FMS1

AUTOMAÇÃO E ROBÓTICA

Automação pode ser definida como o conjunto de métodos para realizar controle automático de um processo industrial através de estágios sucessivos sem intervenção humana direta (22). Estes métodos podem incorporar aspectos de eletrônica, mecânica e tecnologia baseada em computadores em ordem para operar e controlar o sistema global. Pode ser classificado em três classes principais:

a) Automatização fixa, um sistema relativamente inflexível usados para altos volumes de produção onde a sucessão de operações é determinada pela configuração de equipamento;

b) Automação programável onde a sucessão de operações pode ser mudada para adaptar a configuração de produto em trabalhos de produção de lotes menores que permitem flexibilidade assim como respeito a mudanças de produto;
c) Automatização flexível que é uma extensão da categoria prévia para incorporar muito maior flexibilidade de comutação e ajuste contínuo a uma combinação de produtos variável.

MODELANDO SISTEMAS
DE PRODUÇÃO AUTOMATIZADOS:
Manufatura Virtual e projeto de célula robótica (30)

Conhecer as pressões de tempo de comercialização, layout de fábrica e software de desenho de processos devem ser tão rápido e flexível como pacotes 3D CAD de projeto de produto. Manufatura virtual, fábrica digital, ou software de simulação industrial é uma resposta a este desafio. Pacotes atuais oferecem uma gama de ferramentas para controlar sucessões de montagens automáticas, por exemplo capturando dados em:

¤ Movimento/acessibilidade humanos, alcance durante tarefas de montagem,
¤ Colisões potenciais para determinada disposição de equipamento e operações
¤ Fluxos de trabalho ótimos para componentes de diferentes dimensões.

Para análise simples sem restrições de espaço, produtos 2D e 3D baseados em ícone são provavelmente suficientes. Software mais sofisticado comercialmente disponível atualmente, permite o uso de máquinas fora de padrão com muitos atributos diferentes. Trabalho em célula virtual, sobrevoando através, e ergonomia de tarefa de montagem pode ser incorporada no quadro industrial virtual como também robótica detalhada de controle de programação ou software de simulação CNC.

Tecnologia existente permite a simulação de quase qualquer aspecto de produto e projeto de processo a níveis variados de complexidade e sucesso. Por exemplo, podem ser representadas interações de homem-máquina por modelos ergonômicos para propósitos de treinamento ou avaliar desempenhos mecânicos e globais. A avaliação anterior pode fazer uso de simulação estrutural, descoberta de colisão, controladores de robô ou programa de simulação CNC. Estas simulações podem usar a técnicas de Monte Carlo, aproximações de simulação contínuas ou discretas.

Projeto de células de robôs é uma tarefa particularmente difícil que requer representações 3D porque podem ser mal interpretadas em visões 2D. Existem diversas exigências para se encontrar:

¤ Predição de movimento de robôs ou autômatos,

¤ Evitar interferência entre equipamentos em movimento ou dispositivos automatizados

¤ Determinar a disposição ótima para máximo alcance

¤ Projeto dentro de espaços limitados com alto risco de colisão

¤ Identificar possíveis gargalos de produção

¤ Minimizar o comprimento total de ciclo de produção.

¤ Considerar exigências de segurança (inclusive equipamento), regras e regulamentos

¤ Evitar riscos de danos físicos

¤ Considerar necessidades de treinamento para operadores sem riscos para treinador ou aprendiz.

Ferramentas de projeto de layout de célula de trabalho (e re-projeto) mais rápidas, podem minimizar o esforço de projeto de engenharia exigido e podem reduzir tempo de parada associado com programação on-line. Podem ser evitados enganos custosos, por exemplo pelo alcance de equipamento de restabelecimento e parâmetros de descoberta de colisão para satisfazer para exigências de programação.

Mais importante, podem ser avaliados a otimização da célula de trabalho e programado off-line, enquanto permitindo o sistema de continuar operando durante a fase de planejamento. As exigências resultantes para o suporte do sistema de simulação 3D torna-se evidente (31):

(a) deve ser uma ferramenta poderosa e acessível para o usuário

(b) Modelos precisos de realidade industrial devem ser facilmente acessíveis como também ferramentas de modelização mecânicas (por exemplo, através de uma biblioteca)

(c) Colocação de ferramentas automatizada deve ser representada para testar alcance, orientação de ferramenta e realçar qualquer mudança em configuração de célula

(d) Outros componentes de planta automatizados como correias de transporte, alimentador de componentes, máquinas de CNC também podem precisar ser incluídas no modelo de simulação

(e) A facilidade de calibração deve estar disponível para aumentar a precisão do modelo (32)

(f) Uma característica de descoberta de colisão deve ser incluída no software; integração entre produção que programa rotinas e o modelo de simulação é altamente desejável

(g) facilidade de programação de Fora-linha por carregar subseqüente é uma característica custo-efetiva

(h) Simulação, calibração e fora-linha que programam de equipamento automatizado industrial deveriam ser possíveis, enquanto usando um simples computador de baixo custo ou laptop idealmente o PC.

