SIMULAÇÃO E LAYOUT - UM ESTUDO DE CASO

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1 XXIX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO. SIMULAÇÃO E LAYOUT - UM ESTUDO DE CASO André Fernandes Meirelles (UFRJ) andre.meirelles@gpi.ufrj.br Luiz Antônio Meirelles (UFRJ) meirelles@ufrj.br Rafael Garcia Barbastefano (CEFET-RJ) barbastefano@gmail.com Raquel Coimbra Flexa (CEFET-RJ) raquel@gpi.ufrj.br Este trabalho analisa a aplicação de simulação computacional como ferramenta complementar a uma metodologia de projeto de layout, em uma fábrica de refratários com processo discreto de produção. O desenvolvimento do modelo de simulação bbuscou validar propostas de layout realizada para a fábrica. Foi utilizado o método SLP - system layout planning e o software ARENA. Várias ferramentas de simulação bem difundidas não são especializadas em layout. A partir do estudo de caso foram identificados recursos mais relevantes, e foram elaboradas e testadas algumas regras relevantes para representação das atividades produtivas em modelos de simulação aplicados ao projeto de layout. Palavras-chaves: Simulação, layout, indústria, refratários

2 1. 1. Introdução O layout (planejamento das instalações) é um dos fatores de desempenho de qualquer operação produtiva, dado a potencial redução dos custos de produção sobre o produto que um bom planejamento do arranjo físico de uma fábrica pode resultar. Métodos consagrados para elaboração de layout foram desenvolvidos há mais de 70 anos atrás. As atuais ferramentas computacionais podem complementar esses métodos, resultando em análises mais completas, principalmente de situações futuras. Por exemplo a simulação computacional, possibilita integrar em um modelo animado indicadores de ocupação dos equipamentos, tempos de transporte, custos de atividades etc. Este trabalho objetiva apresentar a aplicação de simulação computacional como ferramenta em uma metodologia de um projeto de layout de blocos, em uma fábrica de refratários com processo discreto de produção. Foi utilizado o método SLP system layout planning, (MUTHER, 1978) para análise da situação atual e para elaboração de propostas de layout. As propostas de arranjos físicos foram, simuladas em ferramenta de simulação computacional por dois motivos principais: facilitar a validação de alguns parâmetros quantitativos dos novos sistemas e uma visualização da dinâmica do processo de trabalho na fábrica. Para a elaboração de modelo de simulação para análise de layout algumas etapas anteriores tiveram de ser executadas: o fluxograma de processos (BARNES, 1995) e o mapofluxograma dos processos produtivos das peças de maior demanda identificadas pela classificação ABC e um estudo de tempos e movimentos, definindo tempos padrão para as atividades e fornecendo os dados de entrada para o modelo de simulação. 2. Metodologia 2.1 Método SLP Richard Muther criou o SLP como solução para o problema de organizar massas expressivas de dados e critérios usuais em projetos de layout. Buscou uma abordagem lógica... um modelo que integrasse as muitas técnicas existentes e em uso, porém isoladas (MUTHER, 1978 ). A partir de 1944 publicou livros que foram traduzidos para 10 línguas, servindo como referência técnica mundial para projetos de layout. O SLP consiste numa estruturação de fases de projeto, um roteiro de projeto e um conjunto de convenções para identificação, visualização e classificação das várias atividades interrelações e alternativas envolvidas em todo o projeto de arranjo físico (id,ibid). A validação do SLP se deu ao longo de mais de 1000 projetos realizados por MUTHER e colaboradores. Ele considerou, no prefácio da edição brasileira de 1973, que o sistema auxilia a evitar erros, economizar tempo e produzir melhores soluções. As fases de projeto segundo o SLP são: localização; arranjo físico geral; arranjo físico detalhado e implantação. Os estudos de localização de plantas industriais subsidiam decisões envolvendo horizontes de planejamento de cenários nacionais, regionais e municipais, amparados em estudos de mercado e modelos de planejamento estratégico para a organização, entre outros. Erros em estudos de localização podem ser irreparáveis através de medidas de gestão. O arranjo físico geral contempla três tipos de objetivos: projeto novo, adaptação ou rearranjo, e conversão de finalidade. O rearranjo é um caso frequente. Envolve o estudo da localização de áreas de atividades e de reservas para expansão de atividades no 2

