Sistemas de Informações num Ambiente de Manufatura Integrada

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1 Sistemas de Informações num Ambiente de Manufatura Integrada Gustavo S. C. Meireles André Gustavo L. S. Caetano João Fernando Gomes de Oliveira George Wagner Leão e Sousa RESUMO Num ambiente produtivo, a falta de informações confiáveis do chão-de-fábrica cria uma perspectiva que não retrata a realidade. Isto compromete o desempenho e diminui a agilidade da empresa. Assim, um monitoramento que forneça informações de forma rápida e confiável, pode ser um grande diferencial para manter a competitividade das empresas de manufatura. O desenvolvimento dessa solução de monitoramento depende sobremaneira da definição de quais informações são relevantes. Para empresas de usinagem, um modelo de referência de um processo de usinagem genérico contribui para a definição dessas informações, além de possibilitar a integração do chão-de-fábrica. INTRODUÇÃO Atualmente, em virtude dos grandes avanços tecnológicos, mudanças geo-políticas e alterações nas condições de mercado, agilidade é uma característica indispensável para as empresas que pretendem manter a sua posição no mercado. A adequação às exigências do cliente, redução do time-to-market, coordenação adequada dos seus processos de negócio, aumento da qualidade e redução de custos são premissas básicas para que as empresas se mantenham competitivas, uma vez que o processo de globalização tem criado um mercado único mundial [1]. Na busca por um aumento de produtividade, as empresas têm dedicado grandes esforços na reestruturação e melhoria contínua dos seus processos de negócio (principalmente os seus core processes). O sucesso de tais esforços depende, dentre outros fatores, da capacidade de se monitorar o processo em questão, fornecendo informações sobre o seu desempenho e ilustrando, por exemplo, o impacto de eventuais mudanças [2]. Nas indústrias de manufatura, o processo produtivo merece uma atenção especial, haja visto que o seu desempenho traz conseqüências representativas para a empresa de um modo geral. Neste caso, a melhoria contínua do processo produtivo depende sobremaneira da qualidade das informações sobre a produção, da capacidade de se identificar problemas e possíveis causas e, ainda, da habilidade de se reconhecer novas oportunidades de melhoria [3]. Desta forma, a definição correta de quais informações são relevantes e o seu monitoramento adequado são atividades extremamente importantes, já que influem diretamente na qualidade das informações que, por sua vez, está relacionada, basicamente, à sua utilidade, confiabilidade e disponibilidade. Estas informações desempenham não só um papel fundamental no processo de melhoria contínua, como também são indispensáveis para garantir a agilidade e flexibilidade da empresa, mais especificamente do ambiente produtivo, a fim de atender às exigências do mercado, cada vez mais severas, auxiliando na tomada de decisões mais acertadas. Como este monitoramento representa o feedback da produção, suas informações fornecem subsídios para avaliar a eficiência e eficácia do processo produtivo e/ou dos subprocessos que o compõem, pois através delas podese verificar a coerência entre o planejado e o realizado, em termos de utilização de recursos, prazos etc [4]. Além disso, com informações atualizadas sobre a real situação do chão-de-fábrica, é possível, por exemplo, garantir um planejamento e programação da produção mais factível, ou ainda, estimativas de custos de produção mais exatas. Este tipo de monitoramento e coleta de informações do chãode-fábrica orientado para melhoria do seu desempenho e aperfeiçoamento de sistemas integrados de gestão da produção é um dos principais papéis dos Sistemas de Execução e Controle de Fábrica, mais popularmente conhecidos como Manufacturing Execution Systems [5]. Sob tais aspectos, é fácil, portanto, perceber a importância de um monitoramento adequado da produção, que visa fornecer informações confiáveis e em tempo real do chão-de-fábrica, dentro de um contexto de manufatura

2 integrada, ambiente ERP (Enterprise Resources Planning) ou, ainda, dentro do conceito de cadeia extendida. SITUAÇÃO ATUAL Nas indústrias de manufatura contínua, tais como indústrias de alimentos, químicas, petroquímicas, açúcar e álcool, são muito populares soluções que contemplam algumas características do tipo de monitoramento descrito anteriormente, embora não se apresentem tão integradas como deveriam, formando, muitas vezes, ilhas de automação. No entanto, nas indústrias de manufatura discreta (forjarias, linhas de usinagem e linhas de montagem, por exemplo) a situação é ainda pior, pois uso desse tipo de sistema é restrito e as soluções são ainda mais locais e dedicadas. O desenvolvimento de soluções integradas de monitoramento da produção em indústrias de manufatura discreta não é tarefa simples e corriqueira, pois além da necessidade de um alto nível de tecnologia (sistema de monitoramento em tempo real, sistema de supervisão, controle e aquisição de dados, base de dados única e integrada etc.) [6], as especificidades dos processos exigem pessoal especializado. Particularmente, nas empresas cujo processo produtivo