através da identificação de
problemas e da visualização de possíveis melhorias a serem implementadas.
Embora a modelagem de sistemas de produção com a utilização de notações gráficas, como Redes de Petri, sejam bastante utilizadas, esta aplicação específica pode auxiliar na
implementação e análise de Sistemas Flexíveis de Manufatura. Também auxilia como referência para pesquisadores e desenvolvedores na construção de modelos para atender necessidades específicas.
Referências
AALST, W. M. P. van der; HOFSTEDE, A. H. M.; KIEPUSZEWSKI, B. & BARROS, A.P. Workflow Patterns. Distributed and Parallel Databases. Vol. 14, n. 3, p. 5-51, 2003. AL-JAAR, R. Y. & DESROCHERS, A. A. Performance Evaluation of Automated Manufacturing Systems Using Generalized Stochastic Petri Nets. IEEE Trans. on Robotics and Automation Vol. 6, 1990.
AMIN, G. R.; TOLOO, M. & SHEIKHAN, M. Input and output scaling in advanced manufacturing technology: theory and application. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. Vol. 50, p. 1235-1241, 2010.
EGREJA, L. R. Integrando sistemas de negócios e de automação. Revista InTech, Set, 1999. GU, T. & BAHRI, P. A. A survey of Petri net applications in batch processes. Computers in Industry. Elsevier Science. Vol. 47, p. 99-111, 2001.
GROOVER, M. P. Automation, Production Systems and CIM. New Jersey: Prentice Hall,
2001.
IORDACHE, M. V. & ANTSAKLIS, P. J. Supervisory control of concurrent systems: a Petri nets structural approach. Boston: Birkhäuser, 2006.
LEONDES, C. The Design of Manufacturing Systems. Florida - USA: CRC Press, 2001. LIANG, T. & QINGLI; HUA, J. The modeling analysis of Manufacturing Execution System based upon Colored Petri Nets. International Symposium on Intelligent Information
Technology Application Workshops. DOI 10.1109/IITA. Workshops. 2008. IEEE.
MURATA, T. F. Petri Nets: Properties, Analysis and Applications. Proceedings of the IEEE,
VOL. 77, n. 4, Abril, 1989.
NOUREDDINE, M. Conceptual Model of the physical structure of manufacturing systems. International Journal of Software Engineering and Knowledge Engineering. Vol 16, Nº 4,
2006, 643-651.
PÁDUA, S. I. D.; YOSHIZAWA, A. R. & PORTO, A. J. V. O potencial das Redes de Petri em modelagem e análise de processos de negócios. Gestão & Produção, Vol. 11, n. 1, p.
109-119, 2004.
RAMOS, J. P. M. P. Introdução à modelação de Sistemas utilizando redes de Petri. Instituto
11
SHAH S.A.; BOHEZ E. L. J. & PISUCHPEN R. New Modeling and Performance
Evaluation of Tool Sharing Control in FMS using Colored Petri Nets. Assembly Automation,
Emerald, UK, Vol. 31, n. 2, 2011.
SALIMIFARD, K. & WRIGHT, M. Petri net-based modelling of workflow systems: An overview. Management Science Department, Lancaster University, Bailrigg, Lancaster, 2001. SHIVANAND, H. K.; BENAL, M. M. & KOTI, V. Flexible Manufacturing System. New Delhi: New Age International Publishers, 2006.
SILVA, D. B. Aplicação da teoria de controle supervisório no projeto de controladores para sistemas de rota variável centrado em robô. Dissertação de Mestrado no PPGEPS – Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de Produção e Sistemas. PUC – PR. Dez, 2007.
SLACK, N.; CAMBERS, S. & JOHNSTON, R. Administração da Produção. 3. Ed. São
