Gerenciador de uma Célula Flexível de Manufatura
Antonio Valerio Netto '
Arthur José V. Porto!
Departamento de Engenharia Mecânica - SEM
Universidade de São Paulo - USP/EESC - Campus São Carlos
Av. Dr. Carlos Botelho, 1465 Vila Pureza 13560-250 São Carlos SP - Brasil
lavnett o@ s c.usp.br
2 a j v p o r t o @s c . u s p . b r
Abstract: !his paper describe a proposal of a software management of a flexible manufacturing cell
developed in language C, which control at the same time four cell's components. The communication
among the microcomputer management and the too components of cell is based at a type star
data architecture, RS232-C standard that utilize specific protocol to each your
equipments.
Resumo: Este artigo descreve uma proposta de um software gerenciador de uma célula flexível de
manufatura desenvolvido em linguagem C, que controla simultaneamente quatro componentes de
uma célula. A comunicação entre o microcomputador gerenciador e os demais componentes da célula
é baseada numa arquitetura de comunicação de dados tipo estrela, padrão RS232-C que utiliza
protoco los específicos para cada um dos equipamentos.
Introdução
A automação industrial iniciou-se com o
desenvolvimento, dentro das empresas de
manufatura, das chamadas ilhas de automação.
Estas ilhas são subsistemas que apresentam a
automação de alguns processos organizacionais ou
produtivos que, a principio, não possuíam
características de interfaceamento ou comunicação
com outros subsistemas para a exploração mais
racional das novas tecnologias de automação .
[Politano, (1993)]
Uma das novas tecnologias de automação
existentes hoje é chamada de FMS (Flexible
Manufacturing System). Existem várias definições
na literatura [Fine, (1989) ; Kochan , (1986); Kunzle,
(1990) ; Lepikson, (1990.)] sobre sistemas flexíveis
de manufatura; de um modo geral , trata-se de um
sistema que conecta estações de trabalho
automatizadas com um sistema de manipulação e
armazenamento de materiais. Tem como objetivo
fornecer uma capacidade de produção automatizada
em multiestágios para uma maior variedade de
peças, que são tradicionalmente feitas em uma linha
de
transferência
não
flexível,
altamente
automatizada.
Estes
sistemas
fornecem
flexibilidade devido a possibilidade das operações
i
serem executadas em diferentes estações de trabalho e o
fluxo de peças entre as estações poder ser variado de
acordo com o controle da produção, via software.
Em função da complexidade do processo de
fabricação , no FMS pode-se segmentar as etapas de
processamento em algumas sub-etapas: diversos FMC's
(Flexible Manufacturing Cell) se completam em sua
respectiva especialidade, para fornecer a peça
processada. [Lepikson, (1990)]
De uma forma geral, uma célula flexível de
manufatura pode ser definida como um grupo de
recursos de manufatura, consistindo de máquinas e
estações de trabalho que são organizados e programados
como uma entidade para aceitar peças discretas, submontagens e materiais. A célula adiciona valor através
do processamento criando um novo produto identificável
como sua saída. As células podem ser automatizadas,
semi-automatizadas, operadas manualmente, ou uma
combinação de todos os três tipos. [Politano, (1993)]
O departamento de Engenharia Mecânica da
EESCIUSP, do campus de São Carlos, vêm
desenvolvendo um plano para capacitação tecnológica
nesta área. Uma das atividades de pesquisa é o uso de
uma célula flexível de manufatura, constituída por quatro
componentes, que é empregada na produção de peças
individuais. Ela é extremamente versátil quanto a
mudanças de peças; uma vez disparado o processo de
178
fabricação, ela realiza todas as operações
necessárias, sendo que, para alterar o tipo da peça,
basta alterar a programação de seus elementos.
Espera-se que através da simulação desta célula
flexível, possa-se demonstrar e pesquisar o
processo de informação entre seus componentes.
movimentação de material aleatório, pouca ou média
quantidade de carga, com múltiplos pontos de parada.
[Morandin Jr., (1994)] .
O magazine automatizado é um sistema de
armazenagem de material para processos de fabricação.
