´ INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

´ EN CIENCIA CENTRO DE INVESTIGACION ´ AVANZADA APLICADA Y TECNOLOGIA ´ UNIDAD QUERETARO

POSGRADO EN TECNOLOG´IA AVANZADA

˜ y Modelado de una L´ınea Piloto An´alisis, Diseno de Manufactura Usando Lenguaje Unificado de Modelado TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

´ EN TECNOLOGIA ´ AVANZADA MAESTRIA

PRESENTA

Ing. Francisco Iv´an Silva Tapia

DIRECTORES

Dr. Adri´an Luis Garc´ıa Garc´ıa Dr. Rodolfo Orosco Guerrero

Santiago de Quer´etaro Qro. a 9 de enero de 2014

A las personas que siempre se esforzaron para que yo cumpliera mis sue˜nos y anhelos. De ellos siempre he recibido amor, comprensi´on y apoyo incondicional

Mis padres

Agradecimientos

A mis padres y mi hermana Porque en ellos siempre he encontrado amor y un apoyo incondicional

A mi asesor Cuyas lecciones y experiencias contribuyeron sobremanera en mi formaci´on cient´ıfica y tecnol´ogica.

A mi familia Que siempre me ha brindado su ayuda en los momentos dif´ıciles.

A mi novia Vicky, tu ayuda y tu compa˜n´ıa durante este tiempo han sido una parte muy importante de mi vida.

A CICATA Quer´etaro Por permitirme hacer uso de sus equipo e instalaciones.

A CONACyT Por su apoyo econ´omico durante mi estancia en la Maestr´ıa.

IX

Tengamos la completa seguridad de que mientras mas disciplinados seamos de pensamientos, mas prudentes y responsables seremos al momento de emitir una verdad. Es de hombres pedantes creerse los due˜nos de la verdad, un hombre honesto reconoce sus limitaciones y admite sencillamente que es imposible saberlo todo...

F. Nietzsche.

Resumen

El sector industrial de manufactura se ha caracterizado por ser uno de los escenarios favoritos para los grandes avances tecnol´ogicos gracias a la constante competencia en los mercados. Las empresas actuales deben de contar con metodolog´ıas para desarrollar procesos suficientemente flexibles capaces de responder a los r´apidos cambios en los mercados, as´ı como tambi´en aprovechar las oportunidades que presentan los nuevos nichos de mercado y tener la posibilidad de adaptar de la manera m´as eficiente los procesos de producci´on a la elaboraci´on de nuevos productos.

El presente trabajo muestra el desarrollo de una l´ınea piloto de manufactura mediante herramientas com´unmente usadas para el desarrollo de sistemas complejos de software: Lenguaje Unificado de Modelado y Metodolog´ıa de An´alisis de Sistemas. La necesidad de desarrollar el sistema de manufactura bajo una metodolog´ıa orientada a objetos, obedece a que la l´ınea de manufactura est´a pensada para experimentar nuevos m´etodos de producci´on y el desarrollo de nuevos productos, por lo que se requiere de una alta flexibilidad y reusabilidad de componentes, as´ı como la generaci´on y procesamiento de gran cantidad de datos.

Se adapt´o el lenguaje para descripci´on de sistemas UML, en la construcci´on de un sistema de manufactura a partir de las requerimientos funcionales del usuario. El dise˜no y modelado del sistema se realiz´o usando la herramienta CASE Enterprise Architect. El dise˜no fue el resultado de iteraciones mediante entrevistas entre el usuario final y el equipo multidisciplinario de dise˜no. Una vez que el usuario estuvo conforme con el modelo del sistema en UML, el equipo de dise˜no determin´o los requerimientos t´ecnicos del sistema y seleccion´o los dispositivos que constituyen el sistema. El dise˜no del sistema se realiz´o sobre el modelo de UML donde se consideran las interacciones y comunicaci´on que deb´ıa existir entre los diferentes elementos del sistema.

El modelo del sistema elaborado con la herramienta CASE permiti´o generar de forma casi autom´atica la documentaci´on del sistema, necesaria para comprender e implentar el mismo, e´ stos son: diagramas de bloques del sistema, flujos de informaci´on y descripci´on t´ecnica de los componentes del sistema. Todo esto gracias al procedimiento de dise˜no del sistema en CASE, que solicita la mayor cantidad de informaci´on posible para obtener el modelo del sistema.

I

Abstract

The manufacturing industry has been one of the main protagonists of the major technological advances due to the hard struggle for the markets. The prevailing companies must have methodologies to develop flexible processes capable to respond to the fast changes of the markets, to move ahead when new niche markets come up, and to have the possibility to efficiently adapt their processes to manufacture new products.

This work shows the development of a pilot manufacture line employing tools commonly used in the development of complex systems of software, like Unified Modeling Language (UML) and System Methodology Analysis. The development of a manufacturing system under an object-oriented methodology allowed to try out new production processes and to develop new products, which requires a high flexibility, reusability of components, and generation and processing of data.

UML software was used to build the manufacturing system based on the user’s functional requirements. Design and modeling of the system was performed by means of a CASE Enterprise Architect tool. The design came up from iterative interviews with the end user and multidisciplinary design team. Once the end user was satisfied with the system model, depicted by UML, the design team determined the system technical requirements, and then elected the devices that would comprise the system. System designed was based on the UML model, in which the interactions and communication that must exist between all elements were considered.

The model of the system, made by using the CASE tool, created almost automatically the system’s documents, which are necessary for its understanding and implementation. Those documents are: block diagrams, information flow, and technical description of system components. All these due to the design of the system in CASE, which manages the greatest amount of information to obtain the model of the system.