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COMANDO & CONTROLE

Tem sido argumentado que a pressão em novos desenvolvimentos no campo de comando e controle são em grande parte devido às falhas no campo de automação (33). No atual ambiente de manufatura multi-produtos, devem ser administrados recursos materiais e humano de uma maneira racional e simultânea.

O otimização de fluxos ao longo do sistema de produção é uma prioridade principal assim como uma distribuição dinâmica de recursos materiais disponíveis para minimizar custos e atrasos em produção e distribuição.

As exigências de flexibilidade impõem um sistema adaptável dinâmico que responde bem a choques internos e externos como exigências de manutenção de equipamento e flutuações de demanda de mercado, respectivamente. Necessidades industriais requerem um comando e controle de sistemas que pode ser facilmente responsivo a suas necessidades flutuando em real tempo enquanto permanecendo capaz de evoluir e ser reconfigurado com relativa facilidade. Comando modular e controle de sistemas parecem particularmente adaptados às necessidades reativas e dinâmicas da indústria.

O problema que enfrentam os desenhistas de sistemas controle e comando é desenvolver uma arquitetura de multi-agente com uma rede de comunicação que une os vários agentes de sistemas. Estes agentes podem ser físicos ou abstratos com relativos níveis de autonomia e capacidade para afetar o seu ambiente como também mudar o próprio comportamento destes. Para isso, eles dispõem de uma representação parcial do ambiente obtida por meios embutidos de percepção e comunicação.

As regras de comportamento resultantes observadas são uma conseqüência das próprias observações do agente, nível de conhecimento e interações com outros agentes. Se o conhecimento do agente será compartilhado com outros agentes na forma real ou virtual e a quantia de redundância são considerações (34) de projeto importante. Em resumo, os agentes têm uma tendência social vis-à-vis o sistema inteiro, como também uma tendência individual centrada ao redor suas próprias regras operacionais. Todos os agentes têm características como:

a) Intenções e objetivos como o agente move-se para um conjunto predefinido de metas dado os meios disponíveis

b) Racionalidade como um agente selecionará o melhor curso de ação fundado em um conjunto de critérios de avaliação

c) planejando habilidade na qual um agente vai co-ordenar suas ações com outros agentes e planejará como atingir seus próprios objetivos

d) Adaptabilidade com respeito ao ambiente e os outros agentes com o qual um agente interage;

e) Inteligência se o agente tem todas as características listadas dentro a) até d)

Agentes inteligentes complexos têm uma representação explícita do seu ambiente, podem manter rastro de desempenho passado e eventos, e são provavelmente pequenos em número. A maioria dos sistemas também contém um número grande de agentes reativos com limitado protocolo e habilidades de comunicação, e nenhuma representação explícita do mundo externo. Nem todos os agentes são exigidos serem individualmente inteligentes para um comando e controle de sistemas ser considerado inteligente.

Podem ser resumidos os três objetivos de um sistema de multi-agentes em três palavras: comunicação, controle e organização (35).

Há várias opções de projeto em termos de comunicação. Agentes podem não poder se comunicar diretamente entre si mas passar por um interpretador comum. Eles podem trocar mensagens assíncronas, podem ser espacialmente distribuídos com um grande grau de autonomia, e podem confiar em um conjunto de regras predefinidas de produção colocadas em uma motor dedutivo ou seguem recentes tendências abstratas holonicas (simultâneo em todo ou em parte) ou sistema de comunicação neural.

Arquiteturas de comando e controle podem ser classificadas dependendo das formas de comunicação e controle usadas ao longo do sistema. Estes podem ser um agente meta-objeto, agentes de supervisão, agentes de célula, agentes de produto e finalmente os agentes de recurso, o ultimo não-inteligente em workstations clássicas (36).

A arquitetura de controle pode ser centralizada (com e sem programa de produção pré-planejada), hierárquica, coordenada, distribuída e finalmente distribuída e supervisionada. No caso de arquiteturas coordenadas e distribuídas, ligações de comunicação de intra-nível existem com ou sem um supervisor global (37).

