Sistema de Control y Reprogramación de la Producción basado en Captura Inalámbrica de Datos en Planta Control System and Rescheduling of Production Based on Wireless Data Capture at Floor Eguizábal L 1, Lago A 2, Fernández A 3 Abstract This paper presents a manufacturing control system that allows combine information from the planning of the production, generated from the ERP, with real-time information collected from the manufacturing plant situation. Thus, the control system can reprogram the production based on the current state of production workshop and new events that occur day by day (rush orders, machine breakdown, and so on.). This application of production control is based on an innovative data capture system in workshop, based radio frequency identification (RFID). To increase the versatility of the capture system, have combined the use of RFID readers, with the implementation of a wireless data network based on the ZigBee protocol. The use both technologies enables the development of an easy implantation systems and low cost. The solution developed is useful for companies with low degree of automation, which require reliable data in real time, to perform tasks such as: asset management, queue management of manufacture, real calculations of costs and manufacturing time measurement. Throughout this work will be described in detail, the data capture system and the application to control the production developed. 1 Luis Eguizábal Gándara ( e-mail: eguizaba@uvigo.es) Dpto. de Tecnoloxía Electrónica. Escola de Enxeñería Industrial. Universidade de Vigo. C/ Torrecedeira 86, 36208 Vigo. 2 Alfonso Lago Ferreiro ( e-mail: alago@uvigo.es) Dpto. de Tecnoloxía Electrónica. Escola de Enxeñería Industrial. Universidade de Vigo. Campus Universitario Lagoas-Marcosende, 36310 Vigo. 3 Arturo Fernández Gónzalez ( e-mail: ajfdez@uvigo.es) Dpto. de Organización de Empresas y Marketing. Escola de Enxeñería Industrial. Universida de de Vigo. Campus Universitario Lagoas-Marcosende, 36310 Vigo. 1050
Resumen Este artículo presenta un sistema de control de la producción que permite combinar la información procedente de los planes de fabricación, generada desde el sistema de gestión empresarial (ERP), con la información recogida en tiempo real de la situación de la planta de producción. De esta manera el sistema de control permite reprogramar la producción basándose en el estado actual de los talleres de producción y nuevos eventos que se producen en el día a día (pedidos urgentes, avería en máquinas, etc.). Esta aplicación de control de la producción está basada en un innovador sistema de captura de datos en planta, que emplea la identificación por radio frecuencia (RFID). Para incrementar la versatilidad del sistema de captura se ha combinado el uso de lectores RFID, con la implementación de una red de datos inalámbrica basada en el protocolo ZigBee. El uso de ambas tecnologías permite el desarrollo de un sistema de fácil implementación y bajo coste. La solución desarrollada es útil para empresas con bajo grado de automatización, que requieran datos fiables en tiempo real, para realizar tareas como: gestión de activos, gestión de colas de fabricación, cálculos reales de coste y tiempos de fabricación. A lo largo de este trabajo se describirán en detalle, el sistema de captura de datos y la aplicación para el control de la producción desarrollada. Keywords: Production Management, Production Scheduling and Rescheduling, Enterprise Resource Planning, Asset Management, Workshop Data Capture, RadioFrequency IDentification (RFID). Palabras clave: Gestión de la Producción, Programación y Reprogramación de la Producción, ERP, Gestión de Activos, Captura de Datos en Planta, Identificación por Radio Frecuencia. 1 Introducción El sistema de control de la producción que se presenta en este artículo está pensado para empresas organizadas en talleres funcionales (Job-Shop) con bajo grado de automatización. Este tipo de centros de producción se caracterizan por atender una fabricación bajo pedido, con poco grado de estandarización en sus productos y con lotes pequeños de fabricación. Otro aspecto que destaca en este tipo de empresas es la dificultad de elaborar la programación de la producción (Scheduling) dejando la complicada tarea de gestionar las Órdenes de Trabajo (OT) al encargado del taller. Como resultado de esta situación los talleres con distribución por proceso, tienen la gran ventaja de ser muy versátiles a la hora de abordar distintos tipos de tareas y productos, pero presentan el inconveniente de ser difíciles de gestionar. Blazewicz J (1996) analiza en detalle la problemática de realizar la planificación de la producción en talleres de tipo Job Shop. Con la finalidad de obtener me- 1051
