De acordo com as tendências de demanda por produtos cada vez mais personalizados com menor time-to-market possível, evidencia-se a necessidade da composição de sistemas produtivos (SPs) com uma estrutura reconfigurável para manter a competitividade frente aos crescentes desafios de um mercado globalizado. Esta capacidade de reconfiguração envolve não só as estruturas internas dos SPs, mas também a participação destes na execução de forma integrada e coordenada em um processo produtivo mais complexo. Dessa maneira, esta dissertação introduz uma arquitetura de supervisão e controle que integra e coordena um conjunto de SPs fisicamente dispersos, cujas funcionalidades estão disponibilizadas como serviços para a execução dos processos produtivos e que, para a supervisão e controle desses SPs dispersos adota-se a técnica de orquestração junto com o conceito de SOA (Service-Oriented Architecture) de modo que em caso de indisponibilidade de algum SP, ocorra a seleção de outro SP de acordo com um critério de prioridade que melhor atende aos requisitos para a manufatura dos produtos. Desta forma tem-se uma solução para a inclusão dinâmica de SPs no sistema. Como o SP disperso pode ser caracterizado como um sistema a eventos discretos, as funcionalidades das partes que compõem a arquitetura proposta é desenvolvida segundo uma metodologia de projeto baseada em modelos em rede de Petri cujas propriedades são exploradas para a avaliação desta arquitetura. O texto apresenta ainda um exemplo ilustrativo das principais funcionalidades da arquitetura proposta implementada para um SP disperso. / According to trends in demand for customized products with less time-tomarket possible, it is noticeable the need for a composition of productive systems (PSs) with a reconfigurable structure to maintain competitiveness against the increasing challenges of globalized market. This ability to reconfigure involves not only the internal structure of the PS, but also their participation implementing an integrated and coordinated environment in a more complex productive process. Thus, this work presents a supervisory control architecture that integrates and coordinates a set of physically dispersed PSs, whose functionalities are made available as services for the execution of productive processes and, for the supervision and control of dispersed PSs it is adopted the \"orchestration\" technique, through the approach of SOA (Service-oriented architecture), that allows, in case of unavailability of any PS, the selection of another PS according to priority criteria that best meet the requirements for the manufacture of products. This is a solution for dynamic inclusion of PSs into the system. Since the dispersed PS can be characterized as a discrete event system, the functionalities of the parts that compose the proposed architecture is developed according to a design methodology based on Petri Net models, whose properties are explored to evaluate the architecture. Also is presented an illustrative example of the main functionalities of the proposed architecture implemented for dispersed SPs.

Ferramentas de simulação de barramentos de comunicação de chão de fábrica (fieldbuses) têm aplicação industrial durante a fase de projeto de malhas de controle, pois permitem a prévia avaliação do desempenho de tais malhas bem como o treinamento de operadores do sistema de controle. Este trabalho descreve uma ferramenta de simulação de fieldbus com foco na camada de aplicação de blocos funcionais Foundation Fieldbus que preenche os requisitos acima citados em uma plataforma única e autônoma em relação a fabricantes do sistema de controle e, para além disso, tem aplicação no ambiente industrial por usuários de fieldbus como uma ferramenta no desenvolvimento de blocos funcionais \"customizados\", bem como no ambiente acadêmico como ferramenta didática para ensino de sistemas de controle distribuídos. / Fieldbus simulation tools are used in the industry during the planning stages of control network implementations since they allow for a pre-evaluation of the network\'s performance as well as providing a training environment for the control systems operators. This thesis describes a fieldbus simulation tool focused on the Foundation Fieldbus functional blocks application layer that meets the requirements mentioned above within a single vendor independent platform. Additionally, the tool can be used by industrial fieldbus users developing custom functional blocks and, in an academic environment, as an application for teaching distributed control systems.

