XXX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Maturidade e desafios da Engenharia de Produção: competitividade das empresas, condições de trabalho, meio ambiente. São Carlos, SP, Brasil, 12 a15 de outubro de 2010. MODELAGEM E SOLUÇÃO DE PROBLEMAS DE PLANEJAMENTO DE PROCESSO E PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO EMPREGANDO UM SISTEMA DE PLANEJAMENTO E PROGRAMAÇÃO AVANÇADOS Rodolfo Florence Teixeira Junior (Unesp) rodolfo@feb.unesp.br Este trabalho tem por objetivo apresentar a forma de se modelar e solucionar, empregando um sistema de planejamento e programação avançados (APS - Advanced Planning and Scheduling), um problema integrado de elaboração do planejamento de proocesso e programação da produção. Para isto, será tomado por base um caso real de uma indústria de moldes que apresenta roteiros complexos de produção, permitindo várias rotas alternativas para se fabricar cada tipo de produto. Em ambientes deste tipo, a programação da produção deve ser realizada de forma integrada com o planejamento do processo produtivo, entretanto, isto não é uma tarefa trivial, devido à complexidae combinatória deste tipo de problema, exigindo o emprego de sistemas computacionais que auxiliem a elaboração, de forma integrada, de planejamentos de processo e programações da produção, também tratados como sistemas CAPP (Computer-Aided Process Planning). Sistemas APS, são indicados nestas situações pois empregam métodos matemáticos de otimização que permitem lidar com a complexidade combinatória deste tipo de problema, considerando as características e restrições reais de produção. Desta forma, este trabalho apresenta, à luz de um caso real, a modelagem e solução, tomando por base um sistema APS nacional, de um problema de elaboração integrada do planejamento de processo e programação da produção. Os resultados obtidos confirmam a aplicação de sistemas APS para este tipo de problemas, permitindo integrar o planejamento do processo e a programação para o caso estudado. Palavras-chaves: Planejamento de processo e programação da produção, Sistemas de planejamento e programação avançados (APS), Computer-Aided Process Planning (CAPP).
1. Introdução Na economia de escala em que vivemos, a capacidade de resposta rápida está se tornando a base para a competitividade entre as empresas indústriais. Manufatura sempre foi o fator básico para o crescimento das nações, e o que tem levado muitas delas a se destacarem no mercado global. Um sistema de manufatura eficaz, em harmonia com o restante da empresa, tem grande impacto no seu poder de competitividade no mercado. Isto representa um fator importante para o sucesso na introdução de novos produtos ou crescimento de produtos já inseridos no mercado (MEHRABI et al, 2002). Atualmente, com a grande variedade de exigências dos clientes e a necessidade das empresas em atendê-las como forma de sobrevivência, as empresas precisam estar preparadas para ser o mais flexível possível, atendendo situações de produção em grande escala ou um pequeno número de produto customizado. E para isso, as empresas projetam e desenvolvem sistemas de manufatura que atendam requisitos específicos com diversas técnicas aplicáveis e várias alternativas de processos. Houtzeel (2006) reforça essa afirmação ao observar que a maioria das indústrias que mais se destacaram no mundo desenvolveu continuamente o arranjo e o processo produtivo, em vez de investir no desenvolvimento de um novo processo a cada percepção na mudança de comportamento do mercado. Esse sucesso só é possível com um sistema que possibilita o rearranjo e atividades de produção o mais eficientes possível. A interface eficaz entre a engenharia de processo, manufatura, desenvolvimento de ferramentas e área de produção é exigida desde a concepção do produto para que a empresa seja competitiva no mercado global (HOUTZEEL, 2006). Como atualmente o mercado exige grande variedade para o mesmo tipo de produto, com preços competitivos e alta qualidade, investimentos em mudança de layouts e de processos produtivos são amortizados em pequenas proporções, ou seja, o retorno do valor investimento é mais difícil que em situações de produção em massa, já que o número de lotes para um mesmo produto é menor. Acrescenta-se nisso, a necessidade que as empresas têm de reduzir