Implementación de los Modelos Contenidos en la Norma Isa-95 Mediante una Aplicación Software Para

Empresas De Manufactura

Andrés M. IBARRA, Jissel E. PISCAL y Diana J. LÓPEZ Departamento de Electrónica Instrumentación y Control, Universidad del Cauca

Popayán, Cauca, Colombia RESUMEN

El presente proyecto plantea una solución software, la cual facilita el modelado e implementación de la Norma ISA-95, enfocándose en los modelos de Programación y Desempeño de la Producción. En este documento se indican los estudios previos realizados, el diseño, el desarrollo y los resultados de la aplicación software, resaltando como propósito no solo su uso en pequeñas empresas de manufactura, sino también como una herramienta pedagógica que puede ser empleada en el estudio y comprensión de la Norma ISA-95. Palabras Claves: Norma ISA-95, Programa de Producción, Desempeño de la Producción, Sistemas de Ejecución de Manufactura (MES), Planificación de Recursos de la Empresa (ERP).

1. INTRODUCCIÓN En la actualidad los clientes son más exigentes en lo que se refiere a precios, servicio y calidad; esto obliga a las empresas a conocer mejor los requerimientos de los usuarios, bajar los costos, reducir tiempos de producción y mejorar la calidad de sus productos [1]. Para enfrentar estos desafíos, en ocasiones no basta con contar con una amplia variedad de personal y sus habilidades, sino que las empresas se han visto obligadas a ir mas allá y convertirse en empresas ágiles y eficientes, usando técnicas para monitorizar y mejorar los procesos que se manejan dentro de ella, lo cual, implica optar por tecnologías que admitan flexibilidad, rendimiento y proporcionen herramientas que permitan ser adoptadas con rapidez por parte de sus trabajadores, desarrolladores y administradores [2]. Debido a esto, en los últimos 10 años, las aplicaciones software han ganado mayor participación e importancia dentro de las empresas, pero aun así, los estándares existentes no han tenido una participación y aprovechamiento notable, específicamente al tratarse de la Norma ISA-95. La Norma ISA-95 brinda modelos genéricos que permiten conocer las principales funciones y flujos de información en una industria de manufactura, de esta manera es posible establecer planes de trabajo para lograr una óptima implementación de un sistema MES (Manufacturing Execution System) y/o ERP (Enterprise Resource Planning) [3]. Por los beneficios ofrecidos, son bastantes las empresas que se han adaptado a este estándar, obteniendo resultados muy

satisfactorios a la hora de organizar su información. Por otra parte, en el ámbito académico, principalmente en las universidades cuyos programas tratan temas relacionados con la automatización e integración empresarial, han adoptado la Norma ISA-95 como elemento de estudio, teniendo como único soporte las bases teóricas que aporta este estándar. Por lo anterior, se ve reflejada la importancia que tiene el desarrollo de este tipo de proyectos en donde se plantea una solución, en la cual, los elementos teóricos de la Norma ISA-95 en conjunto con una aplicación software otorgan beneficios de tipo empresarial y académico. Con el resultado de este proyecto los usuarios pueden simular órdenes de producción para procesos productivos reales y a su vez tener una aplicación software que contribuye en el proceso de aprendizaje teórico-práctico de la Norma mencionada. Este artículo inicia con la descripción de la Norma ISA-95 y su importancia, posteriormente se describen de manera general los pasos desarrollados para el diseño del software propuesto, seguidamente se muestran los resultados y se finaliza con las conclusiones al respecto.

2. DESCRIPCIÓN DE LA NORMA ISA-95 Y SU IMPORTANCIA

La Norma ISA-95 es un estándar internacional que facilita la integración de las funciones empresariales y los sistemas de control en empresas de manufactura. Fue desarrollada por ISA (International Society of Automation) en el año de 1990, con el fin de reducir el riesgo, el coste y los errores que van de la mano con la implementación de interfaces entre dichos sistemas (funciones empresariales y sistemas de control). [4] ISA-95 contiene modelos y terminología que puede ser usada para determinar qué información se debe intercambiar entre las diferentes funciones empresariales (compras, ventas, finanzas, logística, mercadeo) y las operaciones de administración de manufactura (producción, inventarios, mantenimiento y calidad). [5] Esta información se estructura en modelos representados en Lenguaje Unificado de Modelamiento (UML, Unified Modeling Language), que son la base para el desarrollo de interfaces estándar entre Planificación de Recursos de la Empresa (ERP, Enterprise Resource Planning) y Sistemas de Ejecución de Manufactura (MES, Manufacturing Execution System). De forma similar al concepto CIM (Computer Integrated Manufacturing), ISA-95 proporciona además, una organización jerárquica del sistema de manufactura, que va desde los