Este documento é resultado de uma pesquisa que envolve a proposta de uma arquitetura com orientação a serviços de um sistema que integra e coordena um conjunto de sistemas produtivos teleoperados e geograficamente dispersos, no qual se adota uma abordagem de modelagem baseada em uma ferramenta formal, como é a rede de Petri, a fim de estruturar um procedimento não só para a construção dos modelos como também para a análise funcional das partes que compõem o sistema e que, posteriormente, são implementadas em uma arquitetura de controle distribuído. O texto apresenta a motivação e justificativa da pesquisa envolvendo o histórico do desenvolvimento dos sistemas produtivos (SPs); uma revisão da literatura onde, entre outros aspectos, mostram-se abordagens de outros pesquisadores para assegurar uma flexibilidade estrutural dos SPs; a proposta de uma arquitetura baseada numa formulação com orientação a serviços; a proposta de um procedimento de modelagem; e um exemplo de implementação dessas propostas. O desenvolvimento deste trabalho contribui para a área de SPs permitindo-lhes assegurar uma flexibilidade estrutural que facilita a reconfiguração do sistema frente a mudanças do ambiente produtivo. Neste sentido, considerando a heterogeneidade dos SPs, este trabalho propõe uma abordagem modular, com orientação a serviços, onde são conciliadas duas importantes características: o alto grau de autonomia dos módulos e a ampla interoperabilidade dos mesmos. Adicionalmente, a proposta desenvolvida assegura uma especificação precisa da troca de mensagens entre os módulos do SP. / This document is derived from a research that involves the proposal of a service-oriented architecture for a system that integrates and coordinates a set of teleoperated production systems. This system is physically located in a dispersed way and adopts a modeling approach based on a formal tool known as Petri net. This approach structures a procedure to model construction to develop functional analysis of the parts integrating the system and that subsequently are implemented in distributed control architecture. The text presents the motivations for the research regarding the history of development of productive systems (PSs), a review of the literature where, among other aspects, it is shown the approaches of other researchers to ensure the structural flexibility of the PSs; the proposal for an architecture based on a formulation of a service-oriented approach, a proposal for modeling procedure, and an implementation example of these proposals. The development of this work contributes to the area of PSs enabling them to ensure a structural flexibility that facilitates the reconfiguration of the system against changes in the productive environment. In this sense, considering the heterogeneity of PSs, this work proposes a modular approach with service-oriented principles, where two important features are conciliated: high degree of autonomy and global interoperability of the modules. Additionally, the developed proposal ensures a precise specification of the messages exchange among the modules of the PSs.

Nos sistemas produtivos contemporâneos, vários processos são executados simultaneamente por meio de um conjunto finito de recursos, que são fortemente compartilhados. No chão de fábrica desses sistemas produtivos, ocorrem também eventos não programados como a quebra de máquina, isto é, indisponibilidade imprevista de recursos que pode dar origem a muitos problemas como o travamento (deadlock) dos processos. Existem várias abordagens para resolver o problema, mas, em geral, elas envolvem o suporte de um sistema computacional especifico para a realocação de recursos. Por outro lado, na prática, os sistemas produtivos já possuem uma arquitetura física de controle dos processos estabelecida por normas internacionalmente aceitas, ou seja, a IEC 61131 e a IEC 61499, que prescrevem as diretrizes para o desenvolvimento de soluções de controle baseadas em CLPs. Nesse contexto, é necessário rever o problema de realocação de recursos para se adequar essa realidade à existência de uma arquitetura baseada em controladores programáveis que compõem o sistema de controle de processos desses sistemas produtivos. No presente trabalho, parte-se de requisitos de uma arquitetura física de controle de sistemas produtivos segundo as normas IEC 61131 e IEC 61499 para implementar uma solução de controle de processos que envolve recursos de uma nova natureza, ou seja, que possuem flexibilidade funcional, não prevista nas correspondentes normas. Além disso, desenvolve-se uma nova arquitetura de controle para realocação de recursos que; mediante a indisponibilidade imprevista de recursos como, por exemplo, a quebra de máquinas; considera a flexibilidade funcional das MFMs (Máquinas-Ferramenta Multifuncionais) como uma característica de seu comportamento a ser explorada em tempo real. Nesse contexto, a arquitetura proposta possui três módulos básicos: Controle de Processo (CP), que é responsável pela execução da sequência de atividades de cada processo, Designação de Funcionalidade (DF), que é responsável pela integração