MODELO ESTRUCTURAL DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO

La estructura de un Sistema Automatizado puede clasificarse en dos partes claramente diferenciadas: por un lado lo que denominaremos Parte Operativa, formada por un conjunto de dispositivos, máquinas o subprocesos, diseñados para la realización de determinadas funciones de fabricación; de forma específica pueden tratarse de máquinas herramienta para la realización de operaciones de mecanizado más o menos sofisticadas o bien de subprocesos dedicados a tareas tales como destilación, fundición etc. Por otro lado tenemos la Parte de Control o Mando, que, independientemente de su implementación tecnológica electrónica, neumática, hidráulica etc., es el dispositivo encargado de realizar la coordinación de las distintas operaciones encaminadas a mantener a la Parte Operativa bajo control. 

El sometimiento de la Parte Operativa se logra mediante el mantenimiento continuo de un intercambio de información entre la primera y la Parte de Control o mando. Dicho intercambio se establece a través de los captadores binarios, transductores analógicos y digitales y los dispositivos de preaccionamiento. A partir de los dos primeros se recoge información de los valores de las magnitudes físicas a controlar, así como de sus cambios de estado, enviando dicha información a la Parte de Control para su tratamiento. Tras el tratamiento de la información se envían acciones de mando a través de los preaccionadores. Los preaccionadores son dispositivos que permiten el control de grandes potencias mediante las señales de pequeña potencia que son emitidas por la Parte de Control.

En suma, la automatización de un proceso industrial, (máquina, conjunto o equipo industrial) consiste en la incorporación al mismo de un conjunto de elementos y dispositivos tecnológicos que aseguren su control y buen comportamiento. 

Uno de los objetivos deseables es que el automatismo sea capaz de reaccionar frente a las situaciones previstas de antemano y también que, frente a imponderables, tenga como objetivo situar al proceso y a los recursos humanos que lo asisten en la situación más favorable. 

En el periodo histórico más reciente los objetivos de la automatización han sido el procurar reducción de costes de fabricación, una calidad constante en los medios de producción y liberar al ser humano de las tareas tediosas, peligrosas o insalubres. 

Sin embargo, desde los años 60, debido a la alta competitividad empresarial y a la internacionalización creciente de los mercados, estos objetivos han sido ampliamente incrementados. 

Como consecuencia de un entorno competitivo, cualquier empresa se ve sometida a la necesidad de acometer grandes y rápidos procesos de cambio en búsqueda de su adecuación a las demandas de mercado, neutralización de los avances de su competencia o simplemente como maniobra de cambio de estrategia al verse acortado el ciclo de vida de alguno de sus productos. 

Ello obliga a mantener medios de producción adecuados que posean una gran flexibilidad y puedan modificar oportunamente la estrategia de producción. 

La aparición de la microelectrónica y el computador ha tenido como consecuencia el que sean posibles mayores niveles de integración entre el sistema productivo y los centros de decisión y política empresarial, permitiendo que la producción pueda ser contemplada como un flujo de material a través del Sistema Productivo que interacciona con todas las áreas de la empresa.

Parte operativa: Sistemas de Fabricación

En esta sección discutimos algunos conceptos asociados con la fabricación, es decir, con la Parte Operativa. Estos son aplicables a los sistemas de fabricación discreta y continua.

La fabricación es un proceso de transformación mediante el cual el material en bruto, el trabajo, la energía, y el equipamiento se reúnen para producir mercaderías de alta calidad. 

Obviamente, las mercaderías producidas deben tener un valor económico mayor que el de los componentes utilizados y deben ser vendibles en un entorno competitivo. El proceso de transformación generalmente conlleva una sucesión de pasos llamados operaciones de producción. Cada operación de producción es un proceso de cambio de entradas en salidas mediante la aportación de un valor añadido. 

Esparcidas entre las operaciones que añaden valor están las que no añaden ningún valor, tales como el transporte, el almacenamiento e inspección. En general es necesario minimizar, si no eliminar, las operaciones que no añaden valor.

Modelo de Entrada-Salida 

Un sistema de fabricación puede ser representado por el modelo de entrada-salida mostrado en la Figura 1.3. En éste, las entradas están constituidas por material, trabajo, energía, y tecnología. El material en bruto se convierte en el producto final de calidad. Son diversas las operaciones de trabajo desarrolladas por los denominados trabajadores de cuello-azul y de cuello-blanco necesarias para el diseño del producto, para operar sobre el equipo, para la carga y descarga de las piezas, la inspección etc. La tendencia reciente es automatizar la mayoría de estas funciones y elevar el papel del operador humano al de monitor y supervisor.

