desenvolvimento de um sistema de monitoramento da produção
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Revista Interdisciplinar de Tecnologias e Educação [RInTE] – CNPq ARC 2015 – ISSN 2447-5955 01 a 03 de junho de 2016 – IFSP Câmpus Boituva - Capital Nacional do Paraquedismo
Desenvolvimento de um sistema de monitoramento da
produção, em tempo real, do setor de torneamento de uma
empresa metalúrgica em Portugal
Taynara Apoenã de Oliveira1
1Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP) – Campus
Cubatão - CEP: 11533 – 160 – Cubatão – SP – Brasil
Abstract. This work implement an portuguese company metallurgical a
system that uses Andon tool to monitor production in real time and to
control of visual form the activities of the organization turning sector. The
system has a master PLC that performs the reading of data received by
three servants controllers distributed in the industry. With this work, the
system is able to automatically detect when some machines of the sector
stop producing, either because of machine shutdown or breaks for
maintenance. It is also recorded the number of parts made by machine, to
assess the performance of the sector's production line.
Resumo. Este trabalho implementa numa empresa metalúrgica portuguesa
um sistema que utiliza a ferramenta Andon, a fim de monitorar a produção
em tempo real e controlar visualmente as atividades do setor de
torneamento da organização. O sistema possui um CLP mestre que executa
a leitura dos dados recebidos através de mais três controladores servos
distribuídos no setor. Com este trabalho, o sistema é capaz de detectar
automaticamente quando alguma máquina do setor parar de produzir, seja
por motivo de desligamento da máquina ou por pausas para manutenção.
Também é registrado o número de peças fabricadas, por máquina, para a
apreciação do desempenho da linha de produção do setor.
1. Introdução
O presente trabalho de conclusão de curso apresenta o projeto “Monitoramento da
Produção em Tempo Real” realizado numa empresa portuguesa de metalurgia,
localizada na região de Braga. O projeto foi desenvolvido apenas no setor de
torneamento, pois é onde se executa a atividade principal da empresa (fabricação de
peças torneadas) e se apresenta grandes dificuldades e falhas no controle da produção
das máquinas.
A implementação desta tecnologia surge do propósito de melhorar a gestão e o
controle da produtividade da organização neste setor e consequentemente nos outros
diversos. O sistema utiliza a ferramenta Andon para controlar e monitorar as atividades
do setor em forma de representações visuais. A supervisão da produção era feita através
da coleta de dados manual do engenheiro líder. A informação colhida era, por
conseguinte, armazenada em uma planilha de Excel. Todos os dias eram coletados os
números de peças produzidas no dia anterior por cada máquina presente no setor. Com
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estas informações conseguia-se avaliar o grau de produtividade e desempenho das
máquinas e principalmente do setor em geral. As problemáticas deste tipo de
procedimento para monitorar a produção enfatizam-se de várias formas: o controle não
total da produção, consequentemente, o não registro dos tempos de produção perdidos e
de anomalias que acontecem durante a operação das máquinas.
Portanto, para aprimorar o monitoramento e controlar com maior precisão a
produção foi desenvolvido um sistema automático, capaz de coletar os dados, processa-
los e reproduzi-los em painéis Andon, para que, deste modo, os operadores e engenheiro
líder visualizem, em tempo real, a produtividade das máquinas. O sistema, para além da
contagem do número de peças fabricadas, também realiza o monitoramento, em tempo
real, do estado que se encontra cada uma das máquinas do setor: ciclo contínuo
(produzindo), desligada (sem alimentação) ou parada (produção interrompida, porém
energizada). Assim, consegue-se detectar automaticamente a paralização ou
desenergização da máquina em produção, registrando, ainda, os instantes de cada
acontecimento (hora e data em que a máquina foi desligada ou parada).
Os painéis Andon, quando recebem essas informações, sinalizam qual ou quais
máquinas estão sem produzir, bem como as que estão em produção contínua. Também
mostram o número de peças fabricadas, sendo possível avaliar o desempenho da linha
de produção do setor. Estas informações são atualizadas a cada cinco segundos.
