Simulación con Manufactura Flexible (Flexible Simulation)

La comunidad académica e industrial vienen obteniendo resultados expresivos en el desarrollo de los sistemas de manufactura, en una búsqueda constante para satisfacer las crecientes ansias del público consumidor. Propuestas como el Sistema Ágil y el Sistema Holónico, buscan conjugar gran persoanalización de productos con buena velocidad de respuesta y bajo costo.

El sistema Ágil engloba varias tecnologías, como agentes inteligentes en la manufactura, algoritmos genéticos e inteligencia artificial. Ya los sistemas Holónicos buscan alcanzar una nueva posición de flexibilidad y agilidad, trabajando con una organización semejante a la encontrada en los sistemas orgánicos, donde las célular se presentan como estructuras estables y autosuficientes, que se agrupan formando estructuras más grandes, de estabilidad equivalente.

En la misma velocidan con que avanzan la tecnología y los sistemas de manufactura, nuevas arquitetcuras para estos sistemas están siendo rapidamente creadas. El presente artículo reune las propuestas más recientes y relevantes y discute sus características, haciendo una comparación entre ellas y ofreciendo una visión amplia.

1. INTRODUÇCCIÓN

Es un hecho notorio que la globalización está imponiendo nuevas exigencias de producción para las empresas. El mercado está cada vez más exigente con relación a la calidad de los productos y exige también una creciente personalización. Cada consumidor desea que el producto esté adaptado a sus propias necesidades.

En este ambiente, la innovación deja de ser algo apenas deseable, para convertirse en la regla. Las consecuencias de esto para la industria es que sus sistemas de manufactura necesitan ser capaces de fabricar productos personalizados, en lotes pequeños, rapidamente, a un bajo costo y manteniendo los niveles de calidad. Para conseguir tal resultado, nuevos sistemas de manufactura han sido propuestos por las instituciones de investigación con apoyo de la industria.
Cada vez más automatizados, los sistemas de manufactura actuales ofrecen lo más avanzado que existe en términos de tecnología, haciendo uso intensivo de computadores, redes de comunicación y procedimientos robotizados. La arquitectura de los sistemas de manufactura refleja fielmente las características del mercado atendido por él.

Un ejemplo de esto es el modelo de línea de producción creado por Henry Ford para la fabricación del “Ford T”, cuyo objetivo era producir lo más rápido posible, para un mercado, para el cual no importaba la personalización y donde había gran demanda por el producto.(automóvil).

En este trabajo, se pretende mostrar una retrospectiva sobre la arquitectura de los sistemas de manufactura hasta la actualidad, acompañando su avance gradual en la búsqueda constante de atender a la sociedad de consumo de la época. Nótese claramente que la tarea de atender al mercado fue haciéndose cada vez más compleja y árdua, exigiendo un desarrollo creciente de nuevos sistemas.

En los tiempos actuales, donde el mercado alcanzó niveles de exigencia nunca antes vistos, la comunidad científica y empresarial se desdobla para crear sistemas de manufactura capaces de atender la demanda actual y futura. Para enfrentar este gran desafío, algunas iniciativas han sido creadas, como el IMS – Intelligent Manufacturing Systems Consortium (IMS, 1999), que pretende crear el estado del arte en sistemas de manufatura.

Aquí se presentan algunas propuestas ya elaboradas para estos sistemas y sus respectivas arquitecturas, como los sistemas de manufactura ágil y el sistema holónico de manufactura, una de las propuestas del ya mencionado IMS, y que se encuentra actualmente en estudio por el GPHMS – Grupo de Pesquisa em Sistema Holônico de Manufatura, con sede en la Unicamp (Batocchio & Fioroni, 1999).

2. DEFINICIÓN DE ARQUITECTURA PARA SISTEMAS DE MANUFACTURA

Conforme explicado por Wyns et al.(1996), la arquitectura de un sistema de manufactura es el resultado del proyecto del sistema, donde son especificadas las funciones de los componentes, sus interfaces, interacciones y restricciones. Tiene por objetivo describir de forma resumida toda la complejidad dinámica de un sistema a través de modelos simples. Entre las ventajas de la definición de una arquitectura, se cita (Wyns, 1996):

• Ofreciendo una abstracción del sistema complejo de forma simple, la arquitectura auxilia al proyectista a definir las interfaces e interacciones entre los diversos componentes;

• Cuando es necesaria una alteración en el proceso, se reduce el impacto de los cambios por la posibilidad de enfocar apenas en las áreas que necesitan de mayores cambios;

• La arquitectura indica los componentes vitales para el sistema, los cuales no deberán ser alterados cuando se requiera adaptar el sistema para nuevos usos, caso en el que se estaría aplicando una arquitectura diferente. Comparando con la arquitectura de edificaciones, sería como cambiar las paredes de sustentación de una casa;

• La arquitectura es un medio de comunicación importante durante el proceso de proyectar o reproyectar el sistema, ofreciendo base para discusiones entre las partes involucradas.

La similitud entre la arquitectura de edificaciones y la arquitectura de sistemas de manufactura puede ser presentada de varias maneras. En el caso de un edificio, su arquitectura es presentada a los clientes en la forma de una maqueta, pero cuando es presentada ante una constructura, son ofrecidas otras informaciones, como materiales utilizados, lugares de paso de cables, etc. Así, de una arquitectura de sistema de manufactura, se espera conseguir:

• Una terminología unificada, sin ambiguedades y conocida por todos los involucrados;

• Simplicidad en el proyecto del sistema, permitiendo un desarrollo fácil y rápido de su arquitectura;

• Mayor calidad en el desarrollo de los sistemas, por basearse en conceptos confiables, ya comprobados por la arquitectura;

• Conexión y la posibilidad de reaprovechar los módulos de la arquitectura en diferentes proyectos o generaciones de sistemas;

• Desarrollo o implementación de tareas que pueden ser divididas entre diferentes equipos, permitiendo que cada uno aplique sus mejores especialidades o máquinas;

• Fácil identificación de las soluciones utilizadas. La arquitectura necesita indicar y justificar claramente cuándo y cómo cada fase de desarrollo recibió implementaciones de ingeniería.

La arquitectura de un sistema puede ser formulada en el estilo descriptivo o prescriptivo. El estilo descriptivo define una codificación particular de los elementos del proyecto y es usado durante las discusiones entre el proyectista y el cliente. El estilo prescriptivo se limita a presentar los elementos y sus configuraciones. Este estilo es quel usado en los planos de construcción de un edificio, en los cuales el constructor se basa para realizar su trabajo.

En este estudio, las arquitecturas son presentadas en el estilo descriptivo, de modo que permita su fácil entendimiento, así como la viabilización de su abordaje.

3. LOS SISTEMAS DE MANUFACTURA PROPUESTOS HASTA LA ACTUALIDAD

Los sistemas de fabricación existen desde los inicios de la humanidad, cuando el hombre comenzó a perceber que podía realizar mejor sus tareas con el auxilio de instrumentos. Prueba de esto, es el descubrimiento arqueológico de una “fábrica de herrameintas en Kenia, con la edad de 2,34 millones de años, conforme fue publicado en la Folha de São Paulo (1999). EL hombre evolucionó mucho desde entonces y la búsqueda por mejores medios de realizar sus trabajos permaneció.

3.1 El Sistema Funcional

Uno de los primeros sistemas de fabricación elaborados fue el llamado “Sistema Funcional”, donde los recursos fabriles de la empresa con la misma función son agrupados en sectores. De esta forma, la materia prima es transportada en lotes a lo largo de diferentes sectores, donde sufre operaciones específicas en cada uno de ellos. Es carcaterizado por su gran flexibilidad, ya que cualquier operación puede ser hecha en cualquier orden.

También es poco susceptible de paradas de producción debido a fallas de máquinas y su agrupamiento facilita el entrenamento de la mano de obra. El sistema funcional presenta un largo tiempo de fabricación, dificultad en el mantenimiento de la calidad del producto y en la gerencia del sistema, o que se vuelvo muy complejo. Una gran cantidad de stock intermediario es necesario para su funcionamiento, lo que exige una inversión considerable (Batocchio, 1992).


Figura 1. Funcionamiento de un Sistema Funcional

Se trata del sistema adecuado para la fabricación de lotes pequeños y plazos de entrega cortos. Es el sistema ideal cuando los productos a ser fabricados son muy diversificados o son alterados frecuentemente. La Figura 1 presenta esquemáticamente el funcionamiento de este sistema, donde los recursos representan una o más máquinas del mismo tipo o personas, donde ocurre una de las etapas de fabricación.

3.2 Sistema en Línea

Cuando los productos a ser fabricados tienen pequeñas variaciones e exigen muchas operaciones, surgen problemas para la fabricación a través del sistema funcional. Para este caso fue desarrollado el sistema de fabricación en línea, en el cual, los diferentes equipos permanecen disponibles en la secuencia de las operaciones exigidas para la fabricación del producto. De esta forma, se obtiene una buena velocidad de fabricación, permitiendo atender rapidamente los pedidos para grandes cantidades (Batocchio, 1992).

Los puntos débiles de este sistema residen en su gran sensibilidad a problemas en la línea. Una máquina dañada puede interrumpir completamente la producción. Otro punto negativo es su baja flexibilidad y alto costo de implantación, lo que lo hace aplicable sólo cuando la empresa posse varios productos similares con bastante tiempo de vida útil. La representación esquemática de este sistema es presentada en la Figura 2.


Figura 2. Funcionamiento de un Sistema en Línea

3.3 Sistema Celular

El sistema celular se destina a la fabricación de piezas que tienen cierta similaridad, en lotes pequeños. Se caracteriza por el agrupamiento de todas las máquinas usadas para la fabricación de un determinado “grupo” o “familia” de piezas, las cuales sufren operaciones en todas o algunas de estas máquinas. El agrupamiento de máquinas es llamado de “célula” (Batocchio, 1992).


Figura 3. Funcionamiento de un Sistema Celular

El sistema celular presenta las ventajas de reducir los stocks intermediarios, permitir la fabricación de lotes pequeños, permitir el aprovechamiento óptimo de la mano de obra y maquinaria y el mantenimiento de altos niveles de calidad.

Sus desventajas se relacionan también con la gran sensibilidad a imprevistos como fallas de máquinas, paradas para mantenimiento, o hechos semejantes; flexibilidad relativamente baja, pues al haber una variación muy grande en el diseño de la pieza a ser fabricada, la célula no es capaz de producirla, sea por la ausencia de una determinada máquina, o por un procesos que pasan a ser muy demorados, perjudicando la fabricación de las otras piezas del grupo.

La Figura 3 ilustra el funcionamiento de un sistema celular. La materia prima, en su proceso de fabricación pasa por varias o todas las máquinas. Este sistema es aplicado actualmente en el “Lean Manufacturing”, principalmente cuando el producto es pequeño y manipulado por operadores.

3.4 FMS – Sistemas de Manufactura Flexible

El avance de la tecnología proporcionó nuevos recursos fabriles como robots, centros de proceso automatizados, etc. El concepto de FMS incluye un alto nivel de automatización, donde la fabricación es realizada por centros de procesamiento multifuncionales y robots dotados de herramientas. La transferencia entre las máquinas es hecha por vehículos robotizados (AGVs) y el posicionamiento/setup de las máquinas es realizado por robots manipuladores o similares.

La materia prima, productos acabados, herramientas e incluso los productos en fase intermediaria son almacenados en un almacén automatizado. Todos estos elementos están conectados a un computador central que coordina todas las acciones y recibe órdenes de fabricación directamente de la oficina central (Asai & Takashima, 1994).

De esta forma, la producción sigue rigurosamente las tendencias detectadas por la investigación de mercado y es capaz de cambiar rápidamente, pasando a fabricar un producto diferente. Esto caracteriza su flexibilidad. La Figura 5 muestra un esquema del funcionamiento de un sistema FMS.


Figura 4. Funcionamiento de un sistema FMS (Asai & Takashima, 1994)

3.5 CIM – Manufactura Integrada por Computador

Con el avance constante de la informática y la disponibilidad cada vez mayor de los computadores, éstos comenzaron a encontrar aplicación en las empresas. El desarrollo de software para CAE, CAD/CAM aceleró aún más este proceso.

El uso de los computadores permitió una mayor integración entre los diversos departamentos de las empresas a través de redes informatizadas. También optimizó procesos y permitió una gerencia más eficiente de los recursos de la empresa. Según Asai & Takashima (1994), existen dos tipos de CIM:

• “CIM in series”, que describe una aplicación vertical de los computadores, cubriendo operaciones de investigación de mercado, planeación de producto y proyecto, planeación de producción y control, test y distribución;

• “Cross CIM”, que describe una aplicación horizontal de los computadores, que se constituye en conexiones bidireccionales entre todas las fábricas y unidades de la empresa con la oficina central automatizada, que centraliza las informaciones y decisiones.