procesos físicos, bien sean por lotes, continuos o discretos, hasta el nivel más alto llamado de Logística de Negocio [6]. La Norma ISA-95, cuenta con tres áreas principales: • Modelos de intercambio de información entre los sistemas de negocio y los de manufactura. Parte 1, 2 y 5. • Modelo de actividades en las operaciones de manufactura. Parte 3. • Modelo de intercambio de información entre sistemas de operación de manufactura. Partes futuras 4 y 6 [7]. Importancia de la Norma ISA-95 La Norma internacional ISA-95 ha sido desarrollada para hacer frente a los problemas encontrados durante el desarrollo de interfaces automatizadas entre la empresa y los sistemas de control. Este estándar ha sido desarrollado para todo tipo de entornos de fabricación en todo el mundo. Se puede aplicar en todas las industrias y en todo tipo de procesos, como por lotes, continuo y los procesos repetitivos o discretos [8]. Con la aparición de nuevas tecnologías, cada vez es más fácil automatizar el intercambio de información entre el piso de oficina y el de planta; una interfaz automatizada entre la empresa y los sistemas de control puede dar lugar a numerosas ventajas, por ejemplo, la información importante se haría accesible en el momento oportuno y el lugar correcto, la empresa tendría acceso a información de las materias primas y productos finales en tiempo real, lo que permitiría un uso óptimo de la capacidad de almacenamiento. Partes de la Norma ISA-95 La Norma ISA-95 consta de cinco partes. La parte 1, consta de

terminología estándar y la definición de modelos de objetos, que pueden ser utilizados para decidir qué información debe ser

intercambiada. La parte 2, consta de atributos para cada objeto que se define en la parte 1. Los objetos y los atributos de la

parte 2 se pueden utilizar para el intercambio de información

entre sistemas diferentes, pero estos objetos y atributos también

se pueden utilizar como base para bases de datos relacionales.

La parte 3, se centra en las funciones y actividades en el nivel 3 o capa Producción/MES (Calidad, mantenimiento, inventarios y

producción). Actualmente, el comité SP95 está desarrollando la

parte 4 y 5, tituladas: "Modelos de objetos y atributos de la

gestión de las operaciones de manufactura" e "Integración de la

empresa y los sistemas de control", respectivamente [8].

Para el desarrollo del proyecto, se optó por trabajar con las

partes 1 y 2 de la norma, las cuales dentro de su estructura

describen los modelos de objetos necesarios para el diseño y desarrollo de la base de datos que almacenará la información

para la aplicación. Estas partes están conformadas por modelos

de recursos y modelos de intercambio de información:

Modelos de recursos • Personal

• Material

• Equipos • Segmentos de proceso

Modelos de intercambio de información

• Definición del producto

• Capacidad de producción • Programa de producción

• Desempeño de la producción Los modelos de recursos son la base para la implementación de

los modelos de intercambio de información, los cuales, están relacionados directamente con el área de logística empresarial.

3. DISEÑO DE LA APLICACIÓN SOFTWARE

A continuación se describe y aplica, de manera general, resumida, enfatizando en los aspectos mas importantes y como ejemplo para un conjunto de los modelos (modelo de recursos, modelos: material, equipo y personal), la metodología empleada para el diseño y creación del software (metodología ágil XP (eXtream Programming)). Las etapas de las que se compone y que se desarrollaron para el proyecto son: planeación, diseño, codificación y pruebas. A continuación se describen cada una ellas, a modo de ejemplo para el modelo de recursos y tomando como referencia lo propuesto por la metodología XP. Planeación Historias de Usuario: Las historias de usuario son utilizadas como herramienta para definir los requerimientos del sistema, estas son definidas por el usuario, papel asumido por los desarrolladores del presente proyecto, debido a que se cuenta con el conocimiento sobre los requerimientos y funcionalidades que debe poseer el software. A continuación se describe la historia de usuario necesaria para el desarrollo del modelo de recursos. NÚMERO HISTORIA: 03 NOMBRE HISTORIA: GESTIÓN DE RECURSOS FECHA: 15 de Octubre 2012 ENTREVISTADO (USUARIO): TIEMPO ESTIMADO: 1 HORA DESCRIPCIÓN: Se debe gestionar (ingresar, guardar, editar y eliminar) la información de los recursos (material, equipo y personal) empleados en la fabricación de los productos, en los que se incluye información como: clases recurso, propiedades de clases recurso, recursos, propiedades recursos. Iteraciones: En la metodología XP, la creación del sistema se divide en etapas para facilitar su realización. Por lo general, los proyectos constan de más de tres etapas, las cuales toman el nombre de iteraciones, de allí se obtiene el concepto de metodología iterativa. [9] La metodología define que cada iteración está conformado por un conjunto de historias de usuario, para el presente proyecto se decide trabajar una iteración por cada historia de usuario, esto con el fin de establecer un orden para el diseño de la base de datos y de la interfaz del software. Cada iteración se implementa en orden y las pruebas correspondientes a la misma se van ejecutando a medida que

