Diseño y análisis de sistemas productivos E-Book

Jose M. Framiñán Torres

• Herausgeber: Marcombo
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2023

Seitenzahl: 853

Beschreibung

El diseño de un sistema productivo es una de las decisiones más importantes y complejas en la organización industrial y en la gestión de operaciones, tanto en términos de los elevados costes y potenciales beneficios que involucra, como de la elevada incertidumbre respecto a los datos que se manejan a la hora de tomar la decisión. Este libro aborda de forma integral las principales cuestiones relativas al diseño y al análisis de los procesos productivos. Los principios que gobiernan el flujo de materiales e información en los procesos productivos son presentados de forma sistemática y rigurosa, así como el análisis de los efectos de las averías, los problemas de calidad, las paradas programadas o el empleo de lotes de fabricación y el transporte en las medidas de desempeño de estos sistemas. Asimismo, en el libro se estudia el diseño eficiente de las distintas configuraciones de los sistemas productivos empleados habitualmente en las empresas de fabricación: líneas de flujo, talleres, sistemas de fabricación flexible o la fabricación celular. Sin duda, si quiere convertirse en todo un experto en el diseño y el análisis de sistemas productivos, este libro será su gran aliado.

Leseprobe

Esta obra ha recibido una ayuda a la edición del Ministerio de Cultura y Deporte del Gobierno de España, por el Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia, Financiado por la Unión Europea (NextGenerationEU)

Diseño y análisis de sistemas productivos

Primera edición, 2023

© 2023 Jose M. Framiñán Torres

© 2023 MARCOMBO, S. L.www.marcombo.com

Cubierta: ENEDENÚ DISEÑO GRÁFICOCorrectora: Mónica MuñozDirectora de producción: M.ª Rosa Castillo

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ISBN del libro en papel: 978-84-267-3581-2ISBN del libro electrónico: 978-84-267-3629-1Producción del ePub: booqlab

Índice general

I  INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS PRODUCTIVOS

1  Introducción

1.1 Procesos y sistemas productivos

1.2 Problemas de decisión

1.3 El problema de diseño de procesos

1.4 Diseño, análisis y mejora

1.5 Metodología para el diseño de los procesos

1.6 Resumen

1.7 Lecturas adicionales

2  Caracterización de los sistemas productivos

2.1 Elementos físicos de un proceso productivo

2.2 Máquinas y herramientas

2.3 Sistemas de manejo de materiales

2.4 Personas

2.5 Automatización de los sistemas productivos

2.6 Lecturas adicionales

2.7 Problemas

II  ANÁLISIS DE SISTEMAS PRODUCTIVOS

3  Sistemas productivos: modelización y principios generales

3.1 Elementos de los modelos de un sistema

3.2 Análisis de un sistema productivo

3.3 Análisis externo del sistema: balance de tasas medias

3.4 Análisis interno: estabilidad y congestión

3.5 Ley de Little

3.6 Resumen

3.7 Lecturas adicionales

3.8 Problemas

4  Análisis de una estación productiva

4.1 Procesos con inventario ilimitado

4.2 Procesos con inventario limitados: bloqueos

4.3 Procesos con varias máquinas en la estación

4.4 Modificaciones del tiempo de servicio

4.5 Estaciones con mecanismos de autorización de la producción

4.6 Resumen

4.7 Lecturas adicionales

4.8 Problemas

5  Análisis de varias etapas. Ecuaciones generales de análisis

5.1 Tipos de transporte entre estaciones

5.2 Transporte en serie

5.3 Conexión de tipo split

5.4 Conexión de tipo join

5.5 Metodología general

5.6 Ecuaciones de balance de flujo

5.7 Ecuaciones de balance de variabilidad

5.8 Obtención de las variables agregadas

5.9 Sistemas con flujos complejos

5.10 Resumen

5.11 Lecturas adicionales

5.12 Problemas

6  Producción en lotes. Modelado y análisis

6.1 Fases en las operaciones con lotes

6.2 Tiempo de formación del lote

6.3 Tiempo de espera de los lotes en la estación

6.4 Tiempo de desagregación del lote

6.5 Tiempo entre salidas

6.6 Algunos casos paradigmáticos

6.7 Resumen

6.8 Lecturas adicionales

6.9 Problemas

III  DISEÑO DE SISTEMAS PRODUCTIVOS

7  Introducción al diseño de procesos productivos

7.1 Contexto de la producción

7.2 Estrategia de producción

7.3 Medidas de rendimiento

7.4 Reglas y patrones

7.5 Tipos de sistemas productivos

7.6 Resumen

7.7 Lecturas adicionales

7.8 Problemas

8  Talleres de fabricación

8.1 Introducción

8.2 Características y tipología

8.3 Problemas de diseño en los talleres de fabricación

8.4 Análisis de flujos del taller: modelo básico

8.5 Identificación de cuellos de botella/Análisis de la capacidad

8.6 Optimización del mix de producto

8.7 Estimación de variables de interés a nivel de taller

8.8 Disposición de las estaciones en el taller

8.9 Talleres con recirculación distintiva

8.10 Talleres con operaciones de transporte no instantáneo

8.11 Conclusiones y reglas para el diseño

8.12 Lecturas adicionales

8.13 Problemas

9  Líneas de fabricación

9.1 Introducción

9.2 Características y tipología

9.3 Problemas de diseño en líneas de producción

9.4 Equilibrado de tareas en la línea

9.5 Evaluación del rendimiento: líneas síncronas

9.6 Rendimiento: líneas asíncronas

9.7 Linealización del flujo

9.8 Conclusiones y reglas para el diseño

9.9 Lecturas adicionales

9.10 Problemas

10 Células de fabricación/tecnología de grupos

10.1 Características y tipología

10.2 Diseño de sistemas de fabricación celular

10.3 Formación de células

10.4 Diseño de las células

10.5 Diseño de células en U

10.6 Coordinación del flujo entre células

10.7Seru

10.8 Conclusiones y reglas para el diseño

10.9 Lecturas adicionales

10.10 Problemas

11 Sistemas de fabricación flexible

11.1 Características y tipología

11.2 Diseño de FMS

11.3 Evaluación del sistema

11.4 Selección de los trabajos

11.5 Determinación de los equipos y del sistema de manejo de materiales

11.6 Selección del almacenaje

11.7 Distribución en planta

11.8 Conclusiones y reglas para el diseño

11.9 Lecturas adicionales

11.10 Problemas

IV  ANEXOS Y MATERIAL COMPLEMENTARIO

A  Conceptos de Matemáticas, Probabilidad y Programación Lineal

A.1 Series

A.2 Teoría de la probabilidad

A.3 Programación Lineal

B  ShopAnalyzer

B.1 Formatos: características generales

B.2 Proceso general (taller)

B.3 Sistemas de fabricación flexible (FMS)

B.4 Salida y análisis de los datos

Bibliografía

Prefacio

Factories are not like aerospace systems: When aerospace systems fail, people die; when factories fail, people loose jobs or money.

— Stan Gershwin

Este libro está dedicado a los sistemas productivos, los cuales posibilitan la fabricación de bienes industriales y de consumo y que constituyen una pieza fundamental para asegurar la competitividad de las empresas industriales. Conseguir un buen funcionamiento de estos sistemas dista de ser una tarea trivial ya que, además de su importancia y de los elevados costes que involucran, concurren en ellos una serie de características (complejidad, variación en el tiempo, incertidumbre, etc.) que hacen especialmente complicado predecir su comportamiento y, por lo tanto, elegir un diseño adecuado.

