Estudo da integração entre sistemas scada, mes e erp em empresas de manufatura discreta que utilizam processos de usinagem

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1 Estudo da integração entre sistemas scada, mes e erp em empresas de manufatura discreta que utilizam processos de usinagem Ronaldo Mardegan (EESC-USP) mardegan@sc.usp.br Vinicius Martins (EESC-USP) vmartins@sc.usp.br João Fernando Gomes de Oliveira (EESC-USP) jfgo@sc.usp.br Resumo O uso de dados mais confiáveis do chão de fábrica fará com que as empresas sejam mais competitivas frente aos seus concorrentes. Isso pode ser feito através da coleta automática de dados do chão de fábrica e de sistemas de supervisão, os quais, atualmente, podem ser utilizados em empresas de manufatura discreta que utilizam processos de usinagem. O uso conjunto dos sistemas SCADA, MES e ERP irá fornecer uma melhor comunicação entre o chão de fábrica e o restante da empresa. Palavras-chave: Coleta automática de dados, Integração, Sistemas scada, mes e erp. 1 Introdução O uso de informações imprecisas e dados incorretos em uma empresa podem prejudicá-la no processo de tomada de decisão, em sua produtividade e, inclusive, na sua própria permanência no mercado. Tradicionalmente, em empresas de manufatura discreta, os métodos de monitoramento da produção são baseados em apontamentos manuais. Porém esses métodos não conseguem fornecer uma imagem instantânea do sistema produtivo. Seu uso se torna ainda mais ineficaz em empresas que utilizam processos de usinagem, caracterizada por inúmeras variáveis e sujeita a várias perturbações. Isso faz com que a análise dos eventos ocorridos no chão de fábrica fique muito aquém da realidade (CAETANO, 2000). Nesse contexto, a coleta automática de dados do chão de fábrica, a qual permite uma melhoria na precisão e controle dos dados por meio de sistemas de monitoramento e supervisão, começa a ser encarada como uma forma de aumentar a competitividade das empresas. O uso conjunto de soluções de monitoramento e de coleta automática de dados é realizado principalmente em indústrias de processos contínuos. Isso se deve à própria natureza desses processos que exigem monitoramento e controle em tempo real e, principalmente, devido à facilidade de obter dados dos equipamentos do chão de fábrica dessas indústrias, a partir de sensores e coletores de dados com menor complexidade se comparados com aqueles utilizados em empresas de processos discretos. Paralelamente a isso, é crescente a utilização de sistemas de gestão como forma de aumentar significativamente a integração entre todos os processos envolvidos nas empresas, tendo como foco a empresa como um todo e não apenas os limites departamentais. Uma das maneiras mais utilizadas para se obter tal integração é através da utilização dos sistemas ERP, porém estudos têm demonstrado que existe uma lacuna entre esses sistemas e o chão de fábrica das empresas. ENEGEP 2003 ABEPRO 1

2 Diante desse cenário, o presente artigo surge a partir da deficiência tanto das informações obtidas manualmente do chão de fábrica de empresas de manufatura discreta que utilizam processos de usinagem, quanto dos sistemas ERP que não possuem funcionalidades específicas para a gestão dos processos envolvidos no nível operacional da fábrica. Logo, esse trabalho visa mostrar como podemos coletar dados automaticamente do chão de fábrica de empresas de manufatura discreta que utilizam processos de usinagem, e propõe uma arquitetura de integração que vai desde a obtenção desses dados até a sua utilização no sistema ERP existente na empresa. 2 Revisão Bibliográfica 2.1 Gestão da Produção As principais atividades do processo de gestão da produção são o planejamento, a programação e o controle da produção (CORRÊA et al., 1997). O termo Planejamento e Controle da Produção (PCP) pode ser definido como sendo um conjunto de atividades gerenciais a serem executadas para que se concretize a produção de um produto (PIRES, 1995). A integração dessas atividades determina quão bem a empresa irá atender os seus clientes e ganhar uma posição competitiva no mercado (VOLLMANN et al., 1993). Além disso, essa integração pode introduzir melhorias significativas para a eficiência das condições de produção, através da redução de conflitos de programação, redução do tempo de fluxo e dos materiais em processo, aumento da utilização dos recursos da produção e adaptação a eventos irregulares do chão de fábrica (KIM et al., 1997). Para Vollmann et al. (1997), um sistema de PCP fornece informações para um gerenciamento eficiente do fluxo de materiais, uma utilização eficaz de recursos, uma coordenação interna das atividades com fornecedores e uma comunicação com os clientes sobre os requisitos de mercado. Segundo Arnold et al., (2001) um sistema de planejamento e controle da produção deve responder a quatro perguntas: 1. O que produzir? 