UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DIOGO LUIZ LEMES DA CRUZ

  UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DIOGO LUIZ LEMES DA CRUZ METODOLOGIA PARA IMPLEMENTAđấO DE CONTROLE SUPERVISÓRIO MODULAR LOCAL EM CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS JOINVILLE – SC 2011

  DIOGO LUIZ LEMES DA CRUZ METODOLOGIA PARA IMPLEMENTAđấO DE CONTROLE SUPERVISÓRIO MODULAR LOCAL EM CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS

  Dissertação apresentada à Universidade do Estado de Santa Catarina como requisito para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.

  Orientador: Prof. Dr. André Bittencourt Leal JOINVILLE – SC 2011

  FICHA CATALOGRÁFICA

  D955m Cruz, Diogo. Metodologia para Implementação de Controle Supervisório Modular Local em Controladores Lógicos Programáveis / Diogo Luiz Lemes da Cruz; orientador: Dr. André Bittencout Leal. – Joinville, 2011.

  101 f. : il ; 30 cm. Incluem referências.

  Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Engenharia Elétrica, Joinville, 2011.

  1.Automação de Sistemas. 2.Teoria de Controle Supervisório. I. Leal, André Bittencourt. CDD 629.8

  

"METODOLOGIA PARA IMPLEMENTAđấO DE CONTROLE SUPERVISốRIO

MODULAR LOCAL EM CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS"

  por

DIOGO LUIZ LEMES DA CRUZ

  Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

  

MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA

  área de concentração em “Automação de Sistemas”, e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA ELÉTRICA

  CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA.

  Dr. André Bittencourt Leal CCT/UDESC (orientador/presidente)

  Banca Examinadora: Dr. Marcelo da Silva Hounsell

  Joinville, 29 de julho de 2011. CCT/UDESC (coorientador) Dr. César Rafael Claure Torrico

  UTFPR Dr. Roberto Silvio Ubertino Rosso Junior

  À minha família.

  

AGRADECIMENTOS

  Agradeço a Deus pelo dom da vida, pela saúde e por ter me guiado por mais esta etapa da minha vida.

  À minha esposa Cintia, pelo apoio e motivação. Ao meu orientador, Prof. André Bittencourt Leal, pela atenção, dedicação e amizade. Ao meu coorientador, Prof. Marcelo da Silva Hounsell, pela disponibilidade, ajuda na revisão e sugestões.

  Ao colega Heric Denis Farias e aos bolsistas do Programa de Educação Tutorial - PET Engenharia Elétrica José Gregório do Rosário e Adriano Oliveira Pires, pelo auxílio no desenvolvimento do trabalho.

  

RESUMO

  CRUZ, Diogo Luiz Lemes da. Metodologia para Implementação de Controle Supervisório

  

Modular Local em Controladores Lógicos Programáveis. 2011. 101f. Dissertação

  (Mestrado em Engenharia Elétrica – Área: Automação de Sistemas) – Universidade do Estado de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Joinville, 2011.

  Na atualidade, a automação da manufatura tem assumido cada vez mais um papel importante dentro das indústrias e os problemas de controle de sistemas automatizados têm se tornado cada vez mais complexos. Assim, o tradicional uso de métodos empíricos fortemente baseados na experiência do programador pode levar a soluções inadequadas ou ineficientes. Neste sentido, a Teoria de Controle Supervisório (TCS) apresentada por Ramadge e Wonham (1989) se mostra uma ferramenta adequada uma vez que garante a obtenção de uma lógica de controle ótima (minimamente restritiva e não bloqueante) e que satisfaz às especificações de controle. Este trabalho apresenta uma metodologia para implementação da TCS em Controladores Lógicos Programáveis (CLPs). A modelagem da planta e das especificações de controle é feita por autômatos e linguagens e no intuito de explorar a modularidade da planta e das especificações utiliza-se a abordagem modular local (QUEIROZ e CURY, 2000) para a síntese dos supervisores. O uso de uma metodologia formal para a implantação em sistemas de controle possibilita ainda uma padronização no desenvolvimento, teste e estrutura de códigos nos CLPs e obter uma solução livre de erros e bloqueios, fugindo dos métodos empíricos. Os métodos de implementação da TCS em CLP encontrados na literatura apresentam a característica de limitar a evolução do sistema, muitas vezes tratando um único evento por ciclo de varredura do CLP. Também, é apresentada uma série de problemas que podem ocorrer na implementação de supervisores em elementos de controle como CLPs (FABIAN e HELLGREN, 1998). Entretanto, nem todos os problemas apresentados são solucionados e para alguns deles são apresentadas propriedades que o modelo do sistema deve satisfazer para que tais problemas não se manifestem. Já a metodologia desenvolvida neste trabalho permite tratar em um mesmo ciclo de varredura do CLP todos os eventos não controláveis gerados pela planta, e ainda promover o controle da mesma a partir dos eventos controláveis gerados ao final desse ciclo. O desenvolvimento desta metodologia leva em consideração os problemas que podem ocorrer quando se utiliza a teoria na prática, apresentando uma solução para alguns desses problemas. Destaca-se a solução do chamado