III

´ Indice general

Resumen

I

Abstract

III

´ Indice general

V

´ Indice de figuras

IX

´ Indice de tablas

XI

1. Marco de referencia

1

1.1. Retos de las empresas de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2. El enfoque OO en el modelado de sistemas de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.2.1. El enfoque OO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.2.2. Estado del arte del enfoque orientado a objetos en el desarrollo de sistemas de manufactura

6

1.3. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.3.1. Definici´on del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.4. Hip´otesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.5. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.5.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.5.2. Objetivos espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2. Marco te´orico

11

2.1. Los sistemas de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.1. Definici´on de sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2. Conceptos sobre sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.3. La manufactura como un sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2. La informaci´on en los procesos de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 V

´INDICE GENERAL 2.2.1. Modelo conceptual de un sistema de informaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3. Generalidades en el an´alisis de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3.1. Determinaci´on de los requerimientos de informaci´on del usuario . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2. An´alisis de las necesidades del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.3. Las organizaciones como sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.4. Modelado de casos de uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.5. Planeaci´on y control de actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3.6. La metodolog´ıa del flujo de datos para determinar los requerimientos de los usuarios . . 36 2.3.7. Especificaciones de los procesos y decisiones estructuradas . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.8. Conceptos y diagramas del Lenguaje Unificado de Modelado (UML) . . . . . . . . . . 39 2.3.9. Dise˜no de una salida del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.10. Dise˜no de una entrada efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.11. Interacci´on Humano-Computadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.4. Modelado de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.4.1. El Lenguaje Unificado de Modelado (UML) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.4.2. Enterprise Architect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3. M´etodo de desarrollo del Sistema Integral de Manufactura

55

3.1. Identificaci´on de los problemas, oportunidades y objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2. Determinaci´on de los requerimientos del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.1. Requerimientos funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.2. Modelado del dominio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.3. Modelado de casos de uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.3. An´alisis de las necesidades del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.4. Dise˜no preliminar del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.5. Dise˜no detallado del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.6. Revisi´on cr´ıtica del dise˜no . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.7. Implementaci´on y evaluaci´on del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4. Desarrollo de la l´ınea prototipo

65

4.1. Identificaci´on de los problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2. Determinaci´on de los requerimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.1. Secuencia del proceso de producci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2.2. Modelado del dominio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.3. Modelado de casos de uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3. An´alisis de las necesidades del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4. Dise˜no preliminar del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

´INDICE GENERAL 4.5. Dise˜no detallado del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6. Revisi´on cr´ıtica del dise˜no . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5. Modelo del sistema

83

5.1. Dise˜no del sistema en la plataforma Enterprise Architect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6. Discusi´on y Conclusi´on

91

Referencias

93

7. Anexos

101

´INDICE GENERAL

´ Indice de figuras

1.1. Modelo V del proceso de dise˜no . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.1. Distinci´on entre las formas de estudiar un sistema, donde a y b simbolizan los complejos . . . . 11 2.2. Esquema del Sistema de Manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3. Esquema de un taller de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4. Esquema de un taller de proyectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5. Esquema de un sistema celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6. Esquema mostrando la estructura de una linea de flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.7. Esquema de un sistema continuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.8. Ejemplo de un diagrama de flujo de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.9. Ejemplos de casos de uso y los diferentes conectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.10. El diagrama de Gantt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.11. Ejemplo de un diagrama de flujo de datos f´ısico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.12. Ejemplo de un diagrama de flujo de datos l´ogico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.13. Simbolog´ıa de un diagrama de secuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.14. Ejemplo del diagrama de secuencia aplicado a una m´aquina CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.15. Ejemplo de un diagrama de clases en una empresa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.16. Ejemplo de un diagrama de estados en una l´ınea de elaboraci´on de pistones . . . . . . . . . . . 46 3.1. El ciclo en el proceso de desarrollo de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2. Ejemplo de un diagrama de clases de un sistema de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1. Diagrama de requerimientos funcionales del sistema realizado en Enterprise Architec . . . . . . 68 4.2. Captura de pantalla de diagrama de requerimientos en Enterprise Architect . . . . . . . . . . . . 69 4.3. Esquema del proceso como lo propone el usuario final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.4. Im´agenes y datos obtenidos del producto entre cada etapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 IX

´INDICE DE FIGURAS 4.5. Diagrama de casos de uso del sistema implementado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.6. Captura de pantalla con la descripci´on de uno de los casos de uso del sistema . . . . . . . . . . 71 4.7. Descomposici´on del diagrama en sus clases principales: Rociado, Carga y Recubrimiento . . . . 72 4.8. Clases y objetos definidos para las etapas de Rociado y Carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.9. Clases, subclases y objetos definidos para la etapa de Recubrimiento . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.10. Descripci´on de cada una de las clases dispuestas en el diagrama . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.11. Diagrama de clases de la l´ınea de manufactura prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.12. Ejemplo de descomposici´on de un sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.13. Diagrama de secuencia del proceso desarrollado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1. Descripci´on del proceso desarrollado en UML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2. Primera etapa del proceso dise˜nado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.3. Vista del bloque de Informaci´on de entrada para inicializar el sistema . . . . . . . . . . . . . . 85 5.4. Etapa de Rociado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.5. Contenido del bloque del sistema de Eductor en la de descripci´on de bloque . . . . . . . . . . . 86 5.6. Contenido del bloque del sistema de Eductor en la descripci´on de las partes que lo conforman . 86 5.7. Contenido del bloque de informaci´on de entrada al proceso de eductor . . . . . . . . . . . . . . 87 5.8. Contenido del bloque de informaci´on de salida del proceso de eductor . . . . . . . . . . . . . . 87 5.9. Contenido del bloque de informaci´on obtenida del producto de la etapa de rociado . . . . . . . . 88 5.10. Etapa de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.11. Etapa de recubrimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

´ Indice de tablas

2.1. Ejemplos de funciones en los dos modos de operaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2. Los s´ımbolos b´asicos utilizados en los diagramas de flujo de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1. Caracter´ısticas principales de los motores usados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.2. Caracter´ısticas principales de los controladores de motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.3. Caracter´ısticas principales de los dispositivos neum´aticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4. Revisi´on los requerimientos del sistema vs el diagrama de secuencia . . . . . . . . . . . . . . . 81

XI

´INDICE DE TABLAS

XII

C AP´I TULO P RIMERO

M ARCO DE REFERENCIA

Este primer cap´ıtulo tiene como objetivo situar al lector dentro del entorno de este trabajo de investigaci´on. Se comienza con un breve marco hist´orico sobre la la evoluci´on las empresas de manufactura en general y los cambios que obligaron a que e´ sta se produjera. A continuaci´on se describe la necesidad de cambiar el paradigma en el modelado de estos sistemas usando lenguaje Orientado a Objetos (OO) y, en particular UML. Se citan varios trabajos de investigaci´on sobre la aplicaci´on de la sem´antica del enfoque Orientado a Objetos y algunos que ya han logrado aplicaciones en el entorno industrial. Por u´ ltimo, este cap´ıtulo cuenta con las partes esenciales de toda tesis: la descripci´on del problema, hip´otesis y objetivos.

La manufactura es una actividad humana que se encuentra en pr´acticamente todos los aspectos de nuestra vida, ya que sus productos pueden encontrarse por doquier. Actualmente, los productos m´as comunes y b´asicos usados en nuestra vida diaria provienen de procesos industriales de manufactura. De lo anterior, se puede definir la manufactura como una entidad que transforma materiales e informaci´on en bienes para satisfacer las necesidades humanas [1].

La historia de la manufactura est´a marcada por desarrollos graduales desde la revoluci´on industrial en el siglo XVIII, pero los efectos acumulados han tenido sustanciales consecuencias sociales, las cuales pueden hasta considerarse revolucionarias.

Una de las caracter´ısticas m´as incisivas del desarrollo tecnol´ogico es el dr´astico incremento en nuestra capacidad para reunir y procesar informaci´on. En general, se acepta que hemos entrado en la Era de la Informaci´on. Debido a que el campo de la manufactura integra diversas disciplinas en ingenier´ıa y gesti´on, en la actualidad es usual dividirla de manera que se facilite la identificaci´on de problemas y a´ reas de oportunidad para as´ı darle un enfoque cient´ıfico a los problemas encontrados.

La globalizaci´on ha obligado a cambiar distintos sectores de las empresas, ya que ahora se cuenta con canales mucho m´as largos, en t´erminos de participantes en la cadena de producci´on, para la distribuci´on de productos; 1

1.1. RETOS DE LAS EMPRESAS DE MANUFACTURA mientras que internamente los procesos de fabricaci´on son cada vez m´as complejos y especializados. Se ha hecho necesario conducir la manufactura hacia productos m´as an´onimos, al crear valor agregado en el proceso y no en el producto, donde las cadenas de suministro son m´as largas y complejas [2].

La manufactura eficiente y competitiva requiere de una relaci´on cercana entre las distintas actividades que se convierten en partes verdaderas de un sistema din´amico interactuante [3]. Toda empresa que quiera competir en el mercado internacional debe ser capaz de ofrecer al cliente un valor agregado; por ejemplo, alta flexibilidad en los procesos, tiempos de entrega cortos, amplio rango de variables manejadas, ciclos de producci´on de vida corta, entre otros. Todas las anteriores son caracter´ısticas que no son creadas por el producto, si no por el proceso [2].

1.1.

Retos de las empresas de manufactura

Los avances tecnol´ogicos, as´ı como la constante y creciente inversi´on en investigaci´on, por parte del sector industrial, se han vuelto cada vez m´as necesarios debido a que la implementaci´on de tecnolog´ıa avanzada en los procesos de producci´on implica alcanzar una mayor productividad y eficiencia de e´ stos.

Desde principios de la d´ecada de 1990 se comenz´o a percibir la necesidad de las empresas de manufactura por flexibilizar sus procesos con el fin de seguir vigentes dentro de un mercado cada vez m´as din´amico. Adlemo et al. [4] plantean un esquema de modelado que, si bien puede considerarse un metamodelo general, es uno de los primeros trabajos que propone el uso de la sem´antica del lenguaje Orientado a Objetos, proponiendo la descomposici´on de un sistema de manufactura en objetos, jerarquizar esos objetos y asociarlos a trav´es de un intercambio de mensajes entre e´ stos.

Tambi´en debido a la constante presi´on que las empresas de manufactura sufren para volver sus procesos m´as esbeltos, transparentes y a´ giles, W. A. Estrem [5] identifica seis retos constantes para las empresas de manufactura:

Lograr concurrencia en todas las operaciones. Integraci´on de los recursos humanos y t´ecnicos para mejorar el rendimiento de la fuerza de trabajo satisfaciendo las necesidades del proceso. La transformaci´on instant´anea de los datos obtenidos, desde un gran n´umero de fuentes, a informaci´on u´ til para la toma de decisiones. Reducir los desperdicios de la producci´on, as´ı como una tendencia hacia un impacto ambiental nulo. 2

CAP´ITULO 1. MARCO DE REFERENCIA Reconfigurar los procesos de manufactura r´apidamente en respuesta a cambios en las necesidades del cliente o en busca de nuevas oportunidades. Desarrollar procesos de manufactura innovadores y productos con un enfoque a la miniaturizaci´on. Los retos mencionados est´an directamente relacionados con la integraci´on de tecnolog´ıas de informaci´on y comunicaci´on (TIC’s) y metodolog´ıas de dise˜no e implementaci´on a los procesos de producci´on en la industria manufacturera. El dise˜no de sistemas de producci´on ya no puede llevarse a cabo de forma tradicional, esto es: el desarrollo del software de control comienza cuando el desarrollo de los sistemas electr´onico y mec´anico, que tambi´en fueron desarrollados de forma independiente, ya se encuentran en una etapa donde los cambios son caros y requieren demasiado tiempo [6].

En trabajos m´as recientes comienza a aplicarse el enfoque Orientado a Objetos para analizar los sistemas de manufactura, tal es el caso de E. Carpanzano [7] y Marcos W. [8], que describen una forma de visualizar los sistemas complejos, y que puede sintetizarse: La arquitectura del sistema de automatizaci´on de una empresa puede modelarse como una colecci´on de dispositivos divididos en recursos interconectados a trav´es de las redes de comunicaci´on, mientras las funciones realizadas por dicho sistema son modeladas como aplicaciones. Adem´as, se proponen soluciones en automatizaci´on para f´abricas adaptables, promoviendo una metodolog´ıa para dise˜no de sistemas comenzando por la definici´on del sistema y sus requerimientos. El trabajo de E. Carpanzano [7] concluye con el desarrollo de un algoritmo para autoadaptar el sistema de manufactura a las necesidades del producto.

Para lograr reaccionar ante la competencia y a los r´apidos cambios en la demanda del cliente, las organizaciones han desarrollado un profundo inter´es por los procesos y la automatizaci´on flexibles [9–11]. Otro aspecto que ha tomado gran importancia dentro de los procesos de producci´on es el uso de bases de datos para almacenar datos de producci´on, procesarlos y mostrarlos de la manera m´as pertinente a los diferentes involucrados en el proceso [12, 13].