Aunque los sistemas productivos tienen una gran relevancia como objeto de trabajo de los ingenieros de la rama industrial, presentan un aspecto profundamente diferencial frente a otros sujetos de diseño industrial. Mientras que no es concebible que un ingeniero construya un puente mediante prueba y error u opere una planta de generación de electricidad mediante el sentido común o improvisando cada vez que aparece un problema, no es infrecuente encontrarse sistemas productivos en los que la prueba y error, la costumbre, el sentido común o la improvisación son las herramientas principales que se emplean para su diseño y operación. Además, el área está plagada de técnicas y metodologías (conjunto de reglas o de pasos para mejorar los procesos) que, aunque se basan en casos de éxito en algunas empresas, están lejos de constituir una teoría en el sentido de que se constituyan principios o reglas de funcionamiento de carácter universal. La mayor parte de estas metodologías y técnicas están bien fundamentadas y pueden constituir herramientas valiosas para mejorar los procesos productivos, pero la creencia de que puedan usarse como una teoría (general y de aplicación en todos los casos) podría ser una de las causas de las altísimas tasas de fallo de los proyectos de implantación de estas, ya que a veces se intentan emplear para resolver un problema que no se tiene, o sin tener en cuenta si se cumplen las condiciones de contorno que permitan aplicarlas.

Este libro aborda el diseño de los sistemas productivos desde la construcción de una teoría de estos sistemas, basada fundamentalmente en herramientas cuantitativas que permiten el análisis genérico de su funcionamiento. Posteriormente se discute el diseño y mejora de estos sistemas desde el punto de vista de establecer unas reglas generales de diseño, así como de los distintos indicadores y objetivos de funcionamiento del sistema productivo, de forma que las técnicas y metodologías de mejora son discutidas dentro del contexto de distintas acciones de mejora de los indicadores de funcionamiento que se pueden considerar. Finalmente, se describe la problemática de diseño de los tipos de sistemas productivos más frecuentes.

Estructura y organización del libro

El libro está organizado en las siguientes partes:

■ Parte I, dedicada a la introducción de los conceptos básicos de los sistemas productivos. En esta parte se definen los conceptos básicos que se emplearán en el libro (sistemas y procesos productivos) y sus elementos físicos, así como los principales problemas de decisión relativos a estos sistemas.

■Parte II, dedicada al análisis de los sistemas productivos, inicialmente como sistemas de una sola etapa y culminando con la formulación de las ecuaciones de balance de tasas y de variabilidad, que permiten analizar sistemas productivos complejos sin limitaciones de inventarios.

■ Parte III, dedicada a discutir en profundidad las tipologías de sistemas productivos más empleadas (talleres, líneas de fabricación, células y sistemas de fabricación flexible), su selección y el proceso de diseño de dichas tipologías.

■ Parte IV, dedicada al proceso de mejora y rediseño de los sistemas productivos, presentando las principales técnicas y metodologías que se emplean en la mejora de procesos.

El ámbito de los sistemas productivos es extenso y abarca aspectos tecnológicos, aspectos matemáticos y cuantitativos, y aspectos organizativos y de dirección de operaciones. Aunque todos ellos son necesarios para una comprensión profunda del diseño y análisis de estos sistemas, se han estructurado los contenidos de forma que sea posible hacer énfasis en alguno de estos aspectos (y ver otros de una forma muy superficial) sin que se resienta la lectura del libro. Así, los aspectos matemáticos son habitualmente presentados como fórmulas de las que se discuten sus implicaciones, pero que se demuestran en Notas técnicas aparte. Aunque dichas notas proporcionan las bases y fundamentos de las fórmulas, no son estrictamente necesarias para comprender el resto del libro. Más aún, salvo que se quiera profundizar en estos aspectos técnicos, puede ser más recomendable seguir un enfoque más basado en intuiciones y reglas que puedan inferirse de estas fórmulas. De esta manera, se pretende que el libro pueda servir tanto para aquellos lectores interesados en los aspectos puramente organizativos de los sistemas productivos (típicamente personas que desean recibir una formación en dirección de operaciones) como para aquellos que quieran profundizar en los aspectos relacionados con la organización industrial de los sistemas productivos (ingenieros industriales/de organización industrial).

Ejercicios y problemas

Cada capítulo del libro (con excepción del primero) incluye un conjunto de problemas que permiten comprobar el dominio que se ha adquirido sobre los conceptos vistos en el capítulo, así como respecto a los capítulos anteriores. En este sentido, cada problema pertenece a una o varias de las siguientes categorías:

■A: Los problemas con esta etiqueta están dirigidos a afianzar los conceptos vistos en el capítulo. Se trata, por lo general, de problemas cuya solución es más o menos directa y que son similares a los ejemplos vistos en el capítulo.

■P: Los problemas con esta etiqueta están dirigidos a profundizar en los conceptos vistos en el capítulo. Su resolución no es, en la mayor parte de casos, inmediata, sino que requiere una reflexión y comprensión profunda de los conceptos vistos.

■C: Los problemas con esta etiqueta están dirigidos a consolidar no solo los conceptos vistos en el capítulo, sino los vistos en capítulos anteriores, de manera que sirven para relacionar las distintas partes de la materia.

Cuando un problema pertenece a varias categorías, lo es porque algunos apartados encajan en una categoría mientras que otros pertenecerían a otra. En esos casos, es sencillo discernir cuál de los apartados pertenece a cada categoría.

Parte I

INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS PRODUCTIVOS

Capítulo 1

Introducción

En este capítulo se presentan los principales conceptos relevantes en el análisis y diseño de sistemas productivos, desde los propios conceptos de sistemas y procesos productivos y sus características básicas hasta la identificación de los principales problemas de decisión y metodologías que adoptar para su resolución.

1.1. Procesos y sistemas productivos

El objeto de este libro son los sistemas productivos, por lo que convendrá dedicarle algún espacio a discutir qué son. En primer lugar, la noción de sistema es una abstracción que nos permite separar un conjunto de elementos (el sistema) que va a ser objeto de estudio del resto de elementos con los que interactúa (fuera del sistema) y, por tanto, facilitar su análisis. Dependiendo de la naturaleza de los elementos que forman el sistema y/o de su propósito, se pueden distinguir distintos tipos de sistemas, como sistemas mecánicos, sistemas eléctricos, etc. 1El tipo de sistema que nos interesa aquí (sistema productivo) puede considerarse un sistema de alto nivel que a su vez está compuesto por otros sistemas o subsistemas (por ejemplo, mecánicos, químicos, etc.) y personas, cuyo objetivo es la generación de un producto a partir de algún tipo de entrada o materias primas. La transformación de entradas en salidas mediante una serie de tareas es precisamente lo que la norma ANSI/EIA 632-1998 define como proceso (que nosotros denominaremos proceso productivo para delimitar mejor el concepto). De forma análoga, la norma ISO 9000:2000 define un proceso productivo como un conjunto de actividades interrelacionadas que transforma entradas en salidas.

