Apunte 1 - Procesos Industriales (Eli031-A) S1-2023 Usm

Los procesos industriales consisten en agregaciones de máquinas, equipos y elementos auxiliares a un proceso, los cuales están destinados a transformar materias primas y obtener un producto con mayor valor añadido. En un proceso tiene lugar un intercambio entre distintos tipos de energía para conseguir las funciones deseadas. Asimismo, la interacción entre máquinas no siempre se produce de la forma más conveniente desde el punto de vista de la eficiencia energética y la productividad. En muchas ocasiones el rendimiento del proceso será inferior al que técnicamente puede conseguirse y en consecuencia se incrementarán los costes operacionales. Para comenzar un proyecto de optimización de procesos clasificamos en primer lugar las variables que deseamos controlar en dos tipos: Variables que determinan el consumo energético y Variables que determinan el rendimiento.

El crecimiento progresivo de la capacidad de un proceso industrial y un diseño inadecuado pueden provocar la aparición de flujos energéticos no productivos. A medida que se incorporan más máquinas y equipos, el proceso se vuelve más complejo y las variables que indican el rendimiento del proceso son difíciles de controlar intuitivamente. Se mencionan varios ejemplos de derroches energéticos que pueden surgir, como desequilibrar una red trifásica, producir más vapor del necesario o utilizar compresores de capacidad fija para procesos con cargas fluctuantes. La ineficiencia de los procesos aumenta a medida que el proceso se vuelve más complejo, ya que las nuevas incorporaciones de máquinas pueden realizarse sin conocer a fondo los flujos energéticos del proceso. Es importante detectar y corregir estas ineficiencias para reducir costos operacionales y mejorar el rendimiento del proceso.

El proceso de implementación de proyectos de integración en procesos industriales es complicado debido a la necesidad de tomar decisiones entre varias alternativas técnicas. La cuantificación de cómo afectan estos cambios a los costes operacionales y la producción también puede ser difícil. Sin embargo, si se dispone de información en tiempo real de las variables que determinan el rendimiento del proceso, se puede obtener información valiosa evaluando su comportamiento ante cambios en el proceso. En el caso de un ciclo de enfriamiento industrial, por ejemplo, es posible calcular el rendimiento en tiempo real a partir de lecturas de temperaturas y presiones en los puntos de estado mediante sensores.

El objetivo de los proyectos de optimización es analizar procesos existentes mediante la captura sistemática de datos a través de una red de sensores para obtener información valiosa de las variables del proceso. Estos proyectos se enfocan en mejorar procesos complejos, ya que cuanto más complejo es un proceso, mayor es el potencial de mejora y más difícil es detectar pérdidas y desequilibrios de forma intuitiva. La captura sistemática de datos y su posterior análisis estadístico nos permite tomar decisiones que ahorran importantes cantidades de dinero. También se enfocan en la generación distribuida, que requiere equilibrio en la obtención de energía, almacenamiento y consumo, y la captura sistemática de datos es importante para obtener información en instalaciones aisladas con cierta complejidad.

Los sistemas productivos de flujo continuo se caracterizan por tener instalaciones uniformes en rutas y flujos debido a la homogeneidad de los insumos, lo que permite adoptar procesos homogéneos y secuencias de procesos. Estos sistemas son adecuados para producir artí***** estandarizados en grandes cantidades.

Los sistemas de producción intermitente son flexibles y pueden manejar una gran variedad de productos y tamaños, con instalaciones de transporte que se ajustan a las características de los insumos y a las rutas necesarias. Este tipo de producción se utiliza cuando la demanda de un producto no es suficientemente grande para justificar la producción continua, y la empresa fabrica una amplia variedad de productos en pequeñas cantidades en relación con la producción total. Como resultado, el costo total de la mano de obra especializada es alto y los costos de producción son más altos que en un sistema continuo.

El concepto de modularidad en la producción de bienes consiste en utilizar una serie de componentes básicos o módulos que pueden ser ensamblados de diferentes maneras para crear una amplia variedad de productos distintos. Esta técnica permite producir una gran variedad de productos con un bajo número de componentes, lo que reduce los costos de producción y mejora la eficiencia en la fabricación. Como ejemplo, se menciona la producción de bolígrafos utilizando módulos básicos, lo que permite crear una gran variedad de diseños y modelos con un número reducido de componentes.

El sistema de producción por proyectos se organiza a través de fases y secuencias de operaciones que contribuyen a los objetivos finales del proyecto. A diferencia de otros sistemas de producción, no hay flujo de productos. Este sistema es costoso y presenta desafíos en la planeación y el control administrativo.

Es el sector también denominado extractivo, ya que obtiene los elementos directamente de la naturaleza lo que denominamos “materia prima”, por ejemplo, agricultura, caza, pesca, agua, minería, petróleo, energía eólica, etc.

El sector industrial como aquel que transforma la materia prima extraída del sector primario en productos manufacturados para el consumo, y se divide en diferentes ramas como la ligera y la pesada. También se menciona que se puede clasificar la industria en función de su especialización en sectores como la automoción, aeronáutica o textil.