  

problema da escolha, cuja priorização indevida de eventos pode levar ao bloqueio ou tornar

  parte do sistema inoperante (MALIK, 2002). Como solução para este problema propõe-se uma escolha aleatória dinâmica para a geração dos eventos controláveis, evitando assim os problemas mencionados. Para facilitar a implementação da estrutura de controle supervisório no CLP foi criado um software de geração automática de código, que baseado na metodologia proposta, converte a listagem gerada pelo software de Sistema a Eventos Discretos (SED) em linguagem LADDER. A validação dos resultados obtidos com a ferramenta de geração de código foi realizada por intermédio de simulações feitas para diferentes problemas de controle supervisório.

  

ABSTRACT

  CRUZ, Diogo Luiz Lemes da. Methodology for Implementation of Supervisory Control

  

Local Modular in Programmable Logic Control. 2011. 101f. Dissertation (Master Course

  in Electrical Engineering – Area: Automation Systems) – Santa Catarina State University, Post-Graduation Program in Electrical Engineering, Joinville, 2011.

  Currently, manufacturing automation has assumed an increasingly important role within the industry and the problems of automated control systems have become increasingly complex. Thus, the traditional use of empirical methods heavily base on the experience of the programmer can lead to inappropriate or ineffective solutions. In this case, the Supervisory Control Theory (SCT) of Ramadge and Wonham (1989) cam be a suitable tool because it ensures the achievement of optimal control logic (minimally restrictive and nonblocking) and also that meets the specifications of control. This paper presents a methodology for implementation of SCT in Programmable Logic Controllers (PLCs). The modeling of the plant and the specification of control is done by automata and languages, and in order to exploit the modular nature of the plant and the specifications we use the local modular approach (QUEIROZ and CURY, 2000) for the synthesis of supervisors. The use of a formal methodology for implementing control system also allows to standardize in the development, testing and structure of the PLC code and obtain a free of errors solution and crashes, discarding the empirical methods. The methods of implementation of the TCS in PLC existing literature have the feature to limit the evolution of the system, often dealing with one event per PLC scan cycle. Also presented is a series of problems that can occur in the implementation of supervisors in control elements such as PLCs (FABIAN and HELLGREN, 1998). However, not all of these problems have solutions and for some of them are presented some properties that the modeling of the system must ensure in order to avoid such problems. This method treats all the uncontrollable events produced by the plant in just one PLC scan cycle. The also promotes the control of the plant at the end of cycle. The development of this methodology takes into account the possible problems when using the theory into practice. Thus providing solutions to the problems. In this case the solutions, “Choice”, stands out. It promotes the random generation of controllable events. One it is give priority to a particular event over another, it can cause the system to lock or be inoperative (MALIK, 2002). To facilitate the implementation of supervisory control structure in PLC, was created a computational tool for the automatic generation of control logic, based on the proposed methodology that converts the list generated by the software Discrete Event System (DES) in LADDER code. The validation of the results obtained with the tool generation was done through simulations for different problems of supervisory control.

  

Keywords: Discrete Events Systems; Flexible Manufacturing Cell; Programmable Logic

Controller.