Figura 1.1: Elementos de un sistema productivo

Así, un sistema productivo se puede definir de forma genérica como una colección de materiales, equipo, información, energía, personas, dinero y conocimiento (entre otras entradas) que lleva a cabo un proceso. Dentro de un sistema productivo es habitual distinguir entre las instalaciones productivas y el soporte a la producción (véase figura 1.1):

■ Instalaciones productivas o elementos físicos del sistema productivo: representan la parte física del proceso productivo, y se refiere a la fábrica y los equipos dentro de la fábrica.

■ Soporte a la producción o elementos procedimentales del sistema productivo: hace referencia a los procedimientos que se llevan a cabo en la fábrica para producir los productos.

Las personas o elemento humano de los sistemas productivos pueden tener distintos roles, ya que su función principal puede ser el manejo de las instalaciones (operarios), o bien pueden desempeñar tareas de soporte a la producción (organización o dirección de las operaciones).

Ejemplo 1.1

Aunque son simples, para fijar algunos de los conceptos vistos anteriormente, consideremos un proceso (más o menos) productivo simple que consistiría en una pequeña copistería en la que un solo encargado realiza fotocopias en una única fotocopiadora. Algunos de los pedidos que les llegan consisten en pocas copias y deben ser realizados sobre la marcha, mientras que algunos encargos (impresión de copias de trabajos de fin de grado, por ejemplo) no pueden hacerse en el acto y el encargado debe darle al cliente una fecha para recogerlo.

En este sistema, la fotocopiadora formaría parte de las instalaciones productivas, junto con el espacio físico en el que se halla la copistería y las estanterías en las que se almacena papel en blanco y encargos pendientes de ser recogidos. El procedimiento que se ha descrito anteriormente (trabajos que se realizan en el acto y trabajos que son recogidos en una fecha dada por el encargado) forma parte de los procedimientos para llevar a cabo la producción. Nótese que este procedimiento podría ser distinto aunque emplee las mismas instalaciones, y podría llevar a un sistema productivo distinto: por ejemplo, si solo se realizasen pedidos por encargo, o estos pedidos no se realizasen.

Finalmente, el encargado está desempeñando un doble papel en este sistema productivo, tanto como operario (encargado de manejar la fotocopiadora) como responsable de la organización de la producción: cuando le llega un encargo de cliente, aunque sea de forma mental, lleva una cuenta de la carga de trabajo pendiente, calcula la carga de trabajo que conlleva el trabajo actual y, en función de esto, determina cuándo estará listo el encargo. Lógicamente, al ser la única persona en el sistema, hace otras funciones (cobro de los encargos, por ejemplo) que, aunque son fundamentales para el funcionamiento de la copistería, no son estrictamente parte del sistema productivo.

En este libro nos centraremos en ambos aspectos, aunque omitiremos en la medida de lo posible tecnologías de fabricación específicas, de forma que podamos abstraer los sistemas y obtener conclusiones que sean independientes de la tecnología concreta que se emplee para fabricar un producto. Esto es posible porque, aunque los procesos productivos pueden ser de muy distinta naturaleza (como se ha visto en los ejemplos anteriores), todos ellos comparten una serie de características bien definidas:

■Estocasticidad. En la mayor parte de casos, no es posible conocer a priori el comportamiento del proceso, ya que la mayor parte de los procesos productivos está sujetos a errores humanos, fallos en el funcionamiento de las máquinas, incertidumbre en la llegada de los aprovisionamientos, defectos de calidad, etc., y todos estos aspectos claramente condicionan las salidas que se pueden obtener. Además, como veremos, incluso en los (pocos) casos en los que podríamos asumir un comportamiento cercano al determinista (procesos altamente automatizados sin incidencias habituales en la fabricación o en el suministro), el hecho de que coexista la fabricación de distintos productos con diferentes requerimientos de producción hace que el comportamiento de estos procesos sea, de forma agregada, estocástico.

■Comportamiento dinámico. El comportamiento de un sistema productivo cambia a lo largo del tiempo: a corto plazo, la demanda de productos o la llegada de materias primas puede variar, mientras que a medio plazo se producen cambios en los recursos productivos (máquinas, operarios) que cambian el comportamiento del sistema. Finalmente, a largo plazo, se introducen nuevos productos o nuevas tecnologías para obtener los mismos productos que hacen variar el comportamiento del sistema.

■Complejidad. Habitualmente, un proceso se compone de múltiples subprocesos interdependientes. Como veremos más adelante, la mayor parte de los productos son fabricados a lo largo de distintas etapas en las que maquinaria y personal especializado actúan sobre el producto. Así, por ejemplo, solamente en el ensamblado de un automóvil se pueden distinguir centenares de etapas individuales. Este es un hecho distintivo de los procesos productivos que busca una mayor productividad y que es conocido desde los trabajos de Adam Smith en el siglo XVIII. No obstante, esta descomposición del proceso productivo requiere una coordinación entre los flujos de materiales y de información entre las etapas del proceso productivo que complica el análisis de los procesos.

■Naturaleza discreta. Las unidades de producto son tratadas en números enteros de unidades. Esta es una característica de casi todos los procesos productivos excepto algunos relacionados con la industria química. No obstante, incluso en la fabricación de este tipo de productos, en algunas etapas se procede a su discretización (embotellamiento de bebidas, empaquetado de detergentes ...). En general, los sistemas discretos son más difíciles de modelar y optimizar que los sistemas continuos.

Es claro que, de acuerdo con la definición anterior, los procesos tienen lugar tanto en la industria como en los servicios, ya que muchos servicios proporcionados por organizaciones públicas o privadas pueden encajarse en la definición de proceso vista anteriormente. De hecho, buena parte de las técnicas que se desarrollarán en este libro pueden ser aplicadas a procesos de provisión de servicios.

1.2. Problemas de decisión

En los procesos productivos existen distintos tipos de decisiones, que habitualmente se agrupan dependiendo del horizonte temporal de estas decisiones (el tiempo durante el cual no debería volverse a tener que plantear el problema de decisión, al menos en condiciones normales) y el impacto que tienen sobre el funcionamiento del proceso. Así, se pueden distinguir los distintos tipos de decisiones:

■Diseño del proceso. El diseño del proceso se refiere a, dado un conjunto de objetivos de producción (como, por ejemplo, satisfacer cierta demanda de un conjunto de productos dentro de unos ciertos tiempos de entrega al cliente y con un presupuesto determinado), encontrar una buena combinación de los recursos que se requieren en el proceso (máquinas, personas, etc.) para conseguirlos. En general, el resultado del diseño tiene un gran impacto en el sistema, debido a que se trata de una decisión a largo plazo dado que los costes para la implementación del diseño son muy elevados (en el apartado 1.3 discutiremos estos costes con más detalle). Una característica del diseño del proceso es que las decisiones deben tomarse con una cantidad de información muy limitada y poco precisa. En algunos casos, puede tratarse de un proceso productivo para un nuevo producto del que solo existe una información muy preliminar respecto a cuestiones tan importantes como el tiempo requerido en las operaciones para fabricarlo, la demanda que se va a tener, la calidad y regularidad de los suministros, el rendimiento estimado de los operarios, etc. Incluso en los casos en los que se trata de un producto ya fabricado con anterioridad en los que estas variables son conocidas, hay otra serie de datos que van a sufrir una variación tanto a corto plazo (demanda y suministros, por ejemplo) como a largo plazo (cambios en la tecnología o en las variantes de producto que se están fabricando), por lo que no tiene mucho sentido emplear enfoques que sean muy dependientes de la calidad y cantidad de los datos requeridos. Por tanto, en general, el diseño del proceso estará guiado por buenas prácticas (guidelines) y reglas de diseño que permitan estrechar rápidamente la búsqueda de soluciones.