ARQUITETURA C&C SUPERVISIONADA DISTRIBUIDA

A escolha do comando mais apropriado e arquitetura de controle depende de vários parâmetros de projeto de processo. Estes Incluem número de máquinas total, tempo de resposta exigida, uma configuração do próprio sistema de produção (por exemplo uso de células, numero de células idênticas ou não idênticas), exigências de comunicação entre máquinas, intercambio entre inteligência e exigências de reatividade e a existência de um programa de produção que pode ser usado para pré-planejar propósitos. A arquitetura ideal é reativa, robusta, rápida e confiável (33). Uma vez seja suprido o tipo de produto, quantidade, data de entrega, data de início ótima e código de prioridade de produto, o sistema deve poder localizar os recursos necessários (entradas, máquinas, etc.) e avalia a disponibilidade em tempo e espaço.

Em resumo, a função de controle e comando está em uma posição central que une Planejamento de Produção e Programação, e Automação e Robótica. Transmite ordens de programação e datas devidas ao equipamento operacional na planta de produção depois da identificação dos recursos requeridos para tarefas particulares. Esta função requer tradução e interpretação entre duas diferentes linguagens.

O que faz esta função particularmente crítica é o fato de poder avaliar disponibilidade de equipamento. Por exemplo, no caso de maus funcionamentos pode adotar em tempo-real medidas corretivas, uma das quais podem ser exigir uma alternativa tarefa/recursos que programa rotinas que eliminarão a máquina defeituosa temporariamente do circuito.

A velocidade do tempo de resposta é uma medida importante de efetividade da função controle e comando. Alternativamente, a qualidade de resposta de função do controle e comando pode ser considerada uma alternativa importante para acelerar. Neste caso, uma vez enfrentado um problema de disponibilidade de recurso, o sistema faz uma análise estendida (sem consideração de tempo) e capitaliza naquele novo conhecimento. Nesta situação, o sistema de controle e comando está freqüentemente baseado em um sistema especialista e a base de regras consiste em conhecimento de funcionamento adquirido.

Uma vez a melhor solução para um problema particular é obtida, será usado de novo em uma situação semelhante. Evidentemente, estas duas filosofias não podem ser aplicadas simultaneamente ao mesmo tipo de sistemas. O segundo tipo é em particular reservado para sistemas quando o tempo de resposta for irrelevante (como no caso de ciclos de produção longos) mas é imperativo aplicar a melhor solução corretiva para um problema particular por exemplo por causa de custos. Como discutido em detalhes acima, há três amplas escolhas para automatizar a função de controle e comando:

¤ Uma única aplicação administra tudo, uma escolha ideal para pequenos sistemas por causa do risco de um aumento explosivo em tempo operacional para grandes sistemas.

¤ A aplicação de multi-agentes na qual cada agente é designado para uma tarefa particular, uma alternativa muito mais flexível. Há muitas arquiteturas deste tipo, a escolha da qual depende da configuração particular do sistema operacional.

¤ Um sistema de multi-expert que é uma aplicação particular do sistema de multi-agentes onde cada agente é um sistema especialista. Esta escolha particular é aplicada quase exclusivamente a sistemas que adotam a segunda filosofia onde a qualidade da resposta é mais importante do que o tempo de resposta.

Em conclusão, o módulo de controle e comando faz um papel central na cadeia de CIM. Simplifica o trabalho de gerente no nível de fabricação automatizando algumas das funções gerenciais. Provê uma ligação segura entre programação e máquinas numericamente controladas automatizadas traduzindo e interpretando exigências de programação. Finalmente, confia em um sistema de computador de alto desempenho para rápida reatividade para choques endógenos (gerado dentro do sistema) e exógenos (gerado fora do sistema) ao sistema produtivo.

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PLANEJAMENTO DE PRODUÇÃO,
PROGRAMAÇÃO E LAYOUT DE PLANTA

Planejamento de produção (41) é tipicamente uma atividade de médio-termo. Baseado em demanda para os vários produtos a serem manufaturados, a produção é alocada para períodos de tempo dentro do horizonte de planejamento, levando em conta restrições de capacidade.

O plano dependerá dos valores relativos de custos de montagem e de levar inventário de um período para outro. Com altos custos de montagem, são preferidas fluxos de produção mais longos. Por outro lado, quando custos de montagem são pequeno, então fluxos de produção curtos são escolhidas para evitar a despesa de manter inventários maiores. Várias complicações surgem em modelos de planejamento de produção. .