Lo mencionado supone la interacci´on de muchas a´ reas de conocimiento, integradas en un mismo sistema, lo que se traduce en muchas personas con diferentes formaciones acad´emicas trabajando paralelamente e interactuando unos con otros. Si adem´as se suman las diferencias culturales o de lenguaje, cada vez m´as comunes en las empresas internacionales, el desarrollo del sistema puede volverse un obst´aculo a vencer antes de pensar en llevar a cabo el desarrollo de alg´un sistema de manufactura. Es un hecho que el dise˜no de sistemas depende tambi´en en gran medida de la comunicaci´on entre quien plantea los requerimientos funcionales del sistema y la interpretaci´on que el equipo de dise˜no haga de esos requerimientos para lograr que el producto cumpla con las especificaciones funcionales.

3

1.2. EL ENFOQUE OO EN EL MODELADO DE SISTEMAS DE MANUFACTURA La necesidad de cubrir ciertos huecos en la metodolog´ıa de dise˜no de sistemas ha llevado a la concepci´on de un t´ermino abstracto para modelar los componentes industriales llamado Componente Mecatr´onico [6, 14], compuesto por partes mec´anica, electr´onica y de software. Por consecuencia, un sistema mecatr´onico se define como una agregaci´on o interconexi´on de componentes mecatr´onicos. K.Thramboulidis [6] comenta adem´as los retos encontrados en empresas que siguen un proceso de desarrollo basado en componentes: El n´umero de los componentes en una compa˜n´ıa real puede presentar crecimiento exponencial. El esfuerzo para encontrar el componente correcto puede llegar a ser significativo. La necesidad por modificar un componente puede viciar los beneficios de tener componentes ya comprobados. La dificultad de integrar los componentes disponibles. Pueden existir varias alternativas de dise˜no para un componente.

1.2.

El enfoque OO en el modelado de sistemas de manufactura

El entorno de programaci´on orientado a objetos (POO) fue concebido aproximadamente hace tres d´ecadas, revolucionando no solamente el lenguaje usado para programar computadoras, m´as bien se convirti´o en una nueva forma de pensar acerca del proceso de descomposici´on de problemas y de desarrollo de soluciones de programaci´on. El enfoque orientado a objetos considera a un programa como una colecci´on de agentes ampliamente aut´onomos, llamados objetos. Cada objeto es responsable de tareas espec´ıficas. Es mediante la interacci´on de los objetos, usando el intercambio de mensajes, que avanza el c´omputo. Por lo tanto, en cierto sentido la programaci´on orientada a objetos puede considerarse la simulaci´on de un universo modelo [15].

1.2.1.

El enfoque OO

Un objeto es una encapsulaci´on del estado y del comportamiento, por lo que se le puede considerar como un m´odulo o un tipo de datos abstracto. El comportamiento de un objeto queda determinado por su clase. Cada objeto es un ejemplar de alguna clase y todos los ejemplares de la misma clase se comportar´an de una forma similar como respuesta a una solicitud similar.

El comportamiento del objeto se conoce mediante la invocaci´on a un m´etodo como respuesta a un mensaje. La interpretaci´on de un mensaje es decisi´on del objeto y puede diferir de una clase de objetos a otra. Los objetos y las clases ampl´ıan el concepto de tipos de datos abstractos al a˜nadir el concepto de herencia. Las clases pueden organizarse en un a´ rbol de herencia jer´arquico, donde las clases que se encuentran en niveles m´as bajos en el 4

CAP´ITULO 1. MARCO DE REFERENCIA a´ rbol tienen acceso y pueden usar datos y comportamiento asociados con las clases m´as altas del a´ rbol.

Al reducir la interdependencia entre los componentes de software, el enfoque orientado a objetos permite el desarrollo de sistemas de software reutilizable. Tales unidades pueden crearse y probarse como unidades independientes, aislados de otras partes de una aplicaci´on de software.

Los componentes reutilizables permiten al dise˜nador lidiar con los problemas en un nivel m´as alto de abstracci´on [16]. Se pueden definir y manipular objetos simplemente en t´erminos de los mensajes que los componentes entienden y de una descripci´on de las tareas que ellos realizan, pasando por alto los detalles de la implantaci´on.

Los m´etodos orientados a objetos han permitido a los programadores construir complejos sistemas de software en periodos de tiempo cortos, y al mismo tiempo asegurar una gran facilidad de mantenimento. Desde la d´ecada de 1990, investigadores comenzaron a plantear el uso de lenguaje Orientado a Objetos para modelar sistemas de manufactura, como D. Pratt [17] qui´en propone la descomposici´on de sistemas de manufactura en: Objetos f´ısicos. Objetos de informaci´on. Objetos de control/decisi´on. Despu´es de aproximadamente una d´ecada de desarrollo, las t´ecnicas orientadas a objetos fueron estandarizadas con la publicaci´on del Lenguaje Unificado de Modelado, (UML, por sus siglas en ingl´es) [18, 19], poniendo dentro de un mismo marco coherente todas las construcciones adoptadas por la comunidad OO. Desde su introducci´on, UML ha sido empleado para desarrollar y documentar c´odigo con gran e´ xito y, gracias a la extensi´on de sus capacidades, se ha podido ampliar su alcance original hasta lograr actualmente el desarrollo de software en tiempo real.

Con la finalidad de poder aprovechar la funcionalidad y versatilidad que brinda UML se crearon diferentes plataformas CASE (Computer-Aided System Engineering), que adem´as cuentan con diversas herramientas para el dise˜no, representaci´on y hasta simulaci´on [20] de sistemas de software. Dentro de e´ stas se encuentra toda la sem´antica necesaria para el modelado, la posibilidad de desarrollar todos los diagramas necesarios para describir y simular complejos sistemas de software.

Los sistemas de manufactura se han vuelto cada vez m´as complejos, por lo que se ha tornado un campo f´ertil para los investigadores buscando nuevas soluciones de dise˜no para enfrentar esta creciente complejidad. El modelado de sistemas de manufactura y su software de programaci´on encontr´o inconvenientes como los citados por S. Adiga [21], ya que la abstracci´on a trav´es de las subrutinas solamente son eficientes para la descripci´on 5

1.2. EL ENFOQUE OO EN EL MODELADO DE SISTEMAS DE MANUFACTURA de eventos (operaciones), pero no as´ı para la descripci´on de objetos abstractos.

Gracias a que el enfoque OO es una forma mucho m´as natural de representar sistemas, permite que personas no expertas en programaci´on pero muy familiarizadas con el proceso de producci´on puedan hacer un mejor trabajo modificando o manteniendo software del proceso industrial. Uno de los obst´aculos cl´asicos para modelar sistemas de manufactura usando un enfoque estructurado, es la necesidad de incorporar m´ultiples niveles de abstracci´on, debido al hecho de que el personal en diferentes niveles, hablando de la jerarqu´ıa organizacional en la empresa, tienden a ver datos con diferentes niveles de abstracci´on [21].