■Operación del proceso. Opuesto al diseño, la operación (o gestión) del proceso productivo tiene que ver con una serie de problemas de decisión en los que, habitualmente, el producto que fabricar y el proceso para fabricarlo no pueden ser modificados. Normalmente, estas decisiones tienen que ver con la optimización de las salidas del proceso (medidas en términos de satisfacción del cliente, calidad del producto, tiempos de fabricación, costes de fabricación e inventarios intermedios, etc.) sin violar las restricciones tecnológicas y organizativas que ha impuesto el diseño de los productos y el diseño del proceso productivo. Habitualmente, la información disponible durante la operación del proceso productivo (tiempos de proceso, demanda de los productos, estado de los inventarios de materias primas, etc.) es mucho más precisa y voluminosa, por lo que suele ser factible el uso de técnicas de optimización matemática.

Aunque conceptualmente diferentes, la distinción entre diseño y operación de los procesos productivos no siempre es clara, sobre todo en el contexto de máquinas multipropósito y de trabajadores polivalentes, donde los costes de cambios en el proceso disminuyen notablemente y, por lo tanto, el horizonte temporal del diseño puede solaparse con el de operación del proceso. Esta idea es lo que paradigmas como la fabricación reconfigurable intentan aprovechar.

1.3. El problema de diseño de procesos

En general, definiremos el problema de diseño de un proceso productivo como un problema de decisión consistente en determinar el conjunto de recursos (máquinas, personas, almacenes, etc.) necesario para conseguir unos objetivos productivos (satisfacer una demanda determinada, no exceder determinados tiempos de entrega, minimizar costes, etc.) partiendo de unos recursos existentes, y con la posibilidad de emplear (con un coste) recursos adicionales. Es habitual que en el diseño del sistema productivo no se tenga total libertad en lo que respecta al uso de recursos productivos, ya que existan en la fábrica recursos disponibles que se puedan/deban usar. La figura 1.2 visualiza este problema de decisión.

Los costes involucrados en el proceso de diseño son muy elevados, ya que, en general, comportan la adquisición de máquinas y sistemas de manejo de materiales, y mano de obra. La figura 1.3 muestra de forma indicativa el rango de costes de diversos equipos y sistemas de manejo de materiales. Por otro lado, los costes salariales en el sector industrial superan los 23 euros/hora en España (Eurostat, datos de 2016), mientras que en la Unión Europea superan los 30 euros/hora.

Figura 1.2: Problema de diseño de un proceso productivo

Figura 1.3: Rango de costes de distintos equipos y sistemas

Figura 1.4: Esquema general del proceso de diseño y mejora de procesos productivos

1.4. Diseño, análisis y mejora

El diseño de un proceso productivo no genera, en la mayor parte de casos, un resultado estático que no se modifique en el tiempo. Para empezar, como en cualquier otro diseño, el resultado de la fase de diseño del proceso genera unos planos de diseño, es decir, un reflejo en papel (o en ordenador) de lo que debería ser dicho proceso. No obstante, para que esos planos se traduzcan en un proceso productivo efectivamente capaz de generar productos, es preciso llevar a cabo la implementación del diseño, es decir, la adquisición de la maquinaria requerida, y la contratación y organización de los recursos humanos. La implementación de este diseño resulta en un proceso en fase de operación, donde se fabrican los productos y es posible recoger medir los valores de una serie de indicadores de rendimiento del proceso. En la medida en que dichos indicadores de rendimiento del proceso arrojen valores que estén por debajo de las expectativas, o bien puedan mejorarse, es posible llevar a cabo acciones de mejora de procesos. Estas acciones de mejora generarán nuevos planos o rediseños que deberán implementarse, para posteriormente medir los indicadores de rendimiento resultante para poder volver a mejorar los procesos de forma iterativa en lo que se conoce como ciclo de mejora del proceso.

Tanto el diseño como la mejora de un proceso productivo no son implementaciones reales del proceso, sino que se asume que el proceso diseñado o rediseñado se comportará en la realidad de una determinada manera. Para predecir este comportamiento del sistema productivo, tanto el diseño como la mejora usan el análisis de procesos, de forma que, partiendo de un modelo de proceso, se estima el comportamiento de este modelo. La figura 1.4 resume la relación entre los principales conceptos expuestos en este apartado.

Figura 1.5: Etapas en el proceso de diseño de los procesos productivos

1.5. Metodología para el diseño de los procesos

Tal como se ha visto, el diseño de los procesos productivos trata de resolver un problema de decisión estocástico, dinámico, complejo y discreto para el que se dispone de muy poca información (en cantidad y en calidad), y cuyo resultado tiene un gran impacto en los resultados de la empresa. Así, el conjunto de soluciones que se podrían considerar para el mismo es muy elevado y es más práctico enfocar su resolución en distintas etapas:

1. En una primera etapa se intenta acotar el conjunto de soluciones de interés siguiendo reglas relativamente simples basadas en la experiencia y en criterios de diseño (reglas de diseño). Para esta fase, el conjunto de datos que se requiere es mínimo. El resultado habitual de esta etapa es una organización base de los recursos productivos o tipo de sistema productivo.

2. En una segunda etapa se analizará el funcionamiento del tipo de sistema productivo elegido. Para ello, se realizará un modelo simplificado que permita validar de forma rápida las distintas configuraciones posibles del sistema productivo elegido. Para ello se emplearán técnicas de análisis del proceso. El conjunto de datos requeridos es mayor que en la fase anterior, ya que se deben disponer al menos de los valores medios de los principales tiempos de operación del proceso, y alguna indicación sobre el grado de variabilidad de los mismos. Las técnicas de análisis permiten optimizar los indicadores de rendimiento del sistema buscado, si bien a menudo es preciso estudiar con cierta cautela estos datos, al tratarse en la mayor parte de casos de modelos en los que se han realizado ciertas simplificaciones, y en los que la formulación analítica se ha derivado a partir de resultados aproximados.

3. Finalmente, en una tercera etapa es posible llevar a cabo la simulación o testeo del proceso productivo y su configuración seleccionados en los pasos anteriores. Dicho testeo puede llevarse a cabo mediante la construcción de modelos de simulación por ordenador, o mediante la construcción de modelos físicos a escala que permitan observar el comportamiento del sistema. La cantidad de datos requeridos para el desarrollo de los modelos de simulación es muy grande y con gran nivel de detalle (por ejemplo, es preciso conocer la distribución estadística de las variables aleatorias del sistema). Esta fase puede servir para validar/refinar los resultados obtenidos en el análisis y completar el diseño del sistema productivo que se implementará. No obstante, la simulación no es aconsejable ni para la primera fase (ya que requiere gran cantidad de datos que no se conocen todavía al no haberse determinado ninguna tipología de sistema) ni para la segunda (ya que, además de la cantidad de datos anteriormente mencionada, no es posible llevar a cabo una optimización de las distintas configuraciones salvo a través de la prueba y el error).

La figura 1.5 muestra los pasos del diseño del proceso, junto con las principales características de estas etapas.