A visualização dos painéis Andon é feita através de um televisor instalado no
setor, onde todos os trabalhadores da empresa possam ter acesso, principalmente, os
operadores das máquinas monitoradas.
2. Fundamentação teórica
De acordo com Snatkin et al. (2013), um sistema de monitoramento da produção, em
tempo real, pode ser definido como sendo a coleta de dados da produção sem a
intervenção humana. Uma das diversas vantagens de se instalar um sistema deste dentro
de uma indústria é o acesso imediato que se tem dos dados relacionados com a produção
de um setor, ou de vários setores da empresa (SNATKIN et al., 2013). Com a aquisição
desses dados os colaboradores e engenheiros líderes conseguem com mais facilidade
identificar as razões pelas quais deram-se certas situações, como paradas de produção,
perde de tempo de produção, e entre outros fatores.
Os requisitos mais importantes de qualquer sistema de monitoramento da
produção, apontado ainda por Snatkin et al., resumem-se em baixo custo, precisão e
facilidade em configurar a tecnologia em uma linha de produção. São características
relevantes a serem consideradas durante a escolha de um sistema que seja adequado a
necessidade e realidade de uma empresa. De acordo com Guo et al. (2015), as empresas
globais de manufatura têm premência em melhorar a visibilidade da produção, e o
desempenho na tomada de decisão.
Existem algumas ferramentas para controle e monitoramento utilizadas por
empresas com filosofia Lean Manufacturing (Manufatura enxuta), também conhecida
como Sistema Toyota de Produção. A filosofia baseia-se em uma gestão focada na
redução ou eliminação dos setes tipos de desperdício (superprodução, tempo de espera,
transporte, excesso de processamento, inventário, movimento e defeitos) melhorando a
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qualidade, tempo e custo de produção (SOUZA; LINDGREN, 2012). Dentre os
princípios de Lean, para este trabalho destacam-se dois: Kanban e Gestão Visual.
O principal fundamento do sistema Kanban e Gestão Visual é tornar as
informações mais acessíveis tanto para os funcionários como para os responsáveis do
controle de produção, “demonstrando claramente os resultados obtidos do sistema
produtivo” (SOUZA; LINDGREN, 2012). Neste trabalho, foi utilizado a filosofia de
uma ferramenta de gestão visual chamada Andon.
O sistema Andon auxilia o operador a detectar anomalias durante a produção, as
possíveis causas e soluções. De acordo com Greenfield (2009) o sistema deve permitir
ao operador a parada imediata da produção quando detectados defeitos, para que, desta
forma, não se continue a produzir produtos fora dos padrões pré-estabelecidos pela
empresa ou cliente final. Utilizando este conceito, a produtividade das empresas
pode aumentar significativamente, pois os desperdícios e os reparos de produtos com
defeito diminuem, e a produção de produto com qualidade aumenta (Womack et al,
2004, apud BOVE, GERBER).
3. Projeto
A empresa realiza o processo de usinagem no seu setor de torneamento, onde estão
instaladas vinte e duas máquinas para a fabricação das peças torneadas. A relação de
máquinas pode ser observada a seguir:
Máquina Tornos DECO (4 quantidades);
Máquina Traub TD (5 quantidades);
Máquina Tornos Delta (2 quantidades);
Máquina Index ABC (1 quantidade);
Máquina Ergomat (1 quantidade);
Máquina Traub TNM (2 quantidades);
Máquina Multifuso GILDMAISTER (6 unidades);
Máquina Multifuso GILDMAISTER CNC (1 unidade).
No setor existem dois tipos de controle das máquinas: fabricação por controle
numérico computacional (CNC) e máquinas na qual executam operações de fabricação
através de controle mecânico (cames).
As máquinas são divididas por grupos, conforme a Figura 1. Cada máquina para
efeito de organização e controle, possui um número identificador que serve como
refrencia interna da empresa, por exemplo, o número 38.06 identifica a Delta 20 CNC
do Grupo 1 de máquinas.
