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\ \ Especificação de um Módulo de Informação pata Simulação/Operação de Sistemas de Manufatura Ornar Achraf Cesar A. Tacla Gustavo Girnénez Maurizio Tazza Curso de PÓs- Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná - CEFET-Pr Av. Sete de Setembro. 3165 CEP 80230-90 I - Curitiba - Paraná - Brazil [email protected] Abstract: This papel' prcscnts an architccturc for thc coordcnation/supcrvision laycr of a control and information systern. Prcciscly, it specifies the objects and opcrations that cornposc thc Information Module (IM). The IM is responsible for the storagc and rctricval of data ncccssary for thc eoordination/supervision laycr of a manufacturing system. Resumo: Este trabalho apresenta uma arquitetura para o nível de coordenação/supervisão de um sistema de eontrole e informação integrados e, mais precisamente, especifica os objetos e operações que compõem o módulo de informações (MOI). O MOI é responsável pelo armazenamento/recuperação das informações necessárias à coordenação/supervisão de um sistema de manufatura. Figura I: Estrutura Hierárquica de SICI. A parte operativa de um sistema produtivo realiza as transformações físicas sobre as matérias- primas utilizando insumos e gerando os produtos 1. Introdução "Um sistema de informação e de controle integrados (SICI) compreende todos os aspectos de decisão associados à operação de uma indústria, desde o controle de máquinas e processos até a gestão e administração [Gomide (1986)]" . A complexidade das decisões envolvidas num SICI pode ser reduzida organizando-o hierarquicamente (fig. I) . acabados [Menendez-Künzle, (1989)J. É composta pelas máquinas de usinagern, inspeção, limpeza e pelos dispositivos de transporte/manuseio de materiais. O nível I, comando local. efetua () comando dos componentes da parte operativa ea detecção e reação às condições anormais de funcionamento apresentadas pelos equipamentos. Cada elemento pertencente ao nível de coordenação/supervisão coordena as ações de um sub- conjunto de equipamentos da parte operativa visando atingir as metas de produção estabelecidas pelo planejamento da produção. É sua função também, gerir as prioridades para resolver os conflitos encontrados durante a coordenação dos elementos controlados utilizando informações, tais como: urgência de produção e disponibilidade de máquinas [Andreu e .t al. (l994)J . Ainda neste nível é importante a função de detecção e correção de falhas e a manutenção de uma base de dados contendo informações sobre a produção , estado de operação das unidades produtivas. localização dos paletes, das peças, ferramentas, etc. Uma interface de comunieação com o operador da unidade produtiva para acompanhamento da operação e para intervenções também é desejável. O nível de planejamento da produção , baseado no conjunto de pedidos. nas necessidades de mercado ou nas decisões oriundas do nível de gestão. nas datas limites de fabricação e na disponibilidade de recursos, estabelece o plano básico de produção que determina o momento da SDI I i I I IParte Operativa I Nivel3 Nível 4 Nível O Nivel1 Nível 2 166

Informação pata Simulação/Operação de Sistemas de Manufatura · manufatura. Figura I: Estrutura Hierárquica SICI. A parte operativa um sistema produtivo realiza as transformações

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\ \Especificação de um Módulo de Informação pataSimulação/Operação de Sistemas de Manufatura

Ornar AchrafCesar A. TaclaGustavo GirnénezMaurizio Tazza

Curso de PÓs- Graduação em Engenharia Elétrica e Informática IndustrialCentro Federal de Educação Tecnológica do Paraná - CEFET-Pr

Av. Sete de Setembro. 3165 CEP 80230-90 I - Curitiba - Paraná - [email protected]

Abstract: This papel' prc scnts an architccturc for thc coordcnation/supcrvision laycr of a control andinformation systern. Prcciscly, it specifies the objects and opcrations that cornposc thc InformationModule (IM). The IM is responsible for the storagc and rctricval of data ncccssary for thceoordination/supervision laycr of a manufacturing system.

Resumo: Este trabalho apresenta uma arquitetura para o nível de coordenação/supervisão de umsistema de eontrole e informação integrados e, mais precisamente, especifica os objetos e operaçõesque compõem o módulo de informações (MOI). O MOI é responsável peloarmazenamento/recuperação das informações necessárias à coordenação/supervisão de um sistema demanufatura.

