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Monografia2 2005

trabalho semestral de PMR2460 do professor Myagi - monografia2 sobre modelagem e análise para projeto de sistemas de automação

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INTRODUÇÃO Em projetos de engenharia modernos, principalmente em processos de manufatura, cada vez mais se torna presente a necessidade de automação e controle. Seja para monitoração de alguma variável no processo, para posicionamento, ou para controle de qualidade, tais projetos estão intimamente relacionados com a engenharia mecatrônica. Os sistemas de automação são projetados através de modelagem e análise. Modelar um sistema significa definir suas variaveis e seus parametros de controle, e determinar como este controle será implementado. A análise é feita após conseguir um modelo, seja um novo ou já implementado, através de simulação. Este trabalho visa um detalhamento da modelagem e análise de sistemas de automação, separando em capítulos os tópicos mais importantes. Discorre brevemente sobre os principais conhecimentos necessários para projeção e simulação de sistemas mecatrônicos. No segundo capítulo são documentados métodos de projeção de sistemas e seus relacionamentos. A definição de controle de sistemas por redes pode ser encontrada no terceiro capítulo, bem como a relação entre seus diversos tipos. No quarto capítulo é discorrida uma relação entre o controle de sistema por redes e as linguagens de programação de controles. Porfim, o quinto capítulo relaciona o desenvolvimento por fluxograma com a metodologia de projeto citada no segundo capítulo. Desta forma, este documento resume os principais tópicos relacionados à modelagem e análise de sistemas de automação, passando por metodologias de projeto e simulação em modelos matemáticos. METODOLOGIA DE PROJETO DE SISTEMA DE AUTOMAÇÃO Metodologia de projeto de sistema de automação é a forma de se conduzir um projeto de sistemas de automação, levando em conta as diferentes abordagens em relação ao tipo de objeto de controle e ao porte do sistema. A forma de condução dos projetos se dá através de métodos, que são conjuntos de passos codificados que se tem de tomar, de forma mais ou menos esquemática, visando atingir um determinado objetivo do projeto [1]. Visando o sucesso do projeto, deve-se seguir um procedimento de projeto, que é o modo como os métodos de projeto se sucedem. Aliado ao procedimento de projeto, existem as técnicas de projeto, que incorporam aos passos codificados dos métodos a criatividade e o conhecimento adquirido em projetos anteriores (tais como manejo de ferramentas e conhecimentos técnicos) [1]. De ferramentas entende-se por dispositivos que auxiliam a execução do projteto. CONTROLE DE SISTEMAS POR REDES Sistema de controle por redes é a representação dos SED's por redes compostas de distribuidores (passivos) e atividades (ativos) para modelamento, análise e controle do seu comportamento dinâmico [1]. As Redes de Petri representam as relações de causa e efeito entre os eventos e as condições. A sua utilização é voltada para diversos tipos de sistemas pertencentes a classe de sistemas (dinâmicos) de eventos discretos, onde sincronização externa e o tempo não intervêm. Por esses motivos que a rede de Petri tem grande capacidade de modelamento, tendo uma grande facilidade de visualização do sistema, poderosas técnicas e ferramentas de análise de síntese de estratégias de controle [1]. Porém ela exige um elevado número de fatores que devem ser considerados na sua síntese. Por essa razão, dependendo da complexidade do sistema, o gráfico resultante pode ter problemas na visualização, que é um ponto forte deste tipo de modelamento, e também podem apresentar redundância de informações [1]. É desejável, portanto, um primeiro modelamento em uma linguagem perto da não-natural, e posteriormente em linguagens mais formais. Para isso pode-se utilizar as PFS (Product Flow Schema) e MFG (Mark flow Graph), que são versões da rede de Petri para aplicações em diferentes níveis de modelagem, análise e controle de SED's. Na PFS, os eventos devem ser tratados como macro-eventos. É desenvolvido com a intenção de, adicionado de mecanismos de controle de fluxo, ser convertido em um MFG interpretado. E os elementos de transição da rede de Petri são subtituídos pelos elementos de transições. Isto possibilita a representação estruturada do sistema [1]. A MFG é aplicada em casos onde a análise envolve o comportamento dinâmico dependente da relação entre os estados e a mudança destes estados pela ocorrência de eventos (sistemas evento-condições). Nota-se a presença de assincronismo, seqüencialização, paralelismo, concorrência, etc [1]. REDES DE PETRI MFG E LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO DE CONTROLADORES A rede de Petri é uma ferramenta gráfica e matemática que permite a modelagem, descrição e especificação de sistemas. Para isso utiliza representação por lugares (círculos), que modelam condições ou estados de uma entidade; transições (retângulos), que modelam eventos, que caracterizam a mudança de estado do sistema; arcos orientados, que indicam o fluxo de um recurso do sistema; e marcas, que representam por si mesmas os recursos do sistema. Para contornar problemas como colisão (informação redundante) e deadlock (sistema travado), e para tornar o sistema capaz de interagir sinais com dispositivos externos, foi implementado o MFG (Mark Flow Graphic). Além dos elementos da rede de Petri tradicional, foram incluídos os elementos porta, que habilita ou inibe ocorrência de eventos; e arco de sinal de saída, que envia um sinal do box para dispositivos externos. Devido à sua natureza de elementos e relacionamentos, o MFG pode ser considerado um grafo. Assim, pode-se fazer um estudo mais aprofundado do funcionamento do sistema com base na teoria dos grafos, em análises matemáticas. Linguagens de programação de CLP (Controlador Lógico Programável) podem ser compreendidas através de lógica booleana. A lógica booleana trabalha com valores binários, representados por 0 e 1, e apresenta uma vasta teoria matemática. Nas redes de Petri do tipo MFG, existe no máximo uma marca no interior de cada box. Desta forma, o sistema pode ser modelado com lógica binária, onde existem marcas, e onde não existem marcas. Dado um sistema em lógica booleana, pode-se facilmente transformar seu código em programação de controladores. Fluxograma e Metodologia Ao iniciar uma comparação entre o fluxograma recomendado para o desenvolvimento de simulações e a metodologia de projeto de sistemas de automação, pode-se reparar uma grande semelhança no início dos dois processos. É necessário, no início dos métodos, uma caracterização e identificação plena do problema a ser resolvido. Para que o problema seja resolvido, é necessário adquirir todos os parâmetros e variáveis deste. Após o reconhecimento do problema, é necessário saber se a simulação é uma solução para o problema, e ainda analisar se é a melhor. Muitos problemas podem ser mais facilmente resolvidos com artifícios matemáticos e analíticos, como teoria de filas e autômatos finitos. Assim, parte-se para a definição e concepção do modelo. O modelo deve ser projetado de modo ser o mais fiel possível ao sistema real. Nesta fase nota-se uma maior influência da metodologia que do fluxograma. Projetado o sistema, são possíveis sua implementação e teste. Nesta fase muitas vezes é necessário projetar novamente o sistema, e analisar seus possíveis erros. Assim, consegue-se a otimização do modelo, de forma que se adapte da melhor forma ao sistema real. Finalmente, os métodos propostos têm grande semelhança no fluxo do processo. Existem diferenças quanto à relevância de algumas fases, assim mostra-se interessante uma adaptação dos dois processos, para obter resultados otimizados. REFERÊNCIAS 1] Miyagi, P. E.,Controle Programável. São Paulo: Ed. Edgard Blücher LTDA , 1996. 2] Apostila da matéria PMR 2460. Disponível em: < http://www.poli.usp.br/d/PMR2460/Arquivos/Apostila_Simulacao.pdf > Acesso em 12 Nov. 2005.