Orientando la Gestión de los Procesos de Fabricación hacia BPM: El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial

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1 Orientando la Gestión de los Procesos de Fabricación hacia BPM: El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial Virgilio Gilart-Iglesias, Francisco Maciá-Pérez, Diego Marcos-Jorquera, Francisco José Mora-Gimeno, Juan Antonio Gil-Martínez-Abarca Departamento de Tecnología Informática y computación, Universidad de Alicante San Vicente del Raspeig. España {vgilart, pmacia, dmarcos, fjmora, Resumen. En los últimos años, la madurez alcanzada por las Tecnologías de la Información (TI) junto con algunas de las teorías modernas de gestión de procesos de negocio (BPM) ha propiciado un escenario adecuado para afrontar los requerimientos de los nuevos modelos de negocio. El resultado se ha visto reflejado en la aparición de sistemas de gestión ágil, dinámicos y flexibles que permitan adaptar el negocio de forma inmediata a los cambios introducidos en el entorno de la organización. Sin embargo, en las organizaciones manufactureras es difícil, si no imposible, alcanzar los requerimientos de estos nuevos modelos de negocio debido a las restricciones tecnológicas y conceptuales existentes entres los elementos ubicados en los diferentes niveles de la organización que impide la integración de los procesos de negocio y fabricación. Nosotros proponemos una metodología que logra esta integración y cuyo resultado es un modelo, denominado maquinaria industrial como servicio (IMaaS), que muestra la maquinaria industrial como parte de un BPMS, eliminando las restricciones conceptuales, y que expone su funcionalidad como servicios, eliminando las restricciones tecnológicas. En concreto, este artículo se centra en el proceso que elimina las restricciones conceptuales, trasladando los procesos de fabricación que tienen lugar en la maquinaria industrial al dominio del negocio y mostrando la maquinaria industrial como un mapa de procesos de negocio que será integrado y gestionado con el resto de procesos de la organización de forma transparente. 1. Introducción En los nuevos modelos de negocio orientados a la personalización masiva [1] [2], el cliente ya no puede ser considerado una mera entidad externa a los procesos de negocio de la organización, sino que forma parte del mismo como un elemento activo, determinando las características específicas que debe poseer el producto deseado. Estos nuevos enfoques de paradigmas de negocio exigen a las organizaciones modelos dinámicos y flexibles para adaptarse de forma ágil a los cambios producidos en el entorno debido a la demanda del mercado [3].

2 64 V. Gilart et al. Las TI se presentan como una herramienta valiosa para alcanzar los objetivos de los nuevos modelos de negocio. Éstas ya se contemplaban desde la formulación de teorías modernas de gestión de procesos, como el BPR, como un elemento clave en la gestión de la organización y que se han visto plasmados con gran éxito en sistemas como ERP, CRM, etc. [2] [4]. Sin embargo, estas teorías adolecen de las características necesarias para afrontar dichos requerimientos. Se trata de modelos rígidos centrados en la consecución de los procesos óptimos de la organización que no contemplan, entre sus fundamentos, los cambios en el entorno del negocio y por tanto no asumen que los procesos óptimos definidos en un momento dado no sean los adecuados en un periodo posterior [3]. Para dar respuesta a las exigencias de los nuevos modelos ha surgido un movimiento denominado Business Process Management (BPM) [2], el cual contempla el cambio como uno de sus principales fundamentos y la adecuación de forma ágil de los procesos de negocio a dichos cambios, estableciendo las TI como pilar fundamental para su realización. Sin embargo, es en las organizaciones manufactureras donde la viabilidad de los nuevos modelos de negocio se hace compleja ya que no existe una plena integración de los procesos de fabricación dentro del mapa global de procesos de negocio de la organización debido por las restricciones físicas, tecnológicas y conceptuales y por la falta de estandarización en los elementos de producción ubicados en los niveles inferiores (PLC, CNC, maquinaria industrial, etc.) [5] [6]. Para resolver el problema de la integración mencionado hemos propuesto una metodología denominada normalización de la maquinaria industrial, la cual se compone de dos procesos, el primero responsable de la eliminación de las restricciones conceptuales, y, el segundo, responsable de la eliminación de las restricciones tecnológicas. El objetivo del primer subproceso es eliminar las restricciones conceptuales de los procesos de fabricación y el objetivo del segundo subproceso es eliminar las restricciones tecnológicas de la maquinaria industrial que soporta dichos procesos. Finalmente, se obtiene, como resultado de la metodología, un modelo de maquinaria industrial llamado Industrial Machinery as a Service (IMaaS). Este modelo muestra dicha maquinaria como parte de un BPMS y es soportada desde el punto de vista tecnológico por el paradigma SOA. En concreto, este artículo se centra en la parte principal del proceso de normalización conceptual, y cuyo objetivo es trasladar los procesos de fabricación al dominio de los procesos de negocio permitiendo que puedan ser gestionados a través de sistemas BPM. El resto del artículo se estructura en los siguientes apartados: la sección 2 se centra en una visión general y actualizada del estado del arte y de los trabajos relacionados; la sección 3 describe la metodología general; la sección 4 se centra en el principal proceso que elimina las restricciones conceptuales de la maquinaria industrial, el proceso de normalización conceptual de los procesos de fabricación de la maquinaria industrial; la sección 5 describe un escenario de pruebas para validar la propuesta; finalmente, en la sección 6, se exponen las conclusiones y los trabajos futuros.