e organização de todas as sequências de funcionalidades dos processos, e Designação de Recurso (DR), que é responsável pela alocação/realocação de recursos, incluindo as MFMs. O trabalho define, também, um método para a implementação dos módulos que constituem o novo sistema de controle de alocação de recursos em sistemas produtivos. / In contemporary productive systems, several processes are executed simultaneously through a finite set of resources, which are shared intensively. On the shop floor of these productive systems, unscheduled events also occur, such as machine breakdowns. In other words, unexpected unavailability of resources may give rise to many problems, such as the deadlocking of processes. Several approaches exist to solve this problem, but in general they involve the support of a specific computer system to resolve the reallocation of resources. In practice, however, the productive systems already have a physical architecture for procedural control established by internationally accepted standards, i.e. IEC 61131 and IEC 61499, which prescribe guidelines for the development of control solutions. In this context, the reallocation of resources problem should be reviewed to suit this reality where there exist an architecture based on programmable controllers that make up the process control system of these productive systems. This work starts with the requirements of a physical architecture for the control of productive systems according to the IEC 61131 and IEC 61499 standards to implement a process control solution that involves resources of a new nature. In other words, resources that have a functional flexibility not provided for in the corresponding standards. In this work, a new control architecture was developed for the reallocation of resources that become unavailable because of such events as the breakdown of machinery. This architecture considers the functional flexibility of MMTs (Multifunction Machine Tools) as a characteristic of their behavior to be exploited in real time. In this context, the proposed architecture has three basic modules: Process Control (PC), which is responsible for the execution of the sequence of activities of each process; Functionality Designation (FD), which is responsible for the integration and organization of all functionality sequences of the processes; and Resource Designation (RD), which is responsible for the allocation/reallocation of resources, including the MMTs. This work also defines a method to implement the modules that make up the new resource allocation control system in production systems.

A Identificação de Sistemas é uma tarefa significativa em termos de tempo e custo no trabalho de implementação de sistemas de controle que usam Controle Preditivo baseado em Modelos (MPC). Após a implementação, o controlador tende a permanecer com o mesmo modelo por muito tempo, ignorando mudanças que tenham ocorrido com o processo, perdendo qualidade e podendo até ser abandonado. Este trabalho propõe uma metodologia simples e eficaz para se proceder à reidentificação de uma planta industrial que use MPC mantendo o processo em malha fechada. Os principais aspectos deste problema são discutidos, e as escolhas que foram feitas para a realização dos experimentos e obtenção dos modelos são explicadas. Apresenta-se um caso em Matlab sobre um sistema 2x2 cobrindo diferentes situações, e é feita uma comparação de identificação realizada através de sinais PRBS e de testes com degraus, sempre em malha fechada. Aplica-se a metodologia a um controlador industrial, e os modelos identificados são introduzidos no controlador. O princípio básico desta metodologia consiste em efetuar perturbações multivariáveis nos set-points ou restrições ativas das controladas e determinar o modelo através da estrutura ARX. Entre as vantagens da metodologia proposta, estão a facilidade de automatizar a identificação do processo e a garantia de manter o processo sob controle durante os testes. / System identification is a major task in the process of implementing Model-based Predictive Control (MPC) algorithms in industrial applications. Once the controller is working, there is a tendency to leave it with the original model for a long time, neglecting changes to the process during this time, leading to performance degradation. This work proposes a simple and effective methodology to re-identify plants under MPC in closed loop. The main issues concerning this problem are discussed, and choices for experiments are made. A Matlab case involving a 2x2 problem is presented, covering a range of different situations, and a comparison between identification using PRBS reference signals and standard step tests is shown. An industrial case is studied, applying the proposed method to a real situation, re-identifying an existing MPC model and reconfiguring it afterwards. This methodology is based on the application of multivariable perturbations on the controlled variables set-points or active restrictions, obtaining an ARX model structure. It uses an automatic process identification proceeding, keeping the process under control along the tests.