seus lead times. A nova situação exige novos e mais complicados requisitos da processos para a empresa de manufatura. Agora, o caminho para manter-se competitiva no mercado é através da criação de ambiente de produção o mais flexível possível. Isto significa rever os conceitos de engenharia de produção e maquinários, para tornar a empresa mais eficaz, ainda que isto acarrete maior complexidade de processo. Assim, a aliança da manufatura com a tecnologia surgiu como forma de encontrar o caminho para tornar a empresa flexível e de rápido atendimento ao cliente. Rápidos progressos foram feitos na área de sistema de informações, desenvolvimento de softwares de controle de produção, avanços no sistema de comunicação (hardware/ software) e inserção na tecnologia computacional em diversos campos (MEHRABI et al., 2002). Com a tecnologia e administração da produção eficiente, é possível desenvolver diversos sistemas de produção, com trocas rápidas de ferramentas e a produção de pequenos lotes e grande variedade, integrando os diversos setores que envolvem a manufatura e realizar simulações de produção, que visa analisar a melhor programação de produção, conforme necessidade e prioridade dos clientes. Assim, destacamos a importância de utilizar-se da automação, não só da área de produção, mas também nas áreas de planejamento e controle de produção, como forma de buscar a 2
melhor solução para produzir com flexibilidade e rapidez como exigido pelo mercado. Desta forma, as empresas têm buscado continuamente o emprego de ferramentas para apoiar a modelagem e otimização do planejamento do processo e da programação da produção. Dentre as alternativas possíveis, os sistemas de planejamento e programação avançados (APS - Advanced Planning and Scheduling) têm apresentado soluções para estes ambientes sofisticados de produção, respondendo com eficácia às necessidades de planejamento e programação destas indústrias. Este trabalho tem por objetivo apresentar a forma na qual um caso real de um ambiente complexo de produção, pode ser modelado em um sistema APS, visando realizar a elaboração integrada do planejamento de processo e programação da produção. Para isto, será empregado um sistema APS nacional, visando fornecer alternativas viáveis na área para o parque industrial nacional. 2. Elaboração integrada do planejamento de processo e programação da produção A solução para os problemas presentes em diversas empresas, quanto ao atendimento eficiente das ordens de produção, em vários casos não é a realização de investimentos em aquisição de recursos para a produção. Em tempos de foco em redução de custos, buscando produzir mais e melhor com menos recursos, a análise cuidadosa da organização do ambiente produtivo e do sistema de administração da produção é primordial. Somente após considerar os objetivos e a situação em que se encontra, é que a empresa pode investir em recursos de suporte e, em situações de necessidade, em equipamentos para melhorar as condições de produção para tornar-se eficiente no futuro (HOUTZEEL, 2006). O novo cenário do mercado mundial, cada vez mais competitivo, com clientes mais exigentes e revoluções tecnológicas sem precedentes, pressiona as empresas nos seguintes aspectos (CERRI, 2004): Concorrência por negócios em nível global: com a Internet e os blocos econômicos, as empresas vêm superando barreiras de idiomas, culturas e moedas diferentes; Necessidade de operação em tempo real: aqueles que obtêm primeiro as informações, são os que possuem maiores chances de manterem no mercado; Avalanche de informações: atualmente, o acesso à informação é mais fácil, o que torna mais difícil o gerenciamento de informações pertinentes ao negócio; Necessidade de informações com qualidade: as informações devem ser precisas, completas, confiáveis, relevantes, acessíveis e seguras; Constantes inovações tecnológicas: a necessidade de produção de produtos e serviços com eficiência obriga as empresas a buscarem por novas tecnologias, gerando a rápida obsolescência dos produtos, ciclos de vida mais curtos e maior nível de qualidade; e, Responsabilidade social: a preocupação quanto ao trabalhador aumenta a medida que estes aspectos se tornam mais evidente. As empresas, em contrapartida, reagem da seguinte forma (CERRI, 2004): Foco no cliente: a crescente concorrente intensificada faz com que as empresas desprendam maior atenção a seus clientes e suas necessidades; Esforços contínuos de melhoria: as empresas têm buscado melhorar a produtividade e a qualidade com uso de ferramentas como o Gerenciamento da Qualidade Total (TQM Total Quality Management) e Just-in-time; 3
