DAS-5202: Modelagem e Controle de Sistemas Automatizados

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DAS-5202: Modelagem e Controle de Sistemas Automatizados

Profs. Eduardo Camponogara & José Cury

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Objetivos

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

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

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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

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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)

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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)

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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

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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?

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Tarefa #2: Lógica Atual

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

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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

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Rede Petri: Atuador em Operação



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


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Atuador Finalizou Operação



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


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Esteira em Movimento



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


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Esteira Finalizou Avanço



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


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Tampador em Operação



ERep1 ERep2EOp

E_start E_end


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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?

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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

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Rede de Petri

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


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Bomba Inicia Operação

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


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Robô Inicia Operação

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


Page27

Todas as Máquinas Finalizaram Operação

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


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A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


Page29

Esteira Avançou 1 metro

A_start A_end

B_start B_end

T_start T_end

R_start R_end

E_startE_end


Page30

Tarefa #3: 2a. Lógica Alternativa

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

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

Page36

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)

Page37

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)

Page38

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)

Page39

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)

Page40

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)

Page41


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)

Page42

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)

Page43

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)

Page44

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)

Page45


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)

Page46

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)

Page47

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)

Page48

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)

Page49

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)

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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)

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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

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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

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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)

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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

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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

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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.

Page57

Fim

• Obrigado pela presença!

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