La tecnología de la fabricación representa la sofisticación y flexibilidad del equipamiento, y el objetivo de la integración del flujo de material y la información en el sistema. Un sistema de fabricación puede ser manual o totalmente automatizado, altamente dedicado o totalmente flexible, un conjunto de máquinas-herramienta aisladas o un sistema de producción totalmente integrado. Es el nivel de tecnología lo que determina si un sistema es un sistema de fabricación en serie, un taller de trabajo (Job Shop), un sistema de producción por lotes, o un sistema totalmente flexible de fabricación. La tecnología también determina si las economías son del tipo de escala o del tipo de alcance. La fabricación en serie de una estrecha gama de productos conduce a economías de escala mientras que un bajo volumen de producción de una variedad amplia de productos se asocia a economías de alcance. 

El proceso de fabricación produce tres rendimientos: la pieza completa, con una calidad de producto que debe satisfacer las especificaciones de ingeniería requeridas; chatarra y desperdicios. La chatarra es inevitable debido a las operaciones de mecanizado del metal. El desperdicio es de dos tipos: el primer tipo de desperdicios es representado por las herramientas gastadas, el producto rechazado durante la inspección, etc.; y el segundo tipo de desperdicio es generado por el uso de los recursos del sistema en operaciones que no agregan valor. Por supuesto, chatarras y desperdicios son salidas del modelo indeseables y que deben minimizarse. 

Hay dos aportaciones más al sistema de fabricación que son importantes para su funcionamiento. El primero es el conjunto de decisiones que se realizan en los diversos niveles de la jerarquía (de largo alcance, medio alcance, y corto alcance) con respecto a productos fabricados, equipos comprados, esquemas y disposiciones de planta, secuenciación y programación de piezas, carga de piezas, etc. Estas decisiones son muy importantes y la meta principal del planteamiento es presentar herramientas actuales para evaluar por medios analíticos las diversas decisiones. El segundo tipo de entradas son las perturbaciones; en éstas se incluyen las acciones de los gobiernos, fluctuaciones de mercado, la competitividad, las averías del equipamiento y los problemas laborales.

Las decisiones en el mundo de la fabricación

La toma de decisiones en un ambiente de fabricación puede ser muy compleja a causa de las alternativas disponibles y la naturaleza seria e incierta del resultado de las decisiones. Hay tres niveles de decisión en un sistema de fabricación: estratégico, táctico, y operacional. Las decisiones estratégicas son a largo plazo (típicamente años) y determinadas por la competitividad y supervivencia de la firma. En éstas se incluyen la introducción de nueva tecnología, mezclas y cambios de piezas (destinando un nuevo tipo de pieza para la producción), la expansión y modificación de sistema (agregando un nuevo centro de máquinas o cambiando el esquema del sistema de manipulación de material), etc. Las de segundo nivel, o las decisiones tácticas, tienen un horizonte de semanas/días. En estas se incluyen la división del objetivo total de producción en lotes, tomar en cuenta la disponibilidad de los materiales en bruto, herramientas, y fechas vencidas. Aquí las cuestiones que se plantean son: (i) cuántos lotes y (ii) cuántas piezas en cada lote. El objetivo es aumentar al máximo la utilización de las máquinas, al tiempo que se obtiene un balance de la carga de trabajo sobre el sistema, para que todas las máquinas terminen su trabajo para cada lote casi simultáneamente. El nivel operacional o tercer nivel de las decisiones se ocupa del control cotidiano de las operaciones de fabricación. En éstas se incluyen:

(i) Qué tipo de piezas introducir en el sistema 

(ii) Cuántas piezas deben coexistir en el sistema simultáneamente 

(iii) Qué pieza debería cargarse en la máquina a continuación 

(iv) Cuántas herramientas de cada tipo 

(v) Cómo reaccionar a la rotura de la herramienta 

(vi) Reprogramación en el caso de fallos de las máquinas o del sistema de manejo de material.

La gestión efectiva de la fabricación conlleva la dirección simultánea de los tres niveles de decisión. Los fallos en su realización reducirán la eficacia de gestión, conduciendo a costos más altos y reduciendo la competitividad. 