cada iteración finaliza. Cada vez que se aprueba una iteración, se integra a las iteraciones que han sido aprobadas previamente, luego se da paso a la siguiente iteración y se repite el proceso anterior hasta obtener el resultado final. A continuación se identifican el número, orden y tamaño de las iteraciones, así como las historias de usuarios que le corresponden.

Iteración Historia de Usuario

Duración (semanas)

Fechas de Inicio

iteración 1

registro de usuario 1 24 – sep – 12

iteración

2 gestión empresa 2 1 – oct –

12

iteración

3 gestión de recursos 3 15 – oct –

12

iteración 4

gestión segmento proceso

2 5 – nov – 12

iteración

5 gestión definición

de producto

2 19 – nov –

12

iteración

6 gestión de

pruebas(test)

2 3 – dic –

12

iteración

7 gestión programa

de producción

3 7 – ene –

13

iteración

8

gestión desempeño

de producción

2 28 – ene –

13

iteración

9

gestión reportes 3 11 – feb -

13

total 20 Tabla 1. Iteraciones para el desarrollo del proyecto.

Diseño En esta etapa del proyecto se estructura la base de datos

mediante el diseño del modelo entidad-relación del sistema, el

cual permite visualizar la representación que se hace de los

modelos de objetos de la Norma ISA-95.00.02, y permite hacer

la gestión de la información de acuerdo a lo requerido por la Norma.

A continuación se muestra el modelo entidad-relación necesario

para la construcción de la base de datos.

Figura 1. Modelo Entidad-Relación Modelos Norma

ISA 95-00.02. Fuente: Propia.

En la Figura 1 están representados todos los modelos de objetos establecidos por la Norma ISA-95, con sus respectivas tablas y las relaciones entre ellas. Aquí se puede observar que el diseño de la base de datos en comparación a los modelos de la Norma es un diseño simplificado, donde la información principal se concentra en el modelo jerárquico de equipos y el modelo de recursos, los modelos restantes importan esta información junto con información adicional que requieran. Para comprender la dinámica de funcionamiento, se toma como ejemplo la representación del modelo de recursos y dentro de él el Modelo de Equipo, tal y como se puede observar en la Figura 2.

Figura 2. Modelo Entidad-Relación Modelo de Equipos.

Fuente: Figura izquierda, Norma ISA 95, parte 2. Figura derecha, Propia.

Este diseño permite simplificar la base de datos, ya que al identificar los atributos de los recursos que tienen características en común, éstos pueden ser agrupados en tablas que son compartidas y utilizadas por otras tablas que lo requieran. Codificación Al escribir el código del programa se deben seguir estándares de programación. No solo porque la metodología XP lo recomienda, sino porque es una buena práctica que se debe seguir en cualquier metodología de desarrollo. Cada pieza de código es integrada en el sistema una vez que esté lista. Para verificar si cumple con las condiciones para ser integrada se realizan pruebas sobre la interfaz, y a partir de sus resultados se toman las acciones correspondientes al caso que se presente. Una vez que el nuevo código esté listo y libre de errores, este será incorporado definitivamente al sistema. La aplicación software está diseñada en Visual Studio 2010 usando MVC3 y C#, además el motor de la base de datos usado es SQL SERVER 2008 R2. Pruebas XP enfatiza en la realización de un sin número de pruebas a lo largo del proyecto, con el fin de asegurar en todo momento la realización de lo planteado en el diseño. Cabe señalar que las pruebas son realizadas en cada iteración como una práctica para garantizar el buen funcionamiento.

Una vez se cuente con una iteración terminada, se procede a ingresar información a la base de datos mediante la interfaz, a partir de la funcionalidad del software se ejecutan todos los procedimientos a seguir para obtener los resultados esperados, los cuales son evaluados para establecer si estos cumplen o no con los requerimientos (historia de usuario) establecidos. Este tipo de pruebas permiten reducir el número de errores e incrementar la calidad del producto.

4. RESULTADOS

Al concluir el proyecto, éste será implementado en una plataforma web con el fin de que cualquier usuario que cuente con conexión a internet pueda acceder a la aplicación. Para ingresar a la plataforma se debe contar con una contraseña, luego, para hacer uso de la aplicación el usuario debe crear una cuenta, una vez dentro de ella el usuario puede realizar las siguientes acciones: 1. Ingresar toda la información concerniente a una empresa, según como lo indica la Norma (Empresa, Área, Sitio, Célula y Unidad). 2. Ingresar todos los recursos: equipos, material y personal, además para todos los recursos se podrán realizar las pruebas de capacidad, calidad y calificación, así como también al ingresar la información referente a los equipos se podrá ingresar información sobre las fallas mas comunes presentadas en éstos, para posteriormente simular pruebas de mantenimiento, siendo estas pruebas opcionales. 3. Ingresar toda la información referente a los segmentos de proceso que se decidan crear, teniendo en cuenta que el software tendrá la capacidad de importar los recursos para organizarlos en los segmentos que correspondan. 4. Ingresar toda la información referente a los segmentos de producto o definición de producto que se decidan crear, teniendo en cuenta que el software tendrá la capacidad de importar los segmentos de proceso y a su vez los recursos necesarios para la fabricación de un producto determinado. 5. Realizar pruebas (test), las cuales, permitirán simular:

a. Prueba de calidad de lotes de material. Verifica las condiciones de llegada de los diferentes lotes de material utilizados durante la fabricación de un producto.

b. Prueba de mantenimiento de equipos. El usuario podrá simular un problema presentado en alguno de los equipos, generar órdenes de mantenimiento y visualizar los resultados.

c. Prueba de capacidad de equipos. Compara las propiedades ideales de una clase equipo con las propiedades reales de un determinado equipo, esto con el fin de verificar que dichas propiedades se encuentren dentro de un rango permitido.

d. Prueba de calificación de personal. Compara las propiedades ideales de una clase personal con las propiedades reales de una determinada persona, esto con el fin de verificar que dichas propiedades se encuentren dentro de un rango permitido. Las anteriores pruebas se realizan con el fin de verificar que las condiciones de los recursos necesarios para la producción sean óptimas, antes de ser lanzada una orden de producción de un producto. 6. Simular una orden de producción donde el usuario escoge el producto a producir, establece la cantidad de lotes a producir y la hora de inicio de la producción. La aplicación software tendrá la capacidad de listar los recursos requeridos, sus cantidades y el tiempo necesario para la fabricación del lote o los lotes solicitados de producto. 7. Simular el desempeño de la producción, mediante el ingreso

de valores obtenidos al finalizar la fabricación de un producto, que indiquen el resultando real de la producción; esto con el fin de evaluar la eficiencia de la producción. La aplicación está en capacidad de crear, editar, actualizar y eliminar la información contenida. Además tiene la capacidad de generar reportes en formato .Pdf de la información que se requiera y crear plantillas en formato XML con el fin de adaptarse a los protocolos de comunicación de información basados en B2MML (Bussines to Manufacturing Markup Language). En adelante, se muestran algunos resultados de la primera versión de la aplicación, con el fin de tener una visión de la interfaz y sobre todo del funcionamiento de la misma.

Figura 3. Vista general de la aplicación. Fuente: Propia.

En la Figura 3 se observan las secciones de las que se compone la aplicación, así: • Menú Principal: Ubicado en la parte superior, contiene los enlaces principales de la aplicación, en ella se direcciona hacia las ventanas donde se registra y almacena la información concerniente a los modelos de objetos: Modelo Jerárquico de Equipos (no es un modelo de objeto), Modelo de Recursos (Equipo, Personal y Material), Modelo Segmento de Proceso, Modelo Segmento de Producto, Test (no es un modelo de objeto, hace parte de ellos), Programación de la Producción, Desempeño de la Producción y Reportes (no es un modelo de objeto). • Menú Secundario: Ubicado en la parte izquierda, contiene los enlaces para el ingreso y almacenamiento de información referente a cada modelo. • Zona de Gestión de la Información: Ubicada en la parte derecha, esta zona contiene los campos para ingresar, guardar, eliminar y editar la información concerniente a registros e ingreso a cuentas de usuario, información de cada uno de los modelos, pruebas de calificación, capacidad y calidad, pruebas de mantenimiento y muestra resultados de desempeño, también permite visualizar los resultados de cada uno de los registros que son ingresados en los campos. Teniendo presente las siete acciones de la aplicación software mencionadas anteriormente, en las siguientes Figuras se presentan algunas de las ventanas principales gestoras de dichas acciones.

