PIMS & MES Process Information Management Systems & Manufacturing Execution Systems Prof. Ricardo J. Rabelo UFSC Universidade Federal de Santa Catarina DAS Departamento de Automação e Sistemas
SUMÁRIO MES & PIMS Definição e Importância Posicionamento no Modelo ISA-95 Funcionalidades Arquitetura Aspectos de Integração e Implantação Comentários Finais
A competitividade exige cada vez mais agilidade na tomada de decisões de uma empresa, quer para fazer frente à oportunidades de negócios (de fora), quer para atuar na solução de problemas internos (de dentro). O uso de informação incorreta, desatualizada ou não confiável impacta diretamente na qualidade da tomada de decisões. Um tipo extremamente relevante de informação a ser considerado nessas decisões é o que diz respeito ao estado efetivo do se passa no chão-de-fábrica. MOTIVAÇÃO Os sistemas tipo ERP, de gestão da produção, entre outros, que são os principais consumidores dessas informações, não são desenhados para conversarem diretamente com os sistemas do chão-de-fábrica.
Como forma a atuar como um intermediário entre esses dois mundos, surgem então os sistemas PIMS e MES. PIMS Process Information Management System / Sistema de Gerenciamento de Informações de Processo MES Manufacturing Execution System / Sistema de Execução de Manufatura JUSTIFICATIVA
Requisita informação Recebe informação O PIMS E MES NO MODELO ISA-95 Nível 4 Sistemas ERP, MRP, MRP-II, CRM,... Nível 3 Sistemas MES, PIMS,... Nível 2 Sistemas SCADA, SDCD,... Nível 1 CLPs, Redes (Fieldbus), Controladores PID, Coleta Manual,... Nível 0 Chão-de-Fábrica:Equipamentos industriais, sensores, atuadores,...
FUNÇÃO ESSENCIAL DO PIMS E MES Em resumo, o PIMS e MES são grandes sistemas que visam coletar dados do chão de fábrica, indiretamente, através de sistemas do Nível 2, de coleta de dados, e posteriormente organizar tais dados, armazená-los e disponibilizá-los para acesso pelas aplicações do Nível 4, de planejamento. O modelo de implementação mais comum de ser encontrado nas implementações de sistemas PIMS e MES nas empresas é ter um Banco de Dados central, que armazena os dados colhidos do chão-de-fábrica.
FUNÇÃO ESSENCIAL DO PIMS E MES Usuários Finais / Decisões corporativo-estratégicas Sistemas de Planejamento Usuários Finais / Análise de Desempenho operacional Sistemas PIMS e MES Banco de Dados Chão-de-fábrica
FUNÇÃO ESSENCIAL DO PIMS E MES Apesar do PIMS e MES serem os responsáveis, em suma, pela coleta e disponibilização de dados do chãode-fábrica, eles são diferentes, isto é, desempenham diferentes papéis nesse contexto. Portanto, PIMS e MES não são a mesma coisa, nem são siglas sinônimas.
FUNÇÃO ESSENCIAL DO PIMS E MES Importante salientar, no entanto, que alguns sistemas comerciais de PIMS e MES hoje disponíveis no mercado apresentam, de forma errônea, algumas sobreposições funcionais, o que cria dificuldades adicionais posteriores de integração e mesmo de compreensão dos conceitos. Funções MES Sobreposição de Funções Funções PIMS
PROCESS INFORMATION MANAGEMENT SYSTEMS / SISTEMAS DE GESTÃO DE INFORMAÇÕES DE PROCESSO
CONCEITOS BÁSICOS Sistemas PIMS são softwares que adquirem informações contínuas de processo (temperaturas, pressões, vazões, quantidades, velocidades, pesos, etc.) de diversas fontes, os armazenam em um banco de dados de históricos, e os disponibilizam através de relatórios dos mais diversos tipos. Um PIMS tem como objetivo essencial proporcionar uma visão unificada de todo processo. Sistemas PIMS nasceram na indústria de processos contínuos dos setores químico e petroquímico, e atualmente se estenderam para outros, como o siderúrgico, papel, celulose, cimento e mineração. Atualmente há PIMS que dão algum suporte a indústrias de processos discretos / por batelada.
PRINCIPAIS FUNCIONALIDADES Interfaceamento com Banco de Dados: funções de acesso ao banco de dados. Interfaceamento com o sistema ERP: funções de comunicação direta do ERP com o PIMS. Gestão e Tracking de bateladas: apoio ao acompanhamento dos processos por batelada, mostrando também o correlacionamento dos dados de processo com cada batelada.