Ejemplo 1.2

A modo de ejemplo de aplicación de la metodología, consideremos el diseño de un proceso productivo determinado. Usando unos pocos datos (demanda diaria de cada tipo de producto a ser manufacturados en el proceso) podemos centrar la búsqueda de soluciones en sistemas productivos de tipo línea de flujo. Para ello, utilizaremos reglas de diseño que nos indican que, para productos relativamente homogéneos con un elevado volumen de producción, este tipo de sistema productivo es adecuado. Nótese que no hay ninguna garantía de que otros sistemas productivos puedan tener un rendimiento similar o mejor que las líneas de flujo, pero esta decisión –basada en consideraciones teóricas y experiencia práctica– nos permitirá avanzar en el proceso.

Una vez que se ha determinado el tipo de sistema productivo, el análisis desarrollado nos permitirá determinar la mejor configuración posible (o un conjunto de configuraciones deseables) para la línea de producción. Para ello, el conocimiento de una serie de resultados de análisis de procesos –en este caso sobre el funcionamiento de las líneas de producción (como, por ejemplo, la conveniencia del equilibrado de las etapas productivas, la reversibilidad, el papel que desempeña la sincronización de los procesos, etc.)–, junto con unos datos básicos de las operaciones de las que consta el proceso, serán suficientes para acotar una posible configuración de la línea de fabricación que –al menos con las hipótesis y datos de los que se dispone– sí podremos garantizar que es la mejor respecto de determinadas variables de proceso de interés. Finalmente, sobre esas premisas, puede llevarse a cabo la fase de simulación y testeo del proceso, bien empleando modelos de simulación por ordenador, o bien desarrollando y afinando el funcionamiento de una línea prototipo.

1.6. Resumen

En este capítulo se han introducido nociones básicas sobre el concepto de proceso productivo y sus características fundamentales: la estocasticidad, el comportamiento dinámico, la complejidad en término de un elevado número de elementos interconectados y su naturaleza discreta. Se han discutido los problemas de decisión de los procesos productivos, haciendo énfasis en el diseño, análisis y la mejora de los mismos. Finalmente, se ha comentado la metodología que se seguirá para abordar el proceso de diseño o rediseño de estos sistemas.

1.7. Lecturas adicionales

La mayor parte de los conceptos expuestos en el capítulo pueden encontrarse en textos introductorios sobre organización de la producción. La descomposición de un sistema productivo en instalaciones y el soporte a la producción se puede ver, por ejemplo, en [22]. Para aprender otros enfoques interesantes sobre la descomposición del problema (aunque algo diferentes a los vistos aquí), se puede leer [45]. Las características de estocasticidad, comportamiento dinámico, complejidad o carácter discreto son discutidas en numerosos textos, como [72] o en [30].

La discusión sobre la metodología para abordar el diseño de procesos es la típica en la mayor parte de textos sobre análisis de sistemas de producción como, por ejemplo, en [13]. Un concepto reciente que se emplea para resaltar las ventajas de los métodos analíticos en el estudio de los sistemas productivos es el de rapid modelling [79], cuyos orígenes y evolución se discuten por su autor en el prefacio de [78]. Las diferencias (y complementariedad) de la simulación y el análisis mediante modelos matemáticos simples a efectos de enseñanza han sido discutidas abundantemente en la bibliografía del área (ver por ejemplo el artículo de [15]).

Capítulo 2

Caracterización de los sistemas productivos

En el capítulo anterior se han definido los problemas de diseño, análisis y mejora de los procesos productivos. Puesto que, como se ha comentado, estas actividades están orientadas a obtener unos planos que correspondan a la adquisición, construcción y organización de una serie de elementos físicos, en este capítulo describiremos qué elementos físicos pueden formar un proceso productivo, así como sus principales características técnicas. La intención del capítulo no es describir en detalle las tecnologías y procesos de fabricación que pueden darse en un proceso productivo, pero sí dar una visión de los distintos elementos que intervienen en el mismo a fin de comprender sus funciones y características principales para poder modelarlos adecuadamente, lo cual constituye la base para el análisis que se llevará a cabo en los siguientes capítulos.

2.1. Elementos físicos de un proceso productivo

Con independencia del tipo de proceso productivo que se lleve a cabo, podemos identificar tres actividades físicas que se llevan a cabo para convertir una materia prima en un producto acabado:

■ Procesado y ensamblado. Las operaciones de procesado y el ensamblado alteran la geoemetría y/o propiedades del producto o productos sobre el que se aplican.

■ Manejo de material. Habitualmente, un proceso se compone de varias operaciones de procesado y ensamblado que tienen lugar en distintas zonas de la fábrica. Por ello, es preciso transportar el producto de una zona a otra. Además, puesto que en la mayor parte de los casos no existe una sincronización completa entre las operaciones, es preciso almacenar los productos semielaborados a la espera de que puedan ser procesados o ensamblados. De hecho, es habitual que en una fábrica el tiempo que transcurre desde el comienzo de procesado de la materia prima hasta su transformación en producto acabado sea bastante mayor que los tiempos de las distintas operaciones de ensamblado y procesado requeridas1, lo que en gran parte se debe a las operaciones de manejo de material.

■ Inspección y prueba. La inspección y pruebas sirven para distinguir el producto que puede seguir en el proceso (o considerado producto final) del que debe procesarse de nuevo o ser desechado al no cumplir las especificaciones requeridas para el mismo.

Las actividades anteriores son llevadas a cabo con los siguientes medios físicos: 1) Máquinas y herramientas, 2) Sistemas de manejo de materiales (Material Handling Systems o MHS) y 3) Personas. Cada uno de ellos es descrito en los siguientes apartados.

2.2. Máquinas y herramientas

En prácticamente todos los sistemas productivos modernos la mayor parte de las actividades de procesado y ensamblado son llevadas a cabo por máquinas o con la ayuda de herramientas. Un tipo particular de máquina que se emplea de forma creciente en estas actividades (además de emplearse como sistema de manejo de materiales, como se verá en el apartado 2.3) son los robots industriales, que son habituales en determinadas operaciones industriales, como puede ser la soldadura o el ensamblado y empaquetado de piezas de pequeño tamaño. En la figura 2.1 se muestra los que quizás sean los tipos de robots industriales más empleados.

Figura 2.1: Robot articulado para soldadura, robot SCARA para ensamblado y robot delta para empaquetado

Es habitual clasificar a las máquinas en función de la interacción que requieren con las personas. Así se pueden distinguir los sistemas tipos de máquinas:

■ Operadas manualmente. La función de estas máquinas habitualmente es la de proporcionar la energía necesaria para la operación, mientras que todo el control del proceso es llevado a cabo por el operario. En consecuencia, el operario debe estar presente en todo momento de la operación. En esta categoría se incluyen las máquinas herramientas tradicionales, como tornos, fresadoras, taladradoras, etc.

■ Parcialmente automatizadas. En este tipo de máquinas, parte del proceso puede ser realizado de forma autónoma, ya que la máquina dispone de un sistema de control para dicha parte del proceso. Un operario humano debe realizar la parte restante del proceso. Un ejemplo típico de este tipo de máquinas lo constituyen las máquinas CNC, como la que se describe en el ejemplo 2.1.