Reengenharia de processos de negócio: pode introduzir uma nova estrutura de execução de processos, reduzindo, por exemplo, o tempo de desenvolvimento e início de produção de um produto; Alianças entre empresas: benéficos até entre empresas concorrentes, por compartilhar recursos e parcerias com fornecedores e clientes; e, Comércio eletrônico: benéfico nessa era de tecnologia de informação. Houtzeel (2006) considera que atualmente nenhum produto pode ser vendido e produzido eficientemente sem uma equipe de engenharia e apoio eficiente por trás. Não é o suficiente manter equipe responsável, mas desenvolver sistemas que ajudem esses profissionais a desenvolverem facilmente soluções para os problemas apresentados e a trocar informações entre eles. O autor afirma também que, na maioria das empresas, a engenharia de desenvolvimento de produto está fisicamente e intelectualmente separada da engenharia de produção, mantendo pouco ou nenhum contato com a preocupação da eficiência na manufatura desses produtos, deixando essa preocupação para os engenheiros de produção. Visando atender a estas necessidades, os profissionais da engenharia de produção precisam recorrer a diversas metodologias de gestão da produção, utilizando-se da tecnologia para otimização da capacidade de produção, seja por equipamentos ou por ferramentas computacionais para desenvolver melhor a programação da produção, com menores desperdícios de tempo e de material, maximizando os lucros e a atuação no mercado. (HOUTZEEL, 2006). Para atender às necessidades de integração do planejamento de processos e da programação da produção, é necessário o emprego de sofisticadas ferramentas computacionais que permitam desenvolver um conjunto de instruções de trabalho para que as linhas de fabricação e montagem possam criar as peças ou produtos. É necessário ainda que estes sistemas permitam restaurar ou modificar planos de processo existentes, ou criar um plano de processo usando um conjunto de instruções padronizadas, permitindo também que o processista comunique com uma variedade de outros recursos de dados para completar o conjunto de instruções de trabalho. Estes sistemas são tratados como sistemas CAPP (Computer-Aided Process Planning), e devem considerar os aspectos relacionados com a administração de alterações de engenharia e manufatura, integração com outros sistemas, como o de controle de ferramentas, o de planejamento de necessidades de materiais (MRP Material Requirement Planning), inclusão de gráficos, imagens, fotos e vídeos para ilustrar os processos de fabricação e programação da produção considerando os melhores processos para a fabricação do produto considerando o menor custo de fabricação e as características do ambiente produtivo (HOUTZEEL, 2006). Os resultados de um plano de processos e programação da produção obtido pelos sistemas CAPP, segundo Rao e Jasthi (2001), são: Determinação ou seleção dos equipamentos necessários para fabricação da peça; Determinação da ordem ou seqüência de operações necessárias para a fabricação da peça, bem como os roteiros, desenhos e detalhamentos; Especificação das tolerâncias de produção e os parâmetros para as várias operações escolhidas; Providencia de diversos documentos necessários pela área de produção. Visando atender as necessidades de recursos de software para compor os sistemas CAPP, os sistemas de planejamento e programação avançados (APS) fornecem várias ferramentas que 4