Con el paso del tiempo las t´ecnicas para el modelado de sistemas de manufactura fueron refin´andose, al grado de que algunos investigadores han propuesto metodolog´ıas de dise˜no [8, 10, 22–26], as´ı como el uso de herramientas CASE como plataforma de desarrollo [8], difiriendo entre e´ stas el uso de algunas herramientas como las Redes de Petri y cartas de estado, o las capas de abstracci´on.

Por su puesto, el enfoque Orientado a Objetos tambi´en sufre de algunas desventajas, encontramos que para poder aprovechar la reusabilidad, primero se tiene que contar con una librer´ıa bastante extensa de objetos, esto provoca la necesidad de contar con una buena documentaci´on desde el inicio en el proceso de desarrollo hasta sus posteriores revisiones o modificaciones.

1.2.2.

Estado del arte del enfoque orientado a objetos en el desarrollo de sistemas de manufactura

En el pasado, la reutilizaci´on de m´odulos era una meta muy buscada y pocas veces alcanzada. Una raz´on importante para ello es la estrecha interconexi´on de los componentes de un sistema que se crearon en una forma convencional. Es dif´ıcil extraer elementos de un sistema que puedan usarse f´acilmente en otro no relacionado, porque t´ıpicamente cada parte de un sistema de manufactura tiene interdependencias con otras partes del mismo.

Como lo menciona L. Bassi [27], el reto principal en las aplicaciones de la industria moderna es lidiar con la inmensa cantidad de datos involucrados en el proceso de dise˜no. Durante el dise˜no de sistemas con una estrecha integraci´on entre mec´anica, electr´onica y procesamiento de informaci´on, tiene lugar la ingenier´ıa simult´anea, llamada as´ı por el dise˜no usando una plataforma donde coincidan distintas disciplinas trabajando en paralelo.

Un sistema de manufactura complejo puede resultar muy amplio para tratarse mediante las metodolog´ıas de dise˜no conocidas o, peor a´un, sin metodolog´ıa. Estas consideraciones sugieren que adaptando t´ecnicas orientadas a objetos a los sistemas de ingenier´ıa podr´ıa conducir a mejoras con respecto a costos de dise˜no y tiempo, mantenimiento y confiabilidad como ha sucedido con los sistemas de software. Un argumento a favor de esta 6

CAP´ITULO 1. MARCO DE REFERENCIA

Figura 1.1: Modelo V del proceso de dise˜no

hip´otesis es que observando el modelo matem´atico de sistemas f´ısicos es posible reinterpretar su din´amica como el resultado del intercambio de energ´ıa de muchos subsistemas elementales a trav´es de interconexiones, donde cada uno se caracteriza por una propiedad energ´etica, logr´andose as´ı la descripci´on de un sistema complejo como una colecci´on de modelos donde cada uno contiene la descripci´on de una parte del sistema.

La Figura 1.1 muestra el m´etodo de desarrollo mencionado por L. Bassi [27] para el dise˜no y modelado de una R . En esta figura se muestra el proceso de dise˜no com´unmente referido como el modelo empacadora Tetra Pak

en V del proceso de dise˜no, donde se parte de los requerimientos para definir el problema hasta deducir los requerimientos de los componentes. Una vez definidos los componentes, comienza la etapa de integraci´on y validaci´on del sistema. En este caso, la herramienta usada es una plataforma de c´odigo abierto llamada SysML (Systems Modeling Languaje), basada en UML.

En el uso de UML han surgido algunos trabajos describiendo la metodolog´ıa para analizar sistemas de manufactura y su software de control, en estos trabajos son pioneros los investigadores italianos M. Bonf´e, C. Secchi y C. Fantuzzi con una variedad de aportaciones desde el an´alisis de software de control [28–32], modelado de sistemas f´ısicos [33], y el modelado de la entidad h´ıbrida que ellos llamaron componente mecatr´onico [14, 34–36]. Otro investigador que ha propuesto modelado con lenguaje Orientado a Objetos, UML y Bloques de Funciones para modelar sistemas de manufactura es K. Thramboulidis [37–42]. Es importante mencionar que este autor es uno de los precursores del nuevo est´andar de automatizaci´on industrial IEC 61499, basada en el desarrollo de bloques de funci´on para automatizaci´on de procesos [43]. El concepto de bloques de funci´on est´a basado en el enfoque Orientado a Objetos ya que representan objetos con atributos y operaciones que se comunican entre s´ı por medio del intercambio de mensajes.

7

1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Como esfuerzos en estos campos de investigaci´on, ya se han llevado a cabo trabajos de modelado y dise˜no de sistemas usando UML; M.Bonfe et al. en [31] y [14] muestran el dise˜no y la verificaci´on del modelado del sistema de control y del mecanismo respectivamente en una m´aquina empaquetadora, usando un software especializado llamado SMV Symbolic Model Verifying, que simula sistemas de estados finitos, tambi´en llamados estructuras Kripke. En trabajos posteriores, estos mismos autores discuten diferentes metodolog´ıas para el modelado de sistemas de manufactura [27,44], junto a estos u´ ltimos, D. Witsch [45] tambi´en propone herramientas para traducir los diagramas UML a c´odigo para PLC [36, 46]. K. Thramboulidis tambi´en presenta trabajos de aplicaci´on de metodolog´ıa de an´alisis y desarrollo de sistemas en aplicaciones industriales reales [42, 47]. En otros trabajos se describe el uso de UML para el modelado de sistemas reales: C. Basnet [48] describe una de las primeras aplicaciones del Lenguaje Orientado a Objetos en una l´ınea industrial de empaquetado; H. Gomaa [26] modela el sistema de control de crucero para autom´oviles; S. Burmester [49, 50] presenta la aplicaci´on de UML en un sistema de trenes que pueda enganchar y desenganchar los vagones autom´aticamente; D. Witsch [51] desarrolla un modelo h´ıbrido entre bloques de funci´on con el protocolo IEC 61131-3 y UML.

Lo anterior constituye el marco de referencia de la presente investigaci´on, dando a conocer trabajos similares y el estado del arte sobre el tema. Tambi´en se busca dar a conocer las necesidades de las empresas de manufactura y las consecuentes oportunidades para desarrollar sistemas que cumplan con los actuales requerimientos de las industrias. A continuaci´on se presenta la descripci´on del problema propuesto, la hip´otesis de trabajo y los objetivos de este trabajo de investigaci´on.

1.3.

Planteamiento del problema

Las siguientes l´ıneas tienen el objetivo de describir y definir los t´erminos del problema que a lo largo de este trabajo se busc´o solucionar.

1.3.1.

Definici´on del problema

En la actualidad, la pr´actica com´un en la industria de manufactura a´un sufre por la falta de metodolog´ıas de ingenier´ıa adecuadas para el dise˜no de los procesos, puesto que e´ ste requiere la participaci´on de diferentes competecias tecnol´ogicas, por ejemplo: ingenier´ıa mec´anica, ingenier´ıa electr´onica, teor´ıa de sistemas y ciencias de la computaci´on; ademas el control del sistema generalmente est´a compuesto por partes de control continuo (control de movimiento) y parte de control l´ogico (secuencia del proceso y manejo de alarmas).

El enfoque Orientado a Objetos ha probado ser una poderosa t´ecnica para modelar, analizar y dise˜nar sistemas complejos, ya que se caracteriza por ser reusable, modificable y extendible y se ha comenzado a usar en el modelado de sistemas industriales de gran complejidad que puedan adaptarse f´acilmente a cambios significativos en las especificaciones del sistema [9]. 8

CAP´ITULO 1. MARCO DE REFERENCIA

Este trabajo reporta el desarrollo de un sistema piloto de manufactura para el sector alimenticio. El sistema debe ser flexible y aportar la informaci´on necesaria del proceso y el producto, ya que el objetivo es usarlo para el desarrollo de nuevos productos y en la mejora de procesos de producci´on. El desarrollo del sistema parte de los requerimientos funcionales por parte del usuario, seguido por la determinaci´on de los requerimientos t´ecnicos, el modelado y la documentaci´on del sistema.

1.4.

Hip´otesis

Usando la metodolog´ıa y sem´antica de la programaci´on Orientada a Objetos, particularmente UML, pueden dise˜narse sistemas de manufactura.

1.5.

Objetivos

1.5.1.

Objetivo general

Analizar, dise˜nar y modelar un sistema de manufactura usando el Lenguaje Unificado de Modelado, a partir de los requerimientos funcionales determinados por el usuario del sistema.

1.5.2.

Objetivos espec´ıficos

1. Establecer los fundamentos te´oricos necesarios para llevar a cabo el dise˜no de una l´ınea de manufactura. 2. Analizar los requerimientos funcionales propios de la l´ınea piloto de manufactura. 3. Modelar el sistema de manufactura en base a los casos de uso y las clases del sistema. 4. Dise˜nar el sistema siguiendo los lineamientos propuestos en la documentaci´on del mismo.

9

1.5. OBJETIVOS

10

C AP´I TULO S EGUNDO

´ M ARCO TE ORICO

2.1.

Los sistemas de manufactura

El concepto de sistema ha invadido todos los campos de la ciencia y penetrado en el pensamiento y el habla populares debido principalmente al uso de medios masivos de comunicaci´on. El razonamiento en t´erminos de sistemas desempe˜na un papel dominante en diferentes campos, desde las empresas industriales y la carrera armamentista, hasta temas de ciencia pura [58]. Desde hace un par de d´ecadas han entrado en auge profesiones dedicadas al an´alisis de sistemas, ingenier´ıa de sistemas, proyecto de sistemas, entre otras.

Al manejar un conjunto de elementos, L. Bertalanffy [58] distingue tres tipos de acuerdo con: 1. Su n´umero. 2. Sus espec´ımenes. 3. Las relaciones entre elementos. La Figura 2.1 ilustra lo mencionado anteriormente, donde a y b simbolizan varios complejos.

Figura 2.1: Distinci´on entre las formas de estudiar un sistema, donde a y b simbolizan los complejos

11

2.1. LOS SISTEMAS DE MANUFACTURA En los dos primeros casos, el complejo puede ser comprendido como una suma de elementos considerados aisladamente. En el caso 3, no s´olo hay que conocer los elementos, sino tambi´en las relaciones entre ellos. Las caracter´ısticas del primer tipo pueden llamarse sumativas, y las del segundo, constitutivas. Las caracter´ısticas sumativas de un elemento son las mismas dentro y fuera del complejo; por lo tanto, las caracter´ısticas del complejo se obtienen por suma de caracter´ısticas y comportamiento de elementos, tal como son conocidos aislados. Las caracter´ısticas constitutivas son las que dependen de las relaciones espec´ıficas que se dan dentro del complejo; por lo tanto, para entender esas caracter´ısticas se deben conocer no s´olo las partes aisladas, sino tambi´en las relaciones entre e´ stas.

Dicho lo anterior, puede transladarse el concepto de la tecnolog´ıa a un estudio formal de sistemas. Por un lado se encuentra el tr´ansito de la ingenier´ıa el´ectrica, con el manejo de grandes cantidades de electricidad, hasta la ingenier´ıa de control, que dirige procesos mediante dispositivos de bajo consumo energ´etico y que ha conducido a las computadoras y la automatizaci´on. La tecnolog´ıa ha progresado con un enfoque, no en t´erminos de m´aquinas sueltas, sino de sistemas. En la actualidad desde un tel´efono celular o un autom´ovil, hasta proyectiles y veh´ıculos espaciales, son ensamblados usando componentes procedentes de tecnolog´ıas heterog´eneas: mec´anica, electr´onica, qu´ımica, y muchas m´as; comienzan a intervenir relaciones entre hombre y m´aquina, y se comienzan a encontrar diversos problemas financieros, econ´omicos, sociales y pol´ıticos citando ejemplos como la contaminaci´on por el uso de hidrocarburos, el debate sobre el uso de la energ´ıa nuclear hasta la compleja comparaci´on entre la mente humana y la inteligencia artificial [58].

2.1.1.

Definici´on de sistema

En el contexto del presente trabajo, un sistema se define como el conjunto de elementos din´amicamente relacionados entre s´ı, que realizan una actividad para alcanzar un objetivo, operando sobre entradas y proveyendo salidas procesadas. Se encuentra en un medio ambiente y constituye una totalidad diferente de otra ya que se definen los l´ımite de cada sistema [58].