PRINCIPAIS FUNCIONALIDADES (Cont.) Reconciliação de Dados: normalização de diferentes formatos e unidades de diferentes fontes de dados, assim como de síntese de certos processamentos. Genealogia: tracking dos itens consumidos e os produtos finais gerados, estabelecendo uma correlação entre eles. Controle Estatístico de Processos (CEP): acompanhamento estatístico de determinados processos através de cartas de controle e relatórios.
PRINCIPAIS FONTES DE CONSULTA Na sua forma clássica, os sistemas PIMS acessam as fontes de dados localizadas no Nível 2, onde estão os sistemas SCADA e SDCD. Porém, há algumas implementações que (também) acessam dados diretamente do Nível 1, por exemplo dos CLPs. Na verdade, existem vantagens nos dois casos. Há casos, todavia, em que algumas informações de alguns processos não são coletadas automaticamente via sistemas e redes de computadores, mas sim introduzidas manualmente no sistema.
SCADA ou SDCD como fonte: VANTAGENS VIA SCADA - Abstraem heterogeneidades dos CLPs, além de também abstraírem a problemática de se ter CLPs antigos, de difícil comunicação; - Muitas variáveis são definidas ou sintetizadas ao nível de SCADA, ou seja, sem sempre os CLPs têm a informação que se deseja. - A interface com os sistemas SCADA costuma ser padrão, o que facilita a comunicação e interoperação.
CLP como fonte: VANTAGENS VIA CLP - Acesso mais rápido à informação. - No caso de rede de CLPs, integrada, o acesso é facilitado, buscando-se a informação desejada em apenas um ponto. - CLPs são sistemas mais estáveis e sujeitos a menos falhas que SCADAs.
Do ponto de vista físico, a arquitetura de um sistema PIMS consiste de 5 grandes entidades: - Um servidor principal: é o processo / computador que centraliza as informações e o acesso às fontes de dados, assim como que fornece as informações às demais aplicações-cliente do Nível 4; - Alguns servidores de comunicação: atuam como intermediários entre o servidor principal e os vários subsistemas do Nível 2; - Estações-cliente: atuando sobre o servidor principal, representam o ponto de acesso dos usuários ao sistema e suas funcionalidades; - Um Banco de Dados: repositório das informações coletadas; ARQUITETURA - Infraestrutura de rede e de automação: conjunto de softwares básico, middlewares e protocolos industriais de suporte à comunicação entre os vários sistemas dos Níveis envolvidos.
ARQUITETURA Banco de Dados Servidor Principal Servidores Locais de Comunicação Clientes SCADA, SDCD, PLC,... Infraestrutura de rede e automação
ARQUITETURA: O BANCO DE DADOS O Banco de Dados usado pelo sistema PIMS não é um banco de dados convencional. Isso porque ele funciona de forma a poder receber milhares de transações em curtos espaços de tempo para armazenar o resultado da aquisição de um sem número de dados dos vários subsistemas dos Níveis 2 e/ou 1.
O Banco de Dados usado como repositório de dados de sistemas PIMS apresenta uma série de requisitos que diferem um pouco dos geralmente usados nas empresas: Capacidade: gigantesco volume de dados das inúmeras variáveis coletadas. Tempo de aquisição: altíssima frequência, por vezes ao nível de segundos. Tipo de dados: dados de sensores, atuadores, medidores, válvulas, etc. Volume de transações: dada a altíssima frequência, o volume de transações (principalmente escrita) é enorme, o que requer um extremamente robusto SGBD. Tempo real: aqueles tipos de dados a serem coletados o são em tempo real, e não apenas em alguns momentos. Compressão de dados: dado ao enorme volume de dados coletados e historiados (da ordem de 10 a 15 anos de coleta), são usados algoritmos especiais de compactação de dados. ARQUITETURA: O BANCO DE DADOS (Cont.)
ASPECTOS DE IMPLANTAÇÃO DE PIMS Banco de Dados especial, praticamente sempre incorporado / comprado com a própria solução PIMS em si; Estudo e integração de diversas fontes de dados (CLPs, etc.) ou SCADA(s); Customização dos vários relatórios que se quer; Uso do padrão OPC (OLE [Object Linking and Embedding] for Process Control) para comunicação cliente-servidor dos diversos e heterogêneos dispositivos de hardware (de automação) e os sistemas / aplicações de automação, favorecendo a interoperação entre eles.