Ele é constituído de nichos onde o material é
armazenado sem a intervenção humana, com operações
de carga/descarga controlados por computador. Suas
Descrição da célula flexível de manufatura
vantagens
estão na possibilidade do controle
A célula flexível de manufatura é composta por um
computacional
do material em processo; situação e
centro de usinagem controlado por CN, um
localização
on-line
do material (peças, ferramentas,
manipulador mecânico (robô), um veículo autopalletsy
nos
subsistemas
do FMS. Permite a redução de
guiado (AGV) e um magazine automatizado, todos
inventários,
eliminação
do manuseio repetitivo de
controlados por um microcomputador gerenciador
materiais,
aumento
da
produtividade, aumento da
da célula (MGC) que por sua vez, se comunica com
segurança
e
redução
das
perdas
por danificação e erros
o restante da Fábrica Integrada Modelo (FIM), .
de
localização.
utilizando uma rede local, padrão ethemet. [Valerio
No projeto da célula flexível de manufatura, foi
Netto, (1995)]
implementado
um sistema automatizado de armazeO centro de usinagem citado é uma máquina
namento
e
entrega
de paIlets chamado AR/RS .
ferramenta CNC para a usinagem de peças
O
sistema
AR/RS
é basicamente formado por
prismáticas. Possui uma mesa para fixar peças com
estantes
de
armazenamento,
ao longo das quais move-se
capacidade de rotacionar em giros de 90 graus e
uma
máquina
de
carga/descarga
automatizada (máquina
dispositivos para permitir a automatização das
de
CID)
.
Esta
máquina
de
CID
normalmente é um
operações de carga, descarga e usinagem da peça.
elevador,
no
qual
é
fixado
um
carro
de transferência, e
A operação de abertura/fechamento da porta é
através
da
elevação/abaixamento
deste
carro, é
realizada por um pistão pneumático fixado na porta
selecionada
uma
linha
de
armazenamento.
Após o
do centro de usinagem . Este pistão é acionado por
posicionamento
na
localidade
desejada,
o
carro
de
uma eletro-válvula controlada pelo MGC. Esta
transferência
se
encarregará
de
:
coletar/armazenar
o
mesma eletro-válvula é responsável também pelo
pallet.
O
armazenamento/entrega
de
materiais
é
feito
dispositivo de fixação da peça instalado sobre a
numa região denominada estação de entrada/saída,
mesa do centro de usinagem.
O manipulador mecânico é basicamente um localizada no extremo das estantes de armazenamento.
Através da implementação de um controle
robô reprogramável e muItifuncional que possui
computadorizado,
o sistema opera automaticamente,
seis graus de liberdade e foi projetado para
sendo
necessário
apenas
a troca de dados entre o
movimentar materiais, peças, ferramentas ou
computador
controlador
do
magazine
e o MGC.
dispositivos especiais através de movimentos
Este
sistema
apresenta
como
características
programáveis, que executam tarefas variadas.
principais:
operação
automatizada,
capacidade
de
[Morandin Jr., (1994)] Sua função básica
é
armazenamento
de
pallets
nos
dois
lados
do
corredor,
realizar carga/descarga de peças paIletizadas entre o
flexibilidade
de
disposição
das
localidades
veículo auto-guiado (AGV) e o centro de usinagem
(compartimentos)
de
armazenamento,
modularidade
,
O veículo auto-guiado (AGV) é um sistema de
compatibilidade
com
o
dispositivo
de
transferência
de
carga, transporte e descarga, controlado por um
microcomputador de bordo, sem a presença de um cargas utilizado no manipulador e integração ao sistema
operador. Ele é equipado para seguir uma guia de manipulação de materiais. [Tronco, (1992)]
Na figura I é mostrado o layout da célula de
flexível, a qual pode ser facilmente modificada ou
manufatura
flexível
(FMC)
desenvolvida
no
expandida. [Gunsser, (1988)]
Sua função é
Departamento
de
Eng.
Mecânica
da
EESC/USP.
transportar ferramentas e/ou pallets de peças desde
os locais de armazenagem até os .locais de trabalho
ou
vice
e
versa,
seguindo
trajetórias Funcionamento e monitoramento gráfico dos
preestabelecidas com base na otimização do layout componentes da célula
de trabalho do chão de fábrica .
Dentro do ambiente da célula, o controle,
Na célula foi utilizado um AGV do tipo sequenciamento e sincronismo de operações dos
transportador de carga unitária devido a ele permitir elementos componentes do sistema de manipulação de
carregar, sobre si mesmo, cargas simples ou materiais
(AGV,
Magazine
Automatizado
e
múltiplas, sendo usualmente bidirecional, isto é, Manipulador) e da estação de processamento (Centro de
pode trafegar em direções opostas ao longo da guia. Usinagem) é realizado pelo MGC (Microcomputador
Sua maior aplicação está em áreas onde há Gerenciador da Célula).
179
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CENTRO DE
Figura 1 - Célula de Manufatura Flexível do LAMAFE . [Morandin Jr., (1994)]
Este processo é realizado seguindo uma
sequencia padrão de trabalho ; apenas um dos
componente é acionado de cada vez .