3 terreno da planta. Esta fase de projeto resulta em um layout de blocos, cada bloco correspondendo a areas de atividades, com uma distribuição de blocos que aproxima fisicamente aqueles mais interrelacionados. É prevista uma quantificação do espaço a ocupar por cada bloco, que inclui o espaço de vários postos de trabalho. O arranjo físico detalhado discrimina a localização de cada posto de trabalho, areas de suprimento, segurança, circulação, operação e manutenção. Nesta fase, o projeto de layout detalhado é alimentado com os dados do projeto de cada posto integrante do bloco. Contribuem para estas soluções as técnicas da Engenharia de Métodos, da Ergonomia, da Segurança e Higiene do Trabalho e Industrial e da Engenharia Ambiental. Validam-se as propostas de arranjo de blocos, e em seguida as de arranjo detalhado. Uma vez revistas e revalidadas as alterações no projeto, planeja-se a implantação. Este planejamento pode envolver mudanças de localização de postos e obras prediais simultâneas a processos de produção ativos, o que obriga o projetista a conciliar as mudanças previstas com a programação da produção, durante a implantação. Após as mudanças, faz-se um acompanhamento com vistas a verificar se os ganhos previstos no projeto de layout se realizam, sendo eventualmente necessária uma revisão do projeto. O uso do SLP, com sua estrutura tecnicamente simples e sólida, facilita a associação de técnicas mais recentes, como a simulação. A integração de técnicas foi viavel, no caso do projeto relatado neste artigo, como se verá na seção Simulação e Layout Banks (1998) define simulação como a imitação de uma operação em um processo ou sistema do mundo real durante certo intervalo de tempo. Vaccaro (1999), resume várias definições: Simulação é um experimento estatístico de modelagem e amostragem cujo objetivo é a geração de dados que fundamentem a tomada de uma decisão. Ela permite a observação de dados gerados artificialmente, incluindo imagens animadas, para suportar a tomada de decisões ao se pensar em intervenções sobre o sistema. A simulação em projetos de engenharia era usada, por exemplo, em maquetes. O desenvolvimento tecnológico de softwares e hardwares específicos facilitou o acesso a ferramentas de simulação computacional. Segundo Law & Kelton (1991), o estímulo para utilização de simulação ocorre quando, por motivos de custo, normalmente, esta é preferível à realização de estudos com um modelo matemático que represente o sistema. Se o modelo for simples é possível chegar a uma solução de maneira analítica. No entanto, com o aumento da complexidade do modelo em termos de relacionamento dos parâmetros e suas descrições, se faz necessário um modelo de simulação, no qual não se busca uma solução perfeita mas se observa um comportamento. 3

4 Figura 1: Métodos de estudo de um sistema (Law e Kelton, 1991) Pode-se assim, simular o comportamento do chão de fábrica, pois é viável a introdução de um grande número de elementos no modelo, como a posição de materiais, equipamentos, operários, transportadores e outros objetos de estudo na análise de layout. O sistema SLP não substitui a criatividade e inteligência dos projetistas (MUTHER, 1978). As propostas elaboradas necessitam de validação: como garantir que o rearranjo proposto pelo projetista é a melhor possibilidade? Os modelos, simplificações da realidade, facilitam sua compreensão, mas não necessariamente estimulam a criatividade do projetista para elaboração do layout. A simulação de uma unidade produtiva busca aproximar o projetista de seu objeto de estudo, uma vez que cresce sua sensibilidade sobre o sistema, o que permite análises mais apuradas e aumenta as chances de ocorrência de novas idéias. O SLP não se propõe a considerar, simultaneamente, uma grande diversidade de parâmetros, como um modelo de simulação computacional - do peso de uma peça ao turno dos funcionários atuantes no processo produtivo. O SLP é um método gráfico sem animação. O uso de animação possibilita ao projetista e aos seus clientes terem a melhor visualização possível das dinâmicas da fábrica funcionando segundo diferentes propostas de layout. 2.3 Características de ferramenta de simulação computacional para estudo de Layout Um software de simulação computacional adequado para estudos de layout deve permitir a descrição e análise de um processo de produção. Deve existir aderência entre o fluxograma que descreve o processo produtivo e o modelo de simulação, facilitando a validação deste. É necessária a definição de um tempo-padrão para cada uma das atividades operação/inspeções, esperas/armazenamentos e transporte. As esperas não necessariamente possuem um tempo-padrão, sendo resultado da formação de uma fila durante a execução da simulação. Os modelos de simulação devem possibilitar o emprego de diferentes distribuições de probabilidade para o intervalo de tempo de chegada entre peças, assim como a definição da quantidade de peças por chegada. A simulação permite o estudo da operação através da análise de diversos parâmetros simultaneamente. Sendo, assim, uma ferramenta que enriquece os métodos consagrados de análise de layout. Além disso ela possibilita um aumento da sensibilidade sobre as propostas elaboradas, através do dinamismo da animação. 4