VANTAGENS DOS SISTEMAS PIMS Centralização de dados de processo: concentram num banco de dados toda a informação, facilitando uma completa e correta análise de desempenho e de correlações. Disseminação da informação: todos os atores envolvidos nas várias etapas dos processos podem ter acesso às informações. Visualização em Tempo Real: informações como gráficos, tendências, etc., são mostradas dinamicamente, em tempo real, dando a visão precisa do processo. Histórico de dados: sistemas PIMS (módulo comumente chamado de historiador ) armazenam históricos de 10 a 15 anos, possibilitando vários tipos de análises. Melhores práticas: trabalhando em cima dos históricos, o sistema identifica os melhores resultados obtidos na produção.
MANUFACTURING EXECUTION SYSTEMS / SISTEMAS DE EXECUÇÃO DA MANUFATURA
CONCEITOS BÁSICOS Sistemas MES são softwares que adquirem dados discretos de processo (quantidades produzidas, itens reparados, lista dos lotes prontos, nível de utilização das máquinas, tempos de setup, processo e movimentação, etc.) de diversas fontes, os armazenam em um banco de dados (que também podem armazenar históricos), e os disponibilizam através de relatórios dos mais diversos tipos. Um MES tem também como objetivo essencial proporcionar uma visão unificada de todo processo. Mas aqui o foco é ajudar às aplicações cliente (do Nível 4) a ter um controle mais preciso sobre pedidos de compras, de vendas, níveis de estoque, etc., ou seja, das várias etapas de produção.
CONCEITOS BÁSICOS
CONCEITOS BÁSICOS (Cont.) Devido a natureza dos dados que coletam / lhe interessam, os MES são mais voltados a indústrias de processos discretos, por batelada. Os sistemas MES tem uma função mais ativa que os PIMS. Isto no sentido de que eles pegam as várias informações associadas ao plano de produção gerado pelos sistemas ERP e, com base nisso, atuam em conjunto com os sistemas supervisórios no controle da execução das atividades, fluxo de materiais, emissão de ordens de armazenamento, entre outras inúmeras ações.
PRINCIPAIS FUNCIONALIDADES Interfaceamento com Banco de Dados: funções de acesso ao banco de dados. Interfaceamento com o sistema ERP: funções de comunicação direta do ERP com o MES. Gestão e Tracking de bateladas: apoio ao acompanhamento dos processos por batelada, mostrando também uma correlação de dados de processo com cada batelada.
PRINCIPAIS FUNCIONALIDADES (Cont.) Reconciliação de Dados: normalização de diferentes formatos e unidades de diferentes fontes de dados, assim como de síntese de certos processamentos. Genealogia: tracking dos itens consumidos e os produtos finais gerados, estabelecendo uma correlação entre eles. Controle Estatístico de Processos (CEP): acompanhamento estatístico de determinados processos através de cartas de controle e relatórios.
A ENTIDADE DE REFERÊNCIA MESA No âmbito de soluções MES, existe uma organização internacional chamada MESA (Manufacturing Enterprise Solution Association), que tenta criar modelos, guidelines, especificações e métricas para sistemas MES, que contribui com a ISA (Modelo ISA-95). ISA International Society of Automation (http://www.isa.org) MESA Manufacturing Enterprise Solution Association (http://www.mesa.org)
O MODELO P2E DA MESA A MESA tem trabalhado desde 2004 numa visão de modelo de integração chamado P2E (Plant-to-Enterprise). O P2E tenta realçar a integração e a necessidade de colaboração entre os vários níveis e atividades da empresa, englobando aspectos também tecnológicos e outros processos não envolvidos no modelo original ISA-95, como os de gestão total e global de qualidade, e de Supply Chain, por exemplo. A intenção essencial do modelo é não apenas ter um sistema MES de informações, mas que este também sirva para ajudar na introdução e implantação de sistemas de produção enxuta, na gestão da introdução de novos produtos, entre outras ações cada vez mais comuns nas empresas. Ou seja, que ajude na execução das estratégias da empresa. ISA International Society of Automation (http://www.isa.org) MESA Manufacturing Enterprise Solution Association (http://www.mesa.org)
O MODELO P2E DA MESA
O MODELO P2E DA MESA
Do ponto de vista físico, a arquitetura de um sistema MES é conceitualmente igual à dos PIMS: ARQUITETURA - Um servidor principal: é o processo / computador que centraliza as informações e o acesso às fontes de dados, assim como que fornece as informações às demais aplicações-cliente do Nível 4; - Alguns servidores de comunicação: atuam como intermediários entre o servidor principal e os vários subsistemas do Nível 2; - Estações-cliente: atuando sobre o servidor principal, representam o ponto de acesso dos usuários ao sistema e suas funcionalidades; - Um Banco de Dados: repositório das informações coletadas; - Infraestrutura de rede e de automação: conjunto de softwares básico, middlewares e protocolos industriais de suporte à comunicação entre os vários sistemas dos Níveis envolvidos.
