Planeación y scheduling de la producción

Autor: Juan David Suárez Gil

Producción, procesos y operaciones

11-10-2011

La planeación de la producción es una de las principales funciones dentro de una organización, ya que por medio de esta se gestionan los factores de mano de obra, materias primas, maquinaria y equipo.

La planeación de la producción implica traducir los planes empresariales anuales y trimestrales a unos amplios planes de trabajo y producción a mediano plazo. Su objetivo es minimizar el costo de los recursos requeridos para satisfacer la demanda durante ese periodo.

La planeación y el scheduling en una compañía se traducen en técnicas matemáticas y métodos heurísticos para asignar recursos limitados a las actividades que se deben hacer. Esta asignación de recursos tiene que ser hecha en un sentido en el cual la compañía optimice sus objetivos y alcance sus metas. Los recursos pueden ser maquinas en un taller, rutas en un aeropuerto, equipos en una construcción o procesadores en un ambiente computacional. Las actividades pueden ser operaciones en un taller, despegues y aterrizajes en un aeropuerto, etapas en un proyecto de construcción, o programas de computador que deben ser ejecutados. Cada actividad debe tener un nivel de prioridad, un comienzo lo más pronto posible y una fecha de finalización. Los objetivos pueden tener diferentes formas, como minimizar el tiempo para completar todas las actividades, minimizar el número de actividades que se han completado después de las fechas de entrega comprometidas, etc.

En este documento se explica la Planeación y el Scheduling de la producción en varias etapas. La primera parte muestra las principales características de los modelos que se utilizan para hacer la planeación, dentro de estas características están las variables necesarias que están involucradas en los cálculos de los modelos de planeación. Las variables involucran todo lo relacionado con trabajos, las maquinas y las instalaciones y con los tipos de restricciones que se tienen en el mundo real.

Caracterización de los modelos de Planeación y Scheduling de Producción

Los modelos de planeación y scheduling de la producción en las empresas manufactureras pueden ser caracterizados por una variedad de factores; el numero de recursos y maquinas disponibles, sus características y configuraciones, el nivel de automatización del sistema, el tipo de sistema de manejo de materiales, etc.

En general los modelos de manufactura tiene que ver con “maquinas” que hace referencia a los recursos y los “trabajos” que son las tareas que deben hacerse. En los procesos de producción, un trabajo puede ser una simple operación o muchas operaciones en diferentes tipos de maquinas.

En términos generales, los modelos utilizados para la Planeación y scheduling de la producción, incluyen dentro de sus cálculos variables principalmente relacionadas con los recursos que se tienen, maquinas, numero de trabajadores, tipo de instalaciones, tipos de procesos, etc. A su vez existen una serie de restricciones en todos los procesos de producción las cuales deben tenerse en cuenta para obtener uno planes de tareas similares a la realidad que permitan el control de la producción.

En los capítulos siguientes se estudian los principales recursos que se tienen y las restricciones necesarias en los modelos de planeación de la producción.

Trabajos, Máquinas e Instalaciones

En cuanto a los trabajos, las maquinas y las instalaciones, tenemos los siguientes parámetros que se involucran en los modelos de planeación y scheduling:

Los parámetros necesarios para desarrollar los modelos se pueden clasificar en parámetros del proceso y del producto y en parámetros de las maquinas y las instalaciones.

Para los primeros tenemos unos datos iniciales los cuales si son datos que se mantienen constantes en el tiempo (Estáticos) o datos cambiantes durante la modelación (Dinámicos).

Los datos estáticos necesarios son:

- Tiempo de proceso: tiempo de realización de un trabajo en una máquina.

- Fecha de lanzamiento: Fecha en la que un trabajo ya puede empezar el proceso.

- Fecha de vencimiento: Fecha comprometida de entrega del producto con el cliente.

- Peso: Es la prioridad de un trabajo. Puede representar el costo de mantener un trabajo en el sistema así como puede ser el costo de almacenamiento o el valor agregado asignado al trabajo.

A continuación se enumeran los datos dinámicos:

- Punto de arranque: Es el momento en el cual un trabajo empieza su proceso en la fábrica.

- Tiempo de finalización: Es el momento en el cual un trabajo es completado en una maquina.

Por otro lado, existen característica importante de los modelos de planeación y scheduling son las configuraciones de las maquinas, para esto se tiene:

- Modelos de una sola maquina: son importantes ya que casi todos los sistemas pueden llegar a ser de este tipo. Cuando se tiene un cuello de botella, la máquina que lo causa determina el desempeño de todo el sistema, debido a esto se puede modelar como una sola maquina. Estos modelos han sido muy analizados por esto se tienen una colección de reglas que determinan el comportamiento, algunas de estas son: La fecha de vencimiento más temprana primero, o el menor tiempo de proceso primero.

- Modelo de maquinas en paralelo: es una generalización del modelo de una sola maquina. Los cuellos de botella vienen siendo grupos de maquinas idénticas.

- Taller de flujo flexible: es el caso cuando hay múltiples trabajos en maquinas diferentes en paralelo. Los trabajos pasan por procesos idénticos pero cada proceso tiene varias maquinas.

- Taller de trabajos (Jobshop): son talleres con múltiples operaciones, cada trabajo tiene rutas diferentes.

- Modelos de la cadena de suministro: Son los más generales, es una red que interconecta diferentes instalaciones, ya sean con flujo flexible o Jobshops. La planificación se enfoca en la producción de cada una de las instalaciones así como en el transporte de los productos dentro de la red establecida.

Todos estos parámetros y configuraciones deben cumplir con una serie de restricciones que determinan y configuran el modelo completo.

Restricciones de los procesos

Los modelos de planeación de la producción deben tratar de simular la realidad de la producción en las empresas. Los parámetros que configuran los modelos se ven en "Trabajos, maquinas e instalaciones". A continuación se enumeran las restricciones que se deben cumplir con las variables que intervienen en el modelo.

- Restricciones de precedencia: tiene que ver con que algunos trabajos no pueden comenzar hasta que hayan terminado otros.

- Restricciones de elegibilidad de la maquina: en los modelos de maquinas en paralelo, los trabajos solo pueden ir a ciertas maquinas.

- Restricción de la mano de obra: Se necesita mano de obra para operar las maquinas, y hay solo pocas personas que las operen. Un trabajo debe esperar si no hay mano de obra disponible para su realización. Además se tiene que tener en cuenta que no todas las personas tienen las mismas cualidades y destrezas, existen grupos de personas con especialidades específicas.

- Restricciones de la ruta: esta restricción especifica la ruta que debe seguir un trabajo para ser realizado, es decir, el orden en que un trabajo debe visitar las diferentes maquinas.

- Restricción del manejo de materiales: Esta restricción depende del grado de automatización de los puestos de trabajo, puestos altamente automatizados requieren de sistemas automáticos de manejo de materiales. Cuando los puestos son manuales el tiempo de manejo de los materiales debe ser ajustado al tiempo de proceso. El sistema de manejo de materiales obliga a tener una gran dependencia entre los tiempos de arranque de una operación y los tiempos de finalización de su predecesora. Así se tenga un sistema de manejo de materiales siempre existirá un espacio de stock lo que se denomina Trabajo-en-proceso.

- Costos y tiempos de preparación dependientes de la secuencia: las maquinas deben ser reconfiguradas o limpiadas entre algunos trabajos. Si la magnitud del cambio depende del trabajo que se termina y del que continua, se dice que dependen de la secuencia. Todos estos tiempos se traducen en costos ya sea de mala calidad ya que los primeros productos en general no se aceptan, además costos de mano de obra, ya que es un tiempo en el que no se genera valor agregado, entre otros.

- Restricciones de espacio de almacenamiento y tiempo de espera: En casi todos los sistemas de producción existen limitaciones de espacio para Trabajo-en-proceso. Por esto se convierte en una restricción, ya que cuando el stock entre dos maquinas está lleno, la maquina anterior debe parar su producción.

- Hacer para stock (Make-to-Stock - MTS) y Hacer bajo pedido (Make-to-order - MTO): Una fábrica puede optar por tener productos en stock cuando existen demandas estables y con poco riesgo de obsolescencia. La decisión de Make-to-Stock afecta el proceso de planeación, ya que los productos no tendrían fechas de entrega apretadas. Cuando el stock de productos llega a cero o a cierto nivel de acuerdo al tiempo de producción, se lanzan nuevas órdenes de producción y de esta manera volver a establecer el inventario. Los niveles de inventario dependen de los tiempos de proceso y del costo de mantener inventario. Los trabajos Make-to-Order, tienen fecha de entrega especificas y las cantidades son establecidas por los clientes. Muchas fábricas trabajan en una mezcla de los dos MTS y MTO.

- Prioridades: En ocasiones durante la ejecución de un trabajo, ocurre algún evento que hace que se deba interrumpir una orden de trabajo para preparar la maquina y alistarla para otra orden de trabajo. Esto ocurre cuando se tiene una orden con mayor prioridad. Con estas prioridades puede existir que el trabajo interrumpido se continúe más adelante o en ocasiones el trabajo interrumpido se pierde.

- Restricciones de transporte: Si se tienen instalaciones conectadas entre sí por una red, entonces la planeación y el scheduling de la cadena de suministro se vuelven importantes. El transporte es el tiempo requerido para mover los productos entre dos instalaciones. Hay restricciones de los tiempos de salida de una instalación de acuerdo a la cantidad de productos a transportar.

Estos parámetros y restricciones caracterizan los modelos de planeación de producción.

La segunda parte muestra los principales modelos utilizados para la realización de la planeación y el scheduling de la producción, divididos según la necesidad de la empresa.

Modelos para la Planeación de la Producción

Los modelos para la planeación de la producción se dividen en ciertas clases:

La primera clase de modelos son la planeación y scheduling de los proyectos. Sus características son: se componen de una serie de trabajos que empiezan de acuerdo a las restricciones de los trabajos anteriores. Hasta que no se cumplan ciertas tareas no empiezan otras. El objetivo es minimizar el tiempo de finalización total. Es importante determinar la serie de trabajos que determinan el "Makespan" (Tiempo entre el comienzo y la finalización de un trabajo), estas tareas determinan el tiempo de finalización del proyecto y en conclusión son estas tareas las que no se pueden atrasar.

Planeación y Scheduling de Proyectos

Método del camino crítico (Critical Path Method - CPM)

En este método se tiene en cuenta un numero de trabajos con restricciones de precedencia, los cuales tienen un tiempo de procesamiento determinado. Existe un número ilimitado de maquinas en paralelo y el objetivo es minimizar el “Makespan”. Además de una maquina (y siempre hay alguna disponible) un trabajo no necesita ningún otro recurso. Este método se explica por medio del siguiente algoritmo:

Empieza en un tiempo cero en la cual comienza el procesamiento de los trabajos que no tienen predecesores. Cada que un trabajo termina su proceso, comienza el procesamiento de esos trabajos los cuales todos sus predecesores han terminado su procesamiento. En este tipo de secuencia, todos los trabajos que no tengan predecesores empezarían su procesamiento en el tiempo de comienzo más temprano posible y es completado en el tiempo de finalización más temprano posible. Hacer esto no sería necesario para minimizar el “Makespan”, es posible retrasar el inicio de ciertos trabajos y no lo afectaría.

El próximo algoritmo muestra el último posible tiempo de comienzo y tiempo de finalización que no afectaría el “Makespan”, este es denominado el procedimiento hacia atrás. En este procedimiento no se empieza en un tiempo cero sino en el máximo tiempo de finalización, y se buscan los últimos tiempos de comienzo y de finalización.

Un trabajo en el cual el tiempo de comienzo más temprano es más adelantado que el último tiempo de comienzo posible se denomina como un trabajo suelto. El tiempo que hay entre el ultimo y el más temprano es el tiempo suelto, usualmente se denomina flotante. Un trabajo en el cual el tiempo de comienzo más temprano es igual al último tiempo de comienzo posible se denomina como el trabajo critico. Un conjunto de trabajos críticos forman un camino crítico. Pueden existir varios caminos críticos y pueden estar traslapados.

Evaluación del programa y técnica de revisión (Program evaluation and review technique - PERT)

En contraste con la técnica anterior en este los tiempos de proceso son variables para cada uno de los trabajos. Cada tiempo de proceso tiene una media y una varianza que son conocidas para cada trabajo. El algoritmo es igual al del CPM, pero el cálculo para minimizar el “makespan” es más complicado. Se tiene en cuenta que se obtendrán tres diferentes escenarios. El optimista, el pesimista y el deseado.

TRADE OFFS: TIEMPO/COSTO

En los procesos anteriores podemos ver que si se aumentan los recursos asignados a un trabajo se pueden acortar los tiempos de procesamiento, para eso debemos asumir que tenemos un presupuesto para poder colocar más recursos en algunas actividades establecidas. Según esto, existe un costo que depende de la cantidad de tiempo que se quiere ahorrar en cada uno de los trabajos. De acuerdo a esto se puede establecer un tiempo mínimo al cual se puede llegar y un tiempo máximo y a su vez el costo del trabajo dependiendo si se entrega en el tiempo mínimo o en el máximo. Con el fin de conocer el costo del proyecto, se debe determinar cuáles son los tiempos más apropiados en los cuales se puede realizar cada trabajo y de esta manera optimizar el proyecto obteniendo mejores tiempos de entrega sin sacrificar los costos presupuestados del proyecto.