3 El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial Background Las primeras propuestas de integración entre los procesos de negocio y fabricación llevados a cabo en los niveles superiores e inferiores de las organizaciones manufactureras se centraban en modelos tradicionales de automatismos, basados en protocolos propietarios, situados en el nivel de recursos del modelo ebusiness, como sistemas externos a los procesos de negocio (Modbus, Profibus, AS-I, FIPIO, DeviceNET, Interbus o Ethernet industrial). Estas propuestas constituyen los primeros intentos por facilitar su integración con los componentes de negocio mediante adaptadores ad-hoc. En otros casos, como el propuesto por Schneider [7], se opta por la incorporación de dispositivos embebidos (con conexión Ethernet, soporte TCP/IP e incluso servidor web integrado) bajo conceptos como transparent factory. Otros fabricantes, como ABB, van un poco más lejos, elevando la comunicación a los niveles superiores de la organización, empleando el protocolo SOAP, e incorporando inteligencia, autogestión y proactividad a sus dispositivos embebidos [8]. En [9], se refuerza el uso del paradigma SOA basado en Servicios Web para lograr la integración entre los elementos de producción y los sistemas de gestión de empresa incrementando la interoperabilidad y la flexibilidad de dichos elementos. Como resultado en la propuesta se describe el primer motor SOAP para PLCs como base para la introducción de servicios Web en el entorno de manufacturación. Siguiendo esta misma línea, en [5] se propone el uso de WebServices como medio normalizado para acceder a las funcionalidades de los dispositivos y para que éstos se integren con los sistemas de planificación de recursos empresariales (ERP). También en el marco de proyectos europeos de investigación se encuentran importantes iniciativas que avalan el interés de esta línea, con importantes resultados que avanzan hacia SOA y dispositivos embebidos en la maquinaría industrial como tecnologías válidas [10] [11] [12]. En [10] se propone una arquitectura SOA basada en las especificaciones WS-* (DPWS) para el desarrollo de aplicaciones distribuidas en sistemas embebidos de tiempo real, tal como los usados en la automatización industrial o en el sector de la automoción [6] con funciones similares a las ofrecida por el estándar UPnP. Como continuación de esta propuesta, el proyecto SODA [11] propone nuevas funcionalidades en la arquitectura propuesta que garanticen la calidad de servicio, integridad, seguridad, confiabilidad y autenticación en la comunicación entre los dispositivos [13]. Por último, en el proyecto SOCRADES [12] se plantea como objetivo el desarrollo de una plataforma que contemplase el diseño, ejecución y gestión para todas estas generaciones de sistemas de automatización industrial enfocada hacia el modelo SOA mediante un sistema BPM centralizado. Para ello se propone una arquitectura middleware que permita integrar los dispositivos de producción con el sistema de gestión desarrollado [14] [15]. Sin embargo, todas estas propuestas se centran en lograr alcanzar la integración tecnológica de los procesos de negocio y fabricación, pero no tienen en cuenta la integración conceptual de ambos tipos de procesos, lo que permitiría una mejor gestión integral de acuerdo a los requerimientos de los nuevos modelos de negocio y el desacoplamiento con la tecnología actual. Existen escasas propuestas que tratan de integrar de forma conceptual los procesos de fabricación y los procesos de negocio como la realizada en [16] que trata de

4 66 V. Gilart et al. representar los procesos de fabricación a través de la notación BPMN de forma que ambos tipos de procesos puedan ser modelados de forma integral. Sin embargo, se trata de una propuesta poco generalista, muy ligada a dicha notación, que la hace completamente dependiente de este estándar. <<goal>> Eliminate conceptual constraints <<process>> <<achieve>> <<abstract>> Manufacturing Processes of Industrial Machinery Conceptual normalization process of manufacturing processes <<abstract>> Business Processed Map of Industrial Machinery Conceptual normalization process of management processes <<abstract>> BPM Model of Industrial Machinery Conceptual Normalization Process of Industrial Machinery <<goal>> <<control>> Eliminate technological constraint <<achieve>> <<process>> <<physical>> Industrial Machinery Hardware Normalization Process <<physical>> Computational Industrial Machinery Middleware Normalization Process <<physical>> Computational Industrial Machinery as a Container Services Normalization Process <<physical>> Industrial Machinery as a Service Fig. 1. Proceso de normalización de la maquinaria industrial. 3. Proceso de normalización de la maquinaria industrial El proceso de normalización de la maquinaria industrial define el contexto general de investigación en el que se incluye la propuesta presentada en este artículo (figura 1). El objetivo del proceso de normalización es obtener un modelo, que hemos denominado maquinaria industrial como servicio o IMaaS, el cual permite visualizar la maquinaria industrial como parte de un BPMS, eliminando las restricciones conceptuales, y sustentado dicho modelo sobre el paradigma SOA e implementado mediante Servicios Web de segunda generación, lo cual nos permite eliminar las restricciones tecnológicas. Esto permite una rápida adaptación de los indicadores de más bajo nivel a los objetivos estratégicos de la organización y por tanto la consecución de los objetivos de los nuevos modelos de negocio. Este modelo proporciona un patrón de diseño basado en la arquitectura SOA que elimina las restricciones tecnológicas y que detalla, clasifica y organiza los elementos que cada máquina debe poseer junto con las infraestructuras tecnológicas que le dará soporte. Estos servicios facilitan la autogestión y la gestión proactiva de la lógica de negocio de la cual es responsable la máquina, y le permiten comunicarse y cooperar con otras máquinas o elementos de fabricación así como con el resto de los procesos de negocio de la organización. Para definir el modelo se ha partido de los requerimientos obtenidos en el estudio realizado en los apartados 1 y 2. Las principales características de la propuesta se pueden sintetizar en:

5 El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial 67 El modelo debe definirse en consonancia con los requisitos de los nuevos modelos de negocio caracterizados por un entorno dinámico cambiante. Debe contemplar aquellos enfoques emergentes que tratan de eliminar las restricciones tecnológicas y conceptuales mencionadas. Debe guiarse por las recomendaciones y necesidades de los nuevos modelos de producción. El Proceso de Normalización de la Maquinaria Industrial (figura 1) se ha dividido en dos subprocesos: el proceso de normalización conceptual y el proceso de normalización tecnológica. 3.1 Proceso de normalización conceptual Los requerimientos de los nuevos modelos de producción tienden hacia paradigmas distribuidos con un acoplamiento débil y autónomo que implica un incremento en la complejidad y la necesidad de responder a los cambios continuos con una disminución del coste. Para dirigir estos cambios, se necesitan funcionalidades adicionales que incluyen robustez, escalabilidad y reconfiguración, mientras se mantienen procesos simples y transparentes [17] [18]. Además, la gestión de producción en entornos físicamente distribuidos implica la necesidad de tomar decisiones a nivel local [17], y así, transferir parte de la lógica de control y supervisión hacia la maquinaria industrial [18]. Por esta razón, el objetivo del proceso de normalización conceptual es eliminar las restricciones conceptuales que existen entre los procesos de fabricación llevados a cabo por la maquinaria industrial y los procesos de negocio y su gestión y, de esta forma, mostrar la maquinaria industrial como un sistema BPM autónomo que pueda integrarse en el BPMS general de la organización. Para lograr este objetivo, este proceso es dividido en los dos siguientes procesos: el proceso de normalización conceptual de los procesos de fabricación y el proceso de normalización conceptual de la gestión de procesos. El primer subproceso, el proceso de normalización conceptual de los procesos de fabricación, es el objetivo principal de este artículo y será descrito en las siguientes secciones. Este subproceso muestra los procesos de fabricación y las operaciones mecánicas realizadas por la maquinaria industrial como procesos de negocio estableciendo una correlación entre los dominios de fabricación y negocio. El resultado de este proceso es un modelo denominado mapa de procesos de negocio de la maquinaria industrial.

6 68 V. Gilart et al. Modeling System BPM Model of Idustrial Machinery Discovery system Organization Organization BPMS Business Processes Map of Industrial Machinery Monitoring and Control system Alarm System Interaction System Correction system Execution System Deployment System Fig. 2. Modelo BPM de la maquinaria industrial. El Segundo subproceso, la normalización conceptual de la gestión de los procesos de fabricación [19], tiene como objetivo mostrar la maquinaria industrial como un sistema BPM, incluyendo los elementos y componentes necesarios para alcanzar sus principios básicos y manteniendo los requerimientos de gestión de los procesos de fabricación y de los nuevos modelos de producción. Para ello, ha sido necesario realizar una correlación entre la gestión de los procesos de fabricación y la de los procesos de negocio. Como resultado de la aplicación de este proceso hemos obtenido un modelo conceptual que incluye los elementos necesarios del paradigma BPM (por ejemplo, sistema de modelado, sistema de descubrimiento, sistema de interacción, sistema de ejecución, sistema de despliegue y el sistema de monitorización y control) para de forma autónomo gestionar el mapa de procesos de la maquinaria industrial. Obtenido en el subproceso anterior (figura 2). 3.2 Proceso de normalización tecnológica Actualmente, el paradigma SOA se ha presentado como el modelo tecnológico más adecuado para sustentar un sistema BPM. De hecho, aunque tradicionalmente, la gestión de procesos de negocio (BPM) y la arquitectura orientada a servicios (SOA) han crecido como dos iniciativas independientes, en los últimos tiempos se ha demostrado el beneficio de la convergencia de ambos modelos [20] [21]. Este enfoque ha permitido la alineación entre los procesos de negocio y las IT, obteniendo una propuesta en consonancia con los requerimientos fundamentales de los nuevos modelos de negocio, como la agilidad, flexibilidad, reducción de costes y eficiencia. Además, en la misma fase, al igual que se identificó la idoneidad de la sinergia entre el modelo BPM y el modelo SOA, se comprobó que los Servicios Web se han convertido en el verdadero impulsor de éxito del paradigma SOA dando lugar a lo que se ha denominado SOA Contemporáneo [22]. Sin embargo, estos paradigmas tecnológicos se caracterizan por tener un alto nivel de abstracción y por el elevado requerimiento computacional de las infraestructuras sobre las que se sustentan que, difícilmente pueden ser soportadas por los actuales