  

SUMÁRIO

  1 INTRODUđấO .............................................................................................................. 16

  1.1 OBJETIVOS GERAIS ......................................................................................... 18

  1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 18

  1.3 ORGANIZAđấO DO TRABALHO ................................................................... 19

  

2 SISTEMA A EVENTOS DISCRETOS ........................................................................ 20

  2.1 INTRODUđấO .................................................................................................... 20

  2.2 FORMALISMO PARA REPRESENTAđấO DE SED ...................................... 20

  2.2.1 Linguagens ............................................................................................... 20

  2.2.2 Representação de SEDs por linguagens ................................................... 22

  2.2.3 Autômatos para representação de SEDs ................................................... 22

  2.2.4 Composição de autômatos ........................................................................ 26

  

3 TEORIA DE CONTROLE SUPERVISÓRIO ............................................................ 28

  3.1 INTRODUđấO .................................................................................................... 28

  3.2 CONTROLABILIDADE ..................................................................................... 28

  3.3 MODELAGEM DO SISTEMA ........................................................................... 29

  3.3.1 Modelagem da planta ............................................................................... 29

  3.3.2 Modelagem das especificações ................................................................. 30

  3.3.3 Supervisores ............................................................................................. 30

  3.4 SÍNTESE DO SUPERVISOR .............................................................................. 30

  3.4.1 Abordagem Monolítica ............................................................................. 30

  3.4.2 Abordagem Modular Local ...................................................................... 31

  

4 REVISấO SOBRE IMPLEMENTAđấO DA TCS EM CLP ................................... 34

  4.1 INTRODUđấO .................................................................................................... 34

  4.2 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS ........................................ 34

  4.3 PROBLEMAS NA IMPLEMENTAđấO DA TCS EM CLP ............................. 36

  4.3.1 Causalidade ............................................................................................... 37

  4.3.2 Efeito avalanche ....................................................................................... 38

  4.3.3 Simultaneidade ......................................................................................... 40

  4.3.5 Escolha ..................................................................................................... 42

  4.4 CONSIDERAđỏES SOBRE IMPLEMENTAđỏES .......................................... 44

  

5 METODOLOGIA PARA IMPLEMENTAđấO DA TCS EM CLP......................... 45

  5.1 INTRODUđấO .................................................................................................... 45

  5.1.1 Solução para o problema da Causalidade ................................................. 45

  5.1.2 Solução para o Efeito Avalanche: Represamento .................................... 46

  5.1.3 Solução para o problema da Escolha: Pseudo-aleatoriedade ................... 48

  5.1.4 Considerações sobre os demais problemas ............................................... 53

  5.1.5 Tratamento de múltiplos eventos .............................................................. 54

  5.1.6 Detalhamento da Metodologia Proposta .................................................. 56

  5.2 ESTUDO DE CASO ............................................................................................ 62

  5.2.1 Descrição do sistema físico ...................................................................... 63

  5.2.2 Modelos dos dispositivos da planta .......................................................... 64

  5.2.3 Modelo das especificações ....................................................................... 64

  5.2.4 Síntese dos Supervisores Modulares Locais ............................................. 65

  5.3 IMPLEMENTAđấO CONFORME A METODOLOGIA PROPOSTA ............ 67

  5.3.1 Rotina principal ........................................................................................ 68

  5.3.2 Inicialização dos estados .......................................................................... 69

  5.3.3 Leitura das entradas .................................................................................. 70

  5.3.4 Resgate dos eventos não controláveis ...................................................... 71

  5.3.5 Atualização do sistema produto com os eventos não controláveis ........... 72

  5.3.6 Atualização dos supervisores com os eventos não controláveis .............. 73

  5.3.7 Desabilitações de eventos controláveis .................................................... 73

  5.3.8 Tratamento da escolha .............................................................................. 74

  5.3.9 Geração dos eventos controláveis no sistema produto ............................. 75

  5.3.10 Atualização dos supervisores com os eventos controláveis gerados ........ 76

  5.3.11 Escrita nas saídas ...................................................................................... 76

  