Na implementação de controladores MPC, o desenvolvimento e a definição dos modelos do processo é a etapa mais crítica e a que mais consome tempo. Normalmente, os modelos são obtidos através de testes de identificação realizados na planta, onde se observam as respostas em malha aberta das variáveis controladas a perturbações introduzidas individualmente nas variáveis manipuladas. Por este motivo, a aplicação das técnicas de identificação em malha fechada a controladores MPC com restrições nas entradas e/ou saídas é, reconhecidamente, uma área de aplicação de interesse crescente. Neste trabalho é estudada a modificação do controlador MPC convencional através da inclusão de uma nova restrição de excitação em adição às restrições normais do controlador, com a finalidade de perturbar o processo de forma controlada, propiciando a identificação em malha fechada de modelos mais precisos do processo, a partir de modelos aproximados. São desenvolvidas quatro abordagens para implementação desta filosofia e apresentadas simulações para vários casos teóricos, utilizando modelos de dois processos industriais obtidos de artigos recentes relacionados a controle multivariável com incertezas nos modelos. Os resultados das simulações indicam que os dados produzidos permitiram a correta identificação dos modelos tanto no caso nominal (modelo igual à planta) quanto para casos onde a planta era diferente do modelo empregado para as predições do MPC. / In MPC implementation, the process models development and definition is the most critical and time consuming task. Normally, the models are obtained through plant identification tests where perturbations are individually introduced in the manipulated variable while the controlled variable open-loop behavior is observed. For this reason, the application of closed-loop identification techniques to MPC controllers with input or output constraints is a growing interest area. This work studies the traditional MPC controller modification with the inclusion of a new excitation constraint, in addition to input or output constraints, whose function is to perturb the process in a controlled way, permitting the closed-loop identification of more precise models, based on known approximated models. Four implementation methodologies are developed and some simulated theoretical cases are presented using models of two industrial processes extracted from recent papers related to multivariable control with models uncertainty. The simulation results show that the obtained datasets allow the identification of the correct model, both in the nominal case (when the model used by MPC is the true model of the plant) and in the uncertain case, where the model used by MPC is different from the true model.

The increasing economic competition drives the industry to implement tools that improve their processes efficiencies. The process automation is one of these tools, and the Real Time Optimization (RTO) is an automation methodology that considers economic aspects to update the process control in accordance with market prices and disturbances. Basically, RTO uses a steady-state phenomenological model to predict the process behavior, and then, optimizes an economic objective function subject to this model. Although largely implemented in industry, there is not a general agreement about the benefits of implementing RTO due to some limitations discussed in the present work: structural plant/model mismatch, identifiability issues and low frequency of set points update. Some alternative RTO approaches have been proposed in literature to handle the problem of structural plant/model mismatch. However, there is not a sensible comparison evaluating the scope and limitations of these RTO approaches under different aspects. For this reason, the classical two-step method is compared to more recently derivative-based methods (Modifier Adaptation, Integrated System Optimization and Parameter estimation, and Sufficient Conditions of Feasibility and Optimality) using a Monte Carlo methodology. The results of this comparison show that the classical RTO method is consistent, providing a model flexible enough to represent the process topology, a parameter estimation method appropriate to handle measurement noise characteristics and a method to improve the sample information quality. At each iteration, the RTO methodology updates some key parameter of the model, where it is possible to observe identifiability issues caused by lack of measurements and measurement noise, resulting in bad prediction ability. Therefore, four different parameter estimation approaches (Rotational Discrimination, Automatic Selection and Parameter estimation, Reparametrization via Differential Geometry and classical nonlinear Least Square) are evaluated with respect to their prediction accuracy, robustness and speed. The results show that the Rotational Discrimination method is the most suitable to be implemented in a RTO framework, since it requires less a priori information, it is simple to be implemented and avoid the overfitting caused by the Least Square method. The third RTO drawback discussed in the present thesis is the low frequency of set points update, this problem increases the period in which the process operates at suboptimum conditions. An alternative to handle this problem is proposed in this thesis, by integrating the classic RTO and Self-Optimizing control (SOC) using a new Model Predictive Control strategy. The new approach demonstrates that it is possible to reduce the problem of low frequency of set points updates, improving the economic performance. Finally, the practical aspects of the RTO implementation are carried out in an industrial case study, a Vapor Recompression Distillation (VRD) process located in Paulínea refinery from Petrobras. The conclusions of this study suggest that the model parameters are successfully estimated by the Rotational Discrimination method; the RTO is able to improve the