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Figura 1. Setor de torneamento da empresa (Adaptado dos documentos da
empresa)
3.1. Estrutura Lógica
O projeto possui algumas etapas de implementação, dividindo-se em fases: estudo da
área onde foi aplicado o sistema, definição de variáveis a serem monitoradas,
programação e instalação, e visualização final do sistema. A primeira e segunda fase
constituíram-se em estudar brevemente o funcionamento de cada máquina, por meio da
leitura de manuais, para identificar e definir os sinais elétricos a serem utilizados na
realização do monitoramento. Estes sinais são provenientes de algum contactor, relê ou
módulos controladores que estão dentro do quadro elétrico da máquina e que indicam
alguma ação da mesma, como por exemplo, o avanço mecânico de um eixo expulsador
de peça torneada ou a parada do ciclo de trabalho contínuo da máquina.
A terceira fase, programação e instalação, dependeu dos testes feitos diretamente
nas máquinas, a partir do que foi observado nos manuais de seus quadros elétricos. A
programação obdece uma ordem lógica estabelecida (monitorar as máquinas, registrar
os dados e atualizar a informação) e foi desenvolvida em simultâneo com o processo de
instalação dos materias fisícos (sensores e atuadores) do sistema de monitoramento. Por
conseguinte, os dados são tratados no servidor da empresa e transferidos para a saída de
dados, conforme a Figura 2.
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Figura 2. Diagrama de blocos ilustrando a lógica do projeto
3.2. Estrutura Física
A estrutura física do projeto (Figura 3) é composta, principalmente, por atuadores que,
estimulados pelos sinais elétricos provinientes das máquinas, enviam respostas ao CLP
responsável por processa-las e, consequentemente, transmiti-las na forma de dados de
monitoramento para o servidor da empresa conectado a base de dados, responsável por
armazena-los. Sempre que houver atualizações no sistema, as informações na base de
dados são automaticamente atualizadas. O servidor, além da conexão com base de
dados da empresa, possui uma aplicação, a RECOLHADADOSPRODUCAO, que
realiza o processo de visualização final do sistema em forma de painéis Andon.
Figura 3. Estrutura física do sistema desenvolvido
O computador ligado à rede da empresa, demonstrado na Figura 3, está
localizado no setor de torneamento e disponível para os operadores das máquinas
realizar, durante seu trabalho, o registro de informações complementares para o
monitoramento da produção. Este registro é feito através de uma aplicação
desenvolvida e instalada no computador chamada RDados (Recolha Automática de
Dados).
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Através da rede da empresa todos os dispositivos citados, assim como o
notebook, interagem-se entre si. Sempre que necessário, as alterações ou qualquer
outra observação é feita por meio do notebook conectado à rede.
3.3. Materiais
Para o desenvolvimento do projeto foi necessário entender assuntos como base de
dados, redes de comunicação, atuadores, além do funcionamento do setor de
torneamento, onde foi desenvolvido o projeto proposto.
O sistema possui um CLP mestre que executa a leitura dos dados recebidos
através de mais três modulos controladores escravos. Como atuadores foram utilizados
Relês AC e DC e em adição foram empregados nas máquinas TD, sensores indutivos de
metal.
3.3.1. Controlador NJ - Mestre
O CLP mestre é um módulo de CPU (Central Processing Unit ou Unidade Central de
Processamento, em português) da série NJ da companhia japonesa de componentes
eletrônicos Omron Corporation. O modelo utilizado no projeto foi o NJ501-1320.
O controlador (Figura 4) possui portas EtherNet/IP para conectar com a rede da
empresa, e EtherCAT para comunicar com os módulos de extensão espalhados pelo
setor de torneamento. Também contém em sua interface uma entrada USB para ser
ligado o notebook utlizado no planejamento.
Figura 4. Estrutura física do controlador NJ501-1320
3.3.2. Controlador NX – Escravo
Os controladores escravos da série NX, utilizados no projeto, são do modelo NX-
ECC201 (Figura 5). O equipamento tem uma capacidade de número de unidades NX
conectáveis de 63 (máximo). Em cada módulo NX podem ser conectados unidades NX-
ID (cartões de entradas) para aumentar o número de entradas do sistema. Neste trabalho
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foram utilizadas dois tipos, NX-ID4442 e NX-ID5442, sendo que o primeiro possui
oito bits de entrada e o segundo dezesseis bits de entrada.
