Curso Superior de Tecnologia em Automação Ind.
Sistemas Integrados de Manufatura
Sistemas Integrados de
Manufatura
Prof. Marcelo Coutinho
www.ifsul.edu.br/~coutinho
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Sistemas Integrados de Manufatura
Introdução
•
Sistema de produção: coleção de pessoas, equipamentos e procedimentos
organizada de tal forma a realizar as operações de manufatura de uma companhia.
– Sistemas de suporte à manufatura: procedimentos para gerenciar a
produção e resolver problemas (técnicos, logística, etc), projeto do produto
manter padrão de qualidade do produto (cliente).
Colarinho branco
Colarinho azul
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– Facilities: constitui os equipamentos organizados de maneira lógica e os
trabalhadores que os operam numa fábrica.
Produto
Tipo de Manufatura
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•
Produção baixa
– Geralmente produtos complexos e
especializados como navios, aviões e
máquinas especiais (fixed-position
layout).
– Partes individuais do produto podem ser
produzidas separadamente (process
layout).
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•
Produção média
– Hard product variety: caso em que os
produtos não apresentam semelhanças.
Tradicionalmente usa-se batch production
com process layout (changeover time para
o próximo produto).
– Soft product variety: peças similares
podem compartilhar mesmo equipamento
(changeover pode não ocorrer). Para
diferentes peças/produtos usa-se cellular
layout onde cada célula é especializada
numa função.
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•
Produção alta (em massa)
– Quantity production: tipicamente usa
process layout e se dedica na produção
em massa de uma peça ou parte de
equipamento.
– Flow line production: múltiplas
estações de trabalho em sequência
(product layout).
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Tipos de produção e seus layouts
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•
Sistemas de suporte à manufatura
– Pessoas e procedimentos que gerenciam as operações de produção (projeto,
planejamento, controle). O ciclo das informações está representado pela figura e
consiste nas funções: (1) business functions, (2) product design, (3)
manufacturing planning e (4) manufacturing control.
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•
Automação em sistemas de produção
– Automação: A tecnologia norteada nos princípios da mecânica, eletrônica e de
sistema baseado em computador para operar e controlar a produção.
– Elementos automatizados numa fábrica: (1) automação dos equipamentos
(manufacturing systems), (2) informatização do sistema de suporte
(manufacturing support systems).
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•
Automação dos equipamentos
– O termo automação se refere ao fato de que as operações se dão de modo
automático, quase não existe ação humana. Ex.:
•
•
•
•
sistemas de montagem automatizada
sistemas de inspeção de qualidade automatizada
sistemas de manufatura robotizada
etc
– Existem três tipos: (1) automação fixa, (2) automação programável e (3)
automação flexível.
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•
Automação dos equipamentos
– Automação fixa
•
•
•
•
•
A sequência de operação é fixada pela configuração do equipamento;
Geralmente envolve aplicações mais simples;
Alto custo inicial;
Taxa de produção alta (produção em massa);
Não flexível para adaptar outro produto.
– Automação programável
•
•
•
•
•
A sequência de operação é configurável (programa);
Alto investimento para propósitos mais gerais;
Flexibilidade para tratar de variações e mudanças no produto;
Indicado para batch production (produção média);
Ex.: NC, Robótica, PLC.
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•
Automação dos equipamentos
– Automação flexível
• Capaz de produzir continuamente uma variedade maior de peças ou
produtos (semelhanças entre si);
• Changeover time é mínimo;
• Investimento muito alto;
• Taxa de produção média.
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•
Informatização dos sistemas de suporte
– Tem por objetivo reduzir esforços no projeto de produtos, planejamento e
controle da manufatura e ainda, das negociações da empresa.
– Ex.: CAD (computer-aided design), CAM (computer-aided manufacturing), ou
ainda, CAD/CAM.
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•
Razões para automatizar
– Aumentar a produtividade do trabalho: maior saída por hora de trabalho;
– Reduzir custo de trabalho: máquinas substituindo trabalho humano para
reduzir custo do produto unitário;
– Reduzir ou eliminar tarefas rotineiras;
– Melhorar a segurança do trabalhador;
– Melhorar qualidade do produto: reduzindo a taxa de defeitos;
– Reduzir o tempo de entrega do produto;
– Realizar processos os quais manualmente não seriam possíveis: por
exemplo, circuitos integrados ou processos que exigem precisão e cálculos
complexos.
