PRINCIPIOS PARA LA APLICACIÓN DEL ESTÁNDAR ISA S95. Libardo Steven Muñoz, Fabian Yesid Vidal, Oscar Amaury Rojas A

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1 PRINCIPIOS PARA LA APLICACIÓN DEL ESTÁNDAR ISA S95 Libardo Steven Muñoz, Fabian Yesid Vidal, Oscar Amaury Rojas A Grupo de I+D en Automática Industrial - Universidad del Cauca Calle 5 No 4-50, Popayán, Cauca, Colombia s: lmunoz@unicauca.edu.co, fyvidal@unicauca.edu.co, orojas@unicauca.edu.co Abstract: La obtención de una automatización integral de procesos de producción debe tomar en cuenta diferentes aspectos tales como, el proceso mismo, la estructura organizativa de la empresa, los equipos y la gestión de los insumos. La especificación y definición de esos aspectos se vuelve aún más compleja debido a las políticas económicas y la globalización, haciéndose imperioso aprovechar al máximo el flujo de información de los procesos de negocio de la empresa con el objetivo de lograr productividad y competitividad. En este artículo se presenta una visión conceptual y practica sobre como abordar un proyecto de integración en una empresa de manufactura bajo el estándar S95, el cual ha sido una herramienta de gran acogida en los últimos años para la integración de la información entre los sistemas de negocios y de manufactura. Keywords: Automatización integrada, ISA S95, MES, ERP, B2MML, Middleware. 1. INTRODUCCIÓN Bajo las condiciones políticas y económicas actuales, en las empresas de manufactura la integración empresarial es un aspecto fundamental para romper con las barreras comerciales y cumplir las exigencias de la economía global. La integración de la empresa permitirá romper las barreras organizacionales optimizando el trabajo colaborativo de modo que las metas del negocio sean alcanzadas de una forma más eficiente y productiva. Para lograr este propósito, es indispensable recurrir al modelado empresarial para exteriorizar el conocimiento del negocio, agregando valor a la empresa o compartiéndolo según la necesidad; este modelo debe representar la estructura, el comportamiento y la organización de la empresa, identificándose así los esquemas de control y coordinación de los procesos de negocios y los ambientes de toma cooperativa de decisiones (Vernadat, 2002). De manera general, en las empresas de manufactura se pueden identificar claramente dos tipos de componentes organizacionales: los sistemas ERP (Enterprise Resources planning) y los sistemas MES (Manufacturing Execution System). Los sistemas ERP, son sistemas de gestión que integran la información para la operación dinámica de los procesos de negocio de la empresa, buscando la optimización de sus operaciones logísticas y comerciales. Por su parte, los sistemas MES se encargan de administrar los procesos de transformación de materias primas en productos terminados, gestionando los diferentes recursos utilizados en la ejecución de los procesos productivos y la información que se genera durante y después de las tareas de producción. Los sistemas ERP y MES generan gran cantidad de información que debe ser intercambiada entre ellos; este intercambio de conocimiento debe ser dinámico, eficiente y eficaz permitiendo reducción en la inversión, tiempo de ingeniería e interoperabilidad entre aplicaciones de distintos fabricantes, para cumplir con los niveles de competitividad, eficiencia y calidad en los productos que exige la actual economía globalizada (Golden, 2005). Surge entonces la necesidad de cerrar la brecha entre los

2 sistemas que manejan los negocios y la logística de la empresa, y los sistemas que administran los procesos de producción, como se ilustra en la Figura 1. (ERP) Sistema de Negocios & Logística Nivel 4 (MES) Administración operaciones de manufactura. Nivel 3. Procesos de Producción Nivel 2,1,0. Frontera Empresa- Fig. 1. Niveles de información dentro de las empresas de manufactura. Aunque desde hace varios años se han realizado investigaciones en el desarrollo de teorías y modelos tendientes a la solución de este problema, no se ha llegado a un consenso en cuanto a la terminología y a los componentes que deberían participar en el intercambio de información, existiendo una alta dependencia en las soluciones software que se encuentran en el mercado, lo