6 FERRAMENTA DE GERAđấO AUTOMÁTICA DO CốDIGO PARA O CLP .. 78

  6.1 INTRODUđấO .................................................................................................... 78

  6.2 APRESENTAđấO DA FERRAMENTA CCSSM ............................................. 78

  6.3 APLICAđấO DA FERRAMENTA .................................................................... 85

  6.3.1 Descrição do Problema ............................................................................. 86

  6.3.3 Modelo das especificações ....................................................................... 88

  6.3.4 Síntese dos Supervisores Modulares Locais ............................................. 90

  6.4 RESULTADO DA FERRAMENTA DE GERAđấO ......................................... 92

  

7 CONSIDERAđỏES FINAIS ......................................................................................... 95

  7.1 CONTRIBUIđỏES .............................................................................................. 96

  7.2 TRABALHOS FUTUROS ................................................................................... 97

  

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 98

  

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Autômato de estados finitos ................................................................................. 24Figura 2.2 – Autômato não bloqueante .................................................................................... 25Figura 2.3 – Autômato bloqueante ........................................................................................... 25Figura 2.4 – Autômatos G e G

  1 2 ............................................................................................... 26

Figura 2.5 – Composição síncrona G ||G

  1 2 ................................................................................ 27

Figura 3.1 - Autômato que a presenta a diferenciação da controlabilidade dos eventos .......... 28Figura 3.2 – Controle de SED em malha fechada .................................................................... 31Figura 3.3 – Estrutura de controle modular local (QUEIROZ e CURY, 2002a) ..................... 32Figura 3.4 – Sequência para obtenção da Especificação Local ................................................ 33Figura 4.1 – Modelamento em ladder da transição do autômato ............................................. 36Figura 4.2 – Arquitetura para TCS segundo Ramadge e Wonham (1989)............................... 37Figura 4.3 – Arquitetura realística ............................................................................................ 37Figura 4.4 – Arquitetura proposta por Queiroz e Cury (2002) ................................................. 38Figura 4.5 – Autômato que proporciona o efeito avalanche..................................................... 38Figura 4.6 – Código do CLP que mostra o efeito avalanche .................................................... 39Figura 4.7 – Código do CLP invertido para impedir o efeito avalanche .................................. 39Figura 4.8 – Processamento cíclico da leitura das entradas do CLP ........................................ 40Figura 4.9 – Autômato que evidencia o problema de insensibilidade ao entrelaçamento ........ 41Figura 4.10 – Ilustração do problema da sincronização inexata............................................... 42Figura 4.11 – Autômato para ilustrar o problema da escolha ................................................... 43Figura 4.12 – Programa que prioriza a execução do evento B com relação ao C .................... 43Figura 4.13 – Supervisor não bloqueante cuja implementação pode ser bloqueante ............... 44Figura 5.1 – Arquitetura proposta por Queiroz e Cury (2002) ................................................. 46Figura 5.2 – Código que evita o efeito avalanche .................................................................... 47Figura 5.3 – Problema da escolha para mais de dois eventos................................................... 48Figura 5.4 – Problema da escolha para uma lista de eventos ................................................... 48Figura 5.5 – Autômato que permite a geração de dois eventos ................................................ 49Figura 5.6 – Fluxograma que determina se existe o problema da escolha ............................... 50Figura 5.7 – Solução para o problema da escolha entre dois eventos ...................................... 51Figura 5.8 – Solução para o problema da escolha entre mais de dois eventos ......................... 52Figura 5.10 – Fluxograma da rotina principal .......................................................................... 55Figura 5.11 – Geração de múltiplos eventos controláveis ........................................................ 56Figura 5.12 – Fluxograma da rotina principal completo .......................................................... 57Figura 5.13 – Identificação da transição na entrada e geração de evento ................................ 58Figura 5.14 – Transição com eventos não controláveis no sistema produto ............................ 58Figura 5.15 – Transição com eventos não controláveis nos supervisores ................................ 59Figura 5.16 – Resgata os eventos gerados pela planta ............................................................. 59Figura 5.17 – Desabilitações dos eventos controláveis ............................................................ 60Figura 5.18 – Geração dos eventos controláveis ...................................................................... 61Figura 5.19 – Transição dos supervisores com eventos controláveis ....................................... 61Figura 5.20 – Transição dos supervisores com eventos controláveis ....................................... 62Figura 5.21 – Linha de transferência industrial ........................................................................ 63Figura 5.22 - Autômato das máquinas Gx para x = 1, 2, 3, ..., 6 .............................................. 64Figura 5.23 - Especificações dos buffers B para x=1, B para x=3 e B A B D para x=5 .................. 64Figura 5.24 - Especificação do buffer B C