joras en la productividad en talleres de fabricación con distribución de este tipo y bajo grado de automatización, se pensó desarrollar un Sistema de Captura de Datos en Planta (SCDP), que ofrezca al departamento de producción, datos fiables y en tiempo real de la situación del taller. Esta información permitirá la reprogramación de la producción y, en general, la toma de decisiones para incrementar su eficiencia de los procesos de fabricación. Hasta la fecha, la toma de datos en la mayoría de las empresas de tipo Job Shop se realiza, en el mejor de los casos, mediante terminales táctiles de comunicación hombre-máquina o con PCs. Este método tiene el inconveniente que los operarios tienen que introducir la información de las tareas realizadas manualmente, aspecto que provoca la baja fiabilidad de los datos recogidos, tanto por los posibles errores como por la posibilidad de alterar los datos a conveniencia del trabajador. La aparición de la tecnología RFID, ha permitido implementar SCDP semiautomáticos, aspecto que incrementa la calidad de la información aportada y reduce los tiempos improductivos de los operarios. En este trabajo se presenta tanto la parte hardware con el software para implementar un Sistema de Control de la Producción (SCP) basado en un SCDP con tecnología RFID. Con este objetivo se ha organizado este artículo de la siguiente forma. En la sección 2 se analizan las dos tecnologías principales que se emplean para implementar el SCDP: el RFID y las redes de datos inalámbricas. En la sección 3 se explica en detalle el SCDP desarrollado, describiendo la configuración de los lectores y la estructura de la red desarrollada. En la sección 4 se presenta el software realizado para implementar el sistema de control de la producción propuesto, se presentarán la distintas aplicaciones software desarrolladas. Por último, En la sección 5 se dedicará al análisis de las conclusiones y las líneas de investigación futuras. 2 Tecnologías Utilizadas para la Implementación del Sistema de Captura de Datos en Planta Con la finalidad de implementar un sistema de control y reprogramación de la producción adecuado para empresas de tipo Job-shop, se ha desarrollado un novedoso SCDP que proporcionase datos fiables y de la forma automática. Para ello se seleccionaron dos tecnologías: el RFID y las redes de datos inalámbricas. 2.1 Identificación por Radio Frecuencia El RFID permite identificar artículos, sin contacto óptico entre el lector y la etiqueta, mediante radiofrecuencia. Presenta otra gran ventaja respecto a otros méto- 1052
dos de identificación como los códigos de barras, y es que permite la lectura simultánea de múltiples etiquetas. Estas dos características hacen al RFID de una herramienta idónea para la recogida de datos en planta. Existe numerosa literatura donde se analizan la aportación del RFID a la gestión empresarial, en aspectos desde la cadena de suministro Xiaowei A (2012), hasta los procesos de producción Duncan M (2003) y Kurt H (2008). En toda aplicación RFID existen tres componentes básicos: las etiquetas, los lectores-escritores de etiquetas y el software de gestión de datos. En la figura 1, se muestra la estructura más habitual de los sistemas RFID. Fig. 1 Estructura sistema RFID Los parámetros más importantes que se debe de analizar a la hora de abordar una implantación RFID son: Elección de la frecuencia de funcionamiento del sistema RFID. La frecuencia marcará la distancia de lectura entre el lector y la etiqueta. Otro aspecto a seleccionar es el tipo de etiquetas. Se pueden clasificar: en pasivas (muy sencillas, baratas