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DAS-5202: Modelagem e Controle de Sistemas Automatizados

Profs. Eduardo Camponogara & José Cury

Objetivos

• Motivar o trabalho prático• Apresentar um exemplo de problema de

automação• Desenvolver um modelo em Redes de Petri• Proceder à análise do modelo

Fábrica de Cerveja

CLPSinais de entrada

Sinais de saída

Estação de envasilhamento

Buffer de entrada

Buffer de saídaTAMPADOR

BOMBA

ROBÔ

ATUADOR

P1 P2 P3 P4

ESTEIRA

1m

Estação de Envasilhamento

• A linha de produção da fábrica de cerveja está equipada com uma estação de envasilhamento (EE)

• A estação de envasilhamento consiste de uma esteira e quatro máquinas, dispostas em série que recebem comandos de um CLP– Atuador (move garrafas vazias para a esteira)– Bomba (enchimento das garrafas)– Tampador– Robô (braço mecânico que remove garrafas)

Comandos do CLP

• O controlador lógico programável (CLP) comanda a operação EE através da sequência de passos:

– O atuador avança, depositando uma garrafa vazia em P1 (A_start)

– A esteira avança de 1 metro (E_start)– A bomba enche a garrafa de cerveja (B_start)

– A esteira avança de 1 metro (E_start)– A garrafa é tampada (T_start)– A esteira avança de 1 metro (E_start)– O robô retira a garrafa da esteira (R_start)

Lógica do CLP

• Execute indefinidamente– Envia: A_start– Aguarda: A_end

– Envia: E_start– Aguard: E_end

– Envia: B_start– Aguarda: B_end

– Envia: E_start– Aguarda: E_end

– Envia: T_start– Aguarda: T_end

– Envia: E_start– Aguarda: E_end

– Envia: R_start– Aguarda: R_end

Observações Sobre a Lógica do CLP

• A EE foi projetada para operar uma garrafa por vez, não permitindo que o autador seja acionado antes que o robô retire a garrafa da esteira

• Quais problemas poderiam surgir se operássemos várias garrafas em paralelo?

Problemas Com Múltiplas Garrafas

• Problemas podem surgir da diferença de velocidade das máquinas e falta de coordenação– Acionar qualquer uma das máquinas quando a

esteira estiver avançando– Sobrepor garrafas em P1

– Avançar a esteira sem que as garrafas em P2, P3 e P4 tenham sido enchidas, tampadas e retiradas, respectivamente

– Encher, tampar, ou acionar o robô sem garrafas nas posições P2, P3 e P4, respectivamente

– Encher ou tampar duas vezes a mesma garrafa– Avançar a esteira sem nenhuma garrafa

Ineficiência da Estação

• A EE é ineficiente– As máquinas não operam simultaneamente,

reduzindo consideravelmente a capacidade de produção

• Problema de Automação Industrial– Um engenheiro de controle e automação

industrial foi contratado para projetar uma lógica que induza maior eficiência da estação de envasilhamento

Detalhes do CLP

• O técnico responsável pela manutenção da linha de produção tem grande conhecimento de programação de CLPs

• Ele poderá implementar a lógica projetada pelo engenheiro, desde que esta faça uso dos sinais de entrada e saída da tabela a seguir

Detalhes do CLP

Máquina Sinal Tipo Detalhes

Atuador Pneumático

A_start Saída Inicia depósito de uma garrafa no pallet

A_end Entrada

Sinal fim de operação do atuador

Esteira E_start Saída Inicia avanço de 1 m da esteira

E_end Entrada

Sinal fim de operação da esteira

Bomba de Cerveja

B_start Saída Comando inicia enchimento

B_end Entrada

Sinal fim de enchimento

Tampador T_start Saída Comando começa tampar garrafa

T_end Entrada

Sinal garrafa tampada

Robô R_start Saída Comando retira garrafa

R_end Entrada

Sinal garrafa foi removida

Tarefa #1: Funcionamento Básico

• Desconsidere o fluxo de garrafas na esteira, modele o funcionamento do sistema com uma restrição que impeça a esteira de avançar quando o atuador, a bomba, o tampador e/ou o robô estiverem operando

Rede de Petri: Sistema em Repouso

A_start

A_end

B_end

Atuador emOperação

E_start

B_start

E_end

Atuador emRepouso

Bomba emOperação

Bomba emRepouso

Esteira emRepouso

EsteiraAvançando

Rede de Petri: Esteira Avançando

A_start

A_end

B_end

Atuador emOperação

E_start

B_start

E_end

Atuador emRepouso

Bomba emOperaçãoBomba em

Repouso

Esteira emRepouso

EsteiraAvançando

Tarefa #2: Lógica Atual

• Modele a lógica de controle atual (apenas uma garrafa na esteira)

Rede de Petri

ARep AOp BRep BOp TRep TOp RRep ROp

Ast Aend Bst Bend Tst Tend Rst Rend

ERep1 ERep2EOp

E_start E_end

Atuador Bomba Tampador Robô

Rede Petri: Atuador em Operação



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


Atuador Finalizou Operação



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


Esteira em Movimento



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


Esteira Finalizou Avanço



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


Tampador em Operação



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


Tarefas de Análise do Modelo

• Seja R a rede de Petri do modelo do sistema e M0 sua marcação inicial

– R é k-limitada para M0?

