Optimization of production of a car assembly plant by applying balance lines

Ángel Geovanny Guamán Lozano (1)
Gloria Elizabeth Miño Cascante (2)
Carlos José Santillán Mariño (3)

(1)Escuela de Ingeniería Industrial. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. EC060155. Riobamba, Ecuador. E-mail: a_guaman@espoch.edu.ec
(2) Escuela de Ingeniería Industrial. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. EC060155. Riobamba, Ecuador. E-mail: gloriamino@yahoo.es
(3) Escuela de Ingeniería Industrial. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. EC060155. Riobamba, Ecuador. E-mail: carsanti@andinanet.ne

RESUMEN

El presente trabajo muestra la aplicación de una variante del modelo heurístico de balanceo de líneas de montaje denominado Método Informático para Secuenciar Operaciones para Líneas de Ensamblaje (COMSOAL) a un problema de tipo SALBP-2. El estudio se desarrolla en la sección de pintura de una empresa ensambladora de autos en Ecuador y tiene como objetivo optimizar su sistema de producción apoyando la asignación de tareas a las diferentes estaciones y mejorando los tiempos de ciclo. La aplicación del algoritmo propuesto permitió minimizar el tiempo de ciclo en el sistema cumpliendo con las especificaciones técnicas y de calidad propios del proceso. Los resultados de la investigación demuestran un incremento en la eficiencia de la línea de pintura utilizando los mismos recursos disponibles, adicionalmente se puede mejorar la productividad de la compañía permitiendo cumplir con la demanda establecida en el mercado. Todos estos factores prueban que el modelo se puede adaptar a la industria automotriz.

Palabras clave: Optimización, Balance, algoritmo, COMSOAL.

ABSTRACT

The present work shows the application of a variant of the heuristic model of rolling of assembly lines denominated Computer Method to Sequence Operations for Lines of Assembly (COMSOAL) to a problem of type SALBP-2. The study is developed in the painting section of a car assembling company in Ecuador and aims to optimize its production system by supporting the assignment of tasks to different stations and improving cycle times. The application of the proposed algorithm allowed to minimize the cycle time in the system complying with the technical specifications and quality of the process. The results of the research show an increase in the efficiency of the paint line using the same available resources, in addition it can improve the productivity of the company allowing to meet the established demand in the market. All these factors prove that the model can be adapted to the automotive industry.

Keywords: Optimization, Balance, algorithm, COMSOAL.

INTRODUCCIÓN

Las industrias manufactureras han ayudando a impulsar el crecimiento económico y el aumento de los niveles de vida durante casi tres siglos y seguirá haciéndolo en las economías en desarrollo. Según el centro de investigaciones McKinsey Global Institute el papel de la industria en la economía mundial continúa evolucionando, durante los próximos quince años, 1.8 millones de personas entrarán en la clase consumidora a nivel global y el consumo en todo el mundo casi se duplicará a $ 64 billones de dólares [1].

El sector automotriz no es ajeno a la evolución de la industria manufacturera cuyo desarrollo está ligado al control de parámetros técnico-económicos, con el objetivo de hacer organizaciones más eficientes. El ensamblaje de vehículos se basa en las líneas de montaje inicialmente aplicadas por Henry Ford de forma empírica.

Las líneas de montaje son componentes de muchos sistemas de producción, tales como la industria automotriz y de electrodomésticos [2] y se han desarrollado de forma significativa para la gestión de operaciones de modo que permite un alto volumen, bajo costo, la producción estandarizada [3] y aporta a la personalización en masa, el incremento de la flexibilidad en las plantas de fabricación y la mejor relación con las empresas proveedoras.

Cuando pensamos en una cadena de montaje, la imaginación nos lleva directamente a la moderna fábrica con máquinas, robots y operarios que participan en el montaje de productos complejos que salen de la línea de producción en un proceso sin fin. Inicialmente las líneas de montaje se crearon para una producción eficiente en masa de pocos productos estándar; en la actualidad existen varias opciones para el cliente en el mercado, de modo que los productores de bienes necesitan ofrecer millones de modelos bien manufacturados.

Desde el año 1950, la industria ha considerado el concepto de línea de montaje balanceado (ALB). Una línea de montaje comprende varias tareas, n, y varias estaciones de trabajo, m, que son arregladas en una secuencia serial y paralela, a través de los cuáles el flujo del trabajo genera un producto. El problema de diseño y balanceo de líneas de montaje es muy difícil de solucionar de forma óptima [4]. La teoría y la práctica maximizan la eficiencia diseñando sistemas de producción con un rendimiento definido y capacidad limitada de desviarse de eso. [3]

El equilibrio de la línea es uno de los principales factores que inciden en la mejora de la eficiencia de la producción, el WIP (work-in-process), la posición, el rendimiento y el tiempo de ciclo. Un buen equilibrio de la línea permite [5]: 1) Una mejor utilización de los recursos productivos, tales como horas-hombre o las horas de uso de la máquina. 2) Una menor acumulación de WIP en la línea. 3) Menor tiempo de ciclo de producción de la línea, entre otros.