El sector terciario engloba todas las empresas que se dedican a ofrecer servicios a los consumidores, como bancos, hoteles, restaurantes, tiendas, servicios de salud y educación. Es un sector en el que las personas son el elemento clave en la producción, y es el que más contribuye al PIB en muchos países. También incluye empresas que comercializan productos fabricados por el sector secundario.

El sistema de producción por encargo se enfoca en la fabricación de productos o la prestación de servicios después de recibir un pedido o contrato específico. Este sistema involucra la planificación de producción de materiales, mano de obra y procesos de producción específicos para cada pedido. Además, se enfoca en el arreglo físico del producto y en la previsibilidad de la producción, para asegurar la calidad y satisfacción del cliente.

La producción por lotes se basa en la producción limitada de un producto o servicio por vez, donde se elabora una cantidad acotada de productos que tienen características idénticas. Este sistema se utiliza cuando la demanda de un producto no es lo suficientemente grande como para manufacturarlo de forma continua. La producción por lotes es un método de producción discontinuo, donde el proceso no es permanente y se pueden agregar o quitar operaciones al momento de fabricar cada nuevo lote.

Los procesos de producción continua se caracterizan por no tener interrupciones en la fabricación durante un período de tiempo y suelen ser utilizados para la producción de un mismo producto sin cambios que alteren el ritmo de producción. Este sistema requiere un plan detallado de producción antes de comenzar la fabricación de un nuevo producto para asegurar su éxito. Las ventajas de este sistema incluyen una mayor velocidad de producción, una mayor productividad del personal, reducción de costos y mayor calidad del producto con una variación mínima, entre otros.

Manejan capitales propios y grandes financiamientos. Por lo general tienen instalaciones propias, sus ventas son de varios millones de dólares, pueden tener miles de empleados. Son empresas que poseen más de 400 trabajadores y cuyas ventas, por lo general, superan las 100.001 UF.

Intervienen varios cientos de personas y en algunos casos hasta miles, hay áreas bien definidas con responsabilidades y funciones, tienen sistemas y procedimientos automatizados. Son empresas que tienen de 50 a 400 trabajadores y ventas de entre 25.001 y 100.000 UF al año.

Son entidades independientes, creadas para ser rentables. No predominan en la industria a la que pertenecen. Sus ventas no exceden un determinado tope al igual que la cantidad de personas que la conforman. Son empresas que tienen entre 6 y 50 empleados y pueden vender entre 2.401 y 25.000 UF anuales.

Generalmente son de propiedad individual. Los sistemas de fabricación son prácticamente artesanales, la maquinaria es elemental y los asuntos administrativos, productivos, ventas y finanzas puede atenderlos el propio director o propietario de manera personal. Son empresas que tienen de uno a cinco trabajadores y/o venden de 0 a 2.400 UF anuales.

El JIT es una filosofía de trabajo -a nivel de toda la empresa- más que un sistema de producción. Se confunde, a veces, "filosofía JIT" con "técnicas JIT". Las técnicas JIT (SMED, JIDOKA, POKA-YOKE, KANBAN…) se utilizan, por supuesto, en la filosofía JIT, pero también pueden aplicarse en otros sistemas. En general, el JIT es un sistema de producción con flujo en línea que produce muchos productos en volúmenes bajos o medios.

Un sistema de producción flexible (en inglés, FMS) consiste en instalaciones (máquinas, manipuladores de carga y descarga, etc.) totalmente controladas por un ordenador central, de modo que la instalación pueda funcionar sin atención de personal. Este sistema de producción es sumamente caro y se utiliza en muy contadas situaciones.

La primera es el crecimiento en el tamaño de las empresas, que hace que los gerentes necesiten confiar en una buena organización. La segunda es la diversificación de las líneas de productos, lo que requiere una integración efectiva de las actividades a través de una buena organización. La tercera tendencia es la especialización, que ha llevado a conformar una organización profesional con el fin de abordar la falta de entendimiento entre los especialistas de diferentes áreas. La cuarta tendencia es el rápido cambio en el ambiente comercial, lo que requiere una organización flexible para reaccionar rápidamente.

Para desarrollar nuevos productos el último paso a dar es la selección del proceso productivo. El diseño del proceso especifica cómo se desarrollarán las actividades que la función de producción debe realizar. Las necesidades del mercado se pueden satisfacer utilizando diferentes funciones de producción. Existen cinco tipos genéricos de funciones de producción: por proyectos, artesanal, lotes, masa y continua.

La producción por proyectos se enfoca en la elaboración de productos personalizados para satisfacer las necesidades específicas de cada cliente. Este tipo de producción es costoso, utiliza trabajadores especializados y maquinaria de uso general, y es difícil de planificar y controlar. Además, el producto no es fácil de definir en sus primeras etapas y está sujeto a cambios e innovaciones. Se dan algunos ejemplos como la construcción de un puente, un barco o un proyecto telemático.