ARQUITETURA
VANTAGENS DOS SISTEMAS MES Identificação de desperdícios (excesso de produção, tempos de espera, inventário desnecessário, defeitos). Redução dos tempos de produção. Redução dos custos de mão de obra e treinamento. Apoio à produção enxuta. Apoio à melhoria contínua. Melhora a confiabilidade do produto final (melhor qualidade). Aumenta a visibilidade das atividades do chão de fábrica, assim como dos custos do processo de manufatura.
Segundo um estudo da MESA, de 1997, as empresas que implantaram sistemas MES obtiveram os seguintes benefícios médios: 60% das empresas reduziram o tempo de ciclo em pelo menos 40%; 60% diminuíram ou eliminaram o tempo / tarefa de registro manual de dados; 57% reduziram o WIP em pelo menos 25%; BENEFÍCIOS DOS SISTEMAS MES 63% diminuíram ou eliminaram o uso de papel nas comunicações; 63% reduziram o lead time em pelo menos 30%; 63% diminuíram os defeitos nos produtos em pelo menos 15%; 63% diminuíram os erros causados por falhas de comunicação / escrita) em 57%.
Sistemas MES versus Sistemas PIMS Usuários Finais / Decisões corporativo-estratégicas Sistemas de Planejamento Usuários Finais / Análise de Desempenho operacional Sistemas MES Sistemas PIMS Banco de Dados Chão-de-fábrica
MODERNA VISÃO GLOBAL DE INTEGRAÇÃO: MODELO 3 CAMADAS Camada Apresentação Camada Lógica de Processo Nível 4 Sistemas ERP, MRP, MRP-II, CRM,... Camada Dados Bancos de Dados Usuários Finais Nível 3 Sistemas MES, PIMS,... Bancos de Dados Nível 2 Sistemas SCADA, SDCD,... Nível 1 CLPs, Redes (Fieldbus), Controladores PID,... Bancos de Dados Bancos de Dados Portal Web / Xnet Nível 0 Chão-de-Fábrica Redes & middlewares Front-Ends nativos ou Web-based Front-ends não necessariamente contemplados na integração, pois as informações associadas já seriam acessadas via PIMS / MES
QUADRO BÁSICO COMPARATIVO PIMS MES Tipo Produção contínua discreta Tipo de Dados contínuos discretos Banco de Dados alto desempenho convencional dados históricos dados diários muito robusto robusto tempo real não tempo real Infraestrutura de Rede muito robusta robusta Escopo Funcional focado mais amplo Complexidade do Sistema mais alta alta
COMENTÁRIOS FINAIS Sistemas PIMS e MES tem vindo a ser adotados de forma crescente pelas (grandes) empresas. As suas complexidades e custos de integração têm, ainda, praticamente inviabilizado sua adoção por PMEs; É comum se confundir os objetivos dos PIMS e MES entre si; Sistemas tipo ERP não são projetados para se comunicar diretamente com o chão-de-fábrica; Dadas as várias fontes de dados, distribuídas e/ou heterogêneas, comuns de existirem no chão-de-fábrica, há diversos problemas de interoperabilidade por resolver. O padrão OPC minimiza este problema; A implantação é demorada, variando de 6 meses a 1 ano;...
COMENTÁRIOS FINAIS (Cont.) São sistemas fortemente customizáveis, principalmente no que toca à concepção dos relatórios que devem ser gerados; Muitas empresas não têm todos os seus sistemas providos de coletores automáticos de dados, fazendo com sejam seus colaboradores a introduzem seus apontamentos manualmente; Exigem uma robusta infraestrutura de rede e de automação; A literatura não mostra como muito usual ter um sistema PIMS e um MES implantados numa mesma empresa. Ou é um MES ou um PIMS (e eventualmente estendido com algumas funcionalidades mais típicas de MES); Como qualquer sistema, seu sucesso depende, entre outros, da qualidade de treinamento das pessoas para os usarem e tirarem proveito de todo o seu potencial.
FIM