Considerando que os planos normalmente são projetados para vários meses no futuro, nem todas as ordens de cliente terão sido recebidas. Assim, prevendo técnicas tem um papel importante na estimação de demanda. Também, produtos complexos podem requerer trabalho em diferentes departamentos ou em diferentes máquinas. Em tais casos, qualquer regra de precedência entre diferentes operações deve ser respeitada. Decisões planejando também são afetadas pela disponibilidade de recursos como capacidade de máquina como também restrições em trabalho ou materiais.

Problemas de planejamento de produção operam a um nível bastante alto de agregação, e não responde pelo movimento de trabalho entre máquinas em uma base horária ou diária, por exemplo. Este nível de análise é executado por especialistas de programação de produção.

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PROGRAMAÇÃO DE PRODUÇÃO (42)

Programação de Produção é uma atividade de curto prazo e provê uma especificação detalhada do trabalho que as máquinas devem executar, normalmente sobre um período de alguns dias ou semanas. Em um problema de programação, devem ser processados trabalhos dentro do período de tempo fixado à fase de planejamento de produção, como também o tempo de chegada destes e datas devidas, considerando que a ordem na qual os trabalhos serão processados tem que ser determinada.

O modelo mais básico exige programar uma única máquina. Se há várias máquinas que executam a mesma função, resulta um problema paralelo de programação de máquina. Modelos mais complexos requerem várias operações em fases diferentes a serem executado nos trabalhos. Em um fluxo de produção, todo trabalho passa pelas máquinas na mesma ordem. Porém, no modelo de fluxo mais geral de produção, diferentes trabalhos tem diferentes rotinas de máquina e um trabalho podem revisitar uma máquina (em um sistema de re-concorrente).

O objetivo às vezes é minimizar o tempo de realização máximo ou a soma de realização ponderada do ultimo trabalho. Porém, na presença de datas devidas, o objetivo pode ser minimizar outras medidas de desempenho como o retardamento máximo, o retardamento ponderado total ou o numero ponderado dos últimos trabalhos.

Com o incremento do uso de maquinaria flexíveis e automatizadas, programando problemas diferem do clássico mencionado acima. Mais precisamente, a suposição em programação clássica é que cada tipo de operação é executado em uma máquina dedicada ou grupo de máquinas, considerando que em sistemas de produção modernos, há freqüentemente uma escolha de qual máquina ou ferramenta usar para uma operação. Assim, programando problemas requerem uma distribuição de operações a máquinas como também a determinação da ordem das operações de processamento para cada máquina.

O investimento na provisão de um sistema de produção automatizado é freqüentemente significativo. Para colher os benefícios de tal investimento pesado, deveria ser alcançado um alto nível de utilização da maquinaria. Para a repetitiva manufatura de altos volumes de produtos, então, um objetivo comum é maximizar o processamento dos produtos.

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PLANTA LAYOUT

Uma característica importante no projeto de um sistema industrial é o posicionamento de máquinas no espaço físico de fábrica. O plano de máquinas será restringido pelo espaço disponível e a necessidade de acesso as máquinas, ou por operadores, por um dispositivo de transporte para mover trabalhos entre máquinas, ou para ser realizar a manutenção. Idealmente, um plano deveria posicionar máquinas próximas se houver um fluxo alto de trabalho entre estas.

Muitos modelos de layout consideram o problema de localizar máquinas em locais predeterminados no plano de fábrica. Se o objetivo é minimizar o fluxo de trabalho entre um par de máquinas multiplicado pela distância entre estas máquinas nos seus locais escolhidos, somados sobre todos os pares de máquina, então o modelo resultante é um problema de tarefa quadrático.

Outros modelos conduzem formulações gráfico-teóricas. Designando um peso a cada par de máquina para indicar a conveniência de localizar estas máquinas em posições adjacentes, o problema de maximizar o peso total de máquinas adjacentes se torna um problema sub-gráfico planar.

Problemas de layout mais específicos surgem quando o plano tiver que se conformar a um tipo particular. Tipos de planos incluem linha única, linhas múltipla e loop onde a única linha pode levar a forma linear, forma U ou plano semicircular. Para um plano linear é freqüentemente desejável sequencializar as máquinas de forma que regressando a máquinas prévias seja minimizado.

Porém para um layout em loop no qual as máquinas estão ao redor de um transportador é apropriado a sucessão de máquinas para reduzir o número de loops exigido para manufaturar os produtos.