cual conlleva a obtener sistemas dependientes de tecnologías, poco escalables y adaptables (Vernadat, 2002). En este artículo se presenta los resultados de la aplicación de los conceptos y la terminología definida por el estándar ISA S95 en la solución del problema de integración en la frontera Empresa-. El artículo se encuentra organizado de la siguiente manera: en la sección 2 se realiza una pequeña reseña del objetivo del estándar ISA S95, en la sección 3 se presenta una descripción general del estándar y de los modelos utilizados para abordar el problema de integración, para posteriormente describir cada uno de los modelos y su importancia, finalmente la sección 4 incluye la discusión de las conclusiones del trabajo. 2. OBJETIVO DEL ESTÁNDAR ISA S95. A raíz de los múltiples inconvenientes que se han presentado en la realización de proyectos de integración, surgió la necesidad de unificar conceptos y generar un acercamiento estándar del problema que no solo ofreciera la posibilidad de realizar una integración fácil y confiable, sino lograr reducción de costos, flexibilidad, independencia entre aplicaciones y un lenguaje común de comunicación. Es así como la ISA (Instrumentation, Systems and Automation Society), empezó a trabajar en este objetivo reuniendo a fabricantes, usuarios finales y personas involucradas en este ámbito. De esta manera a partir del año 2000 como resultado del trabajo y del consenso de dichos expertos, se han desarrollado y liberado las tres primeras partes de un estándar denominado ISA S95: Enterprise- Integration (ISA, 2000), estándar que ha sido ampliamente aceptado a nivel mundial y el cual ha sido un avance significativo para la solución de problemas de integración empresarial. Para tener éxito en los proyectos de integración que se trabajan bajo el estándar ISA S95, es de vital importancia una adecuada identificación de la frontera entre los niveles del sistema de negocios y las operaciones de manufactura. Por tanto, se han establecido modelos con vistas particulares del problema, permitiendo abordar la integración de manera ordenada, incrementando el nivel de detalle de todos los conceptos que se ven involucrados en el intercambio de información. El uso de los modelos propone implícitamente una metodología de aplicación del estándar, en la cual se inicia con la recolección de información, identificándose los componentes de la empresa que participan en intercambio de datos a través de la frontera empresa-control, posteriormente se define la información que debe ser intercambiada entre los dos niveles y finalmente se realiza la estructuración del conocimiento en un lenguaje común, el cual permite el flujo dinámico de los datos entre diferentes plataformas o sistemas. 3. APLICACIÓN DEL ESTÁNDAR ISA S95 El estándar ISA S95 contemplan tres modelos, los cuales corresponden a: el modelo jerárquico que busca la definición de la frontera entre los dominios de empresa y de control, el modelo de flujo de datos funcional en el cual se identifican las funciones de interés en la empresa, así como los flujos de datos entre dichas funciones y el contenido de los mismos y finalmente el modelo de objetos donde se precisan las categorías de información e interfaces estándar

3 entre los niveles MES y ERP. El proceso de aplicación del estándar que se aborda a continuación se enmarca dentro de las fases mostradas en la figura 2 (ISA, 2000). Definición Dominios Definición Información Fig. 2. Modelos del estándar ISA S Modelo jerárquico. Funciones en Los dominios Categorías de Información El modelo jerárquico definido en el estándar esta constituido por dos componentes: el modelo jerárquico de decisiones y el modelo jerárquico de equipos. En el modelo jerárquico de decisiones se definen los sistemas de toma de decisiones en el dominio de negocios & logística y el dominio de manufactura, como se muestra en la figura 3 (ISA, 2000). Discreto Planeación de Negocios & Logística nivel 4 Operaciones de Manufactura Nivel 3 Continuo Batch Fig. 3. Modelo jerárquico de decisiones. Funciones de Interés Flujos de Información de interés Plan de producción de planta, gerencia operacional, etc. Ejecución y plan detallado de la producción, confiabilidad y seguridad. Monitoreo, control y