El propósito definitivo de la fabricación es centrar los recursos de la organización, capacidades, y energías hacia la consecución de ventajas sostenidas sobre sus competidores. Tal ventaja puede derivarse de costos inferiores, de una mayor calidad de producto, de productos más innovadores, o de un servicio superior.

Tipos de Plantas de Producción

La fabricación es un término muy amplio e incluye muchos tipos de productos y operaciones de producción claramente diferentes. Puede suponer muchas formas tecnológicas y orgánicas. Sin embargo, es posible reconocer fundamentalmente las cuatro configuraciones siguientes teniendo en cuenta el número de productos y volumen: 

• Procesos de flujo continuo, 
• Job Shops 
• Producción por lotes, y 
• Líneas dedicadas de producción

Procesos de flujo continuo

En éstos se desarrolla una producción dedicada continua de grandes cantidades de producto. Aquí los tipos de producto son pocos y los volúmenes son altos. El proceso de fabricación mantiene un flujo continuo de materiales en bruto mediante una serie de operaciones secuenciales. Estas operaciones transforman los materiales en bruto en un producto final. Entre los ejemplos típicos de los procesos de flujo continuo se incluyen plantas químicas, refinerías de petróleo, plástico, planchas y acero, e industrias textiles. 

Mientras que la continuidad completa es rara, suele ser más frecuente un sistema de tipo pipeline donde cada sección de la planta procesa una cierta cantidad de materiales y la pasa a la próxima sección. Para aumentar al máximo el rendimiento total se utilizan técnicas de control realimentado de sección o de planta. La disponibilidad de sensores inteligentes, de tecnología basada en el computador relativamente barata, y un control por computador sofisticado ha tenido como consecuencia fábricas totalmente automatizadas que funcionan virtualmente sin intervención humana.

Job Shop

El trabajo en los Job Shop viene caracterizado por unos volúmenes de producción bajos a medios y una amplia gama de productos. Es muy común en industrias mecánicas de ingeniería. Este tipo de fabricación se usa generalmente para pedidos específicos de cliente en el que existe una gran variedad de trabajo a realizar en la planta. Por lo tanto, el equipo de producción debe ser de propósito general y flexible para hacer posible esta variedad de trabajo, y los trabajadores deben ser de gran capacitación para desempeñar la gama de cometidos de trabajo. Los ejemplos típicos de fabricación que se incluyen son los vehículos espaciales, aeronaves, proyectiles, máquinas herramienta, y prototipos de futuros productos. 

Los Job Shops generalmente son poco eficientes y tienen grandes tiempos de preparación, grandes inventarios de trabajo en curso, y costos altos. Las razones que lo provocan son: 

• Una orden para un componente o submontaje comúnmente involucra operaciones en varias máquinas-herramienta diferentes y con movimientos de una sola pieza. El movimiento de material generalmente es realizado por trabajadores de cuello azul que tienen en consecuencia costos altos y grandes demoras. 
• El equipo y herramientas en un Job Shop son de propósito general y puede establecerse para casi cualquier pieza, pero el tiempo para la estructuración de un trabajo particular sobre una máquina herramienta de propósito general puede requerir horas o incluso días. 
• Estos productos tienen unos desarrollos y tiempos de producción muy grandes, a causa de la fuerte componente de trabajo de ingeniería, tiempo de diseño y grandes tiempos de preparación para la adquisición de materiales y componentes especiales. También tienen un costo alto a causa del gran contenido de diseño e ingeniería por pedido, que es la fuerza de trabajo más cualificada y mejor pagada, y consiguientemente de menor curva de aprendizaje de productividad.

La producción por lotes

En esta categoría se plantea la fabricación de lotes de tamaño medio del mismo artículo o producto. Los lotes suelen ser producidos una sola vez o deben producirse a intervalos regulares. Los tamaños de lotes y la frecuencia de producción de un artículo único se fijan con las políticas de control de inventario adoptadas en marketing.

Aquí nuevamente el equipo de fabricación es de propósito general, pero diseñado para promedios de producción más altos. Las plantas de producción por lotes incluyen los talleres de mecanizado, fundiciones, fábricas de moldeado plástico, y talleres de trabajos de prensa. Entre los artículos realizados en talleres de fabricación por lotes se encuentran muebles, libros, y aparatos domésticos. Se ha estimado que como mucho el 75% de toda la fabricación por lotes está hecha en tamaños de lote de 50 piezas o menos. En la actualidad la fabricación por lotes y la producción Job Shop constituye una parte importante de la actividad total de fabricación.