■ Completamente automatizadas (fully automated). Este tipo de máquinas pueden operar sin intervención humana durante ciclos completos del proceso. No obstante, podrían requerir la atención de un operario cada cierto número de operaciones (fundamentalmente para la supervisión de los sistemas de carga de materia prima o de descarga de lotes de producto acabado). La máquina de inyección de plástico que se describe en el ejemplo 2.2 entraría en esta categoría.

Ejemplo 2.1

Un ejemplo típico de máquina parcialmente automatizada es una máquina CNC que está programada para realizar el torneado de distintas piezas. Esencialmente, una máquina CNC (Computer Numerical Control) es un sistema en el que un equipo o herramienta (habitualmente una mesa de trabajo móvil y un cabezal que porta la herramienta que también suele ser móvil) cuyas acciones mecánicas son controladas mediante un programa o conjunto de instrucciones es controlado por un ordenador que almacena el programa y convierte las instrucciones del mismo en acciones mecánicas. En la figura pueden observarse otros elementos típicos en una máquina CNC, como la existencia de un almacén de herramientas (que permite cargar distintas herramientas en función de los requerimientos del programa), un panel de seguridad (que se cierra cuando la máquina entra en funcionamiento) o un andon (sistema para visualizar el estado actual de la máquina).

Los programas para realizar las operaciones de torneado de distintos tipos de piezas están almacenados en la máquina, por lo que el operario típicamente debe cargar y posicionar la pieza en la máquina, cargar el programa correspondiente al tipo de pieza que se va a procesar y lanzar el proceso. A partir de este momento, la máquina actúa de forma desatendida y, tras finalizar su proceso, el operario debe descargar la pieza de la máquina.

Como puede verse, en este sistema parte del tiempo de proceso no requiere supervisión por parte del operario, por lo que sería posible que un operario atienda a varias máquinas parcialmente automatizadas. Esta idea es explotada a fondo en las células en U que se verán en el apartado 10.5.

Ejemplo 2.2

Es habitual que las máquinas de inyección de plástico estén completamente automatizadas y realicen ciclos de todas las tareas del proceso. De forma simplificada, un ciclo (producción de una pieza) sigue las siguientes fases:

1. Cierre de molde vacío. El material se está calentando y está fundido preparado para ser inyectado en el molde.

2. Empuje del material fundido en el molde. El material fundido entra en el molde por la presión del tornillo, que avanza sin girar.

3. Entrada de material desde la tolva y calentamiento del mismo. El tornillo retrocede girando, de forma que el material que hay en la tolva (normalmente granulado) entra en la cavidad. Al mismo tiempo, el material fundido en el molde se enfría y solidifica.

4. Apertura del molde y caída de la pieza. El molde se abre y la pieza ya solidificada cae. Los gránulos que han entrado se siguen calentando y se funden. Comenzaría un nuevo ciclo.

Como puede verse, la máquina puede realizar un conjunto de piezas sin intervención humana y tampoco requiere un ordenador que lo controle, ya que todas las acciones del ciclo se pueden conseguir mediante mecanismos. No obstante, cada cierto tiempo sería preciso tanto rellenar la tolva como retirar las piezas del contenedor una vez esté lleno. Salvo que estas funciones de carga y descarga estén automatizadas (véase apartado anterior), sería necesario un operario.

2.3. Sistemas de manejo de materiales

Los sistemas de manejo de materiales llevan a cabo una o más de las siguientes operaciones básicas:

■ Carga (loading), descarga (unloading) y posicionamiento (positioning) de los trabajos en la máquina

■ Transporte de los trabajos entre máquinas

■ Almacenamiento (habitualmente temporal) de los trabajos

2.3.1. Carga, descarga y posicionamiento

Figura 2.2: Modelo 3D de portapiezas

En trabajos que requieren precisión, el posicionamiento proporciona la localización relativa del trabajo a la herramienta o máquina. Es habitual que el posicionamiento se realice con ayuda de un portapiezas que posiciona la pieza de forma precisa y evita que se mueva durante su procesado (véase figura 2.2). En ocasiones (sobre todo en el caso de piezas irregulares o de difícil manipulación), el portapiezas se une a la pieza al principio del proceso productivo y se mueven de forma conjunta, lo que facilita el posicionamiento en las distintas máquinas por las que va pasando. Este tipo de portapiezas o pallet fixture (a veces simplemente pallet o palé) suele estar diseñado de forma modular para poder ser usado para distintos tipos de piezas (véase figura 2.3).

Figura 2.3: Portapiezas modulares y móviles (palés), a la derecha con una configuración y prensas para portar a una pieza concreta

Habitualmente, en el caso de máquinas operadas manualmente o parcialmente automatizadas, las operaciones anteriores son llevadas a cabo por un operario (que puede ayudarse de alguna grúa u otra herramienta si la pieza es muy pesada). En el caso de máquinas totalmente automatizadas, estas operaciones son llevadas a cabo por un brazo robótico, alimentadores (véase figura 2.4) o por un cambiador de palés automatizado o APC (Automatic Pallet Changer), véase figura 2.5

Figura 2.4: Algunos tipos de alimentadores: 1) vibración, 2) volumétricos o tolva (hopper), 3) de bobina

2.3.2. Transporte

El transporte de las piezas puede llevarse a cabo mediante transporte directo (únicamente se mueve la pieza), o mediante transporte indirecto (donde la pieza es alojada en otro elemento y transportada de forma conjunta a este). En esta última categoría entraría tanto el transporte mediante palés visto en el apartado 2.3.1 como el transporte mediante contenedores o cajas que además pueden cumplir la misión de agrupar distintas piezas. Claramente, ni el transporte directo ni el transporte mediante contenedores en general aseguran un posicionamiento de la pieza, por lo que esta función debe ser realizada por los alimentadores vistos anteriormente o por un robot.

Figura 2.5: Cambiadores de pallets automatizados.

Aunque es posible realizar un transporte manual si las piezas que deben transportarse son pequeñas y ligeras, en la mayor parte de casos el transporte presenta (al menos) cierto grado de mecanización. Los sistemas de transporte más frecuentes son:

■Conveyors. Seguramente es el sistema más empleado y del que existen más variantes. Suelen distinguirse entre aquellos que funcionan por gravedad (no motorizados) y aquellos que disponen de una fuente de energía para mover el material (motorizados). La figura 2.6 muestra algunas de las opciones más utilizadas.

■ AGV o Automated Guided Vehicles. En este caso, el transporte se realiza con vehículos independientes que se mueven de forma autónoma y que cubren un rango elevado de peso de transporte. Se mueven, o bien usando un camino definido previamente (por ejemplo, mediante guías magnéticas embebidas en el suelo), o bien de forma libre (por ejemplo, guiados por balizas o etiquetas reflectantes para guiar al vehículo, o bien con sus propios giroscopios y sensores incorporados). Suelen moverse a baja velocidad (alrededor 1 m/s) por cuestiones de seguridad e incorporar sensores y sistemas para parar antes de una colisión.

■ Grúas. En general, este sistema es empleado para el movimiento de cargas muy pesadas, combinando movimiento horizontal y vertical.