2. Quais recursos serão necessários? 3. Quais já possuímos? 4. Do que precisamos? Essas quatro perguntas dependem de prioridades estabelecidas pelo mercado, relacionadas com quais produtos, em que quantidade e para quando o mercado os quer; e da capacidade (máquinas, mão-de-obra, materiais e recursos financeiros) disponível para produção de bens e serviços. Independentemente do sistema produtivo e abordagem utilizada pelo PCP, existem algumas atividades que são tradicionalmente inerentes à sua realização (PIRES, 1995). Segundo Arnold et al., (2001), as 5 (cinco) atividades principais realizadas pelo planejamento e controle da produção são as seguintes: Planejamento Estratégico do Negócio; Plano de Vendas e Operações; Plano Mestre de Produção; Planejamento das Necessidades de Materiais; ENEGEP 2003 ABEPRO 2

3 Compras e Controle das Atividades de Produção. Atualmente, a utilização de sistemas computacionais no suporte ao desenvolvimento dessas atividades está se tornando um critério qualificador entre as empresas. Devido ao grande volume de dados existentes para o processo de tomada de decisão, faz-se com que o uso de sistemas de informação na gestão da produção seja cada vez mais necessário. Abaixo, detalharemos como é feita a coleta automática de dados do chão de fábrica de empresas que utilizam processos de usinagem; os três sistemas utilizados na gestão organizacional (SCADA, MES e ERP) e os benefícios da integração desses sistemas para o processo de gestão da produção. 2.2 Coleta Automática de Dados do Chão de Fábrica Nos processos de usinagem manuais (não controlados por computador), os sensores são os olhos do operador, que coordena a produção controlando a máquina de usinagem (fresadora, retífica ou torno) por meio de instrumentos de medida. Porém, existe uma forte tendência para que, futuramente, a aquisição de dados por parte dos operadores via apontamento manual seja totalmente substituída pela coleta automática desses dados. Isso ocorrerá devido aos avanços tecnológicos e à uma maior disponibilidade no mercado de sensores e coletores automáticos a preços acessíveis. A coleta automática de dados do chão de fábrica é dividida, basicamente, em duas partes: Coleta de Dados e Comunicação. A primeira pode ser subdividida em três modos: CNC (Comando Numérico Computadorizado) e CLP (Controle Lógico Programável), sensores e sistemas de monitoramento dedicado (MEIRELES, 2000). A segunda é responsável pelo envio dos dados coletados das máquinas para os sistemas de supervisão. O próprio programa CNC e o CLP de uma máquina de usinagem podem fornecer alguns dados relevantes. Por outro lado, os sensores fazem a ligação entre o processo e os sinais elétricos que serão analisados, em última instância, por um sistema de supervisão (KÖNIG, 1993), possibilitando monitorar o funcionamento das máquinas no chão de fábrica. Segundo (CAETANO, 2000), os sensores mais comuns são: Força, Potência, Aceleração e Emissão Acústica. O sistema de monitoramento dedicado é um equipamento responsável por aumentar a inteligência das máquinas. Ele é composto por um sensor e um circuito eletrônico que faz o tratamento do sinal de sensores. Ele fornece, então, um sinal tratado que pode ser lido por algum sistema externo ou ligado diretamente no CNC da máquina (MEIRELES, 2000). Para que o monitoramento realmente ocorra, deve-se definir quais informações do chão de fábrica serão úteis para a empresa. A partir daí escolhe-se, adequadamente, quais dados fornecerão as informações requisitadas e qual o melhor modo de coletar esses dados. Alguns dados não podem ser obtidos automaticamente, seja por CNC, CLP, sensor ou pelo sistema de monitoramento dedicado. Será necessário o auxílio do operador para que algumas informações sejam adquiridas diretamente do chão de fábrica. Nesses casos, usa-se um coletor de dados que pode ser, por exemplo, uma botoeira, através da qual o operador entrará com a informação desejada (MEIRELES, 2000). Algumas informações de ocorrência, tais como início e fim de ciclo, podem ser obtidas diretamente do programa CNC da máquina. Porém, essas informações não são suficientes para a realização, por exemplo, da contagem de peças, uma vez que a máquina pode executar o programa sem peça (ciclo em vazio). Para uma peça ser usinada, é preciso remover sobremetal. Quando isto acontece, há um aumento na potência consumida pelo motor e um ENEGEP 2003 ABEPRO 3