7 El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial 69 dispositivos de fabricación. La maquinaria industrial, en la cual se lleva a cabo la ejecución de los procesos de fabricación, se fundamenta en los principios de la mecánica y la electrónica y aunque existe maquinaria más moderna que incorpora en mayor o menor medida capacidad de comunicación y computación, las máquinas actuales no ofrecen la infraestructura necesaria para soportar las características de los paradigmas de computación distribuida mencionados. Por este motivo es necesario trasladar, a nivel tecnológico, la maquinaria industrial al dominio de las TIC. El objetivo del proceso de normalización tecnológica de la maquinaria industrial es establecer un marco tecnológico y arquitectónico adecuado (arquitectura IMaaS) que sustente el modelo BPM resultante del proceso de normalización conceptual, eliminando las restricciones tecnológicas existentes y aportando flexibilidad y dinamismo a la maquinaria [23]. El proceso transforma el elemento de entrada, la maquinaria industrial, en la arquitectura IMaaS mencionada a través de tres subprocesos: normalización hardware de la maquinaria industrial, normalización middleware de la maquinaria industrial y normalización de servicios de la maquinaria industrial. El objetivo del proceso de normalización del hardware de la maquinaria industrial es dotar a la maquinaria industrial de la capacidad de comunicación y computación necesaria que asiente las bases para sustentar e introducir los paradigmas de computación distribuida ampliamente difundidos con la evolución de Internet, en concreto el paradigma SOA mediante el uso de Servicios Web. En concreto este subproceso es detallado en [23] donde la capacidad buscada es conseguida mediante el uso de dispositivos embebidos. Como resultado del proceso se obtiene la propia maquinaria industrial utilizada como elemento de entrada del proceso pero con nuevas capacidades añadidas, la capacidad de comunicación y la de computación que permitirá sustentar la arquitectura de servicios. Al recurso obtenido como resultado del proceso se le ha denominado Maquinaria Industrial Computacional. El proceso de normalización del middleware de la maquinaria industrial tiene como objetivo introducir la infraestructura de servicios necesaria, que dote a la maquinaria industrial computacional de las características típicas de los modelos middleware y arquitecturas empresariales, en este caso, orientado al enfoque SOA Contemporáneo: flexibilidad, escalabilidad, interoperabilidad, reusabilidad, seguridad, transacciones, agilidad, dinamismo, etc. Como resultado del proceso se obtiene la maquinaria industrial vista como un contenedor de servicios, Maquinaria Industrial como Contenedor, que proporciona la infraestructura adecuada, en términos de servicios middleware y servicios de soporte, a los servicios de aplicación que encapsularán la funcionalidad definida por el modelo BPM de la maquinaria industrial, servicios de producción. De esta forma la funcionalidad del sistema vendrá determinada por el software y no por el hardware, contribuyendo a la eliminación de las restricciones tecnológicas y sentando las bases que permitan contemplar el modelo BPM de la maquinaria industrial que eliminaba las restricciones conceptuales. El último subproceso, el proceso de normalización de los servicios de la maquinaria industrial, tiene como objetivo definir los servicios de tipo no genérico dependientes del dominio de aplicación, en este caso, la gestión de procesos de fabricación de la maquinaria industrial. Dichos servicios, encapsularán y expondrán las funcionalidades especificadas por el modelo BPM de la maquinaria industrial que

8 70 V. Gilart et al. no forman parte de la infraestructura de soporte. Estos son los procesos de negocio descritos en el mapa de la maquinaria industrial. <<goal>> Show manufacturing processes as business processes <<achieve>> <<abstract>> <<abstract>> <<abstract>> <<abstract>> Fundamentals Processes quality management theorist Business processes theorist Manufacturing processes theorist of manufacturing processes management <<control>> <<control>> <<control>> <<control>> <<abstract>> Manufacturing Processes of Industrial Machinery Conceptual normalization process of manufacturing processes <<abstract>> Business Processed Map of Industrial Machinery Conceptual normalization process of management processes <<abstract>> BPM model of industrial machinery Conceptual Normalization Process of Industrial Machinery Fig. 3. Proceso de normalización de los procesos de fabricación. 4. Proceso de Normalización Conceptual de los Procesos de Fabricación de la Maquinaria Industrial Los sistemas BPM representan el enfoque más adecuado para la consecución de un SGP ágil, conforme a los requerimientos derivados de los nuevos modelos de negocio. Sin embargo, por definición, los sistemas BPM no están preparados para gestionar procesos de fabricación. Existen diferencias conceptuales debidas a la propia naturaleza de los procesos de negocio y de fabricación y que han supuesto un factor determinante a la hora de definir los sistemas TI que los gestionan. Por un lado, los procesos de negocio poseen un carácter más abstracto, relacionado con las transacciones comerciales de las organizaciones (cumplir los objetivos estratégicos de la organización). Por otro lado, la naturaleza de los procesos de fabricación está relacionada con los aspectos mecánicos originados por las operaciones llevadas a cabo por la maquinaria industrial y están orientados a la modificación de las propiedades de las materias primas para la consecución de un producto final. En este sentido, el objetivo del proceso de normalización conceptual de los procesos de fabricación de la maquinaria industrial es trasladar los procesos de fabricación al dominio de los procesos de negocio para lo cual es necesario establecer una correlación entre ambos conceptos. De esta forma se mostrarán los procesos de fabricación como procesos de negocio para que puedan ser gestionados por los sistemas BPM. Como se muestra en la figura 3, el proceso recibe como entrada un objeto abstracto que representa los procesos de fabricación llevados a cabo por la maquinaria industrial junto con las operaciones de fabricación necesarias para llevarlos a cabo.

9 El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial 71 Como resultado de la aplicación del proceso se obtiene un modelo conceptual que permite estructurar los procesos y operaciones de fabricación de la maquinaria industrial de la misma forma que se hace en un mapa de procesos de negocio, y de esta manera, podrán ser gestionados por un BPMS. A este elemento se le ha denominado mapa de procesos de negocio de la maquinaria industrial. Para lograr el objetivo del proceso y evitar desviaciones del mismo se han identificado un conjunto de elementos de control encargados de guiar y conducir la ejecución del proceso. Estos elementos están formados por: las teorías de procesos de negocio, las teorías de gestión de calidad de procesos, las teorías de procesos de fabricación y los fundamentos de gestión de los procesos de fabricación. A partir del análisis de las definiciones existentes de proceso de negocio y sus clasificaciones propuestas en los dos elementos de control, teorías de procesos de negocio y teorías de gestión de calidad de procesos, se ha obtenido un modelo formal que representa dicho concepto. Este modelo simplificado representa la estructura organizativa que se debe alcanzar partiendo del modelo organizativo definido para el concepto de proceso de fabricación. Las definiciones y clasificaciones de los procesos de fabricación contempladas en las teorías de procesos de fabricación permitirán controlar el proceso a la hora de establecer un modelo organizativo de partida del concepto proceso de fabricación. Este modelo debe ser trasladado al dominio del negocio. De los fundamentos de gestión de procesos de fabricación se extraerán las técnicas, métodos y recomendaciones más utilizadas en la gestión de los procesos llevados a cabo por la maquinaria industrial y que deben ser contemplados en el modelo. Para llevar a cabo el proceso se han definido las siguientes fases: una primera fase para la obtención de un modelo formal del concepto de proceso de negocio a partir de las principales definiciones y categorización de los mismos, una segunda fase para la obtención de un modelo formal del concepto de proceso de fabricación siguiendo el mismo proceso que en la fase anterior, una tercera fase de correlación entre ambos modelos que nos permita obtener las similitudes de los mismos y una última fase para el establecimiento del modelo del mapa de procesos de negocio de la maquinaria industrial a partir de los resultados y conclusiones obtenidos en la fase anterior. 4.1 Modelo del concepto de proceso de negocio Para trasladar el concepto de proceso de fabricación al dominio del negocio, en primer lugar se ha formalizado mediante la notación UML el concepto de proceso de negocio.