envolve operações de usinagem, a definição de quais informações são relevantes bem como o seu monitoramento podem se tornar atividades bastante complexas, pois tais operações englobam inúmeros eventos e variáveis e estão sujeitas a uma série de imprevistos. Porém, apesar da pouca aplicação deste tipo de solução nas indústrias de usinagem, sua demanda tem crescido vertiginosamente. Entretanto, a dificuldade de formação de uma equipe multidisciplinar nas áreas de usinagem, sistemas de monitoramento e supervisão, bases de dados e integração, aliada à falta de uma metodologia que sistematize o projeto, desenvolvimento e implantação destas soluções têm se apresentado como os principais entraves para sua ampla utilização. Via de regra, o método tradicional de monitoramento da produção é baseado em levantamentos manuais de dados, que deveriam funcionar como uma imagem instantânea do sistema produtivo. Porém, como estes levantamentos não são feitos de forma contínua e, na maioria das vezes, não contemplam todas as informações peculiares ao processo, as análises feitas a partir destes dados são, geralmente, estáticas e restritas a um domínio muito pouco abrangente. Portanto, o uso de tais soluções não têm contribuído de forma efetiva, principalmente, quando se tratam de processos mais complexos como os de usinagem. Tais processos, caracterizados por inúmeras variáveis e sujeitos a vários perturbadores, não só dificultam um monitoramento contínuo, como deixam os resultados de uma análise estática muito aquém da realidade. OBJETIVOS O desenvolvimento de uma solução que proporcione um monitoramento adequado da produção em linhas de usinagem depende, em primeira instância, de um levantamento de necessidades de informação. O trabalho apresenta um modelo de referência para um processo de usinagem genérico, construído segundo uma arquitetura de modelagem, que auxilia o levantamento de necessidades de informação do chão-de-fábrica dentro de um contexto de manufatura integrada e sistemas ERP. CONCEITOS ENVOLVIDOS CIM O conceito CIM (Computer Integrated Manufacturing) é um paradigma moderno de manufatura que visa integrar atividades (realizadas por homens e máquinas) através de uma melhor comunicação, cooperação e coordenação entre as diversas funções de uma empresa de manufatura (técnicas, administrativas e de suporte). Esta maior integração, desde o projeto até a execução e expedição, passando pelo planejamento, programação e controle da produção, é possibilitada por meios de tecnologias de informação e comunicação [1]. Figura 1. Modelo Y-CIM para processos de negócio [4]. O modelo Y-CIM, apresentado na figura 1, ilustra os interrelacionamentos entre os subsistemas logísticos (braço esquerdo do Y) e o processo de desenvolvimento de produto (braço direito do Y) [2]. O escopo deste trabalho está direcionado para controle (quantidades, tempos e custos) parte logística do modelo Y-CIM. MES Segundo a Manufacturing Execution System Association (MESA Internacional), um Manufacturing

3 Execution System (MES) é um sistema de chão-de-fábrica orientado para melhoria de desempenho que complementa e aperfeiçoa os sistemas integrados de gestão (planejamento e controle) da produção. Estes sistemas destinam-se a aumentar a dinâmica dos sistemas de planejamento da produção (MRPII, por exemplo) que não seriam capazes de lidar com aspectos como o andamento de uma ordem de produção, enquanto a mesma está em progresso e sujeita a restrições de capacidade variáveis em curto prazo. Um MES coleta e disponibiliza informações do chão-de-fábrica, fazendo a ligação entre o sistema de planejamento e a fábrica em si [8]. Basicamente, o MES realiza dois papéis principais. O primeiro é controlar a produção. Para tal, considera o que efetivamente foi produzido e como foi produzido, permitindo comparações com o planejado e, em caso de incoerências, auxiliando na tomada de ações corretivas. O segundo é liberar ordens de produção. Através do detalhamento da programação da produção definida pelo MRP, o sistema se preocupa em garantir que o plano seja cumprido [5]. Independentemente de quão bom seja o planejamento, a realidade nem sempre ocorre conforme o esperado. Erros de previsão, problemas de qualidade, gargalos de capacidade, quebras, falhas de comunicação e ineficiências variadas podem prejudicar o plano, diminuindo o desempenho da produção. Os sistemas, em geral, não conseguem enxergar estes problemas e nem sempre suprem as necessidades da organização quanto à informações de correção e prevenção. Desta forma, o MÊS, quando efetivamente implantado, complementa os recursos de planejamento, fornecendo informações coordenadas e detalhadas dos eventos no chão-de-fábrica à medida em que eles ocorrem. Portanto, a importância dos MES está diretamente relacionada com os seguintes aspectos: Controle: responsável pela realimentação do realizado no chão-de-fábrica, possibilitando comparações com o planejado para que ações, em caso de não conformidade, possam ser tomadas de forma rápida e precisa. Este controle também permite que uma ordem de produção seja rastreada e gerenciada durante a sua execução. Liberação e alocação: para que se possa elaborar um plano de produção factível, em termos de capacidade e materiais, certos índices de produtividade do processo, definidos a priori, devem estar ajustados de forma que representem algo bastante próximo da realidade. Garantir que estes índices estejam alinhados com a realidade é responsabilidade do MES. As principais funcionalidades dos módulos MES incorporadas aos sistemas ERP atuais são: Gerência de lotes de produção; Gestão detalhada de recursos; Alocação e coordenação de recursos humanos e ferramental; Instruções de trabalho e Rastreabilidade. Um dos principais limitadores na implantação de um MÊS é a dificuldade de se colher, dinamicamente e com a frequência adequada às características do sistema, as informações do chão-de-fábrica. Tais informações formam a base para o seu funcionamento. INFORMAÇÕES DE CHÃO-DE-FÁBRICA EM SISTEMAS ERP Os sistemas ERP (Enterprise Resources Planning) procuram suportar todas as necessidades de informação para tomada de decisão gerencial da empresa como um todo. Os módulos que o compõem estão relacionados não apenas aos setores mais diretamente ligados à manufatura como: custos, faturamento, recursos humanos, finanças, contabilidade, dentre outros. Todos estes módulos encontram-se integrados a partir de uma base de dados única e não redundante [5]. As informações de chão-de-fábrica definidas em sistemas ERP comerciais são normalmente relacionadas aos tempos (que compõem o lead time) [9], quantidades e custos considerando o atual e o planejado e estão diretamente ligadas ao Planejamento e Controle da Produção (PCP). A tabela 1 apresenta a lista de algumas informações padrão de controle obtidas através de uma pesquisa realizada no módulo de PP (Production Planning and Control), mais especificamente na parte de Sistema de Informações de Chão-de-fábrica (Shop Floor Information System), de um dos sistemas ERP comercias mais utilizados no mundo. Tabela 1. Informações padrão de controle em um ERP comercial. Quantidade produzida Refugo Tempo de movimentação Tempo de fila Tempo de set-up Tempo de processamento Capacidade utilizada Quantidade estimada Refugo estimado Tempo de movimentação estimado Tempo de fila estimado Tempo de set-up estimado Tempo de processamento estimado Capacidade estimada ARIS A arquitetura ARIS (ARchitecture for integrated Information System) foi desenvolvida pelo prof. Scheer na Universidade de Saarlandes, Alemanha. Sua estrutura geral lida com assuntos tradicionais de empresas orientadas a negócios (tais como processamento de ordem, planejamento e controle da produção, controle de inventário etc.). O foco é essencialmente em engenharia de software e aspectos organizacionais do projeto do sistema de empresa integrada [1].

4 A figura 2 mostra uma visão geral da arquitetura que está estruturada em cinco visões (funções, dados, controle, organização e saídas) e três níveis de modelagem (definição de requisitos, especificação de projeto e descrição de implementação) [7]. ARIS é uma arquitetura aberta porque os formalismos usados dentro de suas visões e níveis não são fixados indeterminadamente. Segundo alguns especialistas, essa arquitetura é comp osta pelos melhores métodos disponíveis, organizados de acordo com critérios de compatibilidade, formando uma abordagem estruturada de engenharia. chão-de-fábrica para um monitoramento adequado dentro de um contexto de manufatura integrada. Para a construção desse modelo, foi utilizado o formalismo eepc (extended Event Process Chain) que é parte integrante da arquitetura de modelagem de referência ARIS [7]. Esse tipo de modelo (eepc) é constituído de uma sequência de processos orientados a eventos (o significado dos símbolos encontra-se na legenda da figura 3). Análise Estratégica de Processos de Negócio Organização Definição de Requisitos Especificação de Projeto Descrição de Implementação Definição de Requisitos Especificação de Projeto Descrição de Implementação Definição de Requisitos Especificação de Projeto Descrição de Implementação Dados Controle Funções Saídas Tecnologias de Informção e Comunicação Figura 2. Arquitetura ARIS [7]. MODELO DE REFERÊNCIA DE UM PROCESSO DE USINAGEM GENÉRICO Um modelo constitui uma representação simplificada da realidade em questão, seja um fenômeno físico, um processo produtivo ou a empresa como um todo. A partir deste modelo, cria-se uma percepção comum desta realidade e as condições para manipulá-la [1]. No contexto desse trabalho, a realidade tratada é o processo de usinagem definido genericamente. Assim como em processos de outras naturezas, o fluxo de informações é elemento fundamental para o seu funcionamento. Diante disso, a construção de um modelo de referência de um processo de usinagem genérico sistematiza a definição dos requisitos de informação de Figura 3. Modelo de referência de um processo de usinagem genérico. A construção de um modelo requer a definição de um domínio dentro do qual a análise é efetuada. No caso, este domínio é a própria máquina de usinagem. Em um ambiente de manufatura discreta, cada máquina apresenta um comportamento relativamente independente em termos de seu funcionamento, ou seja, apesar de haver restrições relacionadas ao fluxo de material, o comportamento da máquina enquanto unidade produtiva é praticamente autônomo.