4 aumento na emissão acústica, gerados pelo contato da ferramenta de corte com a peça e que são detectados pelos sensores de potência e de emissão acústica respectivamente. Assim, uma análise conjunta dos sinais de início de ciclo com o aumento da potência e da emissão acústica é capaz de determinar automaticamente se houve ou não remoção de sobremetal (MEIRELES, 2000). Como visto, a coleta automática de dados aparece como uma tecnologia capaz de proporcionar às empresas um aumento de competitividade. Diante do que foi exposto até o momento, faremos um breve detalhamento das informações que poderão ser obtidas automaticamente do chão de fábrica. 2.3 Informações do Chão de Fábrica Segundo Caetano (2000), existem dois tipos de informações. As informações de controle do chão de fábrica, como aquelas relacionadas ao lead time, peças produzidas, etc.; e as informações de caráter tecnológico, ou seja, relacionadas ao funcionamento da máquina, auxiliando no direcionamento de ações a fim de se aumentar o desempenho da máquina e talvez do chão de fábrica. Nesse trabalho, mostraremos somente as informações gerenciais que poderão ser obtidas automaticamente do chão de fábrica. Informações Gerenciais As informações gerenciais serão usadas nos processos relacionados com o planejamento, a programação e o controle da produção. Grande parte das informações gerencias que poderão ser obtidas a partir da coletada automática de dados do chão de fábrica são mostradas abaixo: Quantidade de peças produzidas por OP Quantidade de peças produzidas por turno Número de peças defeituosas Tempo de espera Tempo de fila Tempo de set-up Tempo de máquina parada Tempo de processamento Tempo de movimentação Identificação de máquinas gargalo Rastreabilidade do lote Capacidade utilizada 2.4 Sistemas SCADA A utilização desses sistemas (Supervisory Control and Data Acquisition) se dá, na sua maior parte, em indústrias de processo contínuo. Porém, de alguns anos para cá, eles foram sendo adaptados para a indústria de processos discretos e, futuramente, estarão sendo adotados em larga escala nessas indústrias, inclusive por aquelas que possuem processos de usinagem. Todas as informações apresentadas pelo SCADA são providas por uma rede de sensores e coletores de dados espalhados pela linha ou células de produção. O SCADA transforma esses dados em informações visuais, para consulta instantânea das atividades que estão ocorrendo no chão de fábrica. Os dados coletados podem ser armazenados em um banco de dados, ficando disponíveis a outros sistemas como MES e ERP. Tendo essas informações em uma base de dados é possível traçar gráficos e estimativas sobre o desempenho da produção; motivos de parada, tais como problemas mecânicos ou falta de matéria prima; máquinas gargalo; e vários outros eventos do chão de fábrica. O controle visual do chão de fábrica supre uma das deficiências manifestadas pelos sistemas ERP, dinamizando a identificação de fatores imprevisíveis que porventura poderão comprometer o desempenho da produção e a execução do planejamento. ENEGEP 2003 ABEPRO 4

5 2.5 Sistemas MES O termo MES Manufacturing Execution Systems, ou Sistema de Execução da Manufatura, foi criado em 1990 por Bruce Richardson da Advance Manufacturing Research (AMR). A aceleração do mercado de MES surgiu da necessidade de se constituir um nível intermediário entre os sistemas ERP e o chão de fábrica. Segundo Corrêa et al. (1997), os sistemas MES destinam-se a aumentar a dinâmica dos sistemas de planejamento da produção (MRP II), e conseqüentemente dos sistemas ERP, que não seriam capazes de lidar com aspectos tais como o andamento de uma ordem enquanto essa está em progresso e com restrições de capacidade de curtíssimo prazo. Além do MES e do ERP poderem trabalhar juntos, o MES ajuda na melhor utilização das funcionalidades existentes no ERP. Segundo Corrêa et al.