Uma decisão particularmente importante relativo a plano de planta é o uso de células industriais. Neste caso a manufatura de um tipo de componente particular exige executar uma sucessão de operações por qualquer máquina de um determinado tipo. O problema de formação de célula consiste no agrupamento de máquinas em células e designando operações a máquinas para minimizar o tráfico inter-células, por exemplo (43).

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ALTERNATIVA CONFIGURAÇÃO PARA PLANTAS INDUSTRIAIS FMS

A aplicação de princípios de engenharia simultânea durante os primeiros desenhos significa que os módulos seriam informação geral dadas sobre o estudo de caso e que o pessoal formularia o próprio conjunto de suas preferências para selecionar o melhor projeto para aquele FMS.

Dado a larga variedade de aproximações de modelização usadas em projeto de processo e a natureza interdisciplinária da maioria dos grupos de planejamento de projetos, a escolha de uma modelização comum e facilmente compreendida ferramenta de modelização é uma preocupação principal. Gráficos, 3D Projeto & Simulação são selecionadas como ferramentas de modelização para o projeto e análise do FMS por algumas razões:

¤ é comumente usada em disciplinas que lidam com otimização de fluxo como logística, planejamento de produção e layout de planta e um moderno padrão em automação e robótica, ou controle e comando;

¤ permite a avaliação conjunta de soluções de modulo;

¤ provê uma convergência plana para uma solução ótima global, se esta existe.

Para um estudo de caso, várias características de projeto e todas as possíveis combinações têm que ser realizadas, o conjunto de opções logicamente consistentes por módulos define a melhor solução possível, se esta existe. Cada um dos módulos está baseado em resultados de experiência ou modelização mas deveria levar em conta preferências de outros módulos, i.e. soluções aperfeiçoadas.

Preferências de módulos internos podem ser representadas completamente nas técnicas 3D de simulações (como o A&R - Módulo de Automação e de Robótica) mas será refletido no peso total colocado em um projeto particular. Em alguns outros casos, o conjunto completo de objetivos de módulo individuais não pode ser avaliado no contexto global (como carga de trabalho equilibrada, produção corrida longa e localização de WIP – Trabalho em Progresso para o P&L - Produção & Layout Modelo. Neste caso, módulos podem designar um peso global simplesmente ao conjunto de características de projeto disponível antes de prover sua própria contribuição, (este é o caso para o P&L e o M&L - módulos de Manutenção & Logística mostrados abaixo no modelo FMS). Em alguns outros casos, módulos podem não designar nenhuma opção intermediária.

Embora esta aproximação provê várias possíveis soluções, tem a desvantagem que a quantia de informação aumenta do cima para baixo. Processamentos subseqüentes do mesmo problema em uma ordem diferente podem alterar a ordem de preferências e a posição das soluções. A seleção da ordem de consulta de módulo mais desejável é um das variáveis de decisão do simulador em sua procura de otimização.
Por exemplo, o módulo C&C Controle & Comando pode ser consultado no fim inferior em lugar de no topo da árvore porque requer uma quantia significante de informação de outros módulos. Isto inclui o número e tipo de máquinas propostos, o uso de células de produção (ou não), programando, e requisições de manutenção e logística.
As requisições do módulo M&L terão um impacto em plano de layout e escolha de equipamento. E assim por diante. Em outras palavras, há um papel importante a ser executado pelo simulador 3D. Caso contrário deve ser decidido a ordem na qual este visita os módulos, como obter viabilidade global, como impor restrições adicionais em módulos individuais se necessário e finalmente como mover para otimização global.

Em um estudo de caso, são identificadas muitas possíveis soluções, vários dos quais sendo claramente superior aos outros, provendo assim um importante primeiro passo para discutir otimização como também a melhor aproximação para o caso geral. Os desenhos abaixo são um resumo das variáveis de decisão estratégicas selecionado por cada um dos quatro módulos e o conjunto de soluções designados às várias opções. O conjunto completo de opções e opções para o estudo de caso que segue a análise e aprovação foi simulada para propor um projeto de FMS Genérico.

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ESQUEMATICA PLANTA HYDROGEL
SISTEMA INDUSTRIAL FLEXÍVEL

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PERSPECTIVA

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GENERIC FMS
ESTERELIZAÇÃO E MÓDULOS ADSR

O modelo genérico é aplicável a uma vasta linha de produtos químicos e cosméticas e linhas que usam esterilização por irradiação e ADSR – Sistemas Automáticos de Distribuição Armazenamento Recuperação.