  ................................................................................. 65

Figura 5.25 – Supervisores modulares locais ........................................................................... 66Figura 5.26 – Supervisores modulares locais reduzidos........................................................... 67Figura 5.27 – Fluxograma dos estados e eventos ..................................................................... 68Figura 5.28 – Rotina principal .................................................................................................. 69Figura 5.29 – Inicialização dos estados .................................................................................... 70Figura 5.30 – Leitura das entradas e identificação dos eventos não controláveis .................... 71Figura 5.31 – Resgate dos eventos não controláveis ................................................................ 71Figura 5.32 – Transições do sistema produto com eventos não controláveis........................... 72Figura 5.33 – Transições dos supervisores com eventos não controláveis .............................. 73Figura 5.34 – Desabilitações de eventos controláveis .............................................................. 74Figura 5.35 – Escolha entre os eventos A2 e A4 ....................................................................... 75Figura 5.36 – Geração dos eventos controláveis pelo sistema produto .................................... 76Figura 5.37 – Transições dos supervisores com os eventos controláveis ................................. 76Figura 5.38 – Escrita nas saídas................................................................................................ 77Figura 6.1. Arquitetura da ferramenta de geração de código CCSSM ..................................... 80Figura 6.2. Tela inicial .............................................................................................................. 80Figura 6.3. Inserir os supervisores ............................................................................................ 81Figura 6.4. Inserir sistema produto ........................................................................................... 82Figura 6.6. Especificação de eventos controláveis ................................................................... 83Figura 6.7. Especificação de eventos não controláveis ............................................................ 84Figura 6.8. Condições para promover o reset dos sinais de saída CLP .................................... 84Figura 6.9. Seleção do modelo de CLP .................................................................................... 85Figura 6.10. Sistema automatizado de rotas variáveis (GROOVER, 2001)............................. 86Figura 6.11. Modelos das máquinas: a) G 1 , b) G 2 e c) G

  3 . ....................................................... 87

Figura 6.12. Modelo da esteira transportadora G

  4 . ................................................................... 87

Figura 6.13. Modelo do sistema de transporte G0. ................................................................... 88Figura 6.14. Especificações: a) E0, b) E1, c)E2, ..., j)E9. ........................................................ 89Figura 6.15. Especificação E10. ............................................................................................... 89Figura 6.16. Especificação E11. ............................................................................................... 90Figura 6.17. Supervisor reduzido S r0

  . ....................................................................................... 92

Figura 6.18. Parte do código do CLP no formato texto e ladder ............................................. 93Figura 6.19. Novo projeto ........................................................................................................ 93Figura 6.20. Seleção do arquivo L5X ....................................................................................... 94Figura 6.21. Código gerado pela ferramenta em ladder ........................................................... 94

  

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 – Comandos ladder abordados pela IEC 61131-3 .................................................. 35Tabela 5.1 - Eventos dos dispositivos da célula ....................................................................... 63Tabela 5.2 – Eventos comuns entre modelos e especificações................................................. 66Tabela 6.1 – Ladder para os CLPs das famílias ControLogix® e CompactLogix™ ............... 92

1 INTRODUđấO

  Quando se aumenta o nível de automação de um sistema de produção, ou seja, quanto menor a interferência do homem, maior é a redução dos custos de fabricação. Assim ao se reduzir as falhas humanas na fabricação se reduzem os custos com retrabalho, proporcionando um aumentando na qualidade do produto. A automação também facilita o

  

setup automático da linha de produção, quando está produz vários modelos que compõe o

portfólio da indústria, proporcionando certo grau de flexibilidade do sistema de produção.