Scheduling de proyectos con restricciones de mano de obra

En el mundo real existen una serie de restricciones relacionadas con la mano de obra. La mano de obra consiste en una serie de grupos los cuales tienen un número determinado de operadores con una habilidad específica. Cada trabajo requiere para ser ejecutado de un número determinado de operadores de cada grupo. El objetivo en todo momento es maximizar la utilidad así que la mano de obra debe ser asignada a los trabajos de la mejor manera.

Scheduling de una Maquina y de un Taller

La segunda clase incluyen una maquina simple, máquinas en paralelo y el jobshop. Los trabajos son básicamente operaciones que se hacen en una maquina. En el jobshop, un trabajo es una serie de operaciones en diferentes maquinas que configuran un producto, estas tienen una ruta definida. Las operaciones deben ser organizadas para minimizar uno o más objetivos como el Makespan o el número de trabajos retrasados.

En esta sección se revisan los modelos que involucran los talleres o también conocidos como Jobshops. Normalmente en un taller un trabajo visita diferentes tipos de máquinas y también puede pasar por una misma máquina varias veces. Los talleres prevalecen generalmente en las industrias en la que cada cliente es único y tiene sus propios parámetros, por ejemplo un hospital en el cual los pacientes son los trabajos, cada uno tiene una enfermedad y un procedimiento único y diferente.

Inicialmente vamos a mirar los talleres con una sola maquina el cual es el caso más simple de estudio del modelo. Incluso los casos más complicados de planeación de la producción de talleres se descomponen en problemas de una maquina simple dentro de una red.

El caso de una máquina simple tiene en cuenta que la fecha de lanzamiento es cero y la fecha de vencimiento es infinito, quiere decir que para el objetivo de minimizar el makespan (tiempo de procesamiento del trabajo) no dependería del programa de producción, quiere decir que el tiempo de proceso no tiene restricciones.

Pero para otros objetivos existen ciertas reglas que logran optimizar los programas de producción. Si el objetivo es minimizar el tiempo total de finalización ponderado entonces la regla del "mas corto tiempo de proceso ponderado primero" (Weighted Shortest Processing Time first - WSPT) es óptima, la cual programa los trabajos en orden decreciente según el tiempo de proceso ponderado. Por otro lado si el objetivo es el retraso máximo y los trabajos empiezan en una fecha de lanzamiento cero, entonces la regla de la "fecha de vencimiento más temprana primero" (Earliest Due Date first - EDD) en la cual se van programando los trabajos en orden creciente según el tiempo de procesamiento es la más óptima. Las anteriores son reglas de prioridad estáticas.

Existe otra regla relacionada con la EDD que es la de "mínimo de holgura primero" (Minimum Slack first - MS), la cual escoge, cuando una maquina está disponible, el trabajo que se encuentre en espera que tenga una menor holgura. La holgura es el tiempo que un trabajo tiene antes de que tenga que comenzar su procesamiento para alcanzar su finalización en el tiempo de vencimiento requerido. Esta es una regla de prioridad dinámica ya que dicha prioridad es una función del tiempo de cada trabajo.

Existen otros objetivos como la tardanza total y la tardanza total ponderada, que son más complicados de optimizar, esto se logra por medio de un proceso heurístico llamado el "costo de tardanza aparente primero" (Apparent Tardiness Cost first - ATC) este proceso es una mezcla entre el MS y el WSPT.

Para los casos en los que hay maquinas en paralelo el makespan depende del programa de producción. El objetivo del makespan, el cual juega un papel importante cuando se deben balancear las cargas de máquinas en paralelo, da lugar a otra regla de prioridad, el "tiempo de proceso más largo primero" (Longest Procesing Time first - LPT), en esta regla cuando una maquina es liberada, el trabajo más largo que esté esperando es seleccionado para continuar. La lógica es que si se dejan los trabajos más cortos para el final, es más fácil de balancear las maquinas.

Las reglas SPT y WSPT también son importantes en maquinas en paralelo, así como también la regla heurística ATC.

En conclusión, dependiendo de los objetivos trazados en cuanto al servicio que se quiere prestar a los clientes, se debe tomar la regla de prioridad más adecuada y ejecutar el programa de producción de acuerdo a esta.

Scheduling en Sistemas de Ensamble Flexible

La tercera clase está enfocada en sistemas de producción de ensamble flexible. El medio de transporte controla el movimiento de cada trabajo así como el tiempo de proceso en cada máquina. El objetivo por lo general es maximizar el Throughput (Rata de producción).

Los sistemas de ensamble flexible difieren de los talleres (Jobshops) que se explican en la sección anterior. En los talleres cada trabajo tiene su propia identidad y puede ser diferente a los otros trabajos, por el contrario en un sistema de ensamble flexible, hay cierta cantidad limitada de productos y normalmente se producen cantidades establecidas de cada tipo de producto. Dos unidades del mismo producto son idénticas.