supervisión de variables de proceso Para la definición del domino de negocios de la empresa se toman como referencia todas las decisiones que afectan al negocio, se administran y/o gestionan los recursos económicos y humanos de la empresa, se proyecta el mercado, y se establecen políticas de producción, todo esto teniendo en cuenta información suministrada por el dominio de manufactura. Por otro lado, para el establecimiento del dominio de manufactura se conciben las decisiones que corresponden a la administración y ejecución de las operaciones de producción, teniéndose en cuenta la gestión de todos los recursos involucrados en ella con el fin de cumplir los objetivos de producción establecidos por el ámbito de negocios. Las actividades que se llevan a cabo en este ámbito están definidas por la Manufacturing Enterprise Solutions Association (MESA, 1995). Por lo tanto, cuando se esta enfrentando un proyecto de integración, el modelo jerárquico de decisiones permite dar el primer paso para lograr el objetivo de integración, debido a que se identifican las áreas de la empresa que se encuentran en cada uno de los dominios mencionados, de esta manera se identifican y definen las responsabilidades, el tipo de decisiones y acciones que son tomadas en cada uno de los niveles. Por su parte, el modelo jerárquico de equipos permite obtener la identificación, ubicación, funciones y responsabilidad de los activos de la empresa que participan en las operaciones de manufactura. Este modelo de equipos corresponde exactamente al definido en el estándar ISA S88 (ISA, 2004) para control de procesos tipo batch Modelo de flujo de datos funcional. Mediante este modelo se deben establecer y definir todas las funcionalidades que existen dentro de una empresa de manufactura, entendiéndose como funcionalidades al agrupamiento de actividades comunes, por ejemplo: programación de la producción, administración de operaciones de inventario y control de producción. Adicionalmente, en esta fase del proyecto de integración se deben definir los flujos de información que son compartidos entre las funcionalidades a través de la frontera Empresa-. El modelo de flujo de datos funcional propuesto por ISA S95 se muestra en la Figura 4 (ISA, 2000). El modelo de flujo de datos funcional es relevante en el desarrollo del proyecto de integración, debido a que permite establecer las actividades y funciones que se llevan acabo en cada uno de los dominios de la empresa, y adicionalmente permite decidir si una

4 funcionalidad realiza acciones que corresponden al dominio de negocios, al dominio de manufactura o en algunos casos es compartido por los dos niveles Modelo de objetos. Una vez se obtenga el modelo de flujo de datos funcional se debe abordar la aplicación del modelo de objetos, en el cual se definen cuatro categorías de información que son las que se intercambian entre los dominios de negocios y manufactura. Estas categorías corresponden a: Capacidad de la Producción, Definición de Producto, Programa de Producción y Desempeño de la producción, como se muestra en la Figura 5 (ISA, 2005). Por lo tanto, todos los flujos de datos definidos en el modelo de flujo de datos funcional deben ser agrupados en estas categorías. Fig. 4. Modelo de flujo de datos funcional. En el momento de abordar el desarrollo del modelo de flujos de datos funcional, en primera instancia se debe realizar la recopilación de la información donde se especifiquen acciones, responsabilidades, tipos de información y decisiones que son tomadas en las diferentes áreas o departamentos de la empresa, todo esto con el fin de identificar y clasificar estas operaciones dentro de las funcionalidades abordadas en el estándar. En este sentido, es de gran utilidad tener en cuenta las siguientes consideraciones y aclaraciones en el desarrollo de este modelo: El modelo funcional no es un modelo de departamentos sino un modelo de funciones con un ámbito común, las cuales son agrupadas en entes llamados funcionalidades. En una funcionalidad pueden estar involucrados varios departamentos o áreas de la empresa. Un área o departamento puede realizar funciones dentro de una o más funcionalidades. Las funcionalidades definidas en el modelo son aquellas que están involucradas en el