  Para atender todos esses requisitos se exige uma evolução constante dos dispositivos de controle, ou seja, novas funcionalidades têm sido agregadas a estes, tais como, maior capacidade de processamento, aumento da memória para o armazenamento de informações, possibilidade de conexão a outros dispositivos e interface de programação amigável. Contudo, principalmente na indústria não se tem uma evolução das técnicas e metodologias utilizadas no desenvolvimento do projeto do controle (BRANDIN, 1996), onde o que prevalece é a experiência do desenvolvedor que estabelece a lógica de controle do sistema de forma empírica, já que não são utilizadas ferramentas formais para o desenvolvimento do projeto do controle destes sistemas automatizados.

  Cassandras e Lafortune (1999) abordam a utilização de ferramentas formais para o desenvolvimento de procedimentos sistemáticos de análise, projeto (síntese) e implementação de sistemas de controle, dentre os quais se destacam: Redes de Petri, Cadeias de Markov, Teoria das Filas, Simulação, Álgebra de Processos e Max-Plus, Lógica Temporal, Autômatos e Linguagens.

  A grande maioria dos modelos citados se baseia na experiência do desenvolvedor. Assim, se tornar apenas uma linguagem de programação de alto nível, onde a ação de controle é limitada pela análise realizada pelo desenvolvedor. Porém, a Teoria de Controle Supervisório (TCS) proposta por Ramadge e Wonham (1989) se destaca das demais, pois é dotada de procedimentos de síntese de controladores, ou seja, é realizado um processo automático de síntese do controle, ao invés dos procedimentos tradicionais (empíricos).

  Conforme Hellgren et al. (2005, apud Vieira, 2007, p. 5), “apesar da grande aceitação da Teoria de Controle Supervisório pelo meio acadêmico, havendo diversas extensões à mesma e um número muito grande de publicações com foco em aspectos teóricos, são raras as aplicações industriais. A razão principal para isto é o problema da implementação física”. No caso da implementação em CLPs esses problemas surgem, pois se utiliza uma processados ciclicamente, uma vez que o ciclo de processamento do CLP consiste em ler as entradas, processar o código linha a linha e ao final atualizar as saídas. Vieira (2007) cita ainda diversas abordagens desenvolvidas no intuito de superar tais problemas, dentre as quais algumas foram utilizadas como referências também para este trabalho, destacando-se: (FABIAN e HELLGREN, 1998), (DIAS, 2005), (COSTA, 2005), (MORAES e LEAL, 2006), (TEIXEIRA et al., 2006), (CARVALHO, 2007), (QUEIROZ, 2004), (QUEIROZ e CURY, 2002b), (VIEIRA, 2001), (BOUZON et al., 2004), (SANTOS et al., 2006), dentre outras obras que abordam a TCS e a implementação desta em CLPs.

  Ao se utilizar a Teoria de Controle Supervisório se obtêm a solução ótima do controle de determinado sistema de forma sistemática. Já por intermédio da abordagem Modular Local (QUEIROZ e CURY, 2000) explora-se a modularidade da planta. Assim, quando é necessário alterar a lógica de controle, (lembrando que um sistema de manufatura pode sofrer alteração), seja pela inclusão/exclusão de equipamentos ou alteração no layout do sistema, essa alteração é facilitada, pois devem ser reprojetados apenas os supervisores que englobam as respectivas especificações de controle modificadas.

  Entretanto, no chão de fábrica a solução de controle é obtida de forma empírica, as alterações do programa, muitas vezes, são dolorosas e a documentação e comentários no corpo do programa são essenciais para que um terceiro possa entender o projeto para então alterá-lo, não se utilizam procedimentos sistemáticos como na teoria citada, visto que ela não é conhecida e dominada no âmbito industrial.

  Neste trabalho será apresentada uma proposta de metodologia para a obtenção do programa do CLP aplicando da TCS, conforme apresentado e discutido previamente em (LEAL, CRUZ e HOUNSELL, 2009). A metodologia de implementação proposta visa facilitar ao máximo a utilização da TCS no desenvolvimento de soluções de controle na prática, de modo a garantir o funcionamento do sistema e a geração automática do programa do CLP. A contribuição da metodologia proposta consiste no fato de possibilitar o tratamento de diversos eventos em um mesmo ciclo de varredura do CLP, sejam estes eventos controláveis ou não. Além disso, serão propostas soluções para diversos problemas decorrentes da implementação da TCS em CLPs. Também será apresentada uma ferramenta que gera o código do CLP automaticamente a partir dos supervisores sintetizados, essa ferramenta foi desenvolvida tendo como base a metodologia proposta.