y sin batería) y las activas (más complicadas, con baterías, pero cuya distancia de lectura es mucho mayor). Entre ambas existe la variante de las semiactivas. Otro parámetro importante a considerar es el tipo de productos que se van a etiquetar en la aplicación: artículos, herramientas o simplemente los papeles. Para la implementación de nuestro SCDP, se emplearán etiquetas HF de bajo coste e imprimibles con impresoras RFID convencionales, que se pegarán en las Órdenes de Fabricación (OF) para controlar la evolución de los procesos de producción. Los lectores serán también de bajo coste de tipo embebidos (Embedded RFID Readers). 1053
2.2 Redes de Datos Inalámbrica. Red ZibBee A la hora de implementar la red de datos se buscó una opción que permitiese su fácil implementación y un coste reducido. Además el sistema de captura no va a generar un grado volumen de datos. Después de analizar distintas posibilidades se decidió emplear la red ZigBee, basada en el estándar IEEE 802.15.4. Este estándar define dos tipos de dispositivos: Dispositivos de funcionalidad completa (Full Function Device, FFD). Dispositivos de Funcionalidad Reducida (Reduced Function Device, RFD). Un FFD puede funcionar como coordinador PAN (Personal Área Network), como router o como dispositivo final (End device). Los FFD s pueden comunicarse con cualquiera de estos tres tipos de dispositivos. Sin embargo un RFD suele ser un dispositivo más simple, con menor capacidad para realizar tareas complejas o de larga duración. En la figura 2, se indica la estructura de tres posibles configuraciones de las redes ZigBee. Fig. 2 Estructuras más habituales de redes ZigBee El rango máximo entre nodos de la red depende de la potencia de los mismos, pero la distancia está comprendida entre 100m y 1Km. La utilización de los Router permite ampliar el tamaño de la red. Este tipo de comunicación ofrece caminos redundantes por toda la red, de modo que si falla un camino, otro se hará cargo del tráfico. En Callawy E (2002) se presenta una descripción detallada de las redes bajo la norma IEEE 802.15.4. Actualmente existen cerca de una veintena de compañías dedicadas a la fabricación de chips para el protocolo ZigBee, entre las más importantes están: Texas Instruments, Microchip Technology, Digi International. En este trabajo después de 1054
estudiar, el hardware y el entorno de desarrollo de estos tres fabricantes, se ha optado por la solución planteada por Digi International, debido a la cantidad de información disponible, a su robustez y su amigable entorno de trabajo. 3 Implementación de la Red de Captura de Datos en Planta Tal como se indicó en las secciones anteriores, el SCDP que se presenta en este trabajo está basado en dos tecnologías novedosas: las redes ZigBee y el RFID. La primera de ellas se ha empleado para la implementación de la infraestructura de la red de captura de datos, y la segunda, como elemento de lectura de información. A continuación, se describe el desarrollo del sistema de captura de datos. Para este trabajo se ha desarrollado una red ZigBee en configuración en estrella; es decir, con un coordinador de red Access Point (AP) y un total de cinco de dispositivos finales (Router/End Device) uno por máquina. En estos dispositivos finales es donde se implementarán los lectores RFID. Por lo tanto, serán los puntos donde se recogerá la información de las etiquetas. El AP se conectará directamente al puerto USB del PC y se encargará de recopilar la información de toda la red. A continuación, se describe la estructura de los elementos de la red y cuál es su configuración. Access Point. Para el envío de información a los Router/End Device se ha seleccionado una comunicación de tipo Broadcast, de tal manera que los paquetes de datos enviados por el AP serán recibidos por todos los elementos de la red. En las peticiones de información enviada a los Router se enviará el número de nodo (nº de máquina) al que se le realiza la petición, de tal manera que solo responderá al que pertenezca el identificador enviado. Estructura de los Router/EndDevice. Este tipo de nodos son los elementos de captura de datos. En este apartado se describirá cuál es el