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ANÁLISE DA COMPLEMENTARIDADE
ENTRE OS CONCEITOS DE GESTÃO DO
CICLO DE VIDA DO PRODUTO (PLM),
FÁBRICA DIGITAL E
COMISSIONAMENTO VIRTUAL
Flavio D’angelo Pereira da Silva (IMT ) dangelo@maua.br Caio Jorge Gamarra (IMT ) cjgamarra3@hotmail.com Jussara Bergamini Leonardo (IMT ) jussara.berga@hotmail.com
Este artigo apresenta os conceitos de fábrica digital, de gestão do ciclo de vida do produto (PLM - product lifecycle management), e comissionamento virtual. Cada conceito é apresentado e discutido brevemente. É proposto um modelo da relação entre estes três conceitos. Este modelo permite observar as semelhanças, diferenças e interrelações entre estes conceitos. Finalmente, o modelo proposto por Kühn, apresentando a relação entre esforços e benefícios de aplicação da abordagem tradicional e do fábrica digital no desenvolvimento de sistemas produtivos é analisado. Uma proposta de inclusão no conceito de comissionamento virtual neste modelo é feita e justificada, explicitando os aumentos significativos de esforços e benefícios proporcionados.
Palavras-chaves: product lifecycle management, PLM, fábrica digital, comissionamento virtual, projeto de processo
Engenharia de Produção, Infrae^ XXXIV^ ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO strutura e Desenvolvimento Sustentável: a Agenda Brasil+ Curitiba, PR, Brasil, 07 a 10 de outubro de 2014.
Curitiba, PR, Brasil, 07 a 10 de outubro de 2014.
1. Introdução
A história da gestão industrial foi baseada na evolução de conceitos e equipamentos, ambos apoiando-se mutuamente.
A criação da máquina a vapor gerou as condições necessárias para o surgimento das fábricas e estas geraram o ambiente perfeito para os estudos de Frederick Taylor, que resultaram nos Princípios da Administração Científica. Esses princípios influenciaram fortemente a organização industrial proposta por Henry Ford e tornaram possível a implementação de linhas de montagem e produção em massa (GRIEVES, 2006).
Depois de décadas de supremacia da produção em massa, a metodologia lean , ou produção enxuta, apareceu no Japão e se tornou o paradigma mundial de alta produtividade. Apesar do conceito de produção enxuta ter sido anunciado no passado como oposição à produção em massa, atualmente a produção enxuta é uma evolução da produção em massa, pois desperdícios são continuamente identificados e eliminados (GRIEVES, 2006).
Enquanto a produção enxuta estava sendo aplicada e testada, outra revolução aconteceu na gestão industrial com a aplicação de computadores e softwares. Em uma abordagem teórica, a gestão industrial e aplicação de tecnologia são conceitos independentes, porém, na realidade, a tecnologia da informação acelerou fortemente a implementação de novas estratégias de controle, projetos e produção. Devido à simultaneidade desses dois movimentos, o uso da tecnologia da informação tem sido orientado pelos princípios da produção enxuta (GRIEVES, 2006).
No início, os computadores e softwares eram apenas utilizados na gestão de aspectos operacionais como finanças, logística e produção. O próximo passo foi aplicar a tecnologia no projeto do produto.
No primeiro momento, a tecnologia da informação foi focada em eliminar operações manuais e redundantes. Em seguida, foi utilizada para estabelecer processos, ferramentas e máquinas utilizadas. Na seqüência evolutiva, com o uso da tecnologia da informação, os aspectos e definições dos produtos deixaram de pertencer somente à empresa e envolveram clientes e fornecedores, em uma abordagem que acompanha o produto desde a sua ideia e criação até se transformar em sucata. Esse conceito de tratamento dos produtos é a chamada gestão do ciclo de vida do produto, ou PLM (product lifecycle management), e muitas empresas estão aplicando esse conceito em diferentes níveis e abordagens, sempre com o objetivo de
Curitiba, PR, Brasil, 07 a 10 de outubro de 2014. Fonte: Adaptado de Stark (2011)
Esta proposta mostra que, em cada uma dessas fases, o produto se encontra em um estágio diferente. Na fase de idealização, o produto é apenas uma ideia na mente das pessoas. Durante a fase de definição, as ideias são transformadas em descrições detalhadas. No fim da fase de realização, o produto existe na sua forma final, na qual poderá ser utilizado pelo consumidor. Durante a fase de uso e manutenção, o produto está em posse do consumidor que o utiliza até que o produto perca sua utilidade, o que pode ocorrer por que o produto em si deixa de funcionar satisfatoriamente, por questões de deficiência técnica, questões estéticas ou por superação tecnológica. Ele será então retirado do mercado e descartado. Este descarte poderá ser feito pelo usuário (preferencialmente seguindo indicações do fabricante) ou pode ser devolvido ao fabricante que fará a destinação apropriada. Dessa forma, o produto será gerenciado ao longo de todas as fases, isso significa administrar o ciclo de vida do produto, “desde o berço até o túmulo” (STARK, 2011).
O conceito do PLM é relativamente novo, quando comparado a outros conceitos usados na indústria e na gestão, e por esse motivo, ainda não há uma definição tida como definitiva e amplamente aceita. No entanto, é importante notar que não existem grandes diferenças entre as definições disponíveis na literatura.
O PLM é definido por Saaksvuori e Immonen (2010) como um conceito básico para o gerenciamento e desenvolvimento de produtos e de informações relacionadas aos produtos. O PLM oferece ferramentas para gerenciar e controlar o processo do produto ao longo de todo o seu ciclo de vida, desde a ideia inicial até sua transformação em sucata.
Grieves (2006) definiu PLM como um processo integrado que inclui pessoas, processos/práticas e tecnologia em todos os aspectos do ciclo de vida do produto, desde a sua concepção passando por seu desenvolvimento, fabricação e manutenção, culminando na retirada do produto do mercado e descarte final.
De acordo com Cunha e Fachinello (2004), o conceito do PLM integra uma variedade de disciplinas, métodos, ferramentas e sistemas, desde o Desenvolvimento do Produto e Gerenciamento dos Sistemas de Manufatura, com suas atividades e ferramentas (Computer- Aided Design – CAD, Computer-Aided Process Planning – CAPP, Computer-Aided Engineering – CAE, Computer-Aided Manufacturing – CAM, Product Data Management – PDM) até os Sistemas de Gerenciamento (Enterprise Resources Planning – ERP,
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Manufacturing Resources Planning – MRP, Customer Relationship Management – CRM, Supply Chain Management – SCM).
3. O conceito de fábrica digital
A fábrica digital consiste em um ambiente específico onde a fabricação e simulação digitais são aplicadas ao longo de todas as fases da vida do produto. A simulação virtual pode ser integrada com todos os tipos de sistemas de informação, fornecendo o controle total do ciclo de vida do produto (COZE; KAWSKI; KULKA et al, 2009).
A diretriz 4499-parte 1, da Associação de Engenheiros da Alemanha (VDI), define a fábrica digital como um termo genérico para uma rede global de modelos e métodos digitais, incluindo simulação e visualização em três dimensões (3D). Seu objetivo é o planejamento integrado, implementação, controle e melhoria contínua de todos os processos e recursos importantes da fábrica que estejam relacionados com o produto (OBERMANN, n.d.).
Além disso, de acordo com a diretriz 4499-parte 2, as operações da fábrica digital visam assegurar e encurtar o processo de inicio de produção ( start-up) , bem como melhorar continuamente a produção em série. Isso requer uma representação realista dos sistemas individuais, das instalações e processos da produção, incluindo a tecnologia da informação e controle (SAUER; SCHLEIPEN, n.d.).
A ferramenta mais importante da fábrica digital é a biblioteca mecatrônica inserida nos softwares utilizados. Essa biblioteca é um “estoque” de equipamentos e máquinas montados com componentes mecatrônicos pré-definidos em termos de geometria, cinemática e lógica de programação (programas de controle). Estes itens são usados na organização desde pequenas células até de fábricas completas (SAUER; SCHLEIPEN, n.d.).
Entre os benefícios mais significantes na utilização da fábrica digital estão o melhor planejamento dos recursos e da dinâmica de produção, produtos de maior qualidade, um menor tempo para lançamento de produtos no mercado ( time-to-market) , aceleração do ramp- up , maior possibilidade para inovação e melhorias na produção, menores correções de erros na linha de montagem. Todos estes fatores resultam em menor custo do produto, e conseqüentemente, menor produtividade (COZE; KAWSKI; KULKA et al, 2009).
Apesar dos benefícios citados, ainda existem barreiras para a implementação da fábrica digital. A mais importante é o treinamento de pessoas. Diferentemente dos softwares usualmente utilizados pelas empresas, as ferramentas da fábrica digital não são intuitivas e
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essa atividade de programação consome muito tempo e se torna onerosa. Utilizando o comissionamento virtual, os engenheiros de automação podem desenvolver e verificar a programação dos CLP e robôs enquanto a célula está sendo construída (ALI; OLIVER, 2012).
A programação do CLP pode ser simulada e verificada com os robôs e componentes reais. O CLP deve ser conectado ao software de comissionamento virtual através de um protocolo de comunicação denominado servidor OPC.
Os benefícios do comissionamento virtual não estão limitados ao tempo de construção de novas células industriais. É possível também integrar novos postos de trabalho, dispositivos e equipamentos á células industriais já em operação, sem que sem que haja interrupções significativas na produção. Essa integração pode ser preparada e validada na célula virtual e só então a célula real será parada para as mudanças físicas do sistema. As alterações na célula virtual são feita em minutos e a um custo insignificante, contrastando com o grande impacto que teriam mudanças físicas. Dessa forma as perdas na produção podem ser minimizadas. Além disto, a facilidade e rapidez para modificações permitem o teste de inúmeras possibilidades antes de definir-se a solução que será adotada (OBERMANN, n.d.).
5. Estudo das relações entre os conceitos do PLM, fábrica digital e comissionamento virtual
Os conceitos de PLM, fábrica digital e comissionamento virtual estão interligados e, por conta disso, muitas vezes são confundidos entre si. Por esse motivo, será proposto um modelo para estudo destes conceitos.