intercambio de datos entre los niveles MES y ERP. Una funcionalidad puede realizar actividades relacionadas con la manufactura (nivel 3) o con el sistema de negocios (nivel 4) dependiendo de las políticas y de la organización de la empresa. Capacidad de la producción Sistema de Negocios & Logística (ERP) Definición de Producto Sistema MES Programa de Producción Desempeño de la producción A E A Fig. 5. Categorías de Intercambio de Información. A su vez, estas 4 categorías pueden ser agrupadas de manera general en dos conjuntos de información: análisis (A) y ejecución (E). Las categorías que manejan la información relacionada con el análisis, son la capacidad de la producción y el desempeño de la producción, ambas categorías de información son enviadas desde el dominio de manufactura hacia el dominio de negocios. En el caso de la capacidad de la producción, esta le permite al ámbito de negocios realizar un análisis para la toma decisiones sobre la programación de la producción que se va a ejecutar, ya que con esta información se conocen los recursos que se encuentran disponibles. Por otro lado, la información del desempeño de la producción corresponde a los datos que utiliza el nivel de negocios para hacer un análisis de costos y evaluación del comportamiento de los recursos utilizados en la producción. Las categorías de definición de producto y programa de producción se consideran de ejecución, debido a que concentran la información enviada desde el dominio de negocios hacia el dominio de manufactura, indicándose lo que se debe producir y

5 de que manera debe hacerse. La información de definición de producto le da a conocer los procedimientos y operaciones que se deben ejecutar al nivel MES para la obtención de cada uno de los productos de la empresa. La información de programa de producción se concibe como los datos donde se especifican los requerimientos de producción en cuanto a productos, lugares de producción y a los recursos que deben utilizarse para cumplir con dichos requerimientos. Además de las categorías de información, la parte 1 del estándar S95 define los siguientes modelos: Modelo de materiales, Modelo de equipos, Modelo de personal, Modelo de segmento de proceso y Modelo de Mantenimiento (ISA, 2005). Los modelos de material, equipos y personal hacen referencia a los recursos con que cuenta la empresa, y el modelo de segmento de proceso define las fases del proceso de producción en la empresa. Por su parte, el modelo de mantenimiento es utilizado cuando se necesita intercambiar información sobre solicitudes y respuestas de mantenimiento a los equipos. El estándar S95 define la representación de sus modelos utilizando diagramas de clases desarrollados en Unified Modeling Language (UML, 2003), tal como se muestra en el ejemplo del modelo de personal de la Figura 6 (ISA, 2000). negocios y el dominio de manufactura (Schumacher, H. and Johnsson, C. 2004). Por lo anterior, el componente relevante en el desarrollo del modelo de objetos, es el análisis detallado y posterior desarrollo de los esquemas B2MML (Business to Manufacturing XML) desarrollados por el WBF (World Batch Forum). Estos esquemas representan una traducción XML de los modelos de objetos definidos por el estándar ISA S95, de esta manera el lenguaje B2MML se considera como la interfase entre los sistemas de negocios y de manufactura, obteniéndose independencia de las aplicaciones que se encuentren en cada uno de los niveles. En los proyectos de integración que no contemplen lenguajes comunes para el intercambio de la información, se tenderá a obtener una solución tipo Espagueti en la cual se presentan diferentes interfaces, tanto en la estructura como en el formato de la información, como se muestra en la figura 7. Fig. 7. Arquitectura Espagueti. Fig. 6. Modelo de Personal. Es importante resaltar que bajo la aplicación del estándar, UML es utilizado como un método de visualización y no está concebido para la descripción y desarrollo de implementaciones. Por tanto, mediante los diagramas de clases en UML se obtiene una descripción visual general de la integración independiente del software a utilizar, pero en el desarrollo de la aplicación es mucho mas útil tener una solución técnica que permita realizar el intercambio