10 72 V. Gilart et al. KPI measured by 1..* 1..* measured by 1..* composed of 1 * 1 1 Business Process 1..* Business Activity 1..* * Subprocess 1..* * composed of composed of measured by 1..* * composed of Core Support Fig. 4. Modelo UML del concepto proceso de negocio. Para ello, por un lado, se han analizado las diferentes definiciones de proceso de negocio realizadas por los principales autores y organizaciones [3] [4] [24] [25] [26] [27] [28] del ámbito detectando que, aunque existen diferencias en las propuestas, prácticamente estas diferencias radican en pequeñas precisiones según el modelo de gestión vigente cuando se definieron, o en la nomenclatura en el caso de las clasificaciones pero que mantienen unos principios fundamentales comunes. Como resultado del análisis se puede sintetizar la definición de un proceso de negocio como: «Un conjunto estructurado, medible, de actividades diseñadas para producir un resultado de negocio definido en base a unos objetivos.» Por otro lado, se ha realizado una categorización de los procesos de negocio basada en las propuestas analizadas en [3] [4] [27] [28] [29] [30]. La mayoría de ellas coinciden en dos tipos de procesos de negocio, los procesos de negocio principales que son aquellos que aportan el valor a la organización y los procesos de negocio de soporte que facilitan las operaciones en curso de los procesos principales. Algunas teorías proponen un tercer tipo de procesos de negocio, los estratégicos, pero que no afectan al problema de la integración definido y pueden ser incluidos en cualquier caso como procesos de soporte. A partir de las conclusiones obtenidas en las dos fases descritas se ha obtenido el modelo del concepto de proceso de negocio mostrado en la figura Modelo del concepto de proceso de fabricación Al igual que en el caso anterior, se ha establecido una representación formal del concepto de proceso de fabricación a partir del análisis de sus definiciones y clasificaciones para realizar, posteriormente, una correlación entre ambos modelos. Para facilitar la comparativa entre ambos dominios y, de esta forma, establecer la

11 El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial 73 correspondencia que permita visualizar los procesos de fabricación como procesos de negocio, Tomando como referencia la formalización propuesta, En la primera fase se ha realizado una definición del concepto de proceso de fabricación basándose en las propuestas descritas en [31] y en [32]. «El conjunto de operaciones que realiza una maquinaria industrial para transformar una materia de partida en un producto diferente conforme a las necesidades del propio fabricante o de un cliente.» «Desde el punto de vista de la maquinaria industrial se puede definir como el conjunto de operaciones de la maquinaria para realizar la transformación requerida.» Aunque no aparece el concepto de medida en la definición de proceso de fabricación, es un aspecto muy importante en la actualidad para garantizar la calidad en la manufactura. Tradicionalmente, se entendía la calidad como el cumplimiento de las especificaciones y se centraba en el control del producto. Esto implicaba una falta de capacidad predictiva y preventiva que es resuelta mediante los nuevos requerimientos de la manufactura a través del control de calidad del proceso de fabricación. Los puntos de inspección son una de las principales formas de medir el éxito del proceso y del producto en los procesos de fabricación y las operaciones supeditadas. En [31] se pueden ver los distintos tipos de inspección basados en la comprobación de atributos y variables y que ha servido para formalizar el modelo y acercarlo al de proceso de negocio. Los datos claves pueden ser recogidos a través de sensores. Variable Attribute measure by 1..* Inspection Point 1 Manufacturing Process composed of * 1 1..* 1..* * Manufacturing Operation composed of 1..* measure by 1..* * composed of Atomic Operation 1..* * composed of Basic Auxiliary Sensor Actuator Fig. 5. Modelado UML del concepto proceso de fabricación. En la segunda fase se ha realizado una categorización de los procesos y operaciones de fabricación que tienen lugar en la maquinaria industrial, basándose en las propuestas descritas en [31] y [32]. Aunque existen multitud de clasificaciones de los