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Operações de manufatura
– Manufaturar: é a aplicação de processos físicos e químicos que altera a
geometria, as propriedades e/ou aparência de um dado material para criar peças
ou produtos.
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• Indústrias de manufatura e
produtos
– Indústrias de manufatura:
Produzem bens e/ou serviços,
sendo que existem três categorias
indicadas na tabela.
Indústria de processo: processos químicos,
farmacêutica, petróleo, alimento, bebidas e
energia elétrica.
Indústria de produtos discretos: automóveis,
aviões, computadores, máquinas e indústrias de
peças para montar os produtos citados.
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• Indústrias de manufatura e produtos
– As operações de produção podem ser divididas em: (1) produção contínua e (2)
produção em lote.
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• Indústrias de manufatura e produtos
– Produtos manufaturados: nos interessam os produtos discretos da indústria
secundária, reunidos abaixo.
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•
Indústria de manufatura e produtos
– Produtos manufaturados: os produtos da tabela anterior são divididos em: (1)
bens de consumo e (2) bens de capital.
– Bens de consumo: comprados diretamente pelos seus consumidores, ex.,
TVs, brinquedos, carros, etc.
– Bens de capital: comprados por outras companhias para produzir bens e
serviços, ex., aviões comerciais, computadores mainframe, máquinas, etc.
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•
Operações de manufatura
– Para uma indústria de produtos discretos tem-se as seguintes
atividades: (1) processing and assembly operations, (2) material handling, (3)
inspection and test e (4) coordination and control.
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• Relação produto/produção
– Nesse estudo os seguintes parâmetros são importantes: (1) production
quantity, (2) product variety, (3) complexity of assembled products e (4)
complexity of individual parts.
• Production quantity and product variety
– Seja Q = quantidade da produção (número de unidades/ano de uma dada
peça ou produto) e P = número de variedade de produtos. Cada estilo de
peça/produto será identificado com subscrito j. Assim, Qj = quantidade
anual do estilo j e Qf = quantidade total de todas as peças.
P
Qf  Qj
j 1
P1: número produtos distintos
Linha de produção
– P
P2: número modelos distintos
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• Relação produto/produção
– Exemplo: Uma companhia é especializada em produtos de fotografia. Produz
somente câmeras e projetores. Na sua linha de câmeras oferece 15 modelos
diferentes e na linha de projetores oferece 5. Qual a variedade de produtos?
P1  2 e P21  15 (câme ras), P22  5 (proje tores)
P1
2
j1
j1
P   P2 j   P2 j  15  5  20
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•
Relação produto/produção
– Complexidade do produto
• Tentar-se-á quantificar quão complexo é a produção de um produto e/ou
peça.
• O número de componentes é indicativo da complexidade do produto
montado.
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•
Relação produto/produção
– Complexidade do produto
• O número de operações no processamento é indicativo da complexidade de
um componente fabricado.
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•
Relação produto/produção
– Complexidade do produto
• Seja nP = número de peças por produto e nO = número de operações no
processamento por peça.
• Três plantas são identificadas nesse estudo:
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•
Relação produto/produção
– Complexidade do produto
• Relações entre P, Q, nP e nO para indicar o nível de atividade numa planta
de manufatura:
– Desprezar diferença entre P1 e P2 ;
– Assumindo que o produto é montado por peças produzidas na planta
(não existe compra) ;
– Então:
P
n Pf   Q jn Pj
j1
nPf : número total de peças manufaturadas na fábrica (pç/ano)
Qj : quantidade anual de um produto j (produtos/ano)
nPj : número de peças no produto j (pç/produto)
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•
Relação produto/produção
– Complexidade do produto
P
nPj
nOf   Q j nPj  nOjk
j 1
Nível de atividade numa fábrica
k 1
nOf : número total de ciclos de operações realizadas (ops/ano)
nOjk : número de operações de processamento para cada peça k , somado sobre o
número de peças no produto j (nPj)
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•
Relação produto/produção
– Complexidade do produto
• Exemplo: Suponha que uma companhia projetou uma nova linha de produto
e está planejando construir uma nova planta para manufaturar esta linha de
produto. A nova linha consiste de 100 tipos de produtos diferentes e para
cada tipo de produto a companhia quer produzir 10000 unidades
anualmente. Os produtos possuem em média 1000 componentes cada e o
número médio de operações de processamento para cada componente é
10. Tudo é produzido pela fábrica. Cada passo do processamento leva em
média 1min. Determine:
A) Quantos produtos anualmente são produzidos?
B) Quantas peças anualmente são produzidas?
C) Quantas operações anualmente?
D) Quantos trabalhadores serão necessários para a planta (250
dias/ano)?
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•
Relação produto/produção
– Complexidade do produto
• Solução:
P
100
j 1
j 1
a) P  100 , Qf   Q j   Q j  10000 10000 ...  100x10000 1.000.000
P
b) n Pf   Q j nPj  1.000.000 x 1.000 1.000.000.
000
j 1
P
nPj
j 1
k 1
c) n Of   Q j nPj  nOjk  1.000.000.000 x 10  10.000.000
.000
d ) Tempo total 10.000.000
.000 x 1/60  1,67x108 horas
Cada trabalhador trabalha 2000hs/ano, pois 40hs/semana x 50semanas/ano (250/5))
w
1,67x108
 83.333 trabalhadores
2000
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•
Limitações e capacidades de uma planta
– O exemplo visto é muito difícil de ocorrer na prática. Imagine o número de
trabalhos indiretos, pessoal administrativo, gerência, etc? Imagine o tamanho da
fábrica?
– Uma fábrica precisa estar focada num serviço (focused factory: parts producer
ou assemply plant).
– Manufacturing capability: refere-se aos limites técnicos e físicos de uma planta
(fábrica) de manufatura.
– Alguns parâmetros: (1) technological processing capability, (2) physical size and
weight of product e (3) production capacity
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•
Modelos matemáticos
– Na produção por lote, o tempo para processar um lote com Q unidades consiste
em:
Tb  Tsu  QTc
onde Tsu é o tempo de setup em min e Tc é o tempo de operação por peça em
min/pç.
– Se o interesse é obter o tempo de produção médio por unidade, então
Tp 
Tb
Q
– Finalmente, a taxa de produção (production rate) média será
Rp 
60
pç/hr
Tp
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•
Modelos matemáticos
– Capacidade de produção
• É a taxa máxima de saída de uma produção sob dada condição de
operação (turnos por dia, dias de operação da planta no mês, etc) ;
• Existe a tendência de definir a capacidade da produção levando em conta o
tempo total disponível na semana, ou seja, 168 hr/sem ;
• Então a capacidade de produção PC é dada por
PC  nSHRp
onde n é o número de máquinas, S é o número de turnos em turno/sem,
H é o tempo de operação de cada máquina em hr/turno e Rp é a taxa
de produção de cada máquina em unidades de saída/hr.
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•
Modelos matemáticos
– Utilização e disponibilidade
• Utilização U é a relação entre o que é produzido (saída) pela capacidade de
produção PC, ou seja,
U
Q
PC
• Também pode ser definido como a relação entre o tempo em que uma
planta (ou equipamento) opera e o tempo total disponível pela sua
capacidade.
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•
Modelos matemáticos
– Utilização e disponibilidade
• Exemplo: Uma máquina opera 80 hr/sem (dois turnos, 5 dias) na
capacidade máxima. Sua taxa de produção é de 20 unidades/hr. Durante
uma certa semana, a máquina produziu 1000 peças e esteve ociosa o resto
do tempo. (a) Determine a capacidade de produção da máquina. (b) Qual foi
a utilização da máquina durante aquela semana?
a) PC  80x20 1600unid/sem
b) U  1000/1600 0,625 ou 62,5%
ou ainda, usando o temponaquela semana
em que a máquina realmenteestavaem uso, temos
H
1000pç
 50 hr.Assim U  50/80 0,625
20 pç/hr
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•
Modelos matemáticos
– Utilização e disponibilidade
• Availability é uma medidade da confiabilidade do equipamento e é dada por
A
MTBF  MTTR
MTBF
onde MTBF é o tempo médio entre falhas (mean time between failures)
em hr e MTTR é o tempo médio para reparar (mean time to repais) em
hr.
