Un aspecto fundamental a nivel operacional en los sistemas de producción es la obtención de la cantidad deseada de unidades a producir con la mínima cantidad de  inventario en proceso. Para 
conseguirlo podemos optar por distintos sistemas de control de 

Muñoz Pérez, Miguel Ángel

Ruiz Usano, Rafael

idUS. Depósito de Investigación Universidad de Sevilla

SISTEMAS DE CONTROL PUSH-PULL.UN ESTUDIO COMPARATIVO. Ruiz-Usano, R. Framiñán, J.M., Crespo, A., Muñoz, M.A.Grupo I+DT Organización Industrial.Dpto. Organización Industrial y Gestión de EmpresasEscuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla.Camino de los Descubrimientos, s.n., 41092 - SevillaE-Mail: usano@cica.esRESUMENUn aspecto fundamental a nivel operacional en los sistemas de producción es la obtención de lacantidad deseada de unidades a producir con la mínima cantidad de  inventario en proceso. Paraconseguirlo podemos optar por distintos sistemas de control de la producción. Estos sistemas sesuelen denominar con carácter general por el efecto ejercido sobre el flujo de materiales: push -efecto de empujar-, pull -efecto de tirar- e híbridos si se dan ambos efectos. Para comparar dichossistemas se han construído los siguientes modelos: uno correspondiente a un sistema push puro, otropara el sistema pull más difundido: el JIT/KANBAN, otro para el sistema CONWIP –long pull- yfinalmente, otro para el sistema CONWIP adaptado al OPT/DBR. Dichos modelos se han simuladoutilizando el paquete de simulación WITNESS en distintos entornos: un entorno clásico de dos líneasque convergen a una sola de montaje; otro cuando existe de manera clara un cuello de botella yfinalmente el caso de aparición de unidades defectuosas. Para estudiar el comportamiento de cadauno de los modelos simulados se ha evaluado tanto la tasa de producción alcanzada como el niveldel inventario en proceso. Los resultados obtenidos muestran la superioridad del sistema CONWIPfrente al sistema push y al JIT/KANBAN, especialmente cuando la línea debe operar casi a plenacapacidad.Palabras Clave: Sistemas Push-Pull. JIT/KANBAN, CONWIP, OPT/DBR. Simulación1. Introducción.Para mantener la competitividad en las líneas de fabricación-montaje es preciso lautilización de sistemas de control adecuados que aseguren un correcto funcionamiento de lasmismas. Los modelos construídos y simulados en este trabajo tratan de reproducir diferentessituaciones y complejidades con las que se encuentran las empresas frecuentemente en sus líneasde producción. Especialmente, aquellas relacionadas con los mecanismos de control de laproducción, aquí denominados sistemas de control.En la sección 2 se presentan los distintos sistemas analizados y la construcción de suscorrespondientes modelos. Para comprobar y comparar el comportamiento de los distintossistemas se han utilizado dos medidores de producción tales como la producción total realizada(denominada Throughput) y los niveles de inventario en el sistema. Los experimentos realizadosasí como los resultados obtenidos por simulación se presentan, en forma de tablas y figuras, enlas secciones 3 y 4 respectivamente. Para la simulación se ha utilizado el software de simulacióngráfica interactiva WITNESS. Finalmente en la sección 5 se exponen una serie de conclusionesobtenidas en  el presente trabajo.2. Modelos de los sistemas PUSH-PULLLos sistemas de control que deseamos comparar son por una parte sistemas PULL talescomo JIT/KANBAN, CONWIP y por otra parte un sistema PUSH.El más conocido de los sistemas PULL es el sistema JIT/KANBAN. Es un sencillomecanismo de control y proporciona buenos resultados allí donde pueda ser aplicado. Sinembargo no es fácil de aplicar, Monden [1], en los casos que se producen un porcentaje alto derechazos, existencia de tiempos de cambio de modelo (setup), órdenes de trabajo con tiemposde proceso muy breves o cuando la demanda fluctúa.                                        Figura 1. El modelo KANBAN.El sistema JIT/KANBAN se ha modelado tal como se muestra en la figura 1. La estaciónde trabajo o Máquina denominada como MAQ comienza a producir, en nuestro caso, si y solosi, el inventario disponible en el Buffer, denominado como BUFF, es igual o menor que unaunidad. La producción se para cuando el inventario alcance un valor especificado, el número dekanban´s (NK). Así pues el número de kanbans se utilizará como la variable de control delsistema.El sistema CONWIP es descrito por sus creadores, Spearman, Hopp y Woodruff [2],como un sistema long-pull en el cual las tarjetas se asocian a las órdenes de trabajo a lo largode toda la línea de producción en lugar de a cada una de las estaciones de trabajo como ocurreen el sistema JIT/KANBAN. La tarjeta CONWIP se asocia así a la orden entrante de trabajo yacompaña a ésta hasta su terminación, momento en que es devuelta al tarjetero cabecera de lalínea. Dependiendo de cuando se devuelve la tarjeta, cuando llega a la última estación o biencuando se entrega la orden finalizada para stock pueden caracterizarse  distintos sistemasCONWIP: para stock o contra pedido. En este trabajo suponemos que devolvemos la tarjetacuando la orden llega a la última estación. La disciplina en la fabricación es FCFS . Sinembargo se han encontrado que cuando se produce distintos tipos de órdenes podemosutilizar otras reglas, Framiñán, J.M. et al [3], obteniéndose mejores resultados en el sistema.Como es bien sabido en este sistema no se permite comenzar la producción de ninguna ordensi no hay tarjetas disponibles incluso si la primera estación estuviera disponible. Estemecanismo limita el inventario máximo en la línea, no limitando el tamaño de los buffersindividuales, tal como lo hace el JIT/KANBAN. En la figura 2 se muestra el modeloCONWIP que se ha utilizado en este trabajo.                                         Figura 2. El modelo CONWIP.El sistema CONWIP goza de las ventajas de los sistemas pull, tales como tiempos deflujo o de residencia reducidos y reducidos niveles de inventario en proceso. Además, se puedeaplicar a distintas configuraciones de líneas de producción para las que el sistema JIT/KANBANes extremadamente complejo, y por lo tanto no resulta útil, su aplicación. Un ejemplo de ello seda cuando cambia el plan de producción con frecuencia. En este caso es preciso en el sistemaJIT/KANBAN realizar el reajuste del número de tarjetas mientras que no ocurre lo mismo conel CONWIP.El tercer sistema de control es un mecanismo puro de empuje, push, en el que lacapacidad de los buffers, stocks intermedios, se ha limitado para evitar que el sistema quedebloqueado  por un exceso de inventario en proceso. De acuerdo con, Conway [4], para que lalínea quede equilibrada distribuímos de manera uniforme la capacidad de los buffers.3. Experimentos.Para el estudio del comportamiento del sistema se han llevado a cabo tres experimentosdiferentes. En todos ellos se ha supuesto de que siempre tenemos disponible materias primas paracomenzar la producción, y que existe siempre un cliente que retira el pedido completado con locual el sistema no queda nunca vacío por falta de materiales ni bloqueado por exceso de losmismos.En el primer experimento realizado se ha simulado una línea típica de montaje, idénticaa la utilizada por Lambrecht y Seagert [5]. Esta se muestra en la figura 3 en la que puede verse8 estaciones de trabajo, cada una con un tiempo de proceso que sigue una distribuciónexponencial. El tiempo medio es 10 unidades de tiempo, mientras que el coeficiente de variaciónes 0.10. Las estaciones MAQ003 y MAQ006 alimentan a la estación MAQ007.  Para el diseñodel sistema CONWIP se han utilizado las dos ramas que convergen en MAQ007. La primera queincluye la línea formada por las estaciones MAQ001-MAQ002-MAQ003-MAQ007-MAQ008y la segunda por las estaciones, MAQ004-MAQ005-MAQ006-MAQ007-MAQ008.Figura 3. Línea de Montaje.El segundo experimento se ha diseñado para poner de manifiesto la influencia de laexistencia de un cuello de botella en el comportamiento del sistema.  La línea de producción paraeste experimento se muestra en la figura 4, en la que puede verse los tiempos medios unitariosde proceso en cada estación. La MAQ004 con un tiempo medio de proceso de 15 será el cuellode botella. La distribución de probabilidad seguida por los tiempos es de nuevo exponencial, con coeficiente de variación 0.10.                                         Figura 4. Línea con un cuello de botella en la estación MAQ004.En este segundo experimento analizamos los resultados del sistema CONWIP, en sudiseño original y reflejando distintos aspectos que manifiestan sus autores para entornos con uncuello de botella bien diferenciado. En estos casos, se ha cambiado la circulación de las tarjetasCONWIP; éstas se devuelven a la cabecera de la línea tan pronto como haya finalizado laoperación correspondiente en el cuello de botella. Aguas abajo del mismo el mecanismo esclaramente de empuje hasta el final de la línea. Esta situación refleja de manera el enfoquepropuesto por Goldratt [6] del DBR o TOC.Finalmente, se ha llevado a cabo un tercer experimento que supone pérdidas por rechazos(Scrap). En este experimento hemos considerado seis estaciones de trabajo con un tiempo mediode proceso de 10 unidades de tiempo, derivados de una distribución exponencial. El coeficientede variación, al igual que en otros experimentos se ha mantenido en 0.10. Se ha supuesto que unporcentaje de piezas son rechazadas debido a problemas originados en las estaciones de trabajo.4. Resultados de la simulación.Los modelos se han construído utilizando el software de simulación gráfica interactivaWITNESS. La simulación se ha realizado para un horizonte de 60.000 unidades de tiempo. Conobjeto de minimizar los efectos transitorios iniciales que pueden producirse se ha establecido unperíodo de warm-up de 10.000 unidades de tiempo. Para cada experimento se han realizado cincoreplicaciones.Para los sistemas JIT/KANBAN y CONWIP la variable de control son el número detarjetas kanban y el número de tarjetas conwip. Para el sistema push, la capacidad de los buffers.En cada experimento se han llevado a cabo registros de los valores alcanzados por las variablesproducción