O conceito mais abrangente é o conceito do PLM e a este pertencem a fábrica digital e o comissionamento virtual. O PLM trata de todo o ciclo de vida do produto, desde a sua concepção até o seu descarte. A fábrica digital não trata da concepção do produto e nem modela o seu uso e descarte. A fábrica digital trata a partir do momento que são gerados modelos em 3D, ou seja, a partir do desenvolvimento do produto.
A fábrica digital começa no desenvolvimento do produto e vai até a produção, passando pelo planejamento da produção, pelo lançamento e ramp-up do produto. A fábrica digital trata destes assuntos do PLM através de projetos e simulações 3D. Além destas etapas fazem parte da fábrica digital os processos de fabricação, a análise do fluxo de montagem, o leiaute da
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fábrica, a simulação de processos, aplicação de robótica e aspectos ergonômicos, como mostrado na figura 2.
O comissionamento virtual trata de uma parte da fábrica digital. Dentro do comissionamento virtual é possível validar as simulações da fábrica digital em ambiente real. O comissionamento virtual não trata dos processos de fabricação. Ele começa a partir da análise de fluxo de montagem e finaliza na comunicação do ambiente virtual com o ambiente real, passando pelo layout da fábrica, simulação de processos, robótica, ergonomia e validação das simulações e programas, também mostrados na figura 2.
Figura 2 – Comparação entre os conceitos do PLM, fábrica digital e comissionamento virtual
Fonte: os autores
Dessa forma é possível observar que os conceitos do PLM, fábrica digital e comissionamento virtual se completam e a aplicação mútua dos três conceitos irá gerar uma redução do tempo da produção e do custo associado à produção e, por conseqüência, ao produto final.
6. Análise comparativa dos conceitos de engenharia convencional, fábrica digital e comissionamento virtual
Em 2006, Wolfgang Kühn, no seu trabalho “digital Factory – Simulation Enhancing the Product and Production Engineering Process”, propôs um modelo de estudo para demonstrar
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Na figura 4, está apresentada a proposta do modelo adicionando o conceito de comissionamento virtual. Nesta proposta o esforço é maior que aquele apresentado no modelo de Kühn (2006) uma vez que exige maior conhecimento e mais etapas de processamento de informações e análises, no entanto, a finalização do projeto deverá ser ainda mais rápida.
Figura 4 – Comparação entre o conceito convencional, fábrica digital e comissionamento virtual: esforços e benefícios
Fonte: os autores
No modelo de Kühn (2006), não foi considerado o erro inerente à programação dos CLPs e robôs instalados nas células de produção. Nos conceitos da fábrica digital e da engenharia convencional, a programação dos CLPs e dos robôs acontece depois que toda a parte mecânica e elétrica da célula já está instalada. Nesse momento temos a célula industrial pronta, porém fora de funcionamento, o que retarda o início da operação e, por conseqüência, gera custos para a empresa.
No comissionamento virtual este tempo de programação e correção de possíveis erros poderá ser eliminado, já que os PLCs e robôs são programados e testados durante o projeto e construção das células industriais.
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Dessa forma, é possível obter a programação finalizada juntamente com a parte física da célula, sendo apenas necessários ajustes finos, para seu total funcionamento. Esse conceito visa uma redução ainda maior no time-to-market do produto, reduzindo também os custos associados ao mesmo.
O maior esforço demandado se justifica pela maior intensidade de conhecimento aplicado em um período de tempo menor. A comunicação entre as equipes que constroem a fábrica virtualmente, que fazem a construção física e que executam as programações e testes deve ser intensa e, mesmo assim, sempre há o risco de “falsos começos”. Por “falsos começos” entende-se a necessidade de revisar trabalhos parcial ou totalmente em decorrência de alterações significativas feitas em outras áreas decorrentes de barreiras técnicas intransponíveis.
6. Comentários finais
Esse artigo mostrou as diferenças e integrações entre os conceitos do PLM, fábrica digital e comissionamento virtual. Qualquer um dos conceitos pode ser aplicado isoladamente, porém quando aplicados em conjunto e de forma integrada, é possível alcançar melhores resultados.
Uma evolução do modelo de integração de Kühn foi apresentada, incluindo o comissionamento virtual. O novo modelo proposta demonstra que esta inclusão torna necessário um maior esforço por parte da equipe durante a definição do processo de produção. Este maior esforço se justifica na medida em que se inclui um maior número de atividades e exige elevada especialização. O retorno proporcionado pelo esforço é compensador, uma vez que a nova configuração facilita e acelera a introdução de novos processos produtivos, reduzindo o custo e o time-to-market do produto, tornando possível um aumento de vendas e de lucro para a organização.
REFERÊNCIAS
ALI, Heidari; OLIVER, Salamon. Virtual Commissioning of an Existing Cell at Volvo Car Corporation Using Delmia V6. Göteborg: Report No. EX023/2012. 53 p. Tese (Mestrado) – Master Degree Programme, Systems, Controls and Mechatronics, Department of Signals and Systems, Chalmers University of Technology, Sweden, Göteborg, 2012.