Figura 5. Funcionamiento de un sistema CIM (Asai & Takashima, 1994)

La Figura 4 presenta un diagrama del funcionamiento de una empresa utilizando el CIM. La oficina central coordina las acciones de las fábricas, de acuerdo con las tendencias detectadas por la investigación de mercado.

4. LAS PROPUESTAS PARA EL PRÓXIMO SIGLO

En la búsqueda por el sistema de manufactura capaz de atender a los crecientes deseos del mercado, nuevos sistemas han sido desarrollados o propuestos. La gran variedad de propuestas hace inviable la presentación de todas en este espacio. Por ello, se presenta la propuesta más “elaborada” y ya aplicada en algumas empresas, que es el Sistema de Manufactura Ágil, y una de las propuestas más prometedoras para el próximo siglo, que es el Sistema Holónico de Manufactura.

4.1 Sistema de Manufactura Ágil

El concepto de Manufactura Ágil es bastante amplio e incluye todos los aspectos de la empresa. La estructura de la manufactura Ágil es apoyada por tres recursos principales: gerencia innovadora de organizaciones, recursos humanos altamente capacitados y con poder de decisión y tecnologías inteligentes y flexibles (Kidd, 1995). La agilidad es alcanzada a través de la integración de estos tres recursos en un sistema coordinado e independiente.

En términos simples, la manufactura ágil puede ser considerada como la integración entre la organización, funcionarios altamente capacitados y tecnologías avanzadas, buscando alcanzar cooperación e innovación para ofrecer a sus clientes, productos personalizados y de alta calidad. Este concepto es ilustrado en la Figura 6.


Figura 6. Estructura de la manufactura Ágil (Kidd, 1994)

Otra definición de manufactura Ágil es ofrecida por Wandmacher (1994): “La habilidad de prosperar en un ambiente de cambios continuos e inflexibles”.

Los “tres recursos” citados por Kidd (1994) han sido desarrollados pro separado para alcanzar el concepto de agilidad y ya varias empresas lo han aplicado con éxito. Actualmente, la mayoría de las empresas de tecnología aplican el concepto de Manufactura Ágil. En Brasil, existen ejemplos bastante claros entre las empresas proveedoras de acceso y servicios para Internet.

En este mercado, el ambiente de cambios es evidente. Inicialmente, el servicio era cobrado por un número fijo de horas, cuyo exceso incidía en tarifas mayores. Después llegó el acceso ilimitado, donde el cliente no tenía más límite de horas, pagando por un precio fijo. El punto culminante fue el acceso gratuito, donde simplemente el acceso al servicio no se cobra más. Todo esto, en un espacio de apenas 7 años.

4.2 Sistema Holónico de Manufactura

O HMS – Holonic Manufacturing System es uno de los temas en estudio por el IMS (1999). Se trata de un sistema que busca alcanzar la estabilidad y capacidad de reacción encontrada en los sistemas orgánicos y sociales. Está basado en las observaciones del filósofo alemán Arthur Koestler, que propuso la palabra “holon” como la representación de una estructura que es independiente y estable, pero que al mismo tiempo es parte integrante de una estructura más grande, también estable e independiente, como las células orgánicas que se unen, formando los tejidos (Wyns, 1996).

Una arquitectura de referencia fue proposta por Wyns (1999), llamada PROSA, que divide el sistema de manufactura en tres “holons” principales: un holon de producto, responsable por la información sobre el producto (método de fabricación, materiales y herramientas necesarias, nivel de calidad, etc.), un holón de recurso, que incluye todos los recursos a disposición de la empresa (funcionarios, máquinas, energía eléctrica, medios de transporte, etc.) y un holón de pedido, que representa el pedido del cliente dentro del sistema (plazo de entrega, tipo de producto, etc.). Un diagrama explicativo de la arquitectura PROSA es presentado en la Figura 7

Adicional a estos tres holones, son agregados holones secundarios, llamados de especialistas, que asumen tareas específicas. Por ejemplo, un holón especialista de secuenciamiento podría ofrecer informaciones para los holones de pedido e recurso, de modo que los capacite a tomar las mejores decisiones.