Figura I: Estrutura Hierárquica de SICI.

A parte operativa de um sistema produtivorealiza as transformações físicas sobre as matérias-primas utilizando insumos e gerando os produtos

1. Introdução"Um sistema de informação e de controleintegrados (SICI) compreende todos os aspectos dedecisão associados à operação de uma indústria,desde o controle de máquinas e processos até agestão e administração [Gomide (1986)]" . Acomplexidade das decisões envolvidas num SICIpode ser reduzida organizando-o hierarquicamente(fig. I).

acabados [Menendez-Künzle, (1989)J. É composta pelasmáquinas de usinagern, inspeção, limpeza e pelosdispositivos de transporte/manuseio de materiais.

O nível I, comando local. efetua () com ando doscomponentes da parte operativa e a detecção e reação àscondições anormais de funcionamento apresentadas pelosequipamentos.

Cada elemento pertencente ao nível decoordenação/supervisão coordena as ações de um sub-conjunto de equipamentos da parte operativa visandoatingir as metas de produção estabelecidas peloplanejamento da produção. É sua função também, geriras prioridades para resolver os conflitos encontradosdurante a coordenação dos elementos controladosutilizando informações, tais como: urgência de produçãoe disponibilidade de máquinas [Andreu e.t al . (l994)J .Ainda neste nível é importante a função de detecção ecorreção de falhas e a manutenção de uma base de dadoscontendo informações sobre a produção, estado deoperação das unidades produtivas. localização dospaletes, das peças , ferramentas , etc. Uma interface decomunieação com o operador da unidade produtiva paraacompanhamento da operação e para intervençõestambém é desejável.

O nível de planejamento da produção, baseado noconjunto de pedidos. nas necessidades de mercado ou nasdecisões oriundas do nível de gestão. nas datas limites defabricação e na disponibilidade de recursos , estabelece oplano básico de produção que determina o momento da

SDI I

i

II

IParte Operativa I

Nivel3

Nível 4

Nível O

Nivel1

Nível 2

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entrada dos lotes de peças no sistema. Asinformações típicas deste nível são [Gom86]:disponibilidade de matéria-prima, estoques deprodutos acabados, estoques de ' produtos emandamento, trabalhos em andamento, conjunto depedidos e estado atual dos pedidos.

No nível 4, encontra-se a função degerenciamento que é a responsável pelacomunicação com o mundo externo à companhia epela elaboração dos planejamentos estratégicos delongo prazo da mesma.

O sistema de informações (SOI) é responsávelpelo armazenamento de informações relativas àoperação do sistema (ocorrências de peças, paletes,ferramentas, rosáceas, pedidos, estado dos pedidos,históricos, planos de processo, programas NC, etc.).Cada nível é responsável pela manutenção dasinformações que lhe interessam. Porém, ressalta-sea existência de informações compartilhadas pordiferentes níveis, mesmo que , conceitualmente, oSDI seja representado de forma modular para cadanível.

Este trabalho concentra-se no nível decoordenação/supervisão, mais precisamente, nolevantamento das informações que lhe sãorelevantes. Na seção 2, apresenta-se um modelofuncional para o nível de coordenação/supervisão.Na 3, detalha-se o módulo de Informações (MOI).O objetivo final é especificar o núcleo de um MOIutilizável tanto em simulações quanto emimplementações reais.

2. Modelo Funcional deCoordenação/Supervisão

A figura 2 apresenta o modelo funcional de umaunidade de coordenação/supervisão. As principaisfunções deste nível são :

a) interagir com os níveis superior e inferior doSICI através do módulo de comando;

b) coordenar um sub-conjunto de elementospertencentes à parte operativa da planta sob seudomínio e informar e consultar o MDI (módulode informações) sobre o estado atual doselementos comandados (sub-módulo decoordenação);

c) gerir prioridades e resolver conflitosencontrados na coordenação respeitando asrestrições impostas pelo plano de produção eutilizando informações fornecidas pelo MOI(módulo de escalonamento);

d) detectar, diagnosticar e corrigir falhas na áreasob seu domínio e informar ao MDI o estadodos elementos em falha (sub-módulo dedetecção e tratamento de falhas);

e) coletar, armazenar (utilizando o MDI) e mostrardados sobre a operação da unidade produtiva, taiscomo, dados de produtividade, estado de operação.(módulo de monitoração);

f) prover uma interface com o operador permitindo oacompanhamento dos dados de produtividade, aintervenção na função de comando em caso de falhaou quando requisitado (módulo interface operador);

Planejamento

Comando Local

Figura 2: Modelo Funcional de Coordenação/Supervisão.