process profit in about 3%, equivalent to 2 million dollars per year; and the integration of SOC and RTO may be an interesting control alternative for the VRD process. / O aumento da concorrência motiva a indústria a implementar ferramentas que melhorem a eficiência de seus processos. A automação é uma dessas ferramentas, e o Real Time Optimization (RTO) ou Otimização em Tempo Real, é uma metodologia de automação que considera aspectos econômicos e restrições de processos e equipamentos para atualizar o controle do processo, de acordo com preços de mercado e distúrbios. Basicamente, o RTO usa um modelo fenomenológico em estado estacionário para predizer o comportamento do processo, em seguida, otimiza uma função objetivo econômica sujeita a esse modelo. Embora amplamente utilizado na indústria, não há ainda um consenso geral sobre os benefícios da implementação do RTO, devido a algumas limitações discutidas no presente trabalho: incompatibilidade estrutural entre planta e modelo, problemas de identificabilidade e baixa frequência de atualização dos set points. Algumas metodologias de RTO foram propostas na literatura para lidar com o problema da incompatibilidade entre planta e modelo. No entanto, não há uma comparação que avalie a abrangência e as limitações destas diversas abordagens de RTO, sob diferentes aspectos. Por esta razão, o método clássico de RTO é comparado com metodologias mais recentes, baseadas em derivadas (Modifier Adaptation, Integrated System Optimization and Parameter estimation, and Sufficient Conditions of Feasibility and Optimality), utilizando-se o método de Monte Carlo. Os resultados desta comparação mostram que o método clássico de RTO é coerente, desde que seja proporcionado um modelo suficientemente flexível para se representar a topologia do processo, um método de estimação de parâmetros apropriado para lidar com características de ruído de medição e um método para melhorar a qualidade da informação da amostra. Já os problemas de identificabilidade podem ser observados a cada iteração de RTO, quando o método atualiza alguns parâmetros-chave do modelo, o que é causado principalmente pela ausência de medidas e ruídos. Por esse motivo, quatro abordagens de estimação de parâmetros (Discriminação Rotacional, Seleção Automática e Estimação de Parâmetros, Reparametrização via Geometria Diferencial e o clássico Mínimos Quadrados não-lineares) são avaliados em relação à sua capacidade de predição, robustez e velocidade. Os resultados revelam que o método de Discriminação Rotacional é o mais adequado para ser implementado em um ciclo de RTO, já que requer menos informação a priori, é simples de ser implementado e evita o sobreajuste observado no método de Mínimos Quadrados. A terceira desvantagem associada ao RTO é a baixa frequência de atualização dos set points, o que aumenta o período em que o processo opera em condições subotimas. Uma alternativa para lidar com este problema é proposta no presente trabalho, integrando-se o RTO e o Self-Optimizing Control (SOC) através de um novo algoritmo de Model Predictive Control (MPC). Os resultados obtidos com a nova abordagem demonstram que é possível reduzir o problema da baixa frequência de atualização dos set points, melhorando o desempenho econômico do processo. Por fim, os aspectos práticos da implementação do RTO são discutidos em um estudo de caso industrial, que trata de um processo de destilação com bomba de calor, localizado na Refinaria de Paulínia (REPLAN - Petrobras). Os resultados deste estudo sugerem que os parâmetros do modelo são estimados com sucesso pelo método de Discriminação Rotacional; que o RTO é capaz de aumentar o lucro do processo em cerca de 3%, o equivalente a 2 milhões de dólares por ano; e que a integração entre SOC e RTO pode ser uma alternativa interessante para o controle deste processo de destilação.

O controle de processo de uma planta de fabricação de coque depende de muitas variáveis particulares de cada planta. A busca de modelos de controle próprios torna-se necessário. O presente trabalho apresenta um projeto de experimentos, em forno piloto, para investigar a influência dos principais parâmetros de controle de fabricação do coque quanto à produção e consumo de calor e utilizá-los futuramente num modelo de automação do controle do processo dessa planta. O resultado do experimento apresentou significância estatística para os fatores temperatura e umidade da mistura enfornada e para as interações entre umidade e temperatura e entre umidade e granulometria com relação ao consumo de calor e também o fator temperatura com relação ao tempo líquido de coqueificação. Além do projeto de experimentos em forno piloto foi feito também um experimento em um forno industrial cuja metodologia mostrou-se adequada para um projeto em escala industrial. Com os dados dos experimentos obtiveram-se também equações matemáticas de previsão do consumo de calor e do tempo líquido de coqueificação. / The process control of a coke plant depends on a lot of particular parameters. This work describes an experimental design in a pilot oven aiming at getting the influence of the main control factors of a coke oven battery, relating these parameters with production and heat consumption for future process control automation. The result of the experiment showed statistic significance for the factors temperature and coal blend moisture and for the interactions between temperature and coal blend moisture and between moisture and coal size on the heat consumption and also for the factor temperature on the net coking time. Theses relations can be used to develop coking control at an industrial plant. In addition to the design of experiments in a pilot oven, it was also made an experiment in an industrial battery oven whose methodology showed to be appropriated to an industrial design of experiment. With the experimental data it was possible to write mathematical equations for estimation of heating and net coking time.