– R é k-limitada para qualquer marcação inicial?

– (R, M0) é reinciável?

– Quais são os componentes conservativos?– Quais são os componentes repetitivos?

Tarefa #2: Lógica Alternativa

• Desenvolva uma lógica de controle através da qual a esteira trabalhe sempre cheia.

• Considere a esteira inicialmente configurada como segue:

– uma garrafa vazia em P2

– Uma garrafa cheia em P3

– Uma garrafa cheia e tampada em P4

Rede de Petri

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


Bomba Inicia Operação

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


Robô Inicia Operação

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


Todas as Máquinas Finalizaram Operação

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end



A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


Esteira Avançou 1 metro

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


Tarefa #3: 2a. Lógica Alternativa

• Projetar uma lógica de controle flexível, que permita à esteira operar uma, duas, três ou quatro garrafas em paralelo.

4 Garrafas

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (4g)

4 Garrafas – 4 Máquinas Operando

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (4g)

4 Garrafas – Tarefas Finalizadas

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (4g)

4 Garrafas – Esteira Avançando

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (4g)

4 Garrafas – Condição Inicial

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (4g)

1 Garrafa: P1 com Garrafa

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P1->P2)

1 Garrafa: Movendo Garrafa P1 -> P2

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P1->P2)

1 Garrafa: P2 com Garrafa Vazia

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P1->P2)

1 Garrafa: Enchendo Garrafa em P2

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P2->P3)

1 Garrafa: P2 com Carrafa Cheia

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P2->P3)


A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P2->P3)

1 Garrafa: P3 com Garrafa Cheia

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P2->P3)

1 Garrafa: Tampando Garrafa em P3

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P3->P4)

1 Garrafa: Garrafa com Tampa em P3

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P3->P4)


A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P3->P4)

1 Garrafa: P4 c/ Garrafa Tampada

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P3->P4)

1 Garrafa: Robô Movendo Garrafa

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P1->P2)

1 Garrafa: Robô Removeu Garrafa

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P1->P2)

1 Garrafa: Atuador Move Garrafa

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P1->P2)

1 Garrafa: P1 com Garrafa

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

P2 s/g

P2 vazia

P1 s/g P1 c/g

P2 cheia

P3 cheia P3 c/tampa

P3 s/g

P4 c/g P4 s/g

E_startE_end

E_mov (1g, P1->P2)

Próximos Passos

• Projetar transições para casos envolvendo 2 e 3 garrafas

• Podemos projetar lógica mais simples e compacta?– O modelo exemplo terá em torno de:

• 2x16 transições para avançar a esteira• 2x4 transições para executar as

operações• 14 lugares para as máquinas e em torno

de 16 lugares para operações de avanço da esteira

Próximos Passos

• Projetar Lógica

• Executar simulação com objetivo de verificar o comportamento do sistema sob controle da lógica projetada

• Executar análise das propriedades da rede de Petri

Projeto -- Objetivos

• Em grupos de até 3 alunos, desenvolver trabalho de modelagem e controle de um sistema, colocando em prática as teorias apresentadas na disciplina (redes de Petri e autômatos)

Projeto -- Tarefas

• Identificar um problema prático que envolva a análise e síntese de controlador para uma aplicação que se enquadre na classe de sistemas a eventos discretos (SEDs)

• Modelar o respectivo sistema

• Especificar um comportamento desejado para o sistema

Projeto -- Tarefas

• Analisar o comportamento do sistema sem controlador e destacar os possíveis problemas decorrentes da inexistência de coordenação

• Projetar um controlador para atender as especificações e analisar a solução proposta

• Redigir um relatório das atividades e fazer uma apresentação oral

Projeto -- Avaliação

• Critérios para Avaliação dos Trabalhos:– clareza da elaboração do problema– a riqueza do problema proposto

(complexidade, criatividade, representatividade e adequação à teoria);

– modelos e fidelidade da modelagem;– completude e “corretude” da análise e da

solução;– relatório; e– apresentação oral dos resultados.

Fim

• Obrigado pela presença!

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