Figura 5. Estrutura física do controlador NJ501-1320
3.3.3. Relê AC e DC e sensores indutivos de metal
Os relês finder DC tipo 40.52, foram utilizados para tensões de 24VDC das máquinas, já
os relês finder AC tipo 40.52 foram utilizados nas máquinas Traub TD e nas Multifuso
GILDMAISTER, pois os contatores e os barramentos onde queria-se buscar os sinais
eram de 220VAC.
O sensor indutivo de metal tipo IEC201, modelo IEB3002BBPKG/AM/AS-514-
TPS, foi também instalado nas máquinas Traub TD para substituir os contadores
intalados antigamente nelas. Agora as peças são contadas através dos sinais de respostas
destes sensores.
3.4. Funcionamento
O sistema consta com a etapa de programação e de instalação, já mencionado
anteriormente, sendo que durante estas etapas foram feitas várias configurações de
software, assim como a instalação dos atuadores em máquina por máquina.
O software Sysmac Studio, no qual foi desenvolvido a lógica de programação de
todo o sistema responsável por realizar o monitoramento e coleta de dados, está presente
no computador do supervidor. Quando necessário pode-se realizar alterações no
programa e transferir para o CLP, que automaticamente executará as tarefas
comandadas.
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Quando a máquina aciona um dos três atuadores (relês) instalados nela, um sinal
elétrico é enviado para uma das entradas do módulo controlador escravo. Esse sinal é,
por conseguinte, encaminhado, para o CLP mestre, presente no setor de manutenção.
Como o CLP é configurado para comunicar-se com a base de dados da empresa, todos
os seus dados são guardados na tabela de dados da base, e a partir dessa tabela é criado o
Painel Andon.
O supervisor poderá ir até seu computador e visualizar as mesmas informações
sinalizadas no Televisor Andon, através da aplicação Rdados (desenvolvida pelo
engenheiro informático), porém a aplicação também mostra e sinaliza a causa de uma
parada ou quais os tipos de peças que estão sendo fabricadas pelas máquinas em
produção. A Figura 6 demonstra o princípio de funcionamento do projeto
Figura 6. Fluxograma relativo ao princípio de funcionamento do sistema
4. Análise e Discussão dos Resultados
Os testes com as máquinas no setor de torneamento, após o projeto concluído,
mostraram o funcionamento eficiente e eficaz do sistema de monitoramento, em tempo
real, utilizando a ferramenta Andon, em relação ao controle realizado antes da
implementação. Os dados são coletados automaticamente por meio de um controle da
produção online. A Tabela 1 compara o monitoramento atual com o antigo.
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Tabela 1. Resultados obtidos – Testes finais
Antes do
Projeto Projeto instaldo
Monitoramento da
Produção Manualmente
Automático e em Tempo
Real
Visualização de dados
(Produção, parada da
produção, etc)
Nenhuma Painel Andon
Registros de códigos de
paradas de máquinas Nenhum RDados
Registro de nova O.F Excel Software (RDados)
4.1. Limitações
Na implementação do projeto surgiram algumas questões quanto aos módulos de
entradas digitais, as ligações realizadas nos quadros das máquinas do grupo 1, a ligação
do quadro elétrico do controlador escravo do grupo 3 e a programação.
4.1.1. Módulos adicionais
Preliminarmente, cada módulo controlador escravo contava com apenas uma unidade de
pinos de entrada. Depois de desenvolvido o software, verificou-se a necessidade de mais
entradas, devido a quantidade de máquinas no setor. Como era preciso buscar na
máquina três sinais (contador, máquina parada e máquina desligada), a análise da
quantidade bits de entradas pode ser vista na Tabela 2.
Tabela 2. Número de entradas digitais por grupo de máquina
Quantidade de
máquinas
Nº Sinais elétricos
buscados
Quantidade de entradas
por grupo
(Total de bits)
Grupo 1 7 3 7x3 = 21 bits
Grupo 2 8 3 8x3 = 24 bits
Grupo 3 7 3 7x3 = 21 bits
Com base no número total de bits de entradas calculado para cada grupo, foi
escolhido e adotado para todos o NX-ID5442 de dezesseis bits, pois fornece, junto com
o outro NX-ID já existente nos controladores, entradas suficientes para o projeto.