Figura 2.6: Algunos tipos de conveyors habituales (M: Motorizado, N: No motorizado) [22]

Sistema

Tasa

Peso

Trayectoria

AGV

Medio

Medio/Alto

Fija/Variable

Conveyor

Alto

Medio/Bajo

Fija

Grúa

Bajo

Alto

Fija/Variable

Tabla 2.1: Consideraciones generales sobre los tipos de transporte

Existen numerosos factores que intervienen en la selección del sistema de transporte. No obstante, la tabla 2.1 muestra una serie de consideraciones de carácter general que pueden tenerse en cuenta en función del número de unidades que se quieren mover por unidad de tiempo (tasa), el peso de los productos y la trayectoria. Las notas técnicas 2.1 y 2.2 permiten dimensionar/analizar las características de funcionamiento de algunos de estos elementos.

Nota técnica 2.1

A la hora de dimensionar un conveyor motorizado, es preciso tener en cuenta una serie de características de funcionamiento del mismo:

■ Velocidad del conveyor v.

■ Espacio entre contenedores (o piezas) s. Si el conveyor transporta contenedores, cada contenedor puede tener varias piezas. En tal caso, s mide la distancia entre los centros de dos contenedores. Si transporta piezas, es la distancia entre los centros de las dos piezas. El espacio entre contenedores, junto con la longitud del conveyor, nos permite determinar el número de piezas (contenedores) que hay en promedio en un conveyor.

■ Tiempo de carga tL y de descarga tU: tiempo que se tarda en cargar (descargar) una pieza o contenedor.

■ Tasa de salida th o número de piezas (contenedores) que salen del conveyor por unidad de tiempo. Habitualmente este valor es un parámetro de diseño, es decir, se busca elegir el resto de características de forma que se consiga esa tasa de salida.

Los valores de las características anteriores deben cumplir dos relaciones sencillas:

■. Es decir, la tasa de salida del contenedor es precisamente la velocidad (por ejemplo, m/minuto) dividido entre la distancia entre piezas. Dicha tasa de salida nunca podrá ser mayor que la tasa de carga del contenedor .

■tU ≤ tL. El tiempo de descarga no puede ser mayor que el tiempo de carga ya que, si no, se saturaría.

Con estas sencillas reglas se puede dimensionar o analizar el funcionamiento de los conveyors motorizados, como se muestra en el ejemplo 2.3.

Nota técnica 2.2

Un caso particular de configuración para los conveyors muy empleada es un sistema (normalmente de cinta, de ruedas o de rodillos) motorizado de bucle continuo como el que se muestra en la figura. Aunque puede ser un sistema físico especialmente construido para operar en bucle, también puede ser resultado de colocar varios conveyors lineales uno a continuación del otro.

Nótese que en este caso es preciso que tanto la carga y descarga estén acompasadas. Para dimensionar o comprobar la factibilidad de un conveyor de estas características, se puede establecer la siguiente condición:

donde, al igual que en el caso descrito en la nota 2.1, v es la velocidad del conveyor, s el espacio entre contenedores o piezas y th es la tasa de salida (unidades de producto que se descargan por unidad de tiempo). Además, λ es la tasa de entrada (unidades que se cargan por unidad de tiempo). Básicamente, esta regla dice que la tasa de salida ni la de entrada pueden ser mayores que la tasa a la que circulan las unidades en el conveyor (si no se colocarían unas piezas encima de otras). Por otro lado, esa tasa de circulación no puede ser menor que la más pequeña entre las tasas de carga y de descarga ya que, en caso contrario, no daría tiempo a cargar/descargar.

Un ejemplo de la configuración anterior se ilustra en el ejemplo 2.4.

Nota técnica 2.3

El análisis de los tiempos que pueden requerir los AGV para realizar su transporte puede ser sencillo, en el caso de un AGV que se mueva de forma lineal o describiendo un bucle, a cálculos más complicados, en el caso de que existan varios vehículos que se mueven por trayectorias distintas.

En el caso de un AGV, el tiempo en una operación de transporte o tiempo de servicio normalmente se divide en las siguientes actividades, cuyos tiempos en general pueden medirse o estimarse sin demasiados problemas:

1. Carga en el vehículo en el origen

2. Tiempo de transporte hasta el destino

3. Descarga en la estación

4. Tiempo de vuelta al origen

La suma de estos tiempos se denomina ts y debe entenderse como un tiempo mínimo o ideal al no tener en cuenta otros factores como la disponibilidad del AGV A (ya que, en general, tendrá una tasa de fallos y unos tiempos de reparación como cualquier otro mecanismo) y, sobre todo en el caso de varios AGV, un tiempo añadido por la congestión de tráfico, ya que debe parar para evitar colisiones. Este aspecto se contempla mediante un factor ct que suele tomar valores en el rango 0.85 a 1. Así, en general, el tiempo de servicio efectivo (te) será:

Nótese que en el caso de grúas se puede seguir un procedimiento similar para determinar los tiempos.

2.3.3. Almacenamiento

Los sistemas de almacenamiento existentes varían desde soluciones extremadamente simples (como designar una zona en la planta para apilar los contenedores del producto en curso, o estanterías para el mismo fin) hasta sistemas automatizados de almacenamiento (AS/RS o Automated Storage/Retrieval Systems) altamente sofisticados como los que se muestran en la figura 2.7. En general, el tipo de almacenamiento elegido depende de distintas consideraciones que tienen que ver con el producto, con la fase del proceso productivo y con el tipo de sistema productivo.

Figura 2.7: Algunos tipos AS/RS: 1) de pasillo fijo o; 2) de carrusel [22]

Existen tres características fundamentales (aunque no son las únicas) de gran interés a la hora de dimensionar o seleccionar un sistema de almacenamiento:

■ Capacidad. Se mide, o bien en volumen disponible, o bien en su traducción a unidades de producto que es posible almacenar. Como se verá, esta es una característica clave, sobre todo si se trata de un almacén de producto intermedio, ya que el que alcance su capacidad lleva aparejado un fenómeno (el bloqueo) que se discutirá más adelante y que puede ser muy pernicioso para el sistema productivo.

■ Tiempo de almacenado/retirada2. Se trata del tiempo medio que tarda una de las dos secuencias de operaciones siguientes (también denominadas ciclos):

• Ciclo de almacenado (storage cycle). Comprende las operaciones que tienen lugar desde que se comienza a cargar un producto en el punto de carga del sistema hasta que puede cargar el siguiente, y normalmente incluye las siguientes acciones:

1. Carga del producto en el punto de entrada

2. Transporte hasta el punto de descarga

3. Descarga del producto en el punto de descarga

4. Transporte hasta el punto de entrada

• Ciclo de retirada (retrieval cycle). Comprende las operaciones desde que se comienza a retirar un producto del sistema hasta que se puede comenzar a retirar el siguiente, y habitualmente incluye:

1. Transporte hasta la localización del producto

2. Carga del producto en su localización

3. Transporte hasta el punto de entrada

4. Descarga del producto en el punto de entrada

Aunque estos tiempos dependen del sistema de almacenamiento concreto, es relativamente habitual que sean los mismos. En caso contrario, la tasa de salida es la inversa del tiempo mayor de los dos.

■ Tasa de salida o throughput. La tasa de salida es la inversa del tiempo de almacenado/retirado multiplicada por un factor denominado utilización del sistema. La utilización del sistema se define como la proporción de tiempo que se desea que el sistema esté en funcionamiento. Así, mientras que la inversa del tiempo de almacenado/retirado nos daría el número de producto que el sistema puede manejar por unidad de tiempo trabajando todo el tiempo, al multiplicarlo por la utilización, esa tasa se reduce.