  1.1 OBJETIVOS GERAIS

  Com o intuito de evitar os métodos empíricos utilizados na indústria e sistematizar o procedimento de projeto da lógica de controle, será abordada a TCS como ferramenta formal para síntese dos supervisores. Como a TCS não é normalmente utilizada na indústria, por se tratar de uma teoria nova, a implementação do supervisor em um CLP não é trivial, uma vez que pode acarretar em alguns problemas, o que dificulta ainda mais a disseminação da TCS na indústria. Assim, foi desenvolvida uma metodologia para a implementação da TCS em CLPs, que trata os problemas que podem vir a surgir no desenvolvimento do código do CLP, resultando em um código organizado que facilite o entendimento.

  1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

  A partir dos estudos das metodologias de implementação da TCS em CLPs, existentes na literatura, se estabeleceu o objetivo de desenvolver uma metodologia de implementação, que explora a máxima capacidade de processamento do CLP, ou seja, permita que em um mesmo ciclo de varredura do CLP mais de um evento possa ser tratado. Proporcionado assim, o maior número possível de mudança de estados ao longo de um ciclo de execução do código do CLP.

  Para obter a lógica de controle será aplicada a TCS, mais especificamente, a abordagem modular local na síntese dos supervisores. O motivo de se utilizar essa abordagem é explorar a modularidade das especificações de controle e dos subsistemas que compõem a planta, para então se obter supervisores modulares cuja ação conjunta permita o controle coordenado do sistema.

  Os supervisores sintetizados serão implementados no formato reduzido (QUEIROZ, 2004), ou seja, reduzindo o número de estados que serão implementados no CLP, proporcionando menos código e menos esforço para se converter o resultado teórico em um programa de CLP. Antes de implementar os supervisores, se faz necessário garantir algumas propriedades, que serão apresentadas ao longo desse trabalho.

  A implementação em CLP é feita utilizando-se a linguagem Ladder (IEC, 2003), por ser uma linguagem mais difundida no meio industrial, de fácil visualização e entendimento, possibilitando que alterações e localização de falhas sejam feitas rapidamente.

  Para validar a possibilidade de sistematização, da metodologia será desenvolvida uma ferramenta que gera automaticamente o código do CLP, a partir dos supervisores sintetizados. Obtendo assim, um atrativo a mais para a utilização da TCS pela a indústria.

1.3 ORGANIZAđấO DO TRABALHO

  Esta dissertação está estruturada da seguinte forma: no Capítulo 2 é apresentada uma revisão sobre os conceitos de Sistemas a Eventos Discretos (SEDs) e os formalismos de Linguagens e Autômatos utilizados para a representação de SEDs.

  Na sequência, o capítulo 3 faz uma revisão sobre a Teoria de Controle Supervisório proposta por Ramadge e Wonham (1989) chegando até a abordagem Modular Local proposta por Queiroz e Cury (2000).

  No Capítulo 4 são levantadas as metodologias de implementação da TCS em sistemas de controle, apresentado as soluções, dos principais problemas e dificuldades. O Capítulo 5 contempla a principal contribuição desse trabalho, ou seja, é apresentada uma metodologia para se implementar em CLP, os resultados obtidos pela modelagem do sistema, utilizando a TCS juntamente com a abordagem Modular Local, apresentada no Capítulo 3. A proposta de metodologia busca solucionar os problemas levantados no Capítulo 4 e apresenta um diferencial com relação às outras metodologias pesquisadas.

  No capítulo 6 é apresentada uma ferramenta de geração automática de código para o CLP, que foi desenvolvida tendo como base a metodologia proposta. Também é abordado um problema teórico, que busca apresentar os passos necessários para estabelecer a solução do problema ao se utilizar um CLP para controlar o processo.