Quando ocorrer uma liberação de uma ordem
de fabricação, o MGC envia o programa de
usinagem (programa CN) para o centro de
Usinagem, em segu ida é acionado o magazine
automatizado para buscar uma peça bruta na estante
porta pallets, esta peça será depositada sobre o
AGV, utilizando-se para isto, a máquina de
carga/descarga.
O AGV por sua vez, levará a peça até as
proximidades do manipulador, o qual irá retirá-Ia
da plataforma do veículo e colocá-Ia na mesa de
fixação do centro de usinagem . Posteriormente é
acionado o dispositivo de fixação da peça na mesa
(cilindro pneumático) e fechada a porta de
segurança, permitindo assim a execução do
programa de usinagem.
Tão logo a peça esteja pronta, o movimento
inverso será feito, até a armazenagem . Com
relação' a este armazenamento foi padronizado que
a peça usinada retome para o mesmo nicho de que
foi retirada anteriormente.
Todo
este
procedimento
possui
um
monitoramento gráfico realizado pelo MGC.
No canto superior esquerdo (figura 2) é
possível saber qual dos componente da célula está
em funcionamento no momento, para isto basta
observar qual deles está com a marcaç ão A
(Ativado), setada; no caso do exemplo da figura 2,
o magazine automatizado é o que está em atividade .
Pode-se saber também a localização do AGV, se
ele está perto do magazine ou do centro de usinagem,
através das marcações próximas a estes componentes (no
caso do exemplo, ele está perto do magazine). A
marcação AI (Alerta), se estiver setada, indica a
existência de algum problema no componente da célula
correspondente.
No canto inferior esquerdo é possível fazer essa
mesma visualização, porém em forma de porcentagem
de utilização da máquina . Existe também um relógio
marcando o horário de início de cada processo.
No canto superior direito existe a visualização do
número da ordem de fabricação da peça a ser usinada, e
o código da unidade desta peça. Esses dados são
passados como parâmetros no início da execução do
programa principal. Existe também a sinal ização do
status da peça: E (Espera) indica que a peça está
esperando para ser usinada, D (Desenvolvimento)
significa que esta peça está sendo usinada no momento e
L (Liberada) indica que a peça finalizou sua usinagem e
está liberada. Este quadro, na verdade é um histórico das
dez últimas peças produzidas no sistema.
No canto inferior direito existe um quadro que
servirá também para armazenar o histórico das dez
últimas peças supervisionadas, marcando quanto tempo
cada uma levou para ser usinada.
Unidade de controle
Para a realização da integração dos componentes da
célula foi adotada uma arquitetura de comunicação cuja
topologia segue a configuração estrela, isto é, uma rede
com um único computador man ipulando a comunicação
com o resto do sistema.
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Figura 2 - Monitoramento gráfico do sistema. [Politano, (1993)]
.Cada componente foi conectado a unidade de
controle através de uma ligação ponto-a-ponto. Este
tipo de transmissão de dados é a técnica mais
conhecida e usada em aplicações de chão de fábrica
quando se deseja fazer transmissão serial
assíncrona entre uma estação de transmissão e
recepção. [Politano, (1993)]
Neste tipo de transmissão um byte
(geralmente um caracter ASCII) pode ser enviado e
recebido de modo assíncrono.
Um start bit é
gerado pelo transmissor no início de cada cadeia
seguido pelos bits que codificam o caracter ASCII e
um ou mais stop bits. O sincronismo do receptor é
iniciado pelo stop bit e serve como referência de
temporização para que cada bit possa ter seu nível
lógico identificado. Esta técnica está incorporada
no padrão RS232-C definida pela ElA (Electronic
Industrial Association). [Gaylord, (1987)]
O software controlador executado no MGC
(Microcomputador Gerenciador da Célula) foi
dividido em dois módulos: controle e comunicação.
O módulo de controle da célula corresponde a um
algoritmo de controle, que utiliza estruturas de
dados em forma de tabelas. As tabelas contêm as
especificações da estratégia de controle da célula.
Foram também desenvolvidos programas de edição
para manipular os dados das tabelas.
As principais tabelas usadas pelo algoritmo de
controle são: tabelas de estados, de eventos, de
estados atuais, de próximos estados e de comandos.
A tabela de estados contém todos os estados
previstos em que cada componente pode se
encontrar, e a cada estado está associada uma lista
de eventos . A tabela de eventos contém todos os
eventos possíveis de ocorrerem na célula . Cada evento
pode possuir uma condição associada, isto é, o evento
ocorre dependendo da condição do estado associado à
transição . Ocorrido o evento, o próximo estado é ativado
e o comando de alto nível associado a este estado (ação
que deve ocorrer) é enviado ao componente da célula.