O nível coordenação/supervisão ainda édecomposto em 3 sub-níveis hierárquicos [Tazza et aI.(\992)]: planta, célula e estação. Cada um destes sub-níveis é composto por um conjunto de unidades decoordenação/supervisão. Uma ordem de fabricação,proveniente do nível de planejamento, é sucessivamenterefinada pelos sistemas de coordenação/supervisão daplanta, células e estações (nesta sequência)transformando-a num conjunto de ordens para o nível decomando local que, finalmente, dispara os processos daparte operativa.

3. Módulo de Informações (MDI)O MDI funciona como um integrador de todos . osmódulos, pois é responsável pelo registro e acesso àsinformações relevantes para a coordenação/supervisão.São informações relevantes, o estado dos elementoscontrolados (peças, máquinas, paletes, ferramentas, etc.),registro histórico dos estados dos elementos e políticasde prioridades para a resolução de conflitos na disputapor recursos.

O MDI é composto por um conjunto de classes deobjetos que representam os elementos controlados. Cadaclasse possui um conjunto de operações que realizam aevolução de estado dos objetos do sistema produtivo. Asoperações implementam a integração entre o MDI e osdemais módulos. A primeira parte desta seção trata daidentificação das classes e das associações entre elas. Oresultado é o diagrama de classes [Rumbaugh (1991)].Em seguida, os atributos de cada uma das classes sãodescritos utilizando-se IMC tlrformation Modelling by

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Composition, [Durchholz-Richter (1992)] . Paracada classe identificada descrevem-se as operaçõesque podem ser aplicadas e o modelo dinâmicocorrespondente utilizando-se máquinas de estado .

Diagrama de ClassesA entrada para a coordenação/supervisão é umconjunto de lotes determinado pelo nível deplanejamento . Um lote é uma ordem de fabricaçãode uma quantidade de peças de mesmo tipo. Cadalote pode ser constituído por vários sublotes. Umsublote é formado por uma ou por mais peças quetrafegam no chão-de-fábrica sobre o mesmo paleteou uma peça isolada despaletizada. Uma peça ,paletizada ou não, um palete, uma f erramenta ouuma rosácea, em um instante de tempo qualquer ,ocupam uma posição de armazenagem pertencentea um recurso de armazenagem. Todos osequipamentos que possuam ao menos uma posiçãodestinada a receber um material são definidos comorecursos de armazenagem . Por recurso operativoentende-se um dispositivo de transporte ou qualquerequipamento que execute algum processo(movimentação, carga, descarga, usinagem,inspeção, etc.). O processo pode ser executadosobre um material (peça, palete, rosácea ouferramenta).

contém

Figura 3: Diagrama de classes .

Descrição das ClassesApresentam-se resumidamente a estrutura, asoperações e modelos dinâmicos das principaisclasses de objetos : recurso operativo , peça, recursode armazenagem e posição de armazenagem. Adescrição completa está em [Achraf (1997)] .

Recurso OperativoUm recurso operativo é um dispositivo que

realiza um processo que demanda tempo. Ele écapaz de receber ordens de operação, emitir

respostas de finalização das mesmas, receber pedidos dereserva e enviar as respectivas respostas. A figura 4mostra a estrutura da classe.