5 que a interrupção do ciclo de usinagem pode ocorrer em qualquer uma destas etapas. (Vide figura 4). PARAR Ao final de cada ciclo de usinagem ( fim de ciclo ), segue-se um período no qual a máquina não realiza nenhuma operação de usinagem (daí a denominação PARAR). É neste momento que se realizam algumas atividades, como por exemplo, a carga e descarga da peça, set-up da máquina (no caso de mudança nas características da peça), manutenção corretiva e preventiva ou mesmo ajustes do equipamento. Porém, podem ocorrer situações nas quais a máquina se encontra parada por motivos alheios ao seu funcionamento ( tratar problemas operacionais ), como por exemplo, falta ou excesso de peças na linha, falta de recursos (operador, ferramental etc.) ou quaisquer outros que impeçam a sua operação. Uma vez resolvidos eventuais problemas ou realizadas as atividades necessárias, pode ser reiniciado o ciclo para produção de uma nova peça. INFORMAÇÕES DO CHÃO-DE-FÁBRICA Figura 4. Detalhamento da processo USINAR. Analisando o funcionamento de uma máquinaferramenta, pode-se dizer que a sua operação também é discreta, isto é, em linhas gerais, seu ritmo de produção obedece a seqüência de estados produzir-parar-produzir. Partindo deste princípio, o modelo apresentado na figura 3 pode ser encarado sob dois aspectos: produzir ( USINAR descrito em detalhes na figura 4) e parar ( PARAR descrito em detalhes na figura 5). O modelo considera ainda a interrupção do processo usinar por motivos, muitas vezes aleatórios, que neste trabalho serão abordados de forma genérica. PRODUZIR O evento início de ciclo dispara o processo usinar que, por sua vez, termina em uma das seguintes situações: (1) fim de ciclo, quando o processo ocorre normalmente, e (2) ciclo interrompido, quando o processo é interrompido por algum problema, tal como a quebra de uma ferramenta. Neste caso, é necessário que providências sejam tomadas ( solucionar problemas ) de modo que o ciclo possa ser reiniciado. Um processo de usinagem genérico é caracterizado por três etapas: (1) aproximar a ferramenta de corte, (2) remover material e (3) afastar a ferramenta. Vale ressaltar O modelo descrito no item anterior não considera o fluxo de informações que existe no chão-de-fábrica, ou seja, não foram contempladas as informações de entrada do processo de usinagem, tais como ordem de fabricação/produção, plano de processo etc., nem tampouco aquelas de saída relacionadas ao controle do que foi realizado, embora o formalismo utilizado na representação permita tais desdobramentos. Esta informações de controle estão normalmente ligadas ao PCP (Planejamento e Controle da Produção), e muitas delas têm importância fundamental também para custos, produção, suprimentos etc [4]. Apesar de o fluxo não estar retratado, as informações de controle, basicamente relacionadas a tempos e quantidades, são facilmente extraídas do modelo e podem ser avaliadas sob três perspectivas: peça, ordem de produção e máquina. Considerando-se a peça em específico, a cada vez que o ciclo é finalizado, uma peça é produzida, embora ocorram situações em que a máquina opera em vazio. Além disso, o tempo de processamento da peça é a própria duração do processo usinar (figura 3) intervalo entre os eventos início de ciclo e fim de ciclo. De forma análoga, o tempo de carga e descarga da peça também pode ser obtido facilmente (duração do processo efetuar carga e descarga ). Considerando-se que uma ordem de produção dispara a execução de uma determinada quantidade de peças, as informações relacionadas a esta ordem são, na verdade, o resultado do somatório de todas as informações individuais das peças que a compõem. Portanto, para cada ordem de produção, obtêm-se um conjunto de informações sobre o que foi realizado: tempo de execução da ordem, tempo de máquina parada discriminado por motivo, quantidade de peças produzidas, entre outras.