12 74 V. Gilart et al. procesos de fabricación, como las realizadas a partir del tipo de material sobre el que se trabaja, del impacto económico, de la naturaleza del proceso o del tipo de máquina industrial utilizada, para el propósito del presente trabajo la clasificación se ha realizado en función de la importancia de los procesos de fabricación siguiendo la propuesta de la formalización del concepto de proceso de negocio. En este sentido, se han clasificado los procesos en: básicos o primarios y auxiliares. Por otro lado, la clasificación y la definición únicamente establece como procesos de fabricación aquéllos que realizan alguna transformación en el material, sin embargo, la presente propuesta pretende solventar el problema de integración de cualquier maquinaria que participe en la producción aunque no realice transformaciones en la materia, como puede ser: un sistema de almacenamiento o sistemas de transporte. En este sentido, los tipos de procesos han sido dotados de una mayor semántica, estableciendo los procesos básicos como aquellos que son principales desde el punto de vista de la maquinaria que los lleva a cabo. Los procesos auxiliares abarcan los procesos de apoyo a los anteriores. El desechar el resto de clasificaciones no implica perder las características del entorno industrial, es más, una vez realizada la transformación pueden seguir manteniéndose las clasificaciones existentes. En la figura 5, se muestra la formalización obtenida mediante la notación UML del concepto de proceso de fabricación que engloba las conclusiones extraídas en las dos fases anteriormente descritas. 4.3 Correlación de los modelos A partir de los dos modelos descritos anteriormente se puede establecer una correlación que permite representar los procesos de fabricación en el dominio del negocio. Haciendo una comparativa de los dos modelos, se puede ver las similitudes y diferencias entre ambos tipos de procesos. Desde el punto de vista conceptual, los procesos añaden valor al objeto de entrada a través de las transformaciones que se realizan sobre el mismo. Desde el punto de vista estructural, ambos elementos se organizan de forma jerárquica y están compuestos por un conjunto de subelementos de grano más fino hasta llegar a los elementos indivisibles más básicos. En un proceso de fabricación llevado a cabo en una maquinaria industrial, las operaciones más básicas son aquéllas que se realizan sobre un sensor o un actuador. En este sentido, en el dominio del negocio, pueden ser comparadas a las actividades, que son los elementos más básicos que no pueden ser descompuestos en otros porque, por su sencillez, dicha descomposición no implica valor para la organización. En ambos dominios, los procesos deben ser medidos a través de la adquisición de ciertos parámetros para alcanzar los objetivos para los que han sido definidos. Mientras que en los procesos de negocio los indicadores clave de desempeño o los Key Performance Indicators (KPI) miden la correcta ejecución de los procesos en base a los objetivos fijados, en los procesos de fabricación, a través de los puntos de inspección, se definen las características clave del producto y del proceso que garanticen el cumplimiento de las especificaciones. Aunque existen matices conceptuales entre ambos dominios, se puede establecer una relación de equivalencia

13 El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial 75 entre ellos. De esta forma, los KPI equivaldrían a los puntos de inspección, más concretamente, las operaciones definidas en los KPI equivaldrían a las operaciones y datos definidos para un punto de inspección. En la tabla 1 se muestra la equivalencia entre los elementos del modelo de partida o del proceso de fabricación con respecto al modelo objetivo o del proceso de negocio. Tabla 1. Correlación entre procesos de fabricación y procesos de negocio.. Dominio de la fabricación Proceso de fabricación (principal y soporte) Operación de fabricación Operación atomic Punto de inspección Dominio del negocio Proceso de negocio (básico y auxiliar) Subproceso de negocio Actividad KPI 4.4 Mapa de procesos de negocio de la maquinaria industrial Como resultado de las secciones anteriores se ha obtenido un modelo que hemos denominado mapa de procesos de la maquinaria industrial (figura 6) el cual se divide en tres niveles. En el nivel 1 se han contemplado aquellos procesos de negocio que ejecutan las actividades de mayor nivel de abstracción de la maquinaria industrial. Éstos serán utilizados, junto con otros procesos y subprocesos del mapa global de la organización, para conformar procesos de negocio de un nivel superior. La configuración de los parámetros (objetivos, indicadores, variables de control, etc.) de los procesos de nivel 1 vendrá definida en función de los parámetros del proceso de la cadena de valor (dando lugar a los procesos principales de la maquinaria industrial) o proceso de soporte (dando lugar a los procesos de soporte de la maquinaria industrial) en el que esté incluido y, por tanto, estará alineado directamente con los objetivos del mismo. El nivel 2 está formado por los procesos de negocio que conforman los procesos definidos en el nivel 1. Éstos, a su vez, y en función de su complejidad pueden subdividirse en otros procesos del nivel 2 de forma reiterativa (subprocesos). En el último nivel, nivel 3, se encuentran las actividades o procesos básicos que reflejan el comportamiento de más bajo nivel de la maquinaria industrial, y por tanto, más cercano a la funcionalidad mecánica de la máquina. Éstas son utilizadas para componer procesos de los niveles superiores anteriormente nombrados (en el caso de un almacén inteligente podría tener actividades de lectura de sensores, movimiento de motores, etc.).

14 76 V. Gilart et al. Fig. 6. Mapa de procesos de negocio de la maquinaria industrial. 5. Escenario global de aplicación Para validar la capacidad de integración conceptual del modelo propuesto se ha planteado un escenario que contempla diferentes procesos de negocio y de fabricación típicos de las organizaciones manufactureras. En concreto se ha centrado en el proceso de almacenamiento y su integración con los procesos de negocio dependientes como: la gestión de inventario, la gestión de pedidos o la planificación de producción. Como se observa en la figura 7, el escenario general se basa en el paradigma SOA siguiendo el patrón basic matchmaker. El escenario está formado por los siguientes elementos: el sistema de fabricación IMaaS, el sistema de gestión de procesos de negocio (BPMS) y el sistema de información. El sistema de fabricación IMaaS está compuesto por un prototipo de un sistema de almacenamiento inteligente como servicio que ofrece dos procesos de alto nivel, GetRawMaterial y StoreRawMaterial, y un prototipo de una máquina fresadora como servicio que ofrece el proceso de alto nivel MillMaterial. Dichos procesos han sido generados a partir de los procesos y actividades de menor nivel de abstracción que ofrece la maquinaria (ReadSensorX, MoveMotorX, etc.). Para implementar dichos prototipos se ha utilizado una maqueta de una fábrica industrial a escala realizada por la empresa Staudinger GMBH y varios dispositivos embebidos Lantronix XPort que dotan a la maquinaria de la capacidad de computación y comunicación necesaria para