5 No entanto, vale lembrar a máxima em simulação garbage in garbage out. A elaboração de um modelo que produza resultados confiáveis para suportar uma tomada de decisão depende da qualidade dos dados de entrada. Ou seja, é pré-requisito da simulação uma trabalhosa etapa de obtenção e análise de dados de entrada para o modelo. Assim como é importante assumir que por definição a simulação não tratará de todas as variáveis do processo, pois existe sempre uma variabilidade inerente a qualquer atividade produtiva, sendo importante o conhecimento pelo projetista das diversas peculiaridades de cada sistema produtivo. E, existe ainda, uma relação entre o número de variabilidades consideradas na simulação e o volume de trabalho em sua construção. O projetista deve definir as regras relevantes para representação das atividades no modelo de simulação. As ferramentas mais difundidas não são especializadas. No estudo de caso (cf. Seção 3) realizado foram elaboradas e testadas algumas destas regras. 3. Estudo de Caso 3.1 Objetivos O desenvolvimento de um modelo de simulação buscou validar uma proposta de layout realizada para uma fábrica de refratários. A partir do modelo elaboraram-se mais propostas, vantajosas em relação à inicial. Foram consideradas diferentes restrições em cada uma das propostas, enriquecendo a discussão da gerência sobre diferentes alternativas de investimento. 3.2 Caracterização geral da empresa Trata-se de uma empresa líder em design, engenharia e manufatura de produtos refratórios de alta tecnologia. Produz mais de 200 diferentes itens. A planta estudada tem cerca de 100 empregados, opera ininterruptamente e fabrica mais de 8 mil peças por mês. Os processos produtivos caracterizam-se pela mistura de componentes químicos em forma de pó, previamente separados, seguida pela conformação de peças e por diversos tipos de tratamentos térmicos e de embalagem. Há um rigoroso controle de qualidade, com amostragens e inspeções individuais dos produtos em processo as peças quebram. 3.3 Análise dos Processos de Produção A primeira etapa do projeto consistiu em uma classificação ABC dos produtos da fábrica por quantidades produzidas de cada item. Foram identificados os 34 produtos que correspondiam a 80% da produção. Estes pertenciam a 4 famílias diferenciadas, basicamente, pela composição da matéria prima e por dimensões. Em seguida, foram elaborados os fluxogramas de processo para cada família, seguindo o padrão ASME operação, transporte, inspeção, espera, armazenamento. Registraram-se: uma breve descrição da atividade; os recursos empregados equipamento, funcionários; e uma estimativa do tempo padrão da atividade. Essa estimativa correspondeu a média e o desvio padrão obtidos com: no mínimo 20 observações diretas; taxas de tolerância pessoal estimadas a partir da tabela proposta em OIT 1985; e de medições do tempo total de atravessamento para peças de cada família. A seguir foi elaborado o mapofluxograma de cada família. Os tempos-padrão foram usados para simulação da ocupação dos postos de trabalho em diferentes cenários de demanda num horizonte de planejamento de 5 anos. Os mapofluxogramas foram usados para alimentar o modelo de simulação, para crítica do layout atual e da proposta inicial. 5