  No último capítulo são comentados os resultados obtidos com a proposta de implementação aliada à ferramenta desenvolvida, para o desenvolvimento do controle supervisório em CLP, são apresentadas as contribuições do trabalho e as propostas para futuros trabalhos.

2 SISTEMA A EVENTOS DISCRETOS

  2.1 INTRODUđấO

  O presente capítulo tem como objetivo apresentar a teoria utilizada para se modelar a classe de sistemas do qual trata este trabalho, denominada Sistemas a Eventos Discretos (SEDs).

  Um Sistema a Eventos Discretos (SED) é descrito por Cassandras e Lafortune (1999) como sendo um sistema de estados discretos, dirigido a eventos, isto é, sua evolução de estados depende da ocorrência de eventos discretos assíncronos no tempo.

  Pelo termo “evento” pode-se entender que é a ocorrência de um determinado fenômeno no sistema em questão, essa ocorrência é abrupta, sem duração no tempo e pode afetar o comportamento deste sistema. Um evento pode ser identificado como uma ação específica, como por exemplo, a abertura de uma válvula pneumática que proporciona o avanço do cilindro pneumático, ou o acionamento de um sensor que indica que determinado cilindro pneumático está avançado. Um conjunto de eventos ordenados forma uma sequência de eventos que pode ser usada para descrever determinado comportamento de um dado sistema. Uma sequência de eventos especifica então a ordem de ocorrência dos eventos, mas sem levar em consideração o instante de tempo em que cada evento ocorreu.

  Diversos tipos de sistemas podem ser modelados como SEDs, dentre os quais se incluem robótica, sistemas de comunicação, controle de tráfego, logística e em diversos campos da indústria principalmente na manufatura, que são o foco deste trabalho. Assim, na sequência são apresentados os formalismos para a representação de SEDs por intermédio de linguagens e de autômatos.

  2.2 FORMALISMO PARA REPRESENTAđấO DE SED

  A fim de se formalizar a representação de SEDs serão apresentados nessa seção os conceitos básicos da teoria de linguagens e autômatos. Caso o leitor queira se aprofundar mais nesse assunto, sugere-se a consulta às seguintes referências: (CASSANDRAS e LAFORTUNE, 1999; CURY, 2001; TEIXEIRA, 2008; WONHAM, 2004).

2.2.1 Linguagens

  O comportamento de um SED pode ser representado por linguagens definidas sobre um alfabeto Σ formado por um conjunto finito e não vazio de símbolos associados aos eventos sequência de eventos pode ser representada por uma palavra definida sobre o alfabeto Σ. Assim, por definição, uma linguagem L definida sobre um alfabeto Σ, é um conjunto de palavras formadas pelas sequências de símbolos pertencentes a esse alfabeto Σ. Define-se ainda Σ* como o conjunto de todas as sequências finitas de símbolos do conjunto Σ, incluindo a palavra vazia, que é representada pelo símbolo ε (CURY, 2001). Vale lembrar que uma sequência de símbolos (palavra) é chamada também de cadeia. O comprimento de uma palavra s, denotado por |s|, corresponde ao número de eventos que a compõem.

  Como uma linguagem é um conjunto de palavras, as propriedades matemáticas válidas para conjuntos, como união, intersecção e outras, também podem ser aplicadas em linguagens.

  Ao se utilizar linguagem devem ser consideradas as seguintes operações:

  1. Concatenação:

  Esta operação consiste em, como o próprio nome diz, concatenar uma palavra pertencente a L1, seguida de uma palavra pertencente a L2, sendo L1 e L2 ⊆ Σ*, a referida concatenação é representada pela cadeia L1L2, que é definida como segue:

  

L1L2 = {s ∈ Σ*: (s = s1s2), (s1 L1) e (s2 L2)}

  Desta forma, uma cadeia está em L1L2 se ela pode ser escrita como a concatenação de uma cadeia de L1 com uma cadeia de L2. Sejam as cadeias t, u, v, s ∈ Σ* onde a cadeia s é resultante da concatenação das cadeias t, u, e v, ou seja, tuv = s, então: t é chamado prefixo de s; u é chamado de subcadeia de s; e v é chamado sufixo de s.

  2. Prefixo-Fechamento:

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