(1997) um MES coleta e acumula informações do realizado no chão de fábrica e as realimenta para o sistema de planejamento. O MES cumpre dois papéis: um é o de controlar a produção, ou seja, considera o que foi efetivamente produzido e como foi produzido e permite comparações com o que estava planejado para, em caso de não coincidência, permitir o disparo de ações corretivas. O outro papel é de liberar as ordens de produção, tendo a preocupação de detalhar a decisão de programação da produção definida pelo MRP, ou seja, garantir que o plano definido pelo MRP seja cumprido. O MES cumpre a tarefa de detalhar os planos do MRP II em programas de produção tendo, muitas vezes, que considerar variáveis em quantidades muito maiores que aquelas consideradas pelo MRP II, tal como detalhes referentes à alocação de recursos. Independente de quão bom é o planejamento feito, a realidade nem sempre ocorre conforme o que foi planejado. De fato, o foco principal dos sistemas atuais de MRP II / ERP é o planejamento e a contabilização adquirir e manufaturar os materiais necessários na fábrica quando necessário, nas quantidades necessárias, baseado em previsões de demanda. Erros de previsão, problemas de qualidade, gargalos de capacidade, quebras, falhas de comunicação e ineficiências várias podem prejudicar os melhores planos, fazendo a produção perder em seu desempenho. Os ERPs em geral, não conseguem enxergar esses problemas antes que eles já tenham ocorrido e nem sempre suprem as necessidades da organização quanto a informações de prevenção e correção (CORRÊA et al., 1997). 2.6 Sistemas ERP Os sistemas ERP apresentam-se, simplificadamente, como sendo uma ferramenta de tecnologia da informação para integrar os processos empresariais e as atividades dos vários departamentos, podendo também integrar todas as empresas da cadeia produtiva. A sigla ERP, traduzida literalmente, significa algo como "Planejamento dos Recursos da Empresa", o que pode não refletir o que realmente um sistema ERP se propõe a fazer. Estes sistemas, também chamados no Brasil de Sistemas Integrados de Gestão Empresarial, não atuam somente no planejamento. Eles controlam e fornecem suporte a processos operacionais, produtivos, administrativos e comerciais da empresa. Todas as transações realizadas pela empresa devem ser registradas, para que as consultas extraídas do sistema possam refletir ao máximo possível sua realidade operacional. Segundo Cox & Blackstone Jr. (1998) o ERP é um sistema de informação orientado para identificar e planejar todos os recursos da empresa necessários para atender aos pedidos dos clientes em termos de manufatura, distribuição e serviços. Essencialmente, o ERP tenta englobar toda a empresa. ENEGEP 2003 ABEPRO 5

6 Uma das grandes vantagens dos sistemas ERP é a consistência das informações, ou seja, o sistema acaba com as divergências entre dados relativos ao um mesmo assunto fornecido por departamentos diferentes, a partir da utilização de um único banco de dados. De forma geral, os sistemas ERP fornecem suporte às atividades administrativas (finanças, recursos humanos, contabilidade e tributário), comerciais (pedidos, faturamento, logística e distribuição) e produtivas (projeto, manufatura, controle de estoques e custos) (DAVENPORT, 1998). Apesar do sistemas ERPs parecerem ser um sistema completo, capaz de integrar toda a empresa, estudos tem demonstrado que existe uma lacuna entre os ERPs e o chão de fábrica, ou seja, os ERPs não possuem funcionalidades que suportem as atividades que ocorrem no ambiente operacional. 3 Proposta de uma Arquitetura de Integração Segundo Brown (2001), grande parte do crescimento das implementações de sistemas ERP é estimulado pelas promessas de aumento da produtividade, redução de inventário, melhoria da acuracidade dos inventários, maior flexibilidade da manufatura, resposta mais rápida ao consumidor, melhor comunicação com fornecedores e vendedores, melhorias nas entregas, eliminação de procedimentos redundantes, entre outros. Brown (2001) destaca ainda que, se um usuário de um ERP for perguntado se o sistema realmente suporta operações de manufatura, a resposta poderá ser positiva no departamento de contabilidade, mas certamente negativa no departamento de manufatura. Realmente, os sistemas ERP não foram desenvolvidos para atender aos requisitos do chão de fábrica. Existem outras ferramentas que suportam os dados coletados do chão de fábrica e o auxilia no processo de planejamento e controle, principalmente no curtíssimo prazo. A Figura 1 mostra uma arquitetura entre os sensores ou dispositivos responsáveis por coletar os dados, o software de supervisão (SCADA), o software MES e o sistema ERP. Figura 1: Arquitetura de Integração ENEGEP 2003 ABEPRO 6