I RecursoOperativo

PriorReserva: Hi<lnrion'I I PriurR" IoE"Re<OpcrI li Hisltír icll I

II I

I _ IFigura 4: Classe Recurso Operativo

Descrição dos Atributos:IdRecOperativo: identifica univocamente um

recurso operativo;PriorReserva: define a prioridade de reserva de um

recurso operativo . É utilizada quando há mais de umpedido de reserva para o recurso operativo. .Asprioridades de reserva podem ser as seguintes:

• FIFO: o primeiro pedido a chegar é o primeiro aser atendido ;

• UFO: o último pedido a chegar é o primeiro aser atendido ;

• Priorizar os sublotes mais adiantados ou os maisatrasados em relação ao plano de processos ;

EstadoAtual: contém o estado atual do recurso deacordo com o modelo dinâmico mostrado adiante;

Compartilhado: indica que um recurso operativo éou não é compartilhado com o nível hierárquico superiorde controle em relação àquele ao qual ele pertence;

Histórico: contém os estados assumidos pelorecurso ao longo da simulação/operaç ão do sistema bemcomo os instantes de mudança dos estados ;

ListaPedidosReserva: contém os pedidos dereserva para o recurso;

ListaRespostasReserva: contém as respostas aospedidos de reserva;

ListaComandos: contém a lista de comandos aserem executados pelo recurso operativo;

ListaRespostasCmdos: contém a lista das respostasdos comandos executados ;

OperaçõesCriar: cria um recurso operativo;Reservar: Insere um pedido na lista de pedidos de

reserva. O pedido será tratado de acordo com o atributoPriorReserva .

ConsumirReserva: consome uma reserva da listade respostas aos pedidos de reserva do recurso;

VerificarReserva: apenas verifica a presença dereserva na lista de respostas aos pedidos de reserva ;

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•IdMedida: ErroAtual:

I t4 . ..

Histórico: contém os estados e as posições dearmazenagem assumidos pela peça ao longo dasimulação/operação bem como os instantes das mudançasde estado ou de posição de armazenagem;

ListaVlrsMedidas: contém os valores das medidasda peça e valor do erro inserido pelas máquinas;

Operações:Criar: cria uma peça. A criação ocorre quando o

escalonador decide pela entrada de um sublote de peçasno sistema;

MudarEstado: muda o estado de uma peça. Onovo estado pertence ao conjunto {Alançar,AoperarArmaz. Aoperar'Iransp, Operação,Operada Transp, Operadaérmaz, Transp, ArmazCélula,Armazl'lanta, Finalizada}. Somente as mudançasdefinidas no modelo dinâmico são permitidas. Quando aocorre uma troca de estado, insere-se um registro nohistórico;

Mover: muda a posição de armazenagem de umapeça;

PeçaPosArmaz: retoma a posição dearmazenamento ocupada por uma peça;

PeçaPaletizar : associa uma peça a um palete;Despaletizar: desfaz a relação da peça com seu

palete atual;PeçaPalete: Retoma o identificador do palete

associado à peça;

Modelo Dinâmico

Peça

Histórico:

IdPalele :

PosArmaz:

I

Figura 6: Classe Peça.

IdSubLote:

IlêéJEstadoPlanoProc:

ListaVlrsMedidas:

IdPeça:IºªªEsladoAlual:

Figura 5: Modelo Dinâmico do Recurso Operativo

Um recurso operativo no estado Livre,mediante solicitação de reserva proveniente domódulo de comando, passa a Reservado. Outraalternativa é passar diretamente ao estadoOperando. Um recurso Reservado pode operar ummaterial passando ao estado Operando. Quando aoperação é enc errada o recurso pode ser liberado.(Livre) ou continuar Reservado. Um recursoReservado pode ser liberado passando ao estadoLivre. Observe que de qualquer um dos estados jádescritos pode-se passar ao estado Quebrado . Doestado Quebrado passa-se ao estado Reparo . Acada mudança de estado um registro é inserido nohistórico permitindo que o módulo de monitoraçãoobtenha informações sobre a utilização do recurso .

Modelo Dinâmico

Executar: insere um comando na lista decomandos do recurso operativo;

ConsumirResp: consome uma resposta dalista de respostas dos comandos relativa à execuçãode um comando;

VerificarResp: apenas verifica a presença deuma resposta na lista de respostas;

MudarEstado: realiza a mudança de estadopara um dos estados do conjunto: {Livre,Reservado. Operando. Quebrado. Manutenção}.Somente as mudanças definidas no modelodinâmico são permitidas (figura 5).