Made available in DSpace on 2015-12-03T18:35:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Osvaldir_Brandao_da_Silva.pdf: 1096960 bytes, checksum: 21cb04cbb7af5ec2ecde5d0566e211a3 (MD5) Previous issue date: 2007-05-03 / This research consists of a study of case of the education institution Senac on the managers' perception and collaborators of the department of controllership as for the critical factors that contribute to the success of the implementation of the Process Management. Starting from the bibliographical and documental research it was presented to the importance of the administration in teaching institutions, description of the phases of implementation of the administration of processes and the critical factors that are essential for the success of the implementation. In the sequence they are demonstrated the methods and techniques of the research and the argument that it based the decision for the use of the case study as the most appropriate strategy. To collect the data a questionnaire it was applied and those data were analyzed with help of the software SPSS that used the test U of Mann-Whitney, that is a no-parametric test, that it compares independent samples and the stagger multidimensional that it identifies the more important critical factor. The result of the research demonstrates that the managers and collaborators agree that all the mentioned factors are important for the success in the implementation, however, they identified that for each phase exists an or more considered factors the most important for the success of the implementation of the process management. / Esta pesquisa consiste em um estudo de caso da institui????o de ensino Senac sobre a percep????o dos gestores e colaboradores da ??rea de controladoria quanto os fatores cr??ticos que contribuem para o sucesso da implementa????o da Gest??o de Processos. A partir da pesquisa bibliogr??fica e documental foi apresentada ?? import??ncia da gest??o em institui????es de ensino, descri????o das fases de implementa????o da gest??o de processos e os fatores cr??ticos que s??o essenciais para o sucesso da implementa????o. Na seq????ncia s??o demonstrados os m??todos e t??cnicas da pesquisa e a argumenta????o que embasou a decis??o pela utiliza????o do estudo de caso como a estrat??gia mais adequada. Para coletar os dados foi aplicado um question??rio e esses dados foram analisados com o auxilio do software SPSS que utilizou o teste U de Mann-Whitney, que ?? um teste n??o-param??trico, que compara amostras independentes e o escalonamento multidimensional que identifica o fator cr??tico mais importante. O resultado da pesquisa demonstra que os gestores e colaboradores concordam que todos os fatores mencionados s??o importantes para o sucesso na implementa????o, por??m, identificaram que para cada fase existe um ou mais fatores considerados os mais importantes para o sucesso da implementa????o da gest??o de processos.

Este trabalho tem como objetivo a modelagem por grafo de ligação (Bond Graph) de uma máquina de extrusão de borracha para pneumáticos e a identificação experimental dos parâmetros do modelo BG. Esta modelagem possibilita modelos contínuos no espaço de estados que podem ser convertidos para modelos contínuos em função de transferência. A metodologia de identificação de sistemas fornece modelos discretos de função de transferência que podem ser convertidos, apropriadamente, em modelos contínuos em função de transferência, sendo esses comparados com os modelos contínuos em função de transferência da modelagem BG com o objetivo de validar e melhorar a realidade do modelo teórico. O processo decorre a quente, faz-se necessário um controle da velocidade do parafuso de extrusão com referência ao tapete de resfriamento para obter o perfil de material dentro das especificações de tamanho e peso determinadas pelo departamento de qualidade do produto. Para o processo de identificação foi desenvolvido um sistema de aquisição de dados via microcomputador PC com condicionamento de sinais AD/DA e um programa de computador, em linguagem LabVIEW, o qual controla o sistema de aquisição de dados e armazena as leituras para a identificação off-line. Para o processo de identificação e validação dos modelos foram utilizadas as ferramentas de identificação de sistemas do programa de computador MATLAB.