6 3.4 Simulação Um modelo de simulação consiste em uma ordem lógica de eventos a serem percorridos por determinada entidade - nesse caso uma peça. Esta passa por uma série de atividades que utilizam certos recursos durante determinado tempo - fixo ou variável. Por exemplo a entidade peça aloca o recurso forno por cerca de 2 horas. Primeiramente, foi elaborado um modelo que representava a situação atual da fábrica. Para sua construção, foi realizado o cadastro dos elementos que o constituem entidades e recursos: as peças agrupadas em 4 famílias, os equipamentos e os funcionários. Os equipamentos foram cadastrados com suas respectivas capacidades, e considerou-se que os funcionários tinham a mesma capacidade, fixa, em todos os 3 turnos de trabalho. Também foi cadastrado um grupo especial de recursos, responsável pelo transporte das peças durante todo o processo: as empilhadeiras e as esteiras. Além do número de empilhadeiras disponíveis, foi necessária também uma definição de sua velocidade, assim como uma descrição da capacidade de carga do pallets. Para a esteira também foi necessário determinar sua velocidade. Falhas, quebras e manutenção não foram consideradas pelo fato delas ocorrerem de modo esporádico, segundo os gestores da empresa. Em seguida foram determinadas as posições de cada um dos equipamentos no layout atual e propostas, e cadastradas as distâncias entre eles. Isso foi feito com grande facilidade pelo fato do software de simulação computacional utilizado Arena permitir que se colem figuras em sua área de trabalho. O layout da fábrica, serviu de fonte para o cadastro de distâncias e de fundo para a localização dos equipamentos. Terminados os cadastros dos elementos descritos, é necessário definir o conjunto de regras que as entidades seguirão durante a execução do modelo de simulação, e cuja modificação em algum parâmetro permitirá a análise de um comportamento. Os tempos-padrão de alocação dos recursos por peça foram cadastrados segundo distribuições Normais. O tempo entre as chegadas de peças no primeiro posto de trabalho de todo o processo comum às 4 famílias - foi representado por uma distribuição Exponencial. Porque a emissão de uma ordem de produção pode ser considerado um evento raro, em relação à duração das atividades nos postos de trabalho. Caso houvesse dúvida sobre a distribuição de probabilidade de maior conformidade em relação a um conjunto de observações, era possível utilizar o software input analyzer, complementar ao Arena, que indicaria a curva que produz o menor erro segundo os testes de qui-quadrado e Kolgoromov-Smirnov. O processo começava pela operação de mistura, idêntica para as quatro famílias. Depois a mistura era transportada até uma área de espera aguardando a conformação em prensa. O tempo de prensagem variava conforme a família. Em seguida, era formada uma batelada de peças por família. A partir daí, os processos de cada família são distintos. Assim, foi necessário introduzir no modelo de simulação uma variável de decisão que determinasse quatro possibilidades de processos, segundo a família da peça. Depois cada batelada era transportada por uma empilhadeira até o forno. O tamanho da batelada a ser montada correspondia ao número de peças que o pallet da empilhadeira carregava, e variava conforme as famílias. Depois do forno, a batelada era transportada até um local de resfriamento ao ar livre, descarregada, e as peças eram separadas. Dependendo da família, as peças sofriam novos e diferentes processos de tratamento térmico em equipamentos distintos, não mais em batelada. Daí seguiam para embalagem e uma vez acabado o processo, determina-se o fim dessa seqüência de regras lógicas no modelo de simulação. 6

7 A validação do modelo de simulação foi feita através da execução da simulação com o modelo que representava a situação atual, e os números extraídos dessa simulação comparados com os dados disponíveis sobre o sistema real. Se esperava que os dados resultantes do modelo coincidissem com os dados do processo real. Depois da descrição dos processos no modelo de simulação e verificado seu correto funcionamento, era necessário concluir a animação, que já tinha o local dos equipamentos marcados nos layouts. A animação inclui o controle da velocidade da simulação e a visualização simultânea dos parâmetros mais importantes: hora, número de peças acabadas, número de peças em determinada fila, nível de utilização dos recursos e tempo de atravessamento. Inclui ainda a visualização da movimentação das peças, os estados dos recursos (ocupados ou ociosos) e a formação e o desmantelamento da batelada. A partir da execução da simulação da situação atual, alguns problemas preliminarmente identificados foram evidenciados. Como por exemplo: a necessidade de ampliação de uma área de espera para produtos em processo antes da conformação o gargalo; os diversos cruzamentos de fluxos entre peças de famílias distintas, que forneciam uma imagem de certa ineficiência do layout atual; e a existência de trajetos aparentemente desnecessários, entre equipamentos que podiam ser aproximados, reduzindo os tempos de transporte. Novos modelos de simulação foram elaborados para analisar diferentes propostas de layout. A proposta inicial pouco alterava o layout atual. Novas propostas foram desenvolvidas através da adição e combinação de outras restrições. Havia dúvidas quanto: a possibilidade de se mudar o local de armazenamento da matéria prima; a possibilidade de se quebrar uma enorme parede; e quanto a uma futura mudança de capacidade da prensa e dos fornos. A empresa foi, assim, munida de um conjunto de propostas, com diferentes benefícios, para análise de viabilidade. A proposta com menor número de restrições apenas a área da fábrica e a localização dos fornos - possibilitou reduções de 51% no indicador: (quantidade de peças) x (distância percorrida) x (peso). Isto resultou em um menor tempo de atravessamento das peças, devido a redução dos transportes. O nível de utilização das empilhadeiras caiu mais de 30%. Obteve-se um descruzamento dos fluxos das peças conferindo maior harmonia ao sistema. E foi dimensionada uma ampliação da área de espera, antes da conformação, baseada no tamanho da fila e na dimensão das peças. Foi ainda realizada uma análise da capacidade dos equipamentos através dos parâmetros de nível de utilização descritos nos relatórios após cada rodada de simulação para os diferentes cenários de demanda. As rodadas de simulação apresentaram níveis de utilização maiores que 90% para alguns equipamentos, no horizonte de planejamento de 5 anos. Os resultados da simulação indicaram saturação de equipamentos diferentes dos que a empresa identificara inicialmente. A ampliação de capacidade imaginada pela empresa continha erros. 4. Conclusão A ferramenta de simulação computacional, para efeito do estudo de layout de bloco realizado contemplou a aplicação das seguintes regras relevantes para representação das atividades: Definição de uma nova operação, para fins de simulação, se mudarem os recursos empregados no processamento da peça, ou, se a cronoanálise revelar que é melhor descrever a operação real por duas distribuições de tempo diferentes por exemplo para diferenciar o tempo de preparação do tempo de processamento associados a uma mesma 7