de información entre el domino de Mediante la aplicación del estándar S95 y el uso de los esquemas B2MML, se obtiene una arquitectura donde solo existe una interfaz estándar y genérica, la cual es independiente de las arquitecturas de integración del proveedor en cada uno de los niveles, como se muestra en la figura 8 (Schumacher and Johnsson, 2004). En este escenario, se puede identificar el uso de las herramientas middleware para el sistema MES y para el sistema ERP. El ERP middleware se encarga de coordinar el envió de los mensajes del sistema ERP en B2MML hacia el nivel MES y de manera inversa transforma los mensajes provenientes del Nivel MES en B2MML, al formato XML que soporta el sistema de Negocios. Por su parte, el MES middleware realiza las mismas funciones pero para el sistema MES, transformando

6 los mensajes que llegan desde el nivel de negocios en formato B2MML al formato XML que soporta el sistema MES y realizando el cambio de formato de los mensajes que genera el sistema MES al formato B2MML para enviarlos al nivel de negocios. partes; esta interfaz se basa en los esquemas B2MML desarrollados por el World Batch Forum. En el futuro, será importante la unificación de conceptos del estándar ISA S95 con los nuevos paradigmas de integración empresarial, tales como los Sistemas Holónicos de Manufactura (HMS) con el objetivo de reducir los niveles jerárquicos y permitir una toma de decisiones de manera mas eficiente, así como mayor reactividad y autonomía en las operaciones de la empresa. RECONOCOCIMIENTOS Fig. 8. Arquitectura resultante con el estándar ISA S95 y los esquemas B2MML. 4. CONCLUSIONES En el trabajo se ha mostrado el proceso de aplicación del estándar S95, ofreciendo una visión clara y concisa sobre como abordar un proyecto de integración de información entre los niveles MES y ERP de una empresa de manufactura. En este proceso es relevante establecer una correcta definición de la frontera entre el dominio de negocios y el dominio de manufactura para que las dinámicas presentes en cada uno de ellos no afecten las operaciones del otro sistema. En la aplicación del estándar S95 es relevante concebir que la frontera entre los niveles de manufactura y de negocios es totalmente flexible y está determinada por el grado de responsabilidad asignado a las funcionalidades dentro de la empresa. Esto es claramente reflejado en el modelo funcional, el cual no es un modelo de departamentos sino un modelo de funciones con un ámbito común, por tanto en una funcionalidad pueden estar involucrados varios departamentos o áreas de la empresa y algunas de las funcionalidades del nivel MES descritas en el estándar podrán aparecer en el nivel ERP. Mediante la aplicación del estándar ISA S95 se obtiene una interfaz común para el intercambio de información entre el dominio de negocios y el dominio de manufactura, independiente de las soluciones que se tengan implementadas en ambas Este trabajo ha sido posible gracias a la colaboración de personas con reconocida trayectoria en la definición y aplicación del estándar ISA S95: los ingenieros Francisco Ferrero y Alejandro Imass, quienes participaron en el proyecto de implementación del estándar ISA S95 en la cervecera Polar en Venezuela, así como la invaluable asesoría de los siguientes miembros del comité SP95: Bianca Scholten, Dennis Brandl, Jean Vieille y Charlotta Jonson REFERENCIAS Ferrero, Francisco y Pérez, Felipe. (2006). valor agregado de la aplicación de estándares ISA en la automatización de cervecerías. Golden, Bernard (2005). Why Open Resocurce is Important to you. (2000). ISA Enterprise- System Integration Part 1: Models and Terminology. (2001). ISA Enterprise- System Integration Part 2: Object Model Attributes (2004). ISA88 Part 1. (2005). ISA Enterprise- System Integration Part 3: Activity Models of Manufacturing Operations Management. MESA (1995). The s Layer: s definition and MES to s data flow. White paper number three. Florida, USA. Schumacher, Heike and Johnsson, Charlotta. (2004). Communication through B2MML is that possible?

7 UML (2003). UML 2.0 superstructure specification. ptc/ , OMG, Vernadat, F.B. (2002). Enterprise modeling and integration (EMI): current status and research perspectivas. Annual Reviews in, 26: