HOLONS E HOLONIC MANUFACTURING SYSTEMS

Koestler (1968) introduziu a palavra holon para descrever a unidade básica de organização de sistemas em organismos vivos e em organizações sociais, baseado em teorias de Herbert Simon e em suas observações. Koestler concluiu que as partes e o todo não existem no domínio da vida, e propôs a palavra holon para representar esta natureza híbrida, sendo uma combinação da palavra grega holos, que significa inteiro, e do sufixo on, que significa partícula

(CHRISTENSEN, 2003).

Desse modo, um holon combina o todo e a parte, sendo simultaneamente o próprio todo com suas partes subordinadas e, partes dependentes quando vistas de níveis mais elevados. A recursividade proveniente da propriedade que um holon pode ser parte de um outro holon, permitindo representar um holon por outros holons, que por sua vez também podem ser representados por outros holons, permite o tratamento da complexidade de um problema (Fig.1) (LEITÃO; RESTIVO, 2006; GIRET; BOTTI, 2004).

Figura 1 - Recursidade em sistemas holônicos (adaptado de Leitão e Restivo (2006)).

Koestler identificou também duas características importantes de um holon: autonomia, em que a estabilidade do holon resulta de sua habilidade de agir de forma autônoma em caso de circunstâncias imprevisíveis, e cooperação, que é a habilidade de combinação dos holons para

atingir objetivos comuns, transformando estes holons em componentes eficazes maiores, i.e., holarquias. Uma holarquia é definida como um sistema de holons cooperando para atender objetivos, combinando suas habilidades e conhecimento individual, tendo cada holarquia regras e diretrizes definidas. Os holons podem formar uma holarquia e, ao mesmo tempo, preservar sua autonomia e individualidade e dinamicamente pertencer a várias holarquias.

Na Fig.2 tem-se uma representação onde elipses maiores formam holarquias formadas por holons (PrH, StH, SuH e OpH) (SILVA et al., 2012). Os comportamentos e as atividades dos holons são determinados pela cooperação e interação com outros holons, ao contrário de ser determinado por um mecanismo centralizado. Assim, holarquias são simultaneamente um todo independente subordinadas às suas partes e peças dependentes quando visto a partir de níveis mais elevados, e esta organização tem diferenças importantes do conceito tradicional de hierarquias em sistemas de controle. (WINKLER; MEY, 1994; CHRISTENSEN, 2003; GIRET; BOTTI, 2004; HSIEH, 2009).

Figura 2 - Holons e Holarquias

Fonte: (SILVA et al., 2012)

Holonic manufacturing system (HMS)Consortium (CHRISTENSEN, 2003) trabalhou na aplicação dos conceitos de Koestler para propor uma nova geração de sistemas de manufatura (SMs) e seus controles, fornecendo uma ontologia específica e precisa, e demonstrando ótima

adaptação desses conceitos às tradicionais atividades produtivas. De acordo com o HMS-Consortium, um holon consiste num equipamento de produção capaz de executar as

operações de produção associado a um componente inteligente. HMSs sugerem a idéia que os

sistemas de manufatura (SMs) necessitam ter uma estrutura hierárquica além do aumento de autonomia representado por entidades individuais distribuídas. A estrutura recursiva associado ao conceito de holarquias é bastante adequada a SM,  tornando possível o desenvolvimento estrutural dos sistemas de controle de produção através do encapsulamento de funções de produção e componentes. Por exemplo, uma holarquia que representa uma célula de produção é ao mesmo tempo o todo, encapsulando holons que representam os recursos do chão de fábrica, e uma parte que em conjunto com outras células formam o SM, e assim por diante de acordo com a necessidade do projeto.