El objetivo de resolver un problema de balance de línea de ensamble (ABLP) es determinar cuáles tareas se realizarán en la estación de trabajo, es decir asignar las tareas a una secuencia ordenada de estaciones de trabajo, considerando las limitaciones del sistema (es decir, restricciones de capacidad, restricciones de asignación, restricciones de relaciones de precedencia, etc.) [6]

Numerosos algoritmos se han desarrollado para resolver ALBP, la mayoría de los cuales se centran en la solución de SALBP (problemas de balance de líneas simple). Se pueden esbozar dos grupos principales: los métodos exactos, que son basado principalmente en programación lineal, programación dinámica, métodos heurísticos y metaheurísticos. [7]

El equilibrio simple de líneas de montaje, con problemas (SALBP) normalmente se representa en forma de gráfico de precedencia que consta de nodos y bordes. Cada nodo en el gráfico representa una tarea específica, mientras que un borde de conexión de dos nodos representa la relación de precedencia entre las tareas correspondientes. [8]

Rapeepan clasifica el SALBP en dos tipos. El primer tipo, SALBP-1, minimiza el número de estaciones para un determinado tiempo de ciclo mientras que el segundo tipo, SALBP-2, intenta minimizar el tiempo de ciclo de una estación de trabajo para un número determinado de estaciones de trabajo. [8].

De forma paralela a esta investigación Becker y A. Scholl [9] complementan la clasificación con un tercer tipo, SALBP-E, que intenta maximizar la eficiencia de la línea, minimizando el producto del tiempo de ciclo y el número de estaciones. Una maximización de eficiencia también minimiza los tiempos ociosos y un cuarto tipo, SALBP-F, no tiene el objetivo de maximizar ni minimizar ninguna variable, sino determinar una solución que combine un número de estaciones y un tiempo de ciclo de forma factible.

Este artículo se centra principalmente en la resolución de SALBP-2, debido a que se adapta de forma apropiada a la industria automotriz, objeto de nuestro estudio, para reducir el tiempo de ciclo y distribuye las tareas a los trabajadores de manera más homogénea. Estas restricciones conducen a la disminución de costos de producción y mejorar la competitividad de costos de la planta. En dicha industria funcionan sistemas que pueden modelarse para representar procesos como producción o inventarios. [10]

Las técnicas utilizadas en la actualidad abarcan desde reglas muy simples como el tiempo de trabajo más largo, hasta el COMSOAL (Computer Method for Sequencing Operations for Assembly Lines) basado en computadoras, hasta los métodos avanzados y más sofisticados que utilizan métodos de búsqueda y optimización. Así que el equilibrio de líneas es un área muy concurrida para los investigadores y las industrias. [11]

Varias investigaciones han aplicado métodos de optimización matemática tales como la programación lineal para la resolución de problemas de SALBP-2. Oña y Céspedes definen a la programación lineal como un método determinista de análisis para elegir la mejor solución entre muchas alternativas [12]. La herramienta cuenta con estos componentes: una función objetivo, como medida cuantitativa del funcionamiento del sistema, variables de decisión que deberían tomarse de manera óptima para encontrar el mejor valor de la función objetivo; y las restricciones, que representan el conjunto de relaciones, expresadas mediante ecuaciones o inecuaciones que ciertas relaciones de variables están obligadas a satisfacer.

Por otro lado, los modelos heurísticos son alternativas de solución al momento de reducir la complejidad computacional, debido a aspectos no lineales del problema, Otto y Scholl propusieron una heurística de dos etapas del SALBP-1 seguido por una técnica de recocido simulada con un algoritmo de búsqueda local. [13]. Una línea de ensamblaje simple multiobjetivo de equilibrio tipo 2 (SALBP-2) se ha resuelto utilizando el método general de evolución diferencial (DE) propuesto por Nearchou [14] y muestra que DE supera al algoritmo genético propuesto por Kim [15].

Existen varias investigaciones que comparan la aplicación del algoritmo COMSOAL con otros algoritmos heurísticos, asi Mohan, Ganesan & Suresh [16] y Lerttira & Yarlagadda [17] concluyen en sus trabajos que la técnica COMSOAL proporciona mejores resultados con menor tiempo de ciclo, menos tiempo de inactividad, mayor eficiencia de línea y productividad media diaria que el método MSNSH (Multi-Started Neighborhood Search Heuristic).

Sin embargo, debido y como resultado de la revisión de la literatura se pudo determinar que no existen investigaciones que apliquen el algoritmo COMSOAL a una línea de ensamble de vehículos. Considerando los aspectos anteriormente mencionados, la presente investigación plantea la aplicación del algoritmo en la fase de pintura de una empresa ensambladora de autos en Ecuador, con el objetivo de optimizar el sistema de producción de la planta a través del balance de líneas en la sección. Se abordan aspectos como la identificación de las actividades que componen la fase de pintura de un vehículo compacto mediante el proceso de electroforesis precisando las restricciones que tiene el sistema, debido a especificaciones técnicas en materiales, tiempos disponibles, takt time, throughput y eficiencia de línea. La gerencia de la planta necesitaba balancear el ritmo de producción para cumplir con la demanda exigida por el mercado.

La propuesta de la presente investigación estuvo basada en la metodología utilizada en [18] y que ha sido adaptada para el estudio, esta propuesta se compone de las siguientes fases: 1) definición de objetivos y requerimientos; 2) recolección y análisis de los datos del sistema; 3) aplicación del modelo de optimización; 4) validación de resultados; 5) presentación de resultados.

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