8 operação; Formação de bateladas. Em vários processos as peças sofrem transformações quando agrupadas e depois são separadas. Por exemplo em fornos ou em transportes com pallets cheios; Determinação da posição relativa dos equipamentos na planta e descrição das características do transportador das peças - como a velocidade de esteiras, o peso máximo suportado por empilhadeiras e a capacidade de carga dos pallets; Atribuição de características específicas às entidades - peças ou pessoas - dependendo da sua importância para a simulação. No estudo de caso (cf. seção 3) as peças estavam divididas em quatro grandes famílias, com fluxos de processo diferentes. A distinção de famílias para cada peça deve ser integrada ao modelo; Facilidade de alterações no modelo de simulação. É comum em projetos de layout que se trabalhe com diversas propostas enquanto elas passam por sucessivas aprovações pelos gestores adicionando ou relaxando restrições. Isso é mais relevante se considerarmos que layouts costumam ser elaborados para o longo prazo. Implicando em decisões de grande impacto que exigem mudanças no modelo de simulação. Por exemplo, ocorrem perguntas como: é possível ampliar o terreno? É possível quebrar uma parede? É possível mudar a arquitetura do equipamento? É possível as demandas ou as capacidades mudarem? Limpeza de dados falaciosos. Em sistemas que funcionam em regime constante deve-se desconsiderar as estatísticas produzidas pelas primeiras entidades a percorrerem o modelo na execução de uma simulação. Porque o atravessamento destas entidades pelo modelo não tem importância para um projeto de layout elaborado para um sistema de funcionamento constante, já que as estatísticas geradas por estas entidades formam um conjunto de dados irrelevantes para o sistema; Animação fácil com um mínimo de sofisticação para visualizar cada equipamento, cada peça e seus percursos. Não se deve aumentar significantemente o custo do projeto com animação, justificando sua aplicação, considerando que o SLP não envolve simulação e é suficientemente eficaz. É importante visualizar o fluxo das peças e os deslocamentos de pessoas e equipamentos no chão de fábrica, para um dado projeto de layout. Durante a animação alguns indicadores devem ser visualizados, como por exemplo, o número que indica o tamanho de uma fila e o que indica o nível de utilização do equipamento, facilitando o acompanhamento da simulação. O valor da animação, da imagem em movimento, é intangível. Seu uso é benéfico para aumentar a percepção de sistemas principalmente dos que ainda não existem favorecendo a criatividade. Há maior proveito da animação quando esta é apresentada a pessoas pouco familiarizadas com as representações usadas em projetos de layouts, como por exemplo a clientes de projeto sem formação técnica. Em um futuro próximo, é provável que a tecnologia de criação de hologramas se alie a construção de modelos de simulação permitindo ao projetista uma total imersão em sua proposta. Hoje, através do software Arena, já é possível a simulação de um modelo em três dimensões, mas, vale lembrar que a sofisticação do modelo implica em um maior custo para sua elaboração. E que os dados de campo ainda serão o alicerce básico sobre o qual o modelo foi construído e a simulação executada. 8

9 5. Referências BANKS, J. Handbook of simulation: Principles, methodology, advances, application, and practice. New York: John Wiley & Sons, BARNES, R. Estudo de Movimentos e de Tempos: Projeto e medida do trabalho.. 6. ed. São Paulo: Edgard Blücher, LAW, A. M. & KELTON, W. D. Simulation modeling and analysis.. 2. ed. New York: McGraw-Hill, MUTHER, R. Planejamento do Layout: Sistema SLP. São Paulo: Edgard Blücher, OIT. Introduccion al estudio del trabajo. Genebra: OIT, VACCARO, G. L. R. Modelagem e análise de dados em simulação. Porto Alegre: Instituto de Informática/UFRGS, Exame de qualificação. 9