15 El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial 77 sustentar el middleware WS-* propuesto en el trabajo. Los dispositivos se han conectado a la maquinaria a través de los controladores ICPDAS I-7055D mediante el estándar RS-485. Para ello ha sido necesario integrar un conversor de RS-232 a RS- 485 (figura 8). El dispositivo incorpora un servidor Web que permite desarrollar CGI s en lenguaje C. Sobre esta base se han desarrollado los módulos necesarios para implementar la propuesta teniendo en cuenta las limitaciones de recursos del dispositivo (microprocesador de 16 bits con 256 Kb de memoria y 512 Kb de memoria Flash): un módulo SOAP que implementa una versión reducida de la versión 1.2 de SOAP, un módulo de descubrimiento que implementa una versión reducida de UDDI v3, un módulo de despliegue que ofrece un servicio para desplegar servicios orquestados en el dispositivo, un módulo que implementa una versión reducida del motor WS-BPEL y dos módulos auxiliares de persistencia y tiempo. [Information System] UDDI/ Service Registry WSDL BPEL UDDI Server Storage Server [Manufacturing System] (IMaaS) WSDL BPEL WSDL Internet SOAP BPEL BPEL BPMS System BPMS prototype UDDI Activities and Process BPEL Deployment Node Process Modeling Node Enterprise Process (BPEL) Process Manager Orchestator Node BPEL Engine Fig. 7. Mapa de procesos de negocio de la maquinaria industrial. El sistema de información engloba al intermediario para la localización de los servicios ofertados en el escenario. Este sistema está compuesto por un registro UDDI que contiene la información necesaria para consumir los servicios ofertados y un sistema de almacenamiento que contiene los documentos WSDL y hojas BPEL de aquellos dispositivos proveedores de servicios que por sus limitaciones de recursos no puedan almacenarlas (prototipos IMaaS). Para llevar a cabo la funcionalidad del registro UDDI se ha utilizado Apache juddi v3 sobre el contenedor Web Apache Tomcat 6.

16 78 V. Gilart et al. XPort ICPDAS I-7055D Industrial Machine RS-485 DCOM TCP/IP Network communication Fig. 8. Prototipo resultante del proceso de normalización hardware. El BPMS es el responsable de la gestión centralizada de todos los procesos de la organización. El sistema BPMS accederá al registro UDDI del servicio de información para descubrir todos los servicios que exponen la funcionalidad de los elementos de producción y de los sistemas de gestión empresarial de la organización. Para su implementación se ha utilizado como base Intalio BPMS community edition, versión Para completar las funcionalidades de descubrimiento y despliegue se ha desarrollado un plugg-in de eclipse, org.imaas.bpms1.0 que permite al BPMs descubrir y actualizar servicios registrados en juddi y desplegar los servicios y procesos generados en diferentes motores BPEL. Una vez el almacén inteligente IMaaS se conecta a la red y obtiene su dirección IP, registra en el servidor juddi los servicios que provee y que representan los procesos y actividades que puede ejecutar (WSDL y BPEL). A continuación, el plugg-in de descubrimiento que se ha implementado permite localizar los servicios mediante técnica de polling y son mostrados en el sistema BPMS. En este momento, el ingeniero de procesos puede usar los servicios descubiertos para modelar nuevos procesos de negocio. En la figura Y se muestra un ejemplo reducido del proceso de producción. En el ejemplo cabe destacar como uno de los procesos del ámbito de la fabricación (GetRawMaterial) se ha integrado con procesos de negocio como el de planificación de la producción (ScheduleProduction) y el de actualización de inventario (UpdateInventory) de forma transparente y sin restricciones conceptuales, logrando uno de los objetivos principales planteados en esta propuesta (figura 9). Una vez modelado el proceso de negocio y relacionado con los correspondientes Servicios Web (GetRawMaterialWS y MillMaterialWS) que encapsulan su lógica, el modelo BPMN es traducido al lenguaje de ejecución de procesos BPEL y desplegado en el correspondiente motor BPEL. En el ejemplo es desplegado sobre el motor BPEL intalio-bpms-server y que se encargará de invocar al servicio GetRawMaterial ubicado en el almacén inteligente IMaaS, sin ninguna restricción tecnológica.

17 El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial 79 Aunque se podría haber utilizado un patrón broker, implementado mediante un Enterprise Service Bus, se ha elegido el match maker por su sencillez de implementación y porque cumple los requisitos necesarios para validar los objetivos planteado. Fig. 9. Integración conceptual de los procesos de negocio y fabricación usando la notación BPMN. 6. Conclusiones En este trabajo se ha presentado un modelo de maquinaria industrial que permite la integración, tecnológica y conceptual, de los procesos de fabricación y los procesos de negocio de la organización, y por tanto, una gestión integral conforme a los requerimientos de los nuevos modelos de negocio. En concreto, en el artículo se ha centrado en el desarrollado del subproceso de la normalización conceptual de los procesos de fabricación el cual permite eliminar las restricciones conceptuales. Para ello, dicho proceso traslada los procesos de fabricación llevados a cabo en la maquinaria industrial al dominio de los procesos de negocio estableciendo los que hemos denominado el mapa de procesos de negocio de la maquinaria industrial. Esta propuesta ha permitido el modelado integral de los procesos de fabricación y de negocio a través de un sistema BPM evitando la dependencia entre el modelado realizado mediante notaciones estándares y la tecnología específica que soporta la implementación de estos estándares. Este resultado convierte al modelo propuesto en un enfoque válido que es compatible con futuros estándares en el modelado de procesos de negocio y las tecnologías que soportan dichos sistemas. Para validar la propuesta, se ha presentado un caso de uso que recoge el modelado de los procesos de negocio y fabricación sin ninguna restricción conceptual. Además,