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4.1.2. Quadro elétrico – Máquina
Os primeiros testes realizados com as máquinas, ao fim da implementação, sinalizaram
erros de respostas. Os testes foram feitos em todos os grupos de máquinas e foi
verificado se os sinais elétricos estavam chegando ao CLP mestre. Para isso, o operário
simulava a máquina produzindo, e era observado no software se o contador respodia. O
mesmo ocorria para o dado de máquina parada e desligada.
Algumas complicações, durante esses ensaios, foram encontradas nas máquinas
Delta, TNM e Ergomat do Grupo 1. Quando simulou-se a máquina desligada o sinal não
era alterado no programa, porque o sinal buscado era incorreto. Estas máquinas não são
unicamente desligadas cortando a alimentação (sinal elétrico buscado), elas podem estar
desligadas, mas com alimentação. Em suas telas existe um botão On/Off que quando
acionado impede a máquina de produzir. Para resolver essa situação foi alterado o
programa, conforme a Figura 7. Para exemplificar no artigo, escolheu-se a máquina
38.06 (Delta), porém a lógica é a mesma para os outros dois modelos.
Figura 7. Alteração do programa para resolver o problema da Delta, Ergomat e
Traub TNM
Para que seja possível monitorar se a máquina está desligada, mesmo pelo botão
On/Off, foi acrescentado no programa métodos de temporização. Se a máquina estiver
com alimentação e a lâmpada desligada (indicando que a máquina não está parada),
verifica-se, de dois em dois minutos, se o contador está incrementando. Caso não esteja
(contador igual à zero) a saída Desliga_3806 é acionada.
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Com a alteração, o monitoramento do estado das máquinas funcionou
corretamente para as três categorias.
4.1.3. Quadro elétrico – NX-ECC201
Com os testes realizados no Grupo 3 notou-se que os dados que chegavam não
correspodiam com a lógica programada. O problema era diferente do Grupo 1, pois
todos os sinais eram observados no software, porém estavam invertidos.
A falha não estava na ligação dos atuadores, mas sim na ligação do quadro
elétrico do módulo NX do grupo. O programa foi desenvolvido respeitando a ordem das
ligações dos bits de entrada (Bit 00 – Contador da Máquina 1 , Bit 01 – Estado
Desligada da Máquina 1, Bit 03 – Estado Parada da Máquina 1, Bit 04 – Contador da
Máquina 2, Bit 05 – Estado Desligada da Máquina 2, Bit 06 – Estado Parada da
Máquina 2, e assim sucessivamente).
Para não refazer as ligações no quadro, foram feitas no programa algumas
alterações, testando até que os dados correspondessem com o esperado, ou seja, quando
desligasse a máquina 31.01, o bit acionaria a saída Desliga_3101 no programa, ou se a
mesma estivesse em produção, o seu contador incrementaria. Assim, as entradas de bits
do Grupo 3 acionavam suas respectivas e corretas saídas e somavam corretamento os
seus respectivos contadores. Vale ressaltar que o ajuste na programação funcionou, pois
os testes foram individuais.
4.1.4. Programação
Durante, ainda, o desenvolvimento do projeto, o programa não estava realizando a
função de zerar o contador quando era inserido o valor 1 na variável Reset_Contador
dentro da base de dados. Toda vez que o engenheiro líder fazia este comando na base de
dados, para efeito de teste, o programa ficava preso no ramo apresentado na Figura 8.
Figura 8. Função de zerar o contador
O problema estava aparecendo, pois o bloco DB_Update, que atualiza as
informações na base dados, estava dublicado. Este bloco, diferente do DB_Select, tem
que ser nomeado diferente cada vez que é utilizado. Feita a correção, os contadores
sempre zeravam quando era enviado o bit 1 na sua respectiva variável Reset_Contador.