Estado: retoma o estado atual do recurso deoperativo.

Peça

Descrição dos Atributos:IdPeça: identifica univocamente uma peçaIdSubLote: identifica o sublote ao qual a peça

está associada;IdPalete: identifica o palete ao qual a peça

está associada;EstadoAtual: estado atual da peça de acordo

com o modelo dinâmico apresentado adiante;EstadoPlanoProc: estado atual da peça

relativo ao plano de processos;PosArmaz: posição de armazenagem onde a

peça se encontra;Figura 7: Modelo Dinâmico para Peça.

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Consider ando os níveis hierárqu ivos decoordenação/supervisão uma peça pode encontr ar-se em uma estação, célula ou plant a.

Uma peça permanece no estado Alançar atéque o escalonador decid a pelo seu lançamento nochão-de-fábrica. Lançada, a peça vai a uma estaçãoonde permanece no estado Aope rar/crma: noarmazém de entrada aguardando por uma operação .Durante o transporte até a máquin a e sua descargana máquina ela permanece no estadoAoperar'Iransp até que a operação se inicie. Nestemomento passa ao es tado Operação. Terminada aoperação, a peça permanece no estadoOperadaTrallSp durante seu transporte até oarmazém de saída e, quando lá chega, passa aoestado Operada/vrmaz.

Uma peça Operada/uma; aguarda a decisãodo esca lonador sobre a próxima operação e o localde sua realização. Decisão tomada, a peça éconduzida até a estação . Durante este transporte elapassa ao estado Transp , Caso seja armazenadatemporariamente em algum armazém da célula elapassa ao estado Armat.Célula . Ao chega r na estaçãodestino a peça entra no estado Aop erar/vnna;

Quando uma peça necessita visitar estaçõespertencentes a células distintas então ela deveutilizar o sistema de transporte da planta. Parautilizá-lo ela passa ao estado An nazi'lant. Uma vezem transporte, a peça passa ao estado Transp echegando na es tação des tino entra emAoperar/vrma t . Acabadas todas as operaçõesprevistas no plano de processos a peça pode passa rao estado Finalizada.

Recurso ArmazenagemPor recurso de armazenagem entende-se um

armazém, uma máqu ina-ferramenta ou qualqueroutro equipamento destinado a conter, durante operíodo de uma operação ou de uma espera, umconjunto de sublotes de peças, de paletes, derosáceas ou de ferramentas.

ListaPedidosReserv: pedid os de reserva que aindanão foram atendidos;

ListaRespostasReserv: respostas aos pedidos dereserva;

PriorReserv: prioridade para rese rvar uma dasposiçõe s do recurso de armazenagem. É util izada quandohá mais de um pedido de reserva para o mesmo recurso.

• FIFO : primeiro pedido a chega r é o primeiro aser atendido ;

• UFa: o último pedid o será o mais pr ioritário ;AlgRese rv : algoritmo a ser utiliz ado na reserva de

uma das posições de armazenagem do recurso (aspos ições de armazenagem são descritas em seguida).

• Reserv eôualquerllma : reserva a leator iamenteuma das posições no estado Livre;

• Reservel'rimeira Crescente; reserva a primeiraposição Liv re do equipamento pesqui sand o na ordemcresce nte das posições;

• Reservel'rinieiralrecre scente: reserva a primeirapos ição Livre do equipamento pesqui sand o na ordemdecrescente das posições;

• Reserv el'artindoCentro: reserva as posiçõespesquis ando-se primeiramente a posição do centro edepois as vizinhas;

• Reservelvlaisi'rtiximo : reserva a posição maispróxima de uma posição dada;

RestriçãoReserv: estabelece as res tnçoes nareserva de uma posição de armazenagem. Por exemplo,pode-se desejar que uma posição do recurso fique livrequando ex iste uma peça em operação na estação (paraimpedir situações bloqueantes). Os valores possíveis parao atributo Restriç ãokeserva são : .