Líneas Dedicadas de alto volumen de producción 

Esta es una fabricación especializada continua de productos idénticos. Las líneas de producción de alto volumen son caracterizadas por una tasa de producción muy alta y de estrecho alcance. El equipo se dedica a la fabricación de un tipo de producto único tal como automóvil, bombillas, aparatos, etc. La planta entera se diseña y opera para la fabricación de un tipo único de producto.

Para los sistemas e instalaciones especializadas de monoproducto se requiere una inversión fija muy alta, tales como líneas fijas de transporte, transportadores dedicados, almacenes, etc. Cada pieza del equipo se perfecciona desde el punto de vista del costo y el tiempo para la operación que desempeña y el movimiento del material se automatiza.

Los cuatro tipos de las configuraciones de planta pueden ser distinguidas por la variedad del producto y el volumen de la producción. Esta se muestra en la Fig.1.5. Hay algunos solapamientos en la clasificación, como indica la figura.

Tipos de disposiciones en planta 

El concepto de disposición de planta viene referido al tipo de reordenamiento de los dispositivos físicos e instalaciones de producción en planta. Probablemente la mejor disposición en planta para un sistema de producción en masa o de flujo continuo no sea adecuada para un sistema tipo Job Shop. Básicamente existen cuatro tipos de disposiciones en planta asociados con los sistemas tradicionales de producción. Estos son: 

• Disposición de Posición Fija 
• Disposición de Proceso 
• Disposición de flujo de producto 
• Disposición por tecnología de grupo 

Disposición de posición fija 

En esta disposición (Fig. 1.6a), el concepto de “posición fija”, viene referido al producto. A causa de su peso y tamaño, el producto permanece en un sitio concreto y el equipamiento para su fabricación se lleva a ese punto. Ejemplos de este tipo de disposición son la construcción de buques y la industria aeronaval, aerospacial etc. 

Otra disposición similar a la anterior es la de disposición de proyecto. Esta se utiliza en la construcción de edificios, puentes y pantanos. Al igual que el tipo de disposición fija, el tipo de producto es muy grande y el equipamiento debe ser desplazado hasta el punto donde se ubica éste. Sin embargo, al contrario que el de disposición fija, cuando el proyecto finaliza el equipamiento también es retirado de dicho punto. 

Disposición de proceso 

En esta configuración (Fig. 1.6b), las máquinas de producción se ordenan en grupos de acuerdo con el tipo general de proceso de manufacturación. En ésta, los tornos están en un departamento, las máquinas taladradoras están en otro, el moldeo por inyección de plásticos en otro diferente, etc. La ventaja de esta disposición radica en la flexibilidad. Diferentes piezas, con necesidades de mecanizado distintas, pueden ser encaminadas a los diferentes departamentos de manera apropiada mediante carretillas elevadoras o manuales. Esta disposición es típica de los Talleres de Trabajo (Job Shops) y de la fabricación por lotes.

Disposición de flujo de producto 

Esta disposición (Fig. 1.6c) es conveniente para la fabricación especializada de un monoproducto, o de grandes volúmenes de un único producto. En este tipo de fabricación conviene organizar la reordenación de las instalaciones lo más eficientemente posible. Para productos de ensamblaje complejo o artículos con una larga secuencia de pequeñas operaciones, ésta es la disposición más conveniente. En este tipo de disposición, las instalaciones de procesamiento y montaje se sitúan a lo largo de la línea de flujo del producto. El trabajo en curso se traslada mediante cintas transportadoras o medios similares desde una estación de trabajo a la otra. En este tipo de disposición, la ordenación de las instalaciones es relativamente inflexible y únicamente se modifica cuando las cantidades a producir justifican las inversiones dedicadas.

Disposición por tecnología de grupo 

Este intenta combinar la eficacia de la disposición de flujo con la flexibilidad de la disposición de proceso. En esta filosofía se trata de identificar y agrupar familias de piezas con determinada similitud en la fabricación y el diseño. En una planta capaz de producir 10.000 piezas diferentes, puede ser posible agruparlas en grupos de 50 familias con las similitudes anteriormente referidas, de tal forma que el procesamiento de cada miembro de una misma familia puede ser similar, resultando una mayor eficacia en la fabricación. Esta eficacia puede obtenerse mediante la organización del equipamiento en grupos de máquinas o células que faciliten el flujo de trabajo. En el diseño del producto existen también ventajas en la clasificación y en la codificación de las piezas.