Ambos tipos de producción fabrican pequeños volúmenes de una amplia variedad de productos. La producción artesanal se adapta mejor a las necesidades específicas de los clientes y se encuentra en actividades que requieren prototipos o fabricación por encargo. Por otro lado, la producción por lotes se utiliza cuando el producto no está estandarizado o cuando el volumen de producción es bajo. Esta forma de producción es común en las etapas iniciales del ciclo de vida del producto o en productos con baja cuota de mercado.

Ambas se caracterizan por tener máquinas y centros de trabajo alineados según la secuencia lógica de las tareas a realizar para transformar los materiales en productos terminados. Sin embargo, la producción en masa requiere más trabajadores que la producción continua. En general, la producción continua se diferencia de la producción en masa por su mayor volumen, la diferenciación más limitada de sus productos, la mayor dependencia de los bienes de equipo, la relación más estrecha entre las diversas etapas de su proceso de transformación y el uso más intenso de equipos automatizados de manipulación y transferencia de materiales La producción en masa satisface las necesidades de un número elevado de clientes, mediante la fabricación a un coste relativamente bajo de una gran cantidad de productos uniformes. Se apoya en dos pilares fundamentales: el intercambio de las partes y la cadena de montaje.

La cadena de montaje favorece la productividad mediante la división del trabajo y la correspondiente especialización, mientras que el intercambio de partes permite eliminar todas las tareas relacionadas con el limado y ajuste de las partes, así como a los trabajadores encargados de realizarlas, además de facilitar el servicio de mantenimiento, al vender los recambios cualquier concesionario o distribuidor oficial, y realizar las actividades de reparación técnicos de empresas especializadas en realizar este tipo de trabajos. Tanto la Producción en Masa como la Producción Continua son formas de producción intensivas en capital y tienen costos fijos cuantiosos, pero debido a que realizan un volumen de producción elevado, el coste unitario de producción es muy bajo.

Intentó eliminar por completo los movimientos innecesarios de los obreros, con el deseo de aprovechar al máximo el potencial productivo de la industria. Los trabajadores eran supervisados por un grupo especial de empleados. Esta teoría encontró un rechazo creciente de los sindicatos. La gerencia concentraba el monopolio de control del proceso de trabajo, quedando el obrero exento de decidir respecto de la producción.

Promovió la especialización, la transformación del esquema industrial y la reducción de costos. Esto último, a diferencia del taylorismo, se logró no a costa del trabajador, sino que a través de una estrategia de expansión del mercado. La razón es que, si hay mayor volumen de unidades y su costo es reducido, habrá un excedente que superaría numéricamente a la tradicional y única consumidora de tecnologías en la modernidad.

Produce bajos costos en pequeñas cantidades de productos variados. El trabajo es flexible y va variando en diversas tareas. Produce pequeños lotes de acuerdo con la demanda. Posee maquinaria diversificada y flexible. Se fabrica JIT. Almacén mínimo. Se fabrica lo pedido por la demanda y se traslada al punto de venta.

Corresponden a las operaciones físicas llevadas a cabo para producir cambios, tales como transmisión de calor, flujo de fluidos, destilación, etc.

Corresponden a los cambios químicos que ocurren en etapas del proceso. Ejemplo de esto son la oxidación, nitración, polimerización, reducción, esterificación, etc.

En una planta química, todas las etapas están conectadas por corrientes que transportan materias primas o productos. Estas corrientes deben ser codificadas y reciben diferentes denominaciones según el tipo de corriente. Además, cuando se estudia una planta química o una etapa de ella, se delimita con una línea o rectángulo llamado límites del sistema, y las corrientes que entran a esa etapa se denominan afluentes, mientras que las que salen se llaman efluentes.

Comportamiento de un proceso dependiente del tiempo. En la teoría del control se estudia básicamente la dinámica de dos tipos de sistema:
• Sistema de lazo abierto: Respuesta del sistema sin controladores o con un control en adelanto (feedforward).
• Sistema de lazo cerrado: Comportamiento del sistema incluido un control por retroalimentación (feedback).

• Variables manipulables: Elementos del proceso que se pueden modificar para controlar la planta. Normalmente se trata de caudales.
• Variables controladas: Parámetros de proceso –caudales, niveles, temperaturas, presiones, etc.– que se quieren controlar, ya sea para mantenerlos constantes o para seguir una cierta evolución con el tiempo.
• Variables no controladas: Variables del proceso que no son controladas, aunque pueden ser medidas.
• Perturbaciones: Entradas al proceso que no pueden ser controladas pero que deben tener un valor fijo en el proceso.

Es el valor deseado de la variable a controlar. Puede ser constante o variar con el tiempo.

Se trata de un sistema de control de lazo abierto. Se detecta la perturbación cuando entra en el proceso y se realiza el cambio necesario en las variables manipulables para que la variable controlada se mantenga constante.

Es una variable ininterrumpida durante el tiempo de manufactura, se conoce como señal análoga, lo que quiere decir que puede tomar muchos valores dentro de un rango ya definido. Fuerza, temperatura, tasa de flujo, presión, son ejemplos de variable continua.

Sólo puede tomar sólo un valor dentro de un rango definido. Se conoce como variable binaria. Conceptos como on/off, abierto/cerrado, 0 y 1, son ejemplos de variable discreta.