6 Figura 6. Eficiência e Eficácia. Estas informações tecnológicas são bastante úteis para auxiliar no direcionamento de ações no sentido de aumentar o desempenho da máquina [11]. Vale lembrar que algumas informações, tais como motivos de parada ou tempo de ciclo, assumem as duas classificações, ou seja, são informações de controle e tecnológicas. A distinção depende da finalidade para a qual ela se presta. CONCLUSÃO Figura 5. Detalhamento do processo PARAR. Por outro lado, se o foco for a máquina, pode-se conseguir informações sobre produção (quantidade de peças), ritmo (peças/hora), tempo total de produção por turno, tempo total de parada por turno discriminado por motivo etc. Além disso, considerando-se a linha de produção como uma sequência de máquinas, pode-se obter informações sobre tempo de espera, tempo de movimentação, gargalos, refugos por máquina e por linha etc. Em outras palavras, entendo-se a máquina como uma entidade que processa entradas em saídas [10], as informações estão relacionadas à sua eficiência e eficácia (figura 6). Todas as informações citadas anteriormente (sejam relacionadas à peça, ordem de produção ou máquina/linha) são classificadas como informações de controle, isto é, de alguma forma estão ligadas ao controle da produção. No entanto, existem ainda algumas informações que dizem respeito ao funcionamento/operação de uma máquina de usinagem em específico. Tais informações podem ser obtidas através da análise do modelo descrito na figura 4 e são classificadas, neste trabalho, como tecnológicas. Como o modelo é genérico, estas informações são: tempo de aproximação da ferramenta, tempo efetivo de usinagem (remoção de material) e tempo de afastamento da ferramenta. Caso se tratasse de um modelo para um processo de usinagem em especial, como por exemplo retificação, uma série de outras informações pertinentes à fenomenologia do processo poderiam ser abstraídas no modelo, tais como tempo de acomodação (spark out), tempo de dressagem ou, ainda, número de peças por dressagem. O modelo de referência de um processo de usinagem genérico, como parte integrante da análise de requisitos de informação de chão-de-fábrica em um sistema de monitoramento, contribui de forma significativa para o projeto do sistema. A integração da produção, seja num nível de PCP ou, de forma mais ampla, de ERP, cria uma perspectiva comum da realidade do chão-de-fábrica. Isto, por sua vez, é fundamental para aumentar a agilidade da empresa, já que, dentre outros fatores, contribui diretamente para a melhoria de desempenho do ambiente produtivo, pois proporciona tomada de decisões mais rápidas e acertadas. Portanto, embora o modelo apresentado seja simples, seu caráter genérico auxilia significativamente o desenvolvimento de uma solução de monitoramento de chão-de-fábrica, num contexto de manufatura integrada. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] VERNADAT, F. B. Enterprise modeling and integration: principles and applications. London, Chapman & Hall, [2] SCHEER, A. W. Business process engineering. Berlin, Springer-Verlag, [3] BERGER, L. A.; SIKORA, M. J. The change management handbook [4] SCHEER, A. W. CIM: evoluindo para a fábrica do futuro. Rio de Janeiro, Qualitymark, [5] CORRÊA, H.L.; GIANESI, I.G.N.; CAON, M. Planejamento, programação e controle da produção. São Paulo, Atlas, [6] BINDER, F.V. Sistemas de apoio à decisão. São Paulo, Érica, [7] SCHEER, A. W. Business process modeling. Berlin, Springer-Verlag, [8] WESTERLUND, T. ERP and MES integration: reducing cycle time. In: INDUSTRIAL COMPUTING CONFERENCE, Chicago, 1996.

7 Proceedings, Research Triangle Park, ISA, v.6, n.1, p [9] CORRÊA, H. L.; GIANESI, I. G. N. Just in time, MRPII e OPT. São Paulo, Atlas, [10] ROLSTADÅS, A. Enterprise performance measurement. International Journal of Operations & Production Management, v.18, n.9/10, p , MCB University Press, [11] BYRNE, G. et al. Tool condition mo nitoring (TCM) the status of research and industrial application. Annals of the CIRP, [12] CLEMONS, J. W. Developing user friendly shop floor systems: considerations in the design of graphical user interfaces. In: INDUSTRIAL COMPUTING CONFERENCE, Chicago, Proceedings, Research Triangle Park, ISA, v.6, n.1, p