Los movimientos de trabajos en un sistema de ensamble flexible son a menudo controlados por un sistema de manejo de materiales, el cual impone restricciones en los tiempos de arranque de los trabajos en las máquinas o estaciones de trabajo. El tiempo de arranque de un trabajo en una máquina es en función del tiempo de finalización de la máquina precedente según la ruta del trabajo. El sistema de manejo de materiales también limita el número de trabajos esperando en un stock entre máquinas.

Para este tipo de sistemas de producción explicaremos dos modelos:

Programación de sistemas de ensamble sin ritmo

Este consiste en una línea de producción con un numero de maquinas y estaciones de trabajo en serie. La línea es arrítmica, esto significa que una maquina puede utilizar el tiempo necesario en cualquier trabajo. Existen stocks determinados entre maquinas sucesivas los cuales pueden causar retrasos e inflexibilidad. Un número de diferentes tipos de productos son producidos en cantidades dadas y la meta es maximizar el throughput. Este tipo de líneas se ve por ejemplo en líneas de producción de fotocopiadoras. Diferentes tipos de fotocopiadoras son producidas en la misma línea. Los diferentes modelos normalmente de la misma familia y tienen muchas características comunes. Sin embargo difieren con respecto a las opciones. Algunas tienen un sistema de alimentación automático mientras que otras no, algunas otras tienen unos lentes mejor elaborados que otras. La razón de que diferentes fotocopiadoras tengan diferentes opciones implica que los tiempos de proceso de ciertas estaciones puede variar. Para hacer la programación, se empieza haciendo una secuencia de los trabajos dados con cierto orden, después de esto se repite varias veces la misma secuencia, el resultado es una secuencia cíclica. Cada una de estas repeticiones se conoce como la mínima configuración de partes (MPS - Minimun Part Set). Para poder maximizar el throughput se debe minimizar el MPS, para lograr esto se empieza escogiendo el trabajo con mayor tiempo de procesamiento, después se escoge alguno de los trabajos faltantes y se programa siguiente al escogido y se calcula los tiempos no productivos de la maquinas. Después se escogen los demás trabajos y se repite el paso anterior. Cuando ya se hayan analizado todos los trabajos se escoge el que genere menor tiempo no productivo y es el correcto para seguir la secuencia.

Programación de sistemas de ensamble con ritmo

Este sistema contiene un transportador que se mueve a una velocidad constante. Las unidades que deben ser producidas se mueven de una estación de trabajo a otro a una velocidad fija. Cada estación de trabajos tiene su capacidad y sus restricciones. Nuevamente un número de diferentes tipos de productos deben ser ensamblados. La meta es programar los trabajos de manera que ninguna estación de trabajo este sobrecargada y que los tiempos de preparación sean minimizados. Este sistema es muy común en las líneas de producción de automóviles, donde diferentes modelos deben ser ensamblados en la misma línea de producción. Los vehículos deben tener diferentes colores y diferentes opciones de equipamiento. La programación de los vehículos debe tener en cuenta el balancear los tiempos de preparación y las cargas de trabajo.

Para este sistema se debe considerar una característica importante: el tiempo de ciclo por unidad, es el tiempo entre la salida de la línea de dos productos sucesivos. El tiempo de ciclo es el reciproco de la rata de producción.

Teniendo en cuenta las variables involucradas con estos sistemas hay 4 tipos de objetivos que se deben buscar en la programación.

- Minimizar los tiempos de preparación entre diferentes tipos de productos.

- Cumplir con las fechas de entrega de los productos.

- Optimizar los espacios físicos definiendo el largo de la línea de producción

- Mantener en buenos niveles el consumo de materiales y partes

Para realizar la programación de la producción existe un método llamado la agrupación y el espaciamiento (Grouping and Spacing - GS), este consiste en 4 fases:

1. Determinar el número de trabajos a ser programados

2. Agrupar los trabajos con respecto a las operaciones que tienen mayores tiempos de preparación

3. Ordenar estos subgrupos teniendo en cuenta las fechas de despacho

4. Espaciar los trabajos de los subgrupos teniendo en cuenta las operaciones que tienen restricciones de capacidad.

Mas Información en: Planeación de la Producción.com

Fuente: HERRMANN, Jeffrey W. "Handbook of production scheduling". Springer Science-Bussines Media, Inc. 2006.

Juan David Suárez Gil - jsuarezgarrobagmail.com

www.planeaciondelaproduccion.com.

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