4.2. Trabalhos futuros
Para melhorar a interface de visualização dos dados da produção, pretende-se substituir
a aplicação RECOLHADADOSPRODUCAO por um sistema visual desenvolvido em
Labview. A Figura 9 demonstra a versão inicial dessa nova interface visual Andon.
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Figura 9. Esboço do Sistema Visual Andon desenvolvido em Labview
Esta tela está sendo desenvolvida conforme a proposta da empresa e a
necessidade de algumas adaptações para a apresentação final no Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, Campus Cubatão.
5. Considerações Finais
Ao longo do desenvolvimento deste trabalho verificou-se alguns aspectos relevantes.
Considerando que a organização e a boa administraçao dos recursos podem gerar pontos
positivos para a empresa, como retornos financeiros, o sistema projetado de coleta de
dados automatizada trouxe melhoria com ênfase no índice de produtividade da empresa.
Isto ocorreu, pois o sistema monitora com eficiência no tempo de resposta e com
supervisão precisa.
A organização não possuia um controle de dados confiável, o que gerava
desperdícios de material e tempo de produção. Mas com a automação de controle da
produção, onde existe um sistema que trabalha quase em tempo real e utiliza a
ferramenta Andon como uma nova forma de gestão, estas questões foram diminuidas
consideravelmente ao analizar o quanto a efciência do setor aumentou. Sendo assim,
pode-se verificar que a qualidade do trabalho realizado no setor aumentou também.
Para que o projeto tivesse um bom funcionamento, os seguintes objetivos foram
alcançados:
Acompanhar a produção de peças, atualizar o número de contagem e
registrar os instantes das atualizações (em tempo real);
Averiguar se não houve alguma máquina parada ou desligada e registrar o
ocorrido, em tempo real, para, posteriormente, a situação ser sinalizada nos
painéis Andon;
Atender a condição de limpar o contador automaticamente.
Ao fim de cinco meses de testes, o sistema funcionou corretamente atendendo os
objetivos, uma vez que este efetua as atualizações dos dados na base de dados de cinco
em cinco minutos. A produção a nível geral no setor produtivo obteve um aumento de
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19%, ou seja, a eficiência do setor antes de implementação era de 49% e em janeiro de
2016, com o sistema implementado, a eficiência do setor passou para 68%. O cálculo
desta eficiência é a média das eficiências de todas as máquinas do setor, sendo que a
eficiência de uma máquina é calcula segundo a seguinte formula:
Eficiência =
A eficiência das máquinas influência integralmente na eficiência global do setor,
pois são elas que fabricam os produtos solicitados pelos clientes. O controle da
produção de cada máquina com o sistema de monitoramento, em tempo real, tornou a
gestão do setor uma atividade automatizada, eliminando as decorrentes falhas humanas
de operação e comunicação.
O sistema é capaz de controlar todas as máquinas e evitar que os mesmos
problemas de manutenção se repitam. Os colaboradores do setor, com ajuda das outras
aplicações desenvolvidas ao longo do projeto, também são participativos no processo de
controle, pois podem registrar ocorrências apresentadas ao longo do trabalho, ajudando
a melhorar a supervisão do engenheiro líder.
Apesar das dificuldades quanto as ligações elétricas nas máquinas e a
comunicação com a base de dados, o sistema provou ser uma alternativa para a gestão
da produção do setor, além de melhorar a eficiência do mesmo.
6. Referências
BOVE, Tatiana C. M.; GERBER, Juliano Z. (2013). Proposta de melhorias aos
impactos causados por downtimes numa fábrica de montagem de
computadores. XXXIII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE
PRODUCAO.
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para sistemas de produção Lean. Faculdade de Engenharia da Universidade do
Porto – FEUP.
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intelligent decision support system architecture for production monitoring and
scheduling in a distributed manufacturing environment. International Journal of
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SNATKIN, Aleksei, KARJUST, Kristo, MAJAK, Juri, ARUVALI, Tanel, EISKOP,
Tanel. (2013). Real time production system in SME. Estonian Journal of
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SOUZA, Natalia Henriques De, LINDGREN, Paulo. (2012). Implementação de um
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Congress university Industry Cooperation.