Figura 5. Gestión Empresa. Fuente: Propia.

Figura 6. Gestión Equipos. Fuente: Propia.

Figura 7. Gestión Personal. Fuente: Propia.

Figura 8. Gestión Material.

Fuente: Propia.

Figura 9. Gestión Segmentos de Proceso. Fuente: Propia.

Figura 10. Gestión Definición de Producto.

Fuente: Propia.

Figura 11. Gestión Test.

Fuente: Propia.

Figura 12. Gestión Programa de Producción.

Fuente: Propia.

Figura 13. Gestión Desempeño de Producción.

Fuente: Propia.

Figura 14. Gestión Reportes. Fuente: Propia.

5. CONCLUSIONES

Este artículo presentó los principales conceptos y características a tener en cuenta para la implementación de los modelos de objetos contenidos en la Norma ISA-95 en una aplicación software. A continuación, se muestran las conclusiones al respecto. • La Norma ISA 95 es de gran utilidad en varios aspectos, entre ellos ser el fundamento para el desarrollo de sistemas MES y bases de datos, así como contribuir al manejo y organización de la información y el intercambio de la misma, de tal forma que sea accesible en el momento oportuno y el lugar correcto. • El estudio adecuado de los diagramas UML representados en el estándar y sus relaciones, da como resultado el diseño simplificado de la base de datos en cuanto a tamaño, claridad y lo sintetizadas que pueden resultar sus relaciones. • Teniendo en cuenta que en cualquier empresa no son tan fundamentales los datos o la información que se maneje, tanto como la manipulación y la evaluación que se haga de ella, la aplicación software desarrollada contribuye en gran medida a la flexibilidad en el manejo de información y con ello a la agilización de las respuestas frente algún tipo de cambio. • La implementación de la Norma ISA-95 en la aplicación software, brinda resultados favorables, innovadores y eficaces si son acoplados de manera correcta, organizada y metódica

siguiendo los pasos que se dan en la Norma. Resultados que van desde un conocimiento de todos los recursos con los que cuenta la empresa (material, equipo y personal), así como la manipulación de los mismos para llevar a cabo la fabricación de un determinado producto. • La comprensión de la Norma ISA-95 se vuelve más clara cuando se utilizan ayudas didácticas como una aplicación software, cuya implementación basada en la Norma ISA-95 sirve como un medio que facilite el aprendizaje y el entendimiento de la misma.

6. REFERENCIAS

[1] A. Tinoco, “Integración Empresarial, una Posición Estratégica”. [Online]. Disponible: http://www.bpi-center.com/eBPublicacion/Integraci%F3n%20empresarial%20una%20posicion% 20estrategica. (Consultado en Noviembre del 2012). [2] Microsoft, “Microsoft Integración Empresarial – Capacidad de Enfrentarse a los Nuevos Desafíos”. [Online]. Disponible: http://www.microsoft.com/es-es/servers/default.aspx. (Consultado en Noviembre del 2012). [3] J. Gagelin, “Sistemas MES: El Futuro de la Industria”, Trabajo de grado, Universidad Pontificia Bolivariana, Colombia, 2012. [4] B. Scholten, “The Road to Integration. A Guide to Applying the ISA-95 Standard in Manufacturing”, Libro, United States of America, 2007. [5] ISA-95.01. “Enterprise - Control System Integration”, Part 1: Models and Terminology. International Society of Automation, American National Standard, 2000. [6] S. Estrada, “Integración con Piso de Planta ISAS95”, Conferencia, Bogotá D.C., 2009. [7] Isa-95, “Isa-95 Enterprise Control Systems”. [Online]. Disponible: http://www.isa- 95.com/subpages/technology/isa-95/isa-95.php. (Consultado en Noviembre del 2012).

[8] ISA-95.02. “Enterprise - Control System Integration”, Part 2: Objects Model Attributes. International Society of Automation, American National Standard, 2000. [9] L. Delgado, L. Echeverry, “Caso Práctico de la Metodología Ágil XP al Desarrollo de Software”, Trabajo de grado, Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, Colombia, 2007.