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•
Modelos matemáticos
– Utilização e disponibilidade
• Exemplo: Uma planta possui 6 máquinas dedicadas na produção de uma
mesma peça. As operações se dão por 10 turnos por semana. O número de
horas por turno é 8. A taxa de produção média de cada máquina é de 17
unid/hr. Considere ainda que as máquinas possuam A=90% e U=80%.
Calcule a saída esperada da planta em unid/sem.
Q  AU (nSHRp )
Q  0.9 x0.8x6 x10x8x17  5875unid/sem
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•
Modelos matemáticos
– Tempo de entrega do produto (manufacturing lead time – MLT)
– É o tempo que a empresa leva para entregar o produto ao cliente;
– É o tempo total que o produto ou peça leva para ser processado e portanto,
deseja-se que seja o menor possível.
– Produção: (1) operação: a peça ou produto está na máquina de produção e
(2) não operação: transporte, armazenamento temporário, inspeção e
outras.
noj
MLTj   (Tsuji  Q jTcji  Tnoji )
i 1
onde MLTj = lead time para a peça ou produto j (min), Tsuji=tempo de setup para a
operação i (min), Qj=número de peças do tipo j no lote (pç), Tcji=tempo da operação i
(min/pç), Tnoji=tempo de não operação associado à operação i (min) e i indica a
sequência de operação (i=1,2,...,noj).
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•
Modelos matemáticos
– Supondo todos tempos de setup, operação e não operação são iguais para todas
as noj máquinas, e ainda, os lotes são iguais para todos os produtos/peças e são
processados pelo mesmo número de máquinas (noj=no); então:
– Exemplo: Uma dada peça é produzida em um lote com 100 unidades. O lote
precisa ser roteado através de 5 operações para completar o processamento.
O tempo de setup médio é 3 hr/operação e o tempo de operação médio é 6
min. O tempo de não operação é de 7 hr/operação. Determine quantos dias
levará para completar o lote, assumindo que a planta funciona 8 hr/dia.
MLT  5(3  100.0,1  7)  100 hr
A 8 hr/dia, essa quantidade equivale a 100/8=12,5 dias
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•
Modelos matemáticos
– Work-in-process (WIP)
– É a quantidade de peças ou produtos atualmente localizado na fábrica que está
sendo processada ou que está entre operações de processamento;
– WIP pode ser medido por
WIP 
AU ( PC )( MLT )
SH
onde WIP é dado em (pç), A=disponibilidade, U=utilização, PC=capacidade de produção em
(pç/semana), MLT= manufacturing lead time (hr), S=número de turnos por semana
(turnos/semana) e H=horas por turno (hr/turno).
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•
Custos de manufatura
– Veremos que as decisões nos processos de produção e automação são
geralmente baseados nos custos ;
– Custos variáveis e fixos
• Fixos: construção da fábrica, equipamentos, segurança e taxas. Expresso
em quantidade anual ;
• Variáveis: geralmente é proporcional à quantidade de produção. Exemplos:
trabalho direto, matéria prima e energia elétrica ;
• O custo, portanto, total é dado por
TC  FC  VC (Q)
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•
Custos de manufatura
onde TC é o custo total anual em R$/ano, FC é o custo fixo anual em R$/ano, VC é o
custo variável em R$/pç e Q é a quantidade anual produzida em pç/ano.
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•
Custos de manufatura
– Trabalho direto, material e overhead
• Trabalho direto: salário e benefícios pagos aos operadores de máquinas;
• Material: matéria-prima usada na manufatura do produto. Na indústria de
montagem, matéria-prima inclui as peças produzidas por outras empresas;
• Overhead: são os outros gastos associados à manufatura e dividem-se em
• Factory overhead: custos para operar a fábrica como energia para as
máquinas, depreciação de equipamentos, transporte de materiais,
benefícios adicionais, seguros pessoais, aquecimento e arcondicionado, segurança, taxas, etc;
• Corporate overhead: custos para manter em atividade a fábrica como
P&D, vendas e marketing, departamentos financeiro e contabilidade,
executivos, taxas, seguros pessoais, energia, benefícios adicionais,
etc.
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•
Custos de manufatura
– Trabalho direto, material e overhead
• A figura abaixo mostra as porcentagens de custos:
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•
Custos de manufatura
– Trabalho direto, material e overhead
• A seguir, exemplos de como determinar alguns índices de custos e como
estes são utilizados para estimar custo de manufatura e estabelecer preço
de venda:
•
Exemplo: Suponha que todos os custos foram compilados para uma dada firma
de manufatura no último ano. O resumo está apresentado na tabela abaixo. A
companhia opera duas plantas diferentes mais um centro administrativo.
Determine (a) FOHR – factory overhead rate para cada planta (b) COHR –
corporate overhead rate. Essas taxas (rates) serão utilizadas pela firma no ano
seguinte.
FOHC
,
DLC
onde FOHC  custos factoryoverheadanual (R$/ano)
FOHR 
e DLC  custos com trabalhodireto anual (R$/ano)
COHC
COHR 
,
DLC
onde COHC  custos corporateoverheadanual (R$/ano).
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•
Custos de manufatura
– Trabalho direto, material e overhead
$2.000.000
 2.5  250%
$800.000
$1.100.000
FOHR2 
 2.75  275%
$400.000
$7.200.000
b) COHR 
 6.0  600%
$1.200.000
a) FOHR1 
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•
Custos de manufatura
– Trabalho direto, material e overhead
•
Exemplo: Uma ordem de cliente de 50 peças está para ser processada pela
planta 1 do exemplo anterior. Matéria-prima é suprida pelo cliente. O tempo total
para o processamento será de 100 horas. Trabalho direto será de $10.00/hr.
Determine o custo do trabalho.
O custo total seria de $9500. Usando uma margem de 10%, para a empresa obter
lucro, o preço cotado ao cliente seria de (1.10)*($9500)=$10450.
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Fabricação em Lotes
– O problema: O tamanho adequado do lote é importante tendo em vista que
deve atender a demanda entre intervalos de produção, buscando o menor custo
de fabricação e manutenção do estoque.
– De um lado, aspectos financeiros impõem redução de estoques para baixar
custos de manutenção e de outro, a produção quer aumentar o tamanho
dos lotes para diluir custos de preparação.
Indústrias do ramo metal-mecânico.
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•
Determinação do tamanho do lote (Qe)
Definir uma quantidade econômica Qe cujos custos de fabricação sejam mínimos.
Os custos são divididos como:
•
Custo de “set-up”
•
•
•
•
Custo unitário de produção
•
•
•
•
mão-de-obra aplicada na preparação das máquinas;
materiais envolvidos;
indiretos: administrativos, etc.
matérias-primas;
mão-de-obra aplicada na produção;
tempos de máquinas.
Custo de manutenção do estoque
•
•
•
•
juros de capital imoblizado;
risco de obsolescência do produto;
deterioração;
instalações.
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•
Determinação do tamanho do lote (Qe)
•
Abordagem clássica: baseada em variações de estoque
Equações:
Qual o valor de Qe ?
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•
Determinação do tamanho do lote (Qe)
•
Diferencia-se CT em relação à Q para achar o ponto mínimo:
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DEFINIÇÃO DE FAMÍLIAS E CÉLULAS
Concepção e operacionalidade
• Vimos que existem diversos algoritmos desenvolvidos para se estabelecer as
células de máquinas e famílias de peças. Essa metodologia garante eficiência,
no entanto, a qualidade está ligada à otimização da definição das rotas;
• Na aplicação de um algoritmo sobre as informações de rotas das peças, alguns
parâmetros de projetos podem ser restrições na criação de famílias e células:
• o tamanho da célula;
• o limite de carga para cada máquina;
• a interdependência entre as máquinas.
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O tamanho da célula
• É medido pelo número de processos ou de máquinas alocadas na mesma ;
• É um parâmetro que deve ser controlado por razões como:
• limitação do espaço físico ;