7 O software de supervisão (SCADA) tem como objetivo principal o monitoramento do chão de fábrica, através de uma base de dados em tempo real (real time database), ou seja, a função principal do SCADA é mostrar o que está ocorrendo no chão de fábrica naquele exato momento. Já os sistemas MES possuem funcionalidades que auxiliam no processo de tomada de decisões baseado em fatos históricos, num horizonte de planejamento mais longo, se comparado com os sistemas SCADA. Sistemas MES também apresentam a habilidade de troca de informações com os sistemas SCADA, para passar parâmetros de controle do processo para os equipamentos e receber feedback em tempo real do estado do processo (MARKS, 1997). A maior parte das funcionalidades existentes nos sistemas MES preenchem as lacunas deixadas pelos sistemas ERP em relação à integração entre os níveis operacional e tático da empresa. 4 Conclusão Está cada vez mais visível a tendência das empresas em integrar todos os seus processos de negócios. Os sistemas ERP têm sido os grandes responsáveis por essa integração, porém observa-se que ainda existem algumas deficiências nesses sistemas. O que se pretendeu mostrar com esse trabalho foi que os sistemas ERP, ao contrário do que os seus vendedores pregam no mercado, não conseguem contemplar com detalhes os eventos que ocorrem no chão de fábrica, ou seja, os ERPs não possuem funcionalidades que suportem os processos de negócios envolvidos no nível operacional das empresas. Logo, eles necessitam de outros sistemas que os auxiliem na sua integração com o chão de fábrica. Esses sistemas já existem no mercado e estão sendo amplamente utilizados principalmente em indústrias de processos contínuos. Porém, atualmente, as empresas de manufatura discreta, e nesse contexto podemos citar as empresas que utilizam processos de usinagem, começam a usufruir dessa nova tecnologia que está surgindo no mercado. É através do uso de dispositivos para coleta automática de dados e de sistemas de monitoramento, supervisão, controle e planejamento de curtíssimo prazo, que as empresas poderão integrar de uma forma cada vez melhor as informações advindas do chão de fábrica e o restante da empresa. A integração entre os sistemas SCADA, MES e ERP torna-se cada vez mais possível devido às novas tecnologias de troca de informações, e uma consciência maior entre fabricantes desses softwares, resultando numa maior compatibilidade entre os sistemas e as bases de dados. A utilização conjunta entre os sistemas SCADA, MES e ERP dará às empresas um melhor entendimento daquilo que realmente ocorre no chão de fábrica e permitirá um alinhamento maior entre os níveis estratégico, tático e operacional, além de poder expandir esses benefícios para toda a cadeia produtiva. Mudanças ocorridas no chão de fábrica serão sentidas com maior rapidez e ações corretivas serão tomadas com maior prontidão. O resultado será empresas de manufatura discreta cada vez mais competitivas e com margens de lucro maiores, gerando uma maior satisfação dos clientes. Referências ARNOLD, J. R. T.; CHAPMAN, S.T.: Introduction to Materials Management, Prentice-Hall, 4 th ed., BROWN, J. P.: Is ERP a Silver Bullet?. APICS - The Performance Advantage, v. 11, n. 1, Jan ENEGEP 2003 ABEPRO 7

8 CAETANO, André G.L.S. Sistemas de Supervisão de Chão-de-Fábrica: Uma Contribuição para Implantação em Indústrias de Usinagem. São Carlos, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo,. 110p., CORRÊA, H. L.; GIANESI, I. G. N.; CAON, M.: Planejamento, Programação e Controle da Produção: MRP II / ERP. Ed. Atlas, São Paulo, COX, J. F.; BLACKSTONE JR., J. H. In: APICS dictionary; Terry Collegue of Business, University of Georgia, 9 th ed., DAVENPORT, T. H.: Putting de Enterprise into the Enterprise System. In. Harvard Business Review, July/Aug, pp , FAVARETTO, F.: Uma Contribuição ao Processo de Gestão da Produção pelo Uso de Coleta Automática de Dados de Chão de Fábrica. São Carlos, Tese (Doutorado em Engenharia de Produção Mecânica) - Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo,. 81 p., KIM, K. H.; SONG, J. Y.; WANG, K. H.: A negotiation based scheduling for items with flexible process plans. Computers in Industrial Engineering, v.33, n. 3-4, p , KÖNIG, W.; KLUMPER, T.. Monitoring and sensor concepts for higher process reliability. In: INTERNATIONAL GRINDING, 5., Cincinnati, p , LAURINDO, F.J.B.; MESQUITA, M.A., Material Requirement Planning: 25 anos de história Uma revisão do passado e prospecção do futuro. Revista Gestão & Produção, v.7, n.3, p , dez MARKS, E., SCORZA, P.: MES - O Quê e Por Quê MEIRELES, G.S.C.: Desenvolvimento de Sistema de Aquisição de Dados em Operações de Usinagem visando o Monitoramento de Linhas ou Células de Produção. São Carlos, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, 97p., PIRES, S.R.I.: Gestão Estratégica da Produção. Piracicaba, Unimep, VOLLMANN, T. E.; BERRY, W. L.; WHYBARK, D. C.: Integrated Production and Inventory Management, Business One Irwin, VOLLMANN, T. E.; BERRY, W. L.; WHYBARK, D. C.: Manufacturing Planning and Control Systems, Irwin McGraw-Hill, 4 th ed., ENEGEP 2003 ABEPRO 8