Assim, o HMS é uma holarquia que integra todas as atividades produtivas, onde os holons podem cooperar para atingir os objetivos de produção, combinando suas habilidades e conhecimentos individuais. Os holons são concebidos numa estrutura hierárquica, mas têm comportamentos autônomos e atividades que são determinados através da cooperação com outros holons. Um holon pode representar uma atividade física ou lógica, tal como um robô, uma máquina, uma ordem, um sistema de manufatura flexível, ou mesmo um operador humano. O holon tem a informação sobre si mesmo e o seu ambiente, contendo uma parte do processamento de informação e uma parte do processamento físico quando o holon representa um dispositivo, tal como um robô.

Palavras-chave:

sistemas de controle holônico | holons | holarquias | holonic manufacturing system

Ciclo de Carnot

O trabalho líquido e a eficiência de um ciclo de uma máquina térmica podem ser maximizados com o uso de processos que exijam o mínimo de trabalham e resultem no máximo de trabalho, ou seja, usando processos reversíveis.

Na prática, ciclos reversíveis não podem ser realizados, pois as irreversibilidades associadas aos processos não podem ser eliminadas, entretanto, os ciclos reversíveis representam os limites superiores para o desempenho dos ciclos reais. Assim, os ciclos reversíveis servem como modelo com os quais podem ser comparados os refrigerados e máquinas térmicas reais.

Em 1824, o engenherio francês Sadi Carnot, propôs o ciclo, composto por quatro processos reversíveis, que leva seu nome: ciclo de Carnot. A máquina térmica teórica que operada segundo este ciclo é chamada de máquina térmica de Carnot. Por ser um ciclo reversível, o ciclo de Carnot é o mais eficiente a operar entre dois limites de temperatura, e mesmo que não possa ser executado na realidade, a eficiência dos ciclos reais pode s ser melhorada quanto mais se aproximar do ciclo de Carnot.

Na Fig.16 tem-se um sistema fechado composto de um gás dentro de um arranjo pistão-cilindro adiabático. Os quatro processos são:

·         expansão isotérmica reversível (processo 1-2, T_Q = constante): o gás é expandido lentamente da posição 1 realizando trabalho sobre a vizinhança, e mantendo-se constante a temperatura até que o pistão atinja a posição 2. Para manter a temperatura constante, uma quantidade de calor Q_Q é transferido durante o processo;

·         expansão adiabática reversível(processo 2-3, 4Q = 0 e a temperatura cai de T_Q para T_F): o gás continua se expandir lentamente (do estado 2), realizando trabalho sobre a vizinhança, até que a temperatura caia de T_Q para T_F (no estado 3). Considerando-se que o pistão é sem atrito e o processo de quase-equilíbrio, o processo é reversível e adiabático;

·         compressão isotérmica reversível(processo 3-4, T_F = constante): no estado 3, o pistão é empurrado lentamente por uma força externa até o estado 4, realizando trabalho sobre o gás. A temperatura do gás permanece constante a T_F e o calor total rejeitado pelo gás é Q_F;

·         compressão adiabática reversível (processo 4-1, a temperatura se eleva de T_F para T_Q): o gás é comprimido de maneira reversível, a temperatura sobe até T_Q e o ciclo é completado voltando ao estado inicial 1.

O diagrama P-V do ciclo é mostrado na Fig.17, onde a área sob a curva do processo representa o trabalho de fronteira. A área sob a curva 1-2-3 é o trabalho realizado pelo gás durante a expansão do ciclo, e a área sob a curva 3-4-1 é o trabalho realizado sobre o gás durante a parte de compressão do ciclo. O trabalho líquido realizado é a área 1-2-3-4-1 compreendida pelas curvas do ciclo.

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Curso Termodinâmina - Processo Reversível e Processo Irreversível

Figura 14 - Exemplo de atrito num processo

Fonte: (ÇENGEL; BOLES; CÁZARES, 1996)

Um processo reversível para um sistema é definido como aquele que, tendo ocorrido, pode ser revertido sem deixar qualquer vestígio no sistema e nas vizinhanças. O processos que não é reversível é denominado processo irreversível.

Na verdade, processos reversíveis não ocorrem na natureza, são meras idealizações de processos reais. Podem ser aproximados por dispositivos reais, mas não podem ser realizados.