A tabela de estados atuais representa os estados
correntes dos componentes da célula . Cada componente
possui um registro onde está indicado o seu estado atual,
um flag que indica se o estado possui ou não um
comando de alto nível associado e o status deste
comando . A tabela de próximos estados apresenta a
mesma estrutura da tabela de estados atuais . Ela é
preenchida de acordo com a execução dos comandos
associados aos estados contidos na tabela de estados
atuais.
Após a execução de todos os comandos
associados a tabela de estados atuais, esta é substitu ída
pela tabela de próximos estados. Por fim a tabela de
comandos contém os comandos de alto nível associados
aos estados de cada componente da célula.
No módulo de controle foi implementado um
algoritmo orientado para busca em tabelas, porque é
basicamente nas tabelas de estados e eventos que está
representada a especificação lógica do controle da célula.
A seqüência dessas buscas é feita a partir de uma
condição inicial do sistema (estados default) que está
representada nas tabelas de estados atuais.
O algoritmo usa a tabela de estados atuais para
enviar os comandos de alto nível associados ao módulo
de comunicação. Esses comandos são traduzidos pelo
módulo de comunicação para então serem enviados na
forma de comandos específicos para os componentes. O
status de comando executado é indicativo que um dos
eventos associados ao estado atual ocorreu. O algoritmo
181
então realiza uma busca na tabela de estados para
listar os possíveis eventos. De posse da lista, o
algoritmo seleciona um evento que satisfaça na
tabela de eventos, uma condição verdadeira para
que o evento tenha ocorrido. Uma vez o even to
determinado, o próximo estado e o próximo
comando ficam determinados .
O algoritmo
modifica a tabela de estados atuais e uma nova
configuração do estado é estabelecida para cada
componente.
O módulo de controle da célula será ativado a
partir do momento que exista uma ordem de
fabricação a ser executada e o setup (tempo de
preparação) da célula já tenha sido realizado. Após
a ordem ter sido executada, o sistema deverá voltar
à condição inicial a espera de uma nova ordem.
No modelo especificado, as condições iniciais
e finais na realização da ordem de fabricação são
preestabelecidas. No estado inicial do modelo,
assume-se que já exista uma peça sendo usinada e
no estado final considera-se que haja uma peça
usinada no centro de usinagem . As condições
iniciais e finais para a fabricação de uma ordem
serão tratados no algoritmo de controle como
cond ições de inicialização, para a entrada da
primeira peça , e final ização, para a saída da última
peça da ordem (lote).
O módulo de comunicação é o responsável
pela decodificação dos comandos enviados pelo
módulo de controle, transformando-os em fram es
apropriados para a transmissão de dados para cada
componente da célula. O módulo foi estruturado
funcionalmente em quatro sub-módulos: interface
de comandos, tradutor, protocolo de comandos e
protocolo de comunicação. Os três últimos são
específicos para cada componente enquanto que a
interface de comandos é comum para todos.
Esta interface de comandos é responsável por
receber o comando ' enviado pelo módulo de
controle e selecionar através de uma lista de
comandos cadastrados, o sub-módulo de tradução
que será responsável pela interpretação e
tratamento do comando.
O tradutor contém a rotina e a base de dados
com
as
informações necessanas
para
a
decodificação e tratamento do comando. Esta base
de dados possui a ,seqüência de comandos
específicos para a operação de cada componente da
célula.
.
O protocolo de comandos contém uma lista de
formatos de dados (telegrama) para cada comando.
Assim ; o tradutor selecionará o comando ou a
cadeia de comandos que deverão ser utilizadas pelo
protocolo de comunicação. Este protocolo de
comunicação determina o procedimento de
transmissão e recepção de dados, gerenciando o
trânsito deles pelo me io físico . Neste protocolo
reside a rotina que estabelece o acordo sobre o
processamento de troca de dados com um componente
específico da célula.
O meio físico utilizado para a comun icação de
dados entre MGC e os demais componentes da célula é
constituído por uma placa multiserial padrão RS232-C e
duas interfaces paralelas. Uma paralela (Porta A) é
responsável pelo controle do manipulador; através dela
pode-se selecionar o programa que o robô vai executar,
enviar seu start (inicio da execução do movimento) e
posteriormente determinar a sua parada (slop). A outra
interface (Porta B) controla o ciclo de start do centro de
usinagem , o abrir e fechar da porta pneumática de
segurança e o acionamento do dispositivo de fixação da
peça dentro da máquina.
Com relação as seriais, uma (COMI) esta sendo
utilizada para a descarga do programa CN no centro de
usinagem , outra (COM2) está sendo utilizada para o
controle do magazine automatizado e uma terceira serial
(COM3) faz o controle do AGV .
Sobre o controle do magazine automatizado é
importante frisar que ele possui um microcomputador
onde se encontra um programa que controla os
movimentos da máquina de carga/descarga (busca e
recuperação da peça) , isto é, o MGC através da
comunicação serial transmite os comandos para este
microcomputador, e este posteriormente decodifica-os e
os envia para máquina de carga/descarga executar os
movimentos requisitados .
Movimentos como por
exemplo, o de localizar e pegar o pallet que está numa
determinada coordenada x e y; levar este pallet até a
posição de embarque; embarcar/desembarcar o pallet do
AGV e recolher o carro de transferência para posição de
repouso . [Tronco, (1992)]
Com relação a troca de informações entre o AGV e
o MGC, ela é realizada através do modo contínuo, para
garantir a passagem de parâmetros em qualquer instante ,
se necessário ou desejado.
Para esse modo de
comunicação, a técnica escolhida foi a comunicação por
R ádio-Frequência.
Dois níveis na comunicação deverão ser
destacados: o nível físico, onde serão especificados o
padrão elétrico e o meio físico de comunicação; e o nível
lógico, onde serão apresentados o protocolo lógico e os
dados ou informações a serem trocados.
Ao nível físico , serão utilizados dois conjuntos
modulares/demodulares de RF, um sendo conectado à
interface serial (RS232-C) do microcomputador
controlador de bordo do AGV e o outro à interface serial
(COM3) do MGC.
Ao nível lógico, as informações trocadas serão
sobre : o destino do AGV , tipo de carga, permissão para
tráfego, parada de emergência (ocasionada por exemplo
por colisão do veículo com algum obstáculo ou por
solicitação do MGC), estação atingida, presença ou
ausência de carga sobre a plataforma de trabalho e
identificação de eventuais defeitos (emergência por
182
colisão, emergência por solicitação através do
botão de stop do AGV ou escape da guia de
referência) . [Morandin Jr., (1994)]
inteiro, prejudicando assim toda a célula, já que é a partir ,/
do MGC que são enviados todos os comandos de
acionamento do sistema.
Conclusões
Referências
A divisão em dois módulos principais do
software de controle localizado no MGC, permite
suportar , com a mínima alteração, modificações na
compos ição da célula . Por exemplo, a substituição
de um novo componente por um existente que
execute as mesmas funções não implicará na
modificação da especificação de controle já
estabelecida. Algumas mudanças poderão ocorrer a
nível do módulo de comunicação, para atender aos
requisitos do protocolo de comunicação específico
do fabricante.
Outra vantagem nesta divisão é que cada
módulo poderá funcionar em estações distintas,
dependendo da aplicação. A divisão poderá ocorrer
quando o tempo de resposta do software de
controle se tomar crítico para algum componente
da célula, em função do aumento de complexidade
do controle, das análises que requerem um tempo
computacional maior e também quando o
tratamento da transmissão de dados requerer uma
maior solicitação de tempo da CPU.
Através do uso do sistema pode-se identificar
questões de ordem técnicas , só possíveis através da
prática da execução do mesmo . Problemas como :
tempos de controle, protocolos de comunicação
(velocidade de comunicação e características dos
frames), velocidade de processamento dos equipamentos, características eletrônicas e mecânicas do
hardware (principalmente do AGV e do Magazine
Automatizado) e sobretudo, problemas relacionado
ao sistema computacional de controle do MGC.
Foi comprovado também através dos testes
práticos que não existe a necessidade, de se
desenvolver mecanismos de detecção de erro na
comunicação de dados . Isto se deve, por se tratar
de uma distância pequena entre o MGC e os demais
componentes da célula e também os dados que são
transmitidos, são frames já conhecidos . pela
recepção . Se não chegar nenhum comando
conhecido, o componente não executará nenhuma
das rotinas e assim não há perigo de uma
interpretação errônea de comandos por parte do
controlador do mesmo. Não obtendo o retomo de
êxito do comando enviado, o MGC, assim que o
time-out é acionado, envia novamente o comando
para o controlador. Segue-se esta seqüência até que
a resposta do comando seja positiva.
Com relação a topologia em estrela é
importante frisar que esta configuração tem a
desvantagem de ter um único ponto, o computador
central (MGC), pode falhar e desabilitar o sistema
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183