total (Throughput) realizada versus el nivel de inventario.En la figura 5 se muestran los resultados obtenidos para el primer experimento: línea demontaje. Se representan los valores del troughput versus el nivel de inventario. Puedecomprobarse la superioridad, con estos medidores, del CONWIP frente al KANBAN y al PUSHanalizados. Así para el mismo nivel de inventario el sistema CONWIP nos da una mayorproducción total o bien requiere menos nivel de inventario para alcanzar una determinadaproducción. El JIT/KANBAN es el que muestra un peor comportamiento de los tres.Los resultados del segundo experimento, existencia de un cuello de botella, se muestranen la figura 6. El sistema CONWIP de nuevo proporciona los mejores resultados, especialmentecuando este es modificado para reproducir el sistema DBR/TOC de Goldratt.Cuando se da la existencia de un porcentaje de pérdidas por rechazo (scrap) tal como seha analizado en el experimento 3 el CONWIP disminuye su efectividad. Cuando los rechazos sonnulos de nuevo CONWIP demuestra su superioridad frente al KANBAN, como puede apreciarseen la figura 7. Sin embargo cuando las pérdidas por rechazo aparecen la superioridad deCONWIP frente al KANBAN desaparece tal como se muestra en la figura 8. La razón de estecomportamiento podría encontrarse en las rutas alternativas de las tarjetas cuando se producenrechazos. Parte de las tarjetas realizan la circulación completa mientras que otras vuelven conlas piezas rechazadas a las estaciones de trabajo correspondientes para su reprocesado. Podemosconsiderar que el mecanismo original CONWIP de circulación de tarjetas se rompe por laaparición de un porcentaje rechazado de órdenes de trabajo o piezas. El resultado que se producees la disminución de la producción junto con el aumento de los niveles de inventario.                                    Figura 5. Resultados del Experimento 1. Línea de Montaje.                                Figura 6. Resultados del segundo experimento.                            Figura 7. Resultados del tercer experimento. (Sin rechazos)               Figura 8. Resultados del tercer experimento (con pérdidas por rechazos)5. Conclusiones.El sistema CONWIP fue creado como una alternativa al KANBAN. Las tarjetasCONWIP se asocian a la orden de trabajo a lo largo de la línea de producción en lugar deasociarse a una sola estación de trabajo como ocurre en el KANBAN. Este hecho proporcionauna mayor libertad en la localización de los stocks intermedios produciéndose un fenómeno deautorregulación de los mismos. El sistema lleva el WIP, Inventario en Proceso, allí donde senecesita.CONWIP puede ser aplicado en entornos donde el KANBAN no puede serlo, tal comoocurre cuando se modifica con frecuencia el programa de producción. Además es posibleextender la aplicación del mismo a líneas de montaje mostrándose como con el CONWIP sealcanza un mayor producción en la línea con menores inventarios en proceso.El sistema CONWIP puede ser transformado, con buenos resultados, en un sistema DBRen entornos donde se ha identificado un cuello de botella bien diferenciado. Se ha visto queCONWIP y DBR comparten características comunes. El papel de la “Rope” en el DBR essustituído por las tarjetas en el CONWIP.  El “Drum” quedaría sustituído por el mecanismo decontrol de las tarjetas en la cabecera y el “Buffer” queda autorregulado en el CONWIP.El sistema CONWIP confirma, a la vista de los experimentos realizados, la mayoría desus expectativas de, además de ser un sistema PULL compartir los beneficios del sistemaKANBAN con la posibilidad de su aplicación en entornos donde el KANBAN ha demostradounos pobres resultados o bien su aplicación resulta muy dificultosa. Sin duda, de los sitemasanalizados el CONWIP parece el más apropiado para trabajar en situaciones donde las líneasdeben operar casi a  plena capacidad. Ha demostrado finalmente ser un sistema más robusto queel KANBAN cuando el programa de producción se modifica con frecuencia, manteniendo lasventajas de los sistemas PULL frente a los PUSH.5. Referencias.[1] Monden, Y., Toyota Production System: Practical Approach to Management      Industrial Engineering and Management Press. Norcross. 1983[2] Spearman, M.L., Woodruff, D.L. and Hopp, W.J., "CONWIP: a pull alternative to kanban"      International Journal of Production Research. 1990, 28, pp. 879-894.[3] Framiñán, J.M., Ruiz-Usano, R., Leisten, R.,“Input control and dispatching rules in a       dynamic CONWIP flow-shop”      International Journal of Production Research. 2000, 38, pp. 4589-4598[4] Conway, R., Maxwell, W.,McClain,J. and Thomas, J., "The Role of Work-In-Process       Inventory in Serial Production Lines" Operations Research. 1988, 36, pp. 229-241.[5] Lambrecht, M. and Seagert, A., "Buffer Stock Allocation in Serial and Assembly Type of      Production Lines". International Journal of Production Management. 1990, 10, pp. 47-61.[6] Goldratt, E.M. The Haystack Syndrome. North River Press. 1990

Sistemas de control push-pull. Un estudio comparativo.

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