Las partes constitutivas de un sistema son los elementos, los cuales se definen como la parte integrante de una cosa o porci´on de un todo. De los elementos de un sistema puede decirse que:

1. Tienen caracter´ısticas particulares que afectan o se ven expresadas en las caracter´ısticas del sistema total. A su vez, las caracter´ısticas del sistema afectan o influyen en las caracter´ısticas de los elementos.

2. Depende del analista del sistema determinar con qu´e detalle y qu´e elementos considerar al momento de evaluar un sistema. 12

´ CAP´ITULO 2. MARCO TEORICO

2.1.2.

Conceptos sobre sistemas

Se define como Relaci´on a la situaci´on que se da entre dos cosas, ideas o hechos cuando por alguna circunstancia est´an unidas de manera real tangible o intangible. Tambi´en se le conoce a la relaci´on como: uni´on, conexi´on, interacci´on o enlace. Es importante mencionar que la mayor´ıa de las veces la influencia mutua entre las relaciones es m´as importante que la cantidad de partes o el tama˜no de las mismas.

O. Johansen [59] identifica, a partir de las relaciones entre los elementos de un sistema, propiedades que la totalidad no tendr´ıa de no existir tales relaciones, como: Estabilidad: e´ sta depende de la cantidad, tama˜no y diversidad de subsistemas que abarquen el sistema y el tipo y grado de conectividad que exista entre ellos. Efecto de palanca: corresponde a la posibilidad de cambiar repentinamente un sistema si se emprenden las acciones apropiadas. El cambio que se necesita o requiere resulta sorprendentemente f´acil si se identifican las conexiones apropiadas. El efecto de la palanca se logra al saber d´onde intervenir para obtener un gran resultado con un peque˜no esfuerzo, en lugar de malgastar energ´ıa. El efecto de palanca se logra porque hay algunas partes y relaciones que son m´as importantes que otras y ejercen un mayor grado de control en el sistema. Efecto secundario: consecuencia no esperada de la conectividad de las piezas de un sistema. La estructura de un sistema es un componente que es permanente o cambia lenta u ocasionalmente. A continuaci´on se analizan diferentes tipos de estructuras que pueden poseer en los sistemas. Es posible encontrarlas combinadas en la medida que el sistema sea m´as complejo: Lineal: los elementos se encuentran uno despu´es del otro. Circular: los elementos se encuentran un despu´es del otro, pero no existe un principio o fin de la secuencia. Centralizada: los elementos se encuentran unidos a uno que se denomina el central. Matricial: los elementos se disponen en filas o columnas, se asocia a la idea de tener varias estructuras lineales unidas. Jer´arquica: los elementos mantienen una relaci´on de dependencia entre ellos, hay elementos en niveles superiores y elementos en niveles inferiores. Descentralizada: a diferencia de las estructuras anteriores, no existen secuencias, elementos centrales o dependencias entre los elementos. Los objetivos determinan el funcionamiento del sistema, para lograrlos deben tenerse en cuenta los elementos, las relaciones como los insumos y lo producido por el mismo. de manera que est´en coordinados y el sistema 13

2.1. LOS SISTEMAS DE MANUFACTURA tenga validez y significado.

La entrada de un sistema es todo aquello que el sistema recibe o importa de su ambiente exterior. Visto el sistema como un subsistema de otro mayor que lo contiene, las entradas pueden ser consideradas como las relaciones externas de ese sistema con otro. El sistema recibe entradas para operar sobre ellas, procesarlas y transformarlas en salidas.

Existen varios tipos de entradas a los sistemas: Energ´ıa: Se utiliza para mover y dinamizar el sistema. Materia: Son los recursos que el sistema utiliza para producir salidas, que a su vez pueden ser: • Recursos operacionales: Utilizados para transformar otros recursos (m´aquinas, equipos, instalaciones, herramientas, utensilios, etc.) • Recursos productivos: Materias primas • Informaci´on: Es todo aquello que reduce la incertidumbre sobre una situaci´on, proporciona orientaci´on, instrucci´on y conocimiento con respecto a algo, permite programar y planear el comportamiento o funcionamiento del sistema. O. Johansen [59] diferenc´ıa dos tipos de entrada de acuerdo con el comportamiento que ellas tienen en el sistema: 1. Ley de la conservaci´on de la materia y la energ´ıa: la cantidad de materia y energ´ıa que permanece en un sistema es igual a la suma de al materia y la energ´ıa importada, menos la suma de la energ´ıa exportada. 2. Ley de los incrementos de la informaci´on: la cantidad de informaci´on que permanece en el sistema no es igual a la diferencia entre lla entrada y la salida, si no que es igual a la informaci´on que existe m´as la que entre, es decir, hay una agregaci´on neta en la entrada, y la salida no elimina informaci´on del sistema.

La salida es el resultado final de la operaci´on o procesamiento de un sistema. Los flujos de salida permiten al sistema exportar el resultado de sus operaciones al medio ambiente.

Seg´un O. Johansen [59], las salidas se pueden clasificar como positivas o negativas para el medio, la relaci´on que existe entre e´ stas determina la supervivencia del sistema. Las caracter´ısticas de un sistema viable son: Capacidad de autoorganizaci´on: Mantener una estructura permanente y modificarla de acuerdo con las circunstancias. Capacidad de autocontrol: Mantener sus principales variables dentro de ciertos l´ımites. 14

´ CAP´ITULO 2. MARCO TEORICO Cierto grado de autonom´ıa: Poseer suficiente nivel de libertad determinado por sus recursos para mantener las variables dentro del a´ rea de normalidad. El Ambiente es el medio que rodea externamente al sistema, es una fuente de recursos y amenazas. Se conoce tambi´en con el nombre de Entorno o Contexto. El sistema y el ambiente mantienen una interacci´on constante, est´an interrelacionadas y son interdependientes. La influencia que el sistema ejerce sobre el medio ambiente regresa a e´ l a trav´es de la retroalimentaci´on, el ambiente condiciona al sistema y determina su funcionamiento.

La totalidad se define como el conjunto de todos los componentes. El objetivo de aplicar este concepto al sistema tiene que ver con la evaluaci´on al un´ısono de todos los aspectos relacionados con el mismo. El sistema debe considerarse como una cosa ´ıntegra, completa, entera, absoluta y conjunta. Debido a la naturaleza org´anica de los sistemas, una acci´on que produzca un cambio en una de las unidades el sistema podr´ıa generar cambios en los dem´as; el efecto total se presenta como un ajuste de todo el sistema reaccionando globalmente.

La sinerg´ıa existe en un sistema cuando la suma de las partes del mismo es mas que el todo todo, es decir, cuando el estudio de una de las partes del sistema de manera aislada no puede explicar o predecir la conducta de la totalidad. Se le conoce tambi´en como la propiedad por la cual la capacidad de actuaci´on de un sistema es superior a la de sus componentes sumados individualmente.

Johansen [59] atribuye la existencia de la sinerg´ıa a la presencia de relaciones e interacciones entre las partes, ´ lo que se denomina relaciones causales. Estas representan una relaci´on causa-efecto entre los elementos de un sistema, la relaci´on causal positiva indica que un cambio producido en un elemento genera una influencia en el mismo sentido en los otros elementos con los cuales est´a conectado; la negativa muestra el cambio que se da en sentido contrario.

La entrop´ıa es un proceso mediante el cual un sistema tiende a consumirse, desorganizarse y morir. Se basa en la segunda ley de la termodin´amica, que plantea que la p´erdida de energ´ıa en los sistemas aislados los lleva a la degradaci´on, degeneraci´on, desintegraci´on y desaparici´on.

Para la teor´ıa general de sistemas, la entrop´ıa se debe a la p´erdida de informaci´on del sistema que provoca la ausencia de integraci´on y comunicaci´on de las partes del sistema.

La retroalimentaci´on es un mecanismo mediante el cual la informaci´on sobre la salida del sistema se vuelve a e´ ste convertida en una de sus entradas. Esto se logra a trav´es de un mecanismo de comunicaci´on de retorno que tiene como fin alterar de alguna manera el comportamiento del sistema.

La retroalimentaci´on sirve para establecer una comparaci´on entre la forma real de funcionamiento del sistema y 15

2.1. LOS SISTEMAS DE MANUFACTURA el par´ametro ideal establecido. Si hay alguna diferencia o desviaci´on, el proceso de retroalimentaci´on se encarga de regular o modificar las entradas para que la salida se acerque al valor definido.

La home´ostasis es la capacidad de los sistemas de mantener sus variables dentro de ciertos l´ımites frente a los est´ımulos cambiantes externos que ejerce sobre ellos el medio ambiente y que lo forzan a adoptar valores fuera de los l´ımites de la normalidad. Es la tendencia de un sistema a mantener un equilibrio interno y din´amico mediante la autorregulaci´on o el autocontrol.

2.1.3.

La manufactura como un sistema

As´ı mismo, centrando la teor´ıa de sistemas a los sistemas de manufactura se pueden citar diferentes definiciones, Jingshan Li [60] propone:

La manufactura es el proceso de transformar materia prima en un producto u´ til. Todo lo que se hace en o por las operaciones de piso de una f´abrica es vista como manufactura.

De la misma forma, Chryssolouris [1] define al sistema de manufactura como: una combinaci´on de humanos, maquinaria y equipo que se encuentran limitados por un flujo com´un de material e informaci´on.

Un sistema o modelo contiene conocimiento condensado de un fen´omeno f´ısico. La raz´on de obtener un modelo es que, basado en la informaci´on que recibe una unidad de procesamiento proveniente de las mediciones, puede planearse una estrategia de control. Los sistemas din´amicos se comportan de tal manera que el resultado de la manipulaci´on de las entradas no puede verse inmediatamente.

Existen dos maneras de encontrar modelos din´amicos: comenzando desde los principios f´ısicos b´asicos, o mediante las mediciones. Usando el modelo te´orico, as´ı como tambi´en las mediciones es posible calcular las variables internas del proceso.

Un concepto importante relacionado con la reconstrucci´on y estimaci´on en base al modelo es la observabilidad. ´ nos muestra si el arreglo de sensores es adecuada para entregar la informaci´on requerida acerca del proceso. Esta

16

´ CAP´ITULO 2. MARCO TEORICO Existen diferentes maneras de modelar los sistemas din´amicos, algunos de los tipo de modelado m´as importantes son: Descripci´on en tiempo continuo Este modelo se representa en t´erminos de ecuaciones diferenciales, lineales y no lineales, dando una descripci´on cuantitativa de masa, energ´ıa, fuerza o momento de un proceso f´ısico. Descripci´on en tiempo muestreado En este caso, la descripci´on del sistema se hace por medio de ecuaciones en diferencias, lo que significa que la informaci´on est´a disponible solamente en ciertos instantes de tiempo. El muestreo es necesario cuando se usan unidades de procesamiento de informaci´on (alg´un tipo de computadora) trabajando secuencialmente en el tiempo. Eventos Discretos o Sistemas Secuenciales T´ıpicamente, las amplitudes de las entradas y salidas del sistema son discretas y normalmente del tipo encendido/apagado. Sistemas con incertidumbres El sistema por s´ı mismo o las mediciones est´an contaminadas por ruido. En algunos casos a dicho ruido puede d´arsele una interpretaci´on estad´ıstica. Los sistemas de manufactura suelen ser bastante complejos. La dificultad de dise˜nar, modelar o analizar los sistemas puede resumirse en los siguientes puntos: 1. Los sistemas de manufactura son grandes y tienen componentes que interact´uan entre s´ı. 2. Son din´amicos. 3. Los sistemas de manufactura son sistemas abiertos, por lo que e´ stos pueden influenciar y ser influenciados por el medio. 4. Las relaciones entre el comportamiento de las mediciones y las variables cr´ıticas normalmente no pueden expresarse anal´ıticamente. 5. Los datos pueden presentar dificultad para ser medidos en ambientes de producci´on muy severos. 6. Usualmente existen m´ultiples requisitos de funcionamiento para los sistemas de manufactura y esto puede llegar a causar conflictos. El mismo Chryssolouris [1] refiere al proceso de manufactura como un sistema cuya primera etapa es el dise˜no del producto, y la entrega del producto terminado es la etapa final, como se ilustra en la Figura 2.2.

Las decisiones correspondientes al dise˜no y operaci´on de un sistema de manufactura requieren un alto grado de conocimiento t´ecnico, as´ı como la visi´on para satisfacer ciertos objetivos de negocios. En general, puede hablarse de cuatro atributos de la manufactura a tomarse en cuenta cuando se trata de tomar decisiones acerca 17

2.1. LOS SISTEMAS DE MANUFACTURA Comportamiento

Diseño  del   producto  (para   producción)  

Planeación  de   la  producción    

Control  de  la   producción   (Realimentación,   Supervisión   Op