En general, es deseable que los almacenes tengan una tasa de utilización alta (80-90 %) para amortizar su inversión, pero una utilización excesivamente alta puede hacer que en ocasiones no se pueda cumplir la tasa de salida especificada.

En algunos tipos de sistemas productivos, como por ejemplo los FMS que se verán en el capítulo 11, su selección/dimensionamiento es de gran importancia, ya que constituyen elementos relativamente baratos en relación con el coste de las máquinas involucradas, y es importante que no se conviertan en un elemento que limite la capacidad del sistema productivo. Para ello es importante llevar a cabo un análisis de su rendimiento respecto a su capacidad y a su tasa de salida. Mientras que la capacidad es habitualmente fácil de calcular, determinar la tasa de salida requiere calcular los tiempos de los ciclos de almacenado y retirada. Es claro que estos tiempos variarán en función de dónde esté localizado el producto para retirar o se quiera almacenar el producto que cargar, por lo que habrá que realizar una serie de hipótesis. Las hipótesis habituales son:

1. El producto se almacena de forma aleatoria en el sistema, por lo que cualquier posición del almacén es igualmente probable.

2. Todas las posiciones del sistema de almacenaje son del mismo tamaño.

3. La velocidad de las operaciones de transporte (tanto vertical como horizontal) es constante. En el caso de realizar transporte vertical y horizontal, el sistema concreto determinará si es posible realizar simultáneamente los dos tipos de transporte.

Con estas hipótesis generales y otras que puede ser preciso formular dependiendo del sistema, se puede calcular la tasa de salida de un almacén, como se muestra en el ejemplo 2.5.

2.4. Personas

El elemento humano es un componente esencial en los sistemas productivos, tanto en la realización de todas o algunas de las actividades del proceso (operarios) como en tareas indirectas de mantenimiento o reparación. La realización de operaciones de ensamblado o procesado por operarios responde a una o varias de las siguientes razones:

■ Complejidad de automatización de la tarea. Mientras que las tareas simples y repetitivas pueden ser fácilmente automatizadas y alcanzar un número de unidades finalizadas por unidad de tiempo3 que no sería factible con personas, ello no es viable para tareas que requieren una elevada coordinación entre la visión y la acción, así como una adaptabilidad a las características de cada unidad de producto, debiendo improvisar y buscar soluciones concretas durante el propio proceso. El ejemplo 2.6 muestra un proceso manual donde se dan estas características.

■ Ciclos de vida del producto cortos. En general, los procesos productivos puede ser implementados mucho más rápidamente (y posiblemente con menores costes) con personas que con máquinas, por lo que, si el ciclo de vida del producto que se va a procesar es corto, el empleo de operarios puede ser una importante ventaja que supla la posible menor productividad que habitualmente tienen en comparación con las máquinas.

La introducción del elemento humano en las operaciones lleva aparejadas de forma natural dos fenómenos que es preciso tener en cuenta en el diseño del proceso: la variabilidad natural y la existencia de una curva de aprendizaje. Ambos son abordados en las siguientes secciones.

Ejemplo 2.6

Una tendencia en la fabricación de aeronaves es el empleo de materiales compuestos (composites) en los paneles del fuselaje, alas y otros elementos del avión, lo que presenta grandes ventajas (bajo peso, resistencia a fatiga, etc.) frente a los materiales metálicos empleados tradicionalmente, hasta el punto de que, en algunos modelos, el 50 % del peso de la aeronave lo constituyen materiales compuestos. Uno de los métodos más empleados para la fabricación de estos paneles es el moldeo manual, que de manera muy esquemática consiste en ir pegando manualmente capas alineadas de fibra de carbono conforme a la forma de un molde y ejerciendo una presión sobre ellas para que no quede aire entre las capas (véase la figura). Aunque existen otras formas parcial o totalmente automatizadas para llevar a cabo el proceso (como ATL o Automatic Tape Layout), los bajos costes fijos de esta técnica y su extrema flexibilidad a los cambios en los productos (que a veces presentan formas muy complejas) hacen que sea una buena opción en muchos casos. Claramente, en este proceso esencialmente manual pueden observarse los fenómenos anteriormente comentados de variabilidad y curva de aprendizaje.

2.4.1. Variabilidad natural

Informalmente, la variabilidad en el contexto de los procesos productivos se refiere a que, aunque se repita una operación, esta no dura siempre lo mismo. Formalmente, es sabido que las diferencias que se observan en repeticiones de un determinado fenómeno pueden ser capturadas mediante su varianza o su raíz positiva, la desviación típica (véase el anexo A). Aunque ambos indicadores son usados extensamente en numerosos campos, en los sistemas productivos resulta más interesante definir la variabilidad de un fenómeno T (habitualmente un tiempo) cuya media es E[T] y su varianza V [T] de la siguiente manera:

Figura 2.8: Variabilidad natural de las operaciones manuales

Esta definición, además de ser útil para presentar algunas ecuaciones de análisis de sistemas de forma lineal, tiene el interés de ser adimensional y poner en relación las oscilaciones de un fenómeno respecto a su media.

Las operaciones llevadas a cabo por humanos tienen un grado importante de variabilidad, incluso cuando se trata de operadores experimentados, como puede verse en la figura 2.8, que muestra una curva típica de distribución del tiempo de servicio de una operación cuando esta es llevada a cabo por un humano, tanto en el caso en el que se trate de un operario experimentado como de uno que no lo sea. De hecho, se ha observado que un operador experimentado realiza sus tareas siguiendo una distribución sesgada, con una probabilidad de completar la tarea en un tiempo menor que el promedio es superior al 65 %. Los operadores sin experiencia muestran una distribución más simétrica en sus tiempos de procesamiento y con mayor variabilidad. Por todo ello, es claro que hay una variabilidad natural en las operaciones realizadas por humanos.

Además de la variabilidad anterior, suele observarse una fuente adicional de variabilidad debido a la hora del día, ya que se observa una productividad diferente (medida en unidades completadas por unidad de tiempo, o ) según la hora del día. Esta situación se ilustra en la figura 2.9, donde se muestra un patrón típico de la evolución de varios turnos. En el primer turno, el operador aumenta su productividad hasta alcanzar un pico, y esta productividad luego desciende hasta el final del turno (posiblemente debido a fatiga o agotamiento si la tarea es físicamente exigente, o al exceso de repetición). Después del final del turno, el operador hace una pausa y, cuando se inicia un nuevo turno, se adopta un patrón similar, solo que la productividad promedio es menor debido a la fatiga acumulada. En cualquier caso, está claro que se debe insertar un tiempo de inactividad para suavizar estos patrones, y de hecho en la industria automotriz es relativamente frecuente hablar de horas de 54 minutos.

2.4.2. Curva de aprendizaje

Además de las variaciones anteriores, las operaciones humanas están sujetas en muchos casos a una curva de aprendizaje. Empíricamente, se ha observado que, para muchas tareas, el tiempo para completar la tarea cambia a lo largo del tiempo dependiendo de n la cantidad de veces que se repite la tarea, y la duración y complejidad de la tarea. El modelo básico para calcular la duración de la tarea es:

Figura 2.9: Variabilidad de las tareas dependiendo de la hora del día

donde k es una constante que se determinar empíricamente, y b un factor que aumenta con la complejidad y la duración de la tarea. En la nota 2.4 se describe una forma de determinar estos factores, que luego se aplica en el ejemplo 2.7.