El sistema holónico agrega las características de un control hierárquico y de un heterárquico. En el ejemplo anterior, los holones trabajan de forma independiente, recibiendo las informaciones del holon especialista de secuenciamiento como “consejos”, no como un comando, de forma que cuando ocurre un evento imprevisto, éste ignora los “consejos” e toma sus propias decisiones.


Figura 7. Estrutura da arquitetura PROSA (Wyns, 1999)

5. COMPARACIONES Y CONSIDERACIONES

Analizando todos los sistemas presentados de forma secuencial, es notorio como creció a lo largo de tiempo la preocupación por atender las ansias del cliente. Hay un gran contraste entre el sistema en línea, usado por Ford para fabricar el Ford “T”, que era un producto sin cualquier variación o personalización y los sistemas aplicados axtualmente, buscando fabricar un produto diferente para cada cliente, de forma a atender sus deseos personales.

En los sistemas más antiguos, el componente cliente ni aparece. Éste comienza a aparecer en el sistema CIM, como el elemento “investigación de mercado”, que busca encontrar una tendencia. Esta tendencia tiene la intención de determinar grupos de personas con las mismas necesidades, lo que iría generar la creación de un nuevo producto.

Ya en el sistema Ágil, la conexicón con el cliente es más estrecha, colocando toda la empresa a su servicio, buscando atender su deseo individual y no el de un grupo de personas consideradas “iguales”.

En el sistema holónico, este concepto va más allá, colocando el deseo del cliente como parte esencial del propio sistema de manufactura (“holon de pedido”). Como nos explican Batocchio et al.(1999), el Sistema Holónico de Manufactura reúne componentes importantes del sistema Ágil y de otros sistemas, pudiendo ser considerado en un nivel más elevado que el de manufactura ágil.

6. CONCLUSIONES

Este análisis deja claro que los sistemas de manufactura a ser desarrollados en un futuro deberán tener su estructura cada vez más centralizada en el cliente, buscando establecer con éste, una conexicón cada vez más estrecha y permitiéndole un control cada vez mayor sobre el resultado final del sistema de manufactura, que es el producto.

LOs sistemas que no se enfoquen en el cliente, estarán destinados al fracaso. Está claro que el mercado asumió una tendencia irreversible.

Las nuevas tecnologí0as disponibles y popularizadas actualmente, como el Internet, son capaces de estrechar la relación empresa-cliente y deben ser aprovechadas en los nuevos sistemas de manufactura.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• “Arqueologia” – Folha de São Paulo, Caderno Mais!, p.11 – 09/05/1999.
• Asai, K. and Takashima, S., “Manufacturing, Automation Systems and CIM Factories”, Chapman & Hall, Japan, 1994.
• Batocchio, A. – “Tecnologia de Grupo”, Apostila do curso IM190 – Unicamp – SP. 1992.
• Batocchio, A. and Fioroni, M. M., “GPHMS Home Page – Grupo de Pesquisa em Sistema Holônico de Manufatura” [online]. Disponível na Internet via WWW. URL: http://www.fem.unicamp.br/~defhp/index.htm . Arquivo consultado em 11 de dezembro de 1999.
• Batocchio, A., Fioroni, M. M.; Georges, M. R. R.; Souza, A. C.; Rosa, A. B. and Franco, G. N., “Manufatura Ágil X Sistema Holônico de Manufatura”, Apresentado no IV SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1999.
• IMS, “IMS – Intelligent Manufacturing Systems Home Page” [online]. Disponível na Internet via WWW. URL: http://www.ims.org . Arquivo consultado em 11 de dezembro de 1999.
• Kidd, P. T., “Agile Manufacturing – Forging New Frontiers”, Addison-Wesley, England, 1994.
• Wandmacher, R. R., “Information Management as a Key to Agile Manufacturing”, presented at Manufacturing Information Systems, Detroit, October 24, 1994.
• Wyns, J., Brussel, H. V., Valkenaers, P. and Bongaerts, L., “Workstation Architecture in Holonic Manufacturing Systems”, presented at 28th CIRP International Seminar in Manufacturing Systems, may 15-17, 1996, Johannesburg, South Africa, p220-231. “Cirp Journal on Manufacturing Systems”, Vol.26, No 4.
• Wyns, J., “Reference Architecture for Holonic Manufacturing Systems: PROSA”, Doctoral Thesis, Katholieke Universiteit Leuven, Mechanical Engineering Dept., Belgium, 1999.

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