atendem diversos requisitos dos sistemas CAPP, permitindo empregar este tipo de sistema como base para sua estruturação. Como cita Lee et al. (2002), os sistemas APS incluem uma grande capacidade de programação da produção considerando capacidade finita dos recursos e permitem integrar a elaboração do planejamento e programação, empregando sofisticados métodos de otimização para contornar a dificuldade combinatória deste tipo de problemas. Os sistemas APS surgiram para que as empresas pudessem otimizar a produção com redução de custos, aumento das margens do produto, menor inventário e o aumento de produção realizada, possibilitando decidir quando produzir cada ordem, em qual seqüência e em quais processos. Os sistemas APS também possuem recursos para auxiliar no projeto e desenvolvimento dos processos de produção, auxiliando na gestão das informações dos processos e da documentação dos mesmos. Por meio de sofisticadas interfaces gráficas, é possível que o engenheiro de produção crie, mantenha e altere processos, permitindo ainda avaliar a performance e os custos dos processos criados, por meio de ferramentas de otimização e simulação. Os sistemas APS consideram de forma integrada o planejamento do processo e a programação da produção, permitindo realizar melhores programações da produção, buscando otimizar o uso dos recursos e os custos de produção (TEIXEIRA JR., 2009a, 2009b, 2009c). 3. Modelagem do processo de produção empregando um sistema APS Para ilustrar a forma de modelagem de um processo de produção e a posterior integração entre o planejamento do processo e a programação da produção, foi tomado como base o estudo realizado por Gan e Lee (2002). Neste trabalho, os autores estudaram uma indústria de moldes, considerando para o estudo a fabricação de 25 produtos (Jobs) sendo que, cada produto possui roteiros e tempos de fabricação diferentes, além de poder contar com vários recursos alternativos de produção. Gan e Lee (2002) definem que uma manufatura típica de moldes requer uma operação manual de fresagem, seguida de um desbaste em CNC, esmerilhamento, fios de corte e usinagem. Nem todas essas operações precisam ser completadas em seqüência. Cada operação pode ser efetuada por um número de máquinas paralelas. A Figura 1 esquematiza o plano de processo para uma típica manufatura de moldes. As setas mostram as condições precedentes como, por exemplo, o esmerilhamento só poderá ser iniciado quando o desbaste no CNC tiver terminado. Múltiplas setas mostram que a operação de acabamento pode ser seguida tanto pelo operação de fios de corte como pela usinagem. Fonte: Gan e Lee (2002) Figura 1 Plano de processo de um molde para injeção. A fábrica de moldes que foi baseada para a confecção deste trabalho é uma fábrica simplificada que conta com 3 departamentos (A, B e C), totalizando 10 máquinas (M1 a 5
M10), e produz 25 tipos de moldes (jobs), sendo que um deles (Job 21) é parte componente de outro (Job 20). As possíveis rotas de produção da fábrica de moldes, assim como os tempos de execução, os deadlines (di), as prioridades de cada produto (pi) e as operações/trabalhos precedentes podem ser verificados na Tabela 1. Trabalho (Job) p i d i Operação Departamento A Departamento B Departamento C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 5 17 1 3 3 2 5 14 1 7 7 7 7 3 6 32 1 6 6 6 6 2 4 3 5 5 5 1,2 4 6 26 1 7 7 7 7 5 5 38 1 8 8 8 2 5 5 5 6 5 47 1 8 8 2 12 12 12 1 3 5 5 5 2 7 5 33 1 4 4 4 4 2 3 3 3 3 4 4 4 1,2 8 6 36 1 12 12 12 12 2 8 8 3 4 4 1,2 9 5 34 1 5 5 5 5 2 4 4 3 10 4 43 1 4 4 4 4 2 9 9 9 3 6 6 11 4 21 1 8 8 8 12 9 35 1 5 5 5 2 4 4 4 1 13 5 23 1 6 6 14 7 41 1 8 8 2 7 7 7 3 12 12 12 1,2 15 6 47 1 3 3 3 3 2 9 9 8 3 7 7 7 1,2 16 5 42 1 10 10 10 2 9 9 9 1 17 5 45 1 8 8 2 7 3 4 4 1,2 18 5 41 1 5 5 5 5 2 6 6 3 9 9 1,2 19 5 21 1 6 6 6 20 6 37 1 12 12 12 12 2 4 4 4 3 7 7 21 1,2 21 6 15 1 6 6 6 6 22 9 12 1 8 8 23 10 15 1 5 5 5 5 24 6 30 1 5 5 5 5 2 6 6 3 4 4 4 1,2 25 7 14 1 5 5 Fonte: Gan e Lee (2002) Tabela 1: Roteiros e tempos de fabricação dos 25 produtos estudados Trabalho (Job) Precedente Operação Precedente Este trabalho empregou para a elaboração da programação da produção do estudo de caso considerado um sistema APS que atende todas as características para a modelagem de processo para o tipo de ambiente estudado, possibilitando a integração entre o planejamento de processo e a programação da produção. A escolha do sistema empregado neste trabalho tomou por base a necessidade de atender a todos os requisitos de flexibilidade do ambiente de produção considerado e também de ser de aplicação prática em indústrias, visando extrapolar os resultados obtidos neste estudo para indústrias reais. Era desejável ainda que o sistema fosse nacional e acessível ao parque industrial do país, além de permitir fácil manuseio e interatividade. O sistema que atendeu a todas estas necessidades foi o sistema de planejamento e programação avançado Plannion APSX disponível em PLANNION (2009). 6