hardware y software desarrollado para implementar los dispositivos finales de la red, basados en lectores RFID. Para la implementación de los End Device son necesarios tres elementos: 1. El lector RFID. Lo primero que se hizo fue seleccionar un lector adecuado que tuviera posibilidad de comunicación, además de un precio asequible. Después de analizar distintos lectores de varios fabricantes, se optó por los lectores embebidos del fabricante Skyetek. Éstos, además de tener varias salidas de comunicación (UART, SPI, USB) tienen un robusto protocolo anticolisión, que permite leer varias etiquetas simultáneamente, aspecto este último necesario para esta aplicación. El lector empleado dispone de una antena integrada. 1055
2. El modem ZigBee. Se seleccionó el mismo modelo que para el AP, del fabricante Digi. Éstos, se programaron en modo AT, y con dirección de destino la del AP. 3. Un microcontrolador. Para comunicar el lector RFID con el modem ZigBee es necesario implementar un circuito interface entre ambos. Para la realización de las primeras pruebas se seleccionó la plataforma de hardware libre Arduino, basados en los microcontroladores de Atmel AVR. Este entorno permite desarrollar aplicaciones, bajo lenguaje C++, de forma rápida y a bajo coste. Una vez depurada el hardware se desarrolló la placa lectora que se muestra en la figura 3. Fig. 3 Detalle del Router/EndDevice con todos sus componentes 4 La Aplicación para Control de la Producción El sistema de control de la producción desarrollado está basado en tres aplicaciones software: 1. El programa para la gestión del SCDP. Esta aplicación ha sido desarrollada en C# y tiene por misión la exploración de sistema de captura, para determinar que etiquetas RFID se encuentran en cada uno de los lectores. El SCDP está basado en la colocación en las OF, de unas etiquetas RFID pasivas de HF. Estas etiquetas se pueden imprimir con impresoras RFID, para ser pegadas con las OFs. En empresas de tipo Job-Shop estudiadas, las órdenes de fabricación se mueven por el taller con sus materiales. El SCDP que se presenta en este artículo está pensado para una planta en la cual se disponen de cinco máquinas, en cada una de éstas se colocarán dos bandejas archivadoras, con sus respectivos lectores de RFID. En la primera de las bandejas se colocará la OF que está en ejecución, junto con la etiqueta que identifica al operario que va a realizar la tarea, y en la segunda, se ubicarán las OFs, que se encuentran en espera para ser procesadas en la máquina. La información recogida se grabará en una BBDD. 1056
Fig. 4 Consola de gestión del SCDP 2. Una aplicación realizada en Access que permite tratar los datos suministrados por el SCDP. Este software actúa como Middleware, filtrando la cantidad de datos que se recogen del SCDP. Para ello se han definido varias tablas donde se almacenarán las OFs que se encuentran en ejecución y en espera en cada una de las máquinas, que forman el taller de producción. Estas OFs una vez ejecutadas se pasan a otras tablas, donde se almacenan históricos de los tiempos de ejecución y de espera de las mismas. Esta base de datos permite realizar: Gestión de activos. Conociendo en todo momento qué OF se está ejecutando en cada máquina, que materiales se están y qué operario está trabajando con dicha OF. También informa sobre que OFs están en espera en cada máquina, cuándo se recepcionan las materias primas, o cuándo llegan materiales de operaciones externas, etc. Medición de tiempos, cálculo de indicadores y costes de fabricación. Con el sistema de captura de datos basado en tecnología RFID, se podrá medir de forma automática e inmediata tiempos de inactividad y actividad de una OF, en su totalidad o en un centro de trabajo determinado, y/o un tiempo de referencia (p.ej. un turno, una semana, etc). Estos datos permitirán calcular asimismo indicadores de productividad como, la disponibilidad (relación entre tiempo productivo real descontando paradas por setups, esperas o averías- y tiempo total destinado a producción), la eficiencia o rendimiento (relación entre tiempo teórico para la producción obtenida y tiempo real invertido). Los indicadores anteriores servirán para la determinación de la OEE (Overall Equipment Efficiency). En la figura 5, se puede observar un sinóptico de la planta estudiada, en la que se pueden apreciar las máquinas que están en marcha (color verde, se detecta OF y 1057