• Semkestri ções: não há restrição para a reservadas posições de armazenagem;

• Deixelhnal.ivre: a reserva somente é efetuada seexistirem duas pos ições livres;

Compartilhado : indica se o recurso é ou nãocompartilhado com o nível hierárquico decoordenação/supervisão super ior ao qual ele pertence.Um recurso compartilhado pode ser reservado tanto pelonível ao qual ele pertence quanto pelo nível superior.

, RecursoArmaz

Figura 8: Classe Recurso de Armazenagem

Descrição dos Atributos:IdRecArmaz: identi fica univocamente um

recurso de armazenagem;

OperaçõesCriar: cria um recur so de armazenamento;Reservar: insere um pedido de reserva para o

recurso;ConsunúrReserva: consome uma reserva da lista

de respostas dos pedidos de rese rva;Reserva: verifica a exis tência de uma reserva na

lista de respostas dos pedidos de reserva;

Posição de ArmazenagemUm recurso de armazenagem é comp osto por uma

ou mais posições de armazenagem. Por exemplo. umbuffer pode ter capacidade para 5 palet es. Cada umdestes espaços deve ser mapeado para uma posição dearmazenagem.

AlgReserv

I' AIgR"j

CompartilhadoII

PriorReserv

ReslriçãoReservII RccArm"1

ListaPedidosReserv: ListaRespReserv:

II I pOdRS\1 -- _ I III RO'PRS\l ---

IdRecArmazII RocArlll"i

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s.Referências

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F.A.C Gomide, M.L. Andrade Netto. Introdução aAutomação Industrial Informatizada. I EscolaBrasileiro-Argentina de Informática, Kapesluz,1996,165p.

módulo de informações responsável pela integração dosmódulos do nível coordenação/supervisão. O MOI écomposto por um conjunto de objetos, cada um com suasoperações e modelo dinâmico. As operaçõesimplementam a integração entre os módulos e o modelodinâmico dita as mudanças de estado permitidas. A partirdesta especificação pretende-se estabelecer um núcleomínimo necessário para simular e implementar umsistema produtivo real. As classes definidas permitem aextração de dados de produtividade do sistemacontrolado (atributo Histórico), o comando doselementos e escalonamento das atividades. Este trabalhoestá inserido em um contexto maior, o da ferramentaAnalytice para projeto e análise de Sistemas Flexíveis deManufatura. Analytice permite a simulação do nívelcomando local. Encontra-se em implementação a ligaçãodo simulador com equipamentos reais. O próximo passoé a implementação do nível de coordenação/supervisão.

I PosiçãoArmazIdPosA rmaz:

IdRecArmaz Posição EsladoAlual Histórico

[::31 1 Intei"1 IIE.<IRecArma1 IIII I

Figura 9: Classe Posição de Armazenamento.

Figura 10:Modelo Dinâmico para Posição deArmazenagem

OperaçõesCriar: cria uma posição;MudarEstado: realiza a mudança de estado

de uma posição para um dos estados doconjunto: ILivre, Reservada, Ocupada} .

Estado: estado atual da posição dearmazenagem;

IdRec: retoma o identificador do recursoassociado a uma dada posição.

AtributosIdPosArmaz: identifica a posição de

armazenamento dentro de um recurso dearmazenagem. É composto por duas construções:(I) IdRecArmaz que identifica o recurso dearmazenagem e (2) Posição que identifica umaposição dentro do recurso de armazenagem.

EstadoAtual: contém o estado atual dorecurso de acordo com o ciclo de vida mostrado emseguida;

Histórico: contém os estados assumidos pelaposição de armazenagem ao longo da simulaçãoe/ou operação bem como os instantes de mudançados estados.

Modelo DinâmicoUma posição de um recurso de armazenagem

normalmente inicia no estado Livre . Mediantesolicitação de reserva proveniente da planta, dacélula ou da estação passa ao estado Reservada,quando não há reserv a, vai diretamente ao estadoOcupada . Uma posição Reservada pode receber ummaterial passando a ser Ocupada. Na retirada deum material a posição pode voltar ao estado Livreou continuar Reservada . Uma posição Reservadapode ser liberada passando ao estado Livre.

4. ConclusãoEste artigo apresentou uma arquitetura para o nívelde coordenação/supervisão de um sistema decontrole e informação integrados. Especificou-se o

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