18 80 V. Gilart et al. se ha presentado un escenario de pruebas que incluía un BPMS real de código abierto que permite la gestión integral de los procesos de negocio y de fabricación realizados por un prototipo de un sistema de almacenamiento inteligente y por una fresadora. Actualmente, estamos trabajando en la incorporación de descripción semántica en los procesos para conseguir el modelado automático y composición de los procesos independientemente de la estructura física de la fábrica pero cuyo resultado esté alineado con los objetivos estratégicos de la organización. 7. Agradecimientos Parte de este trabajo ha sido financiado por el Vicerrectorado de Investigación, Desarrollo e Innovación de la Universidad de Alicante (Proyectos de investigación emergentes 2010: Sistema de gestión de procesos integral en entornos manufactureros: aplicación a la fabricación ágil). 8. Referencias 1. C. Younghwan, K. Kwangsoo, K. Cheolhan.: A design chain collaboration framework using reference models. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 26 (1) pp July, J. Jeston and J. Neils.: Business Process Management. Practical guide to successful implementations. Elsevier, H. Smith and P. Fingar.: Business Process Management. The Third Wave. Meghan- Kiffer, P. Harmon.: Business Process Change. A Manager s guide to improving, redesigning and automating processes. Morgan Kaufmann, A.P. Kalogeras, J.V. Gialelis, C.E. Alexakos, M.J. Georgoudakis, S.A. Koubias.: Vertical integration of enterprise industrial systems utilizing Web Service. Proceedings of the 5th IEEE International Workshop on Factory Communication System (WFCS 2004), Technical University of Vienna, Vienna, Austria, September F. Jammes, H. Smit.: Service-Oriented paradigms in industrial automation. IEEE Transaction on industrial informatics. VOL I. nº 1, pp Transparent Factory.: User manual. [Online] Available: U. Topp, P. Müller.: Web based service for embedded devices. International Workshop on Web Service: Research, Standardization and Deployment (WS- RSD 02). Lecture notes in computer science. Web Service and Database Systems, pp , Mathes, M., Stoidner, C., Heinzl, S. and Freisleben, B.: SOAP4PLC: Web Services for Programmable Logic Controllers. In Proceedings of the th Euromicro International Conference on Parallel, Distributed and Network-based Processing, pp , The SIRENA project. (Online) Available at: (January, 2010). 11. The SODA project. (Online) Available at: (January, 2010).

19 El Mapa de Procesos de la Maquinaria Industrial SOCRADES project. (Online) Available at: (January, 2010). 13. F. Jammes, H. Smit, J.L. Martinez-Lastra, I.M. Delamer.: Orchestration of Service- Oriented Manufacturing Processes. Proc. of the 10th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, ETFA 2005, Catania, Italy, September 19-22, Lobov, A., Puttonen, J., Herrera, V.V., Andiappan, R. and Lastra, J.L.: Service Oriented Architecture in Developing Loosely-coupled Manufacturing Systems. In Proceeding of the 6th IEEE International Conference on Industrial Informatics, pp , Julio 13-16, Daejeon (Korea), Moreira, L., Spiess, P., Guinard, D., Köhler, M., Karnouskos, S. and Savio, D.: SOCRADES: A Web Service Based Shop Floor Integration Infrastructure. The Internet of things, LNCS, Vol. 4952, pp , Springer Berlin, Zor, Sema; Görlach, Katharina; Leymann, Frank: Using BPMN for Modeling Manufacturing Processes. In: Sihn, Wilfried (ed.); Kuhlang, Peter (ed.): Sustainable Production and Logistics in Global Networks - Proceedings of 43rd CIRP International Conference on Manufacturing Systems, S-M. Lee, R. Harrison and A.A. West.: A component-based distributed control system for assembly automation. Proceedings of 2nd International Conference on Industrial Informatics. INDIN D.C. McFarlane and S. Bussmann.: Developments in Holonic Production Planning and Control. Intenational Journal of Production Planning and Control, Vol. 11, No. 6, pp , V. Gilart-Iglesias. Methodology for integral management of production processes: Modeling of Industrial Machinery as a BPMS. Ph. D. Thesis. University of Alicante (2010). 20. P. Harmon.: Service Oriented Architectures and BPM. Bussiness Process Trend, 22 February, F. Kamoun: A roadmap towards the convergence of Business Process Management and Service Oriented Architecture. Ubiquity, Volumen 8, T. Erl.: Service-Oriented Architecture.Concepts, technologies and design. Prentice Hall V. Gilart-Iglesias, F. Maciá-Pérez, J.A. Gil-Martínez-Abarca and A. Capella- D alton.: Industrial Machines as a Service: A model based on embedded devices and Web Services. Proceedings of 4th International IEEE Conference on Industrial Informatics (INDIN'06). Singapore, Davenport, T. Process Innovation. Harvard Business School Press, USA, Hammer, M. and Champy, J. Reengineering the Corporation: A Manifesto for Business Revolution. Harper Business, Rummler, G. A. and Brache, A.P.: Improving Performance: How to Manage the White Space in the Organization Chart. 2nd edition. Jossey-Bass, ISO/TC 176/SC 2/N544R.: Guidance on the Process Approach to Quality Management. ISO. (Online) Available at: (January, 2010). 28. EFQM model. (Online) Available at: (January, 2010). 29. Porter, M. E.: Competitive Advantage: Creating and Sustaining Superior Performance. Free Press, O. Barros.: Business processs architecture and design. Business Process Trend, 1 May, Groover, M.P.: Automation, production systems, and computer integrated, 2nd edition. Prentice Hall, Alting, L.: Manufacturing Engineering Processes. Marcel Dekker, 1993.

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