Os processos reversíveis podem ser vistos como limites teóricos dos processos irreversíveis correspondentes. Dessa forma, pode-se considerar que alguns processos são mais irreversíveis que outros. Quanto mais próximo estiver um processo de ser considerado reversível, maior será o trabalho obtido ou menor será o trabalho consumido de um dispositivo produtor ou consumidor, respectivamente.

1.10.1 Fatores que tornam irreversível um processo

Há muitos fatores que causam irreversibilidades nos processos, por exemplo: atrito, expansão

não-resistida, mistura de dois fluidos, transferência de calor com uma diferença de temperatura finita, resistência elétrica, deformação inelástica de sólidos e reações químicas. Atrito é uma irreversibilidade associada a corpos em movimento, como num caso do pistão e cilindro da Fig.14, onde há uma força de atrito na direção contrária ao movimento. Neste exemplo, a energia fornecida na forma de trabalho é convertida em calor na interface de contato, mas quando a direção é invertida a interface não se resfria e o calor não é convertido em trabalho.

Em vez disso, mais trabalho é convertido em calor. Quanto maiores as forças de atrito, mais irreversível será o processo. O atrito pode ocorrer tanto entre dois corpos sólidos, como entre um fluido e um sólido e mesmo entre fluidos que se movimentem com diferentes velocidades.

Um gás ao se expandir preencherá o espaço em sua volta. A única maneira de restaurar o sistema é comprimi-lo até o volume inicial, e ao mesmo tempo transferir calor do gás até atingir a temperatura inicial. Para restaurar a vizinhança ao estado original, seria necessário converter todo esse calor em trabalho, o que violaria a segunda lei da Termodinâmica, portanto, expansão não resistida de um gás é uma irreversibilidade.

O processo apresentado na Seção 1.1 e ilustrado na Fig.1 ocorreu com a transferência de calor com uma diferença de temperatura finita. Depois de executados, tais processos não podem ser revertidos, espontaneamente, i.e., depois que uma xícara de café quente esfria, ela não se reaquece, recuperando ao ambiente o calor perdido. Mesmo que seja fornecido calor a xícara, ao final do processo inverso, a xícara terá voltado ao estado inicial, mas a vizinhança não.

Um processo é chamado de internamente reversível se não ocorrer nenhuma irreversibilidade internamente às fronteiras do sistema durante o processo, e de externamente reversível se não ocorrer irreversibilidade fora das fronteiras. Um processo é chamado de reversível se não existir nenhuma irreversibilidade dentro do sistema ou na vizinhança.

Considere o exemplo da Fig.15, um processo de transferência de calor para dois sistemas que passam por mudança de fase à pressão e temperatura constante. Os dois processos são internamente reversíveis, pois ambos acontecem de maneira isotérmica e passam exatamente pelos mesmos estados de equilíbrio. O primeiro processo é externamente reversível, pois a transferência de calor durante este processo acontece com uma diferença de temperatura infinitesimais dT. O segundo processo é externamente irreversível, pois envolve transferência de calor numa diferença de temperatura DT.

Figura 15 - Processos de transferência de calor

Fonte: (ÇENGEL; BOLES; CÁZARES, 1996)

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BOMBA DE CALOR

Figura 11 - Esquema de uma bomba de calor

Fonte: (ÇENGEL; BOLES; CÁZARES, 1996)

 

Bomba de calor é outro dispositivo que transfere calor de um meio com temperatura baixa para outro com temperatura alta, como refrigeradores funcionando com um mesmo ciclo, mas com objetivos diferentes. Ou seja, enquanto refrigeradores buscam manter o espaço refrigerado removendo calor deste espaço, a bomba de calor busca manter o espaço aquecido a uma temperatura alta.

 

Conforme esquema na Fig.11 a bomba de calor remove o calor de uma fonte a baixa temperatura e fornece calor a um meio a alta temperatura.

 

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