No primeiro momento foram realizados todos os cadastrados, como o cadastro dos produtos e dos recursos de produção, como mostrado na Figura 2. \\ Figura 2 Tela de cadastro dos produtos e cadastro dos recursos de produção Depois do término do cadastro das informações básicas, foi modelado o processo de produção dos produtos cadastrados. O sistema APS considerado permite modelar graficamente o processo de produção dos produtos, permitindo lidar com as características especificas de uma ambiente de produção, como, por exemplo, rotas alternativas de produção, tempos de preparo dependentes e emprego de vários recursos por operação de produção, dentre outras. Na Figura 3 é possível visualizar o processo de produção do produto 1, como modelado na ferramenta APS empregada, de acordo com a informação de seu processo produtivo disponível na Tabela 1. A seta pontilhada entre as operações informa para o sistema que as operações M5 e M6 são alternativas. Figura 3 Modelagem do processso de produção do produto 1 Na Figura 4 é possível visualizar o processo de produção do produto 2, como disponível na Tabela 1. Perceba que foi empregado uma conexão do tipo Ou Sucessor para informar que as operações M1, M2, M3 e M4 são alternativas entre si. Quando se emprega uma conexão Ou Sucessor todas as operações que são sucessoras ao Ou Suc. serão alternativas entre si. As relações entre as operações sucessoras e antecessoras são definidas pelas setas, como é mostrado na Figura 4. 7
Figura 4 Modelagem do processso de produção do produto 2 Já o produto 3, como pode ser visto na Tabela 1, possui um processo de produção mais complexo, com níveis de precedência entre as operações. Para isto, usa-se as setas cheias que representam a precedência, em conjunto com conexões do tipo Ou que informam as operações alternativas. Neste caso, foi empregado uma conexão do tipo Ou Bidirecional, este tipo de conexão informa que todas as operações que possuem a conexão Ou Bid. Tanto como antecessora ou como sucessora, serão alternativas entre si, ou seja, as operações M1, M2, M3 e M4 serão alternativas entre si, assim como as operações M8, M9 e M10 que também serão alternativas entre si. Este processo ficou modelado na ferramenta APS empregada de acordo com a Figura 5. Figura 5 Modelagem do processso de produção do produto 3 O mesmo raciocínio foi seguido para os outros produtos. No produto 10, não existe precedência entre as operações, de forma que as três podem ser realizadas em paralelo, desta forma não existe conexão entre estas operações ao informá-las no sistema APS, existindo apenas as conexões do tipo Ou para informar as operações alternativas, como pode ser visualizado na Figura 6. 8
Figura 6 Modelagem do processso de produção do produto 10 Já o produto 20 emprega o produto 21 em sua estrutura, necessitando que antes seja fabricado o produto 21. Para atender a este requisito o processo de produção ficou como na fugura 7. Figura 7 Modelagem do processso de produção do produto 20 O processo de produção para os outros produtos foi construído seguindo o raciocínio dos produtos apresentados anteriormente, de forma que todos os produtos foram possíveis de modelagem na ferramenta APS estudada. Uma vez modelado os processos de produção no sistema APS, foram cadastradas uma ordem de produção para cada produto, como pode ser visto na Figura 8. A data de entrega foi definida de acordo com o campo di de cada Job de acordo com a Tabela 1, assim como o nível de prioridade foi tomado de acordo com a informação pi da mesma tabela. 9
Figura 8 Cadastro da ordem de produção para o produto 1 Uma vez cadastradas as ordens de produção para cada produto, de acordo com a Tabela 1, o sistema APS estudado permite elaborar a programação da produção de forma integrada com o planejamento do processo, ou seja, a escolha de quais, das rotas alternativas de produção, disponíveis no processo de produção de cada produto, é realizado ao mesmo tempo em que se elabora a programação da produção. Para isto, o sistema APS estudado emprega uma ferramenta de otimização que permite lidar com a complexidade combinatória do problema tratado, permitindo a elaboração de programações da produção que