operario), en espera (color amarillo, sólo se detecta OF) y paradas (color rojo, no se detecta ni OF, ni operario). Fig. 5 Sinóptico de la planta de producción 3. Software planificador de recursos empresariales (Enterprise Resource Planning ERP). Con la finalidad de realizar un reprogramación en tiempo real de la producción del taller, se ha unificado la información proveniente de la planta, con el programa de producción elaborado con ayuda de un sistema ERP. Para la implantación del ERP se ha seleccionado la aplicación integrada de código abierto OpenERP. Tomando como base el programa de producción obtenido de una empresa del sector del metal del área de Vigo y de los lectores ubicados en sus cinco talleres de producción, se optimiza la gestión de colas de producción en cada una de las máquinas. Esta optimización se consigue analizando parámetros como: fechas de entrega, prioridad de clientes, disponibilidad de materiales para la ejecución de una orden. En la figura 5, se puede observar las OF en espera y la secuencia de ejecución propuesta por el sistema. 5 Conclusiones y Líneas Futuras de Investigación En este artículo se ha presentado un novedoso sistema de control de la producción para empresas con grado bajo de automatización, que necesiten información en tiempo real con la finalidad de mejorar la gestión de sus talleres de fabricación. El sistema que se muestra en este trabajo presenta como novedad la utilización de un SCDP basado en lectores RFID inalámbricos, que permite que la recogida 1058
de información se realice con una mínima intervención por parte de los operarios, los cuales se limitan a ubicar las OFs en los lugares predeterminados para ello, sin necesidad de teclear datos ni tan siquiera utilizar pantallas táctiles. Esta característica hace que los datos recogidos sean inmediatos y más fiables. Partiendo de la información adquirida, se ha desarrollado una aplicación software que permite mejorar la gestión de los talleres de tipo Job-Shop, proporcionando información para: 1. Gestionar los activos 2. Conocer en tiempo real la situación de la planta de fabricación. 3. Medir los tiempos de ejecución y de parada, espera, avería, etc. 4. Realizar cálculos reales de indicadores y costes de fabricación 5. Optimizar la gestión de colas de fabricación. Después de la realización de este trabajo se ha observado la posibilidad de integrar todas las aplicaciones software desarrolladas en una única. Para ello se pretende desarrollar todo el sistema, como un módulo integrado en el OpenERP, lo cuál facilitaría el manejo del sistema de control de la producción. Otra línea de trabajo futuro es la definición de un algoritmo que automatice la reprogramación en tiempo real de la producción de la planta. Finalmente, también se estudia la posibilidad de mejorar el SCDP, de tal manera que éste aporte información sobre los tipos de paradas producidas, con la finalidad de poner en marcha un sistema de mejora para obtener mayores índices de OEE. 6 Referencias Błazewicz, J., Domschke, W., and Pesch, E. (1996). The job shop scheduling problem: Conventional and new solution techniques. European Journal of Operational Research, 93:1 30. Duncan McFarlanea, Sanjay Sarmab, Jin Lung Chirna, C.Y. Wonga (2003) Auto ID systems andintelligent manufacturing control. Pergamon, Engineering Applications of Artificial Intelligence 16 365 376. Ed Callaway, Paul Gorday, and Lance Hester (August 2002) Home Networking with IEEE 802.15.4: A Developing Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Networks. IEEE Communications Magazine. Kurt Hozak, David A. Collier (2008) RFID as an Enabler of Improved Manufacturing Performance. Decision Sciences, Volume 39 Number 4 November 2008. Xiaowei Zhu a, Samar K. Mukhopadhyay b, Hisashi Kurata (2012) A review of RFID technology and its managerial applications in different industries. Journal of Engineering and Technology Management, 29 (2012) 152 167. 1059