otimize o uso dos recursos e atenda da melhor forma e com menor custos as restrições do ambiente de produção. Na figura 9 é possível analisar a programação da produção gerada pelo sistema APS quando se emprega um tempo limite de 1 minuto para cálculo, empregando como objetivo de otimização minimizar o atraso na entrega de todas as ordens. Figura 9 Gráfico de Gantt da programação da produção elaborada para os 25 produtos cadastrados A Figura 9 mostra uma programação da produção viável de aplicação na prática do ambiente produtivo considerado. Esta programação foi elaborada empregando a ferramenta de otimização do sistema APS estudado considerando um tempo limite para cálculo de 1 minuto. É de se esperar que o emprego de tempos de cálculo maiores poderão gerar soluções com performance superiores. O software APS empregado possui também ferramentas que permitem avaliar a performance da solução gerada e realizar comparações e simulações de cenários. O tempo que fornecerá a melhor relação entre performance da solução e tempo computacional deverá ser analisada na realidade do ambiente de produção considerado e deverá levar em conta as necessidade e variabilidade do ambiente e o objetivo desejado de performance. 10
6. Conclusões Este trabalho apresentou uma solução viável para realizar, de forma integrada, o planejamento do processo e a programação da produção, em ambientes com processos complexos de produção, empregando um sistema de planejamento e programação avançados (APS). Para isto, tomou-se por base um estudo de caso de uma industria de moldes que trabalha com um processo de produção do tipo job-shop com várias possibilidades de operações alternativas. Com base no ambiente considerado, empregou-se um sistema APS nacional, que permitiu que todas as características e restrições do ambiente produtivo fossem consideradas, disponibilizando ferramentas gráficas para auxiliar na modelagem dos processos de produção dos produtos tratados no estudo de caso. O sistema APS considerado permitiu elaborar, de forma integrada, o planejamento do processo e a programação da produção para o estudo de caso tratado, definindo quais rotas alternativas escolher para otimizar os objetivos definidos para a programação. Com isto, pode-se concluir que o sistema APS estudado é uma alternativa viável para elaborar o planejamento do processo e a programação da produção para o ambiente industrial analisado e poderá também apresentar soluções satisfatórias para outros ambientes complexos de produção que necessitam tratar o planejamento do processo e a programação da produção de forma integrada. Referências CERRI, M. L. Enterprise Resource Planning: um estudo sobre estratégias de implantação. Dissertação de mestrado apresentada na USP, São Carlos, SP, 2006. GAN, P. Y. & LEE, K. S., Scheduling of Flexible-Sequenced Process Plans in a Mould Manufacturing Shop. In: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2002) 20:214-222. HOUTZEEL, A., Factory Operations: Planning and Instructional Methods. Second Edition. Editora LLC, 2006. LEE, Y. H.; JEONG, C. S. & MOON, C. Advanced Planning and scheduling with outsourcing in manufacturing supply chain. In: Computers & Industrial Engineering 43 (2002) 351-374. MEHRABI, M. G.; ULSOY, A. G. & KOREN, Y. Manufacturing Systems and their design principles. In: Mechanical systems design handbook: modeling, measurement and control. LLC, 2002. PLANNION APSX, Guia de início rápido. Disponível em: <www.plannion.com.br>, 2009. RAO, P. N. & JASTHI, S. R. K. Computer-Aided Process Planning (CAPP) in Manufacturing Systems and their implemention. In: Computer-Aided design, Engineering, and Manufacturing: Systems Techniques and applications. Volume III, LLC, 2001. TEIXEIRA JR, R. F. An example of advanced planning and scheduling system (APS) implementation and operationalization. In: POMS 20th Annual Conference, 2009. Orlando. Anais. p. 1-21, 2009a. TEIXEIRA JR, R. F. Análise das principais funcionalidades de um sistema nacional de planejamento e programação avançados. Revista INGEPRO Inovação, Gestão e Produção, v. 1, n. 2, 2009b. TEIXEIRA JR, R. F. Analysis of the main functionalities of an advanced planning and scheduling system (APS) geared towards small companies. In: POMS 20th Annual Conference, 2009. Orlando. Anais. p. 1-20, 2009c. 11