Simulacion_y_Modelado_3D_para_el_proceso

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Simulación y Modelado 3D para el proceso de transporte de Caliza en 
una Empresa de Fabricación de Cemento. 
José J. Zavala 
Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, Facultad de Producción y Servicios, Avenida 
Independencia s/n Cercado. Ciudad de Arequipa. Perú, 04001 
jzavala@unsa.edu.pe 
 
Abstract 
 
This work presents the importance of virtualization of industrial transport for optimization; some time ago it was a 
complex task of design graphic simulation models, but nowadays, with the advance of the Software of Simulation is 
imperative to "test before running". Therefore, a simulation model was developed to improve limestone supply 
processes. This 3D simulation model allows to represent the behaviour of the transportation of raw material (limestone) 
from the quarries to the industrial plant following the phases of the simulation process. The Rockwell Software Arena 
was used for the development and design of the 3D model, which allowed to show visually the transfers of raw material 
(limestone) and identify how the resources are being used, and with it, the process can be adequately evaluated. 
 
 
In the development of the proposal, some modifications in the process were made, such as changes in transport of trucks 
by conveyor belts; material stacking by hoppers, etc., which in a real way could mean difficulty in the conception of the 
proposed improvement, however with the Virtual Simulation of the process, it has been possible to establish the 
improvement of the efficiency of resources and operability of the process. With these and an analysis of times, 
occupation and costs, we can show the improvement of the transport process for the supply of raw material, to the 
industrial plant. 
. 
 
Keywords: Simulation, Optimization, Process improvement; 3D modeling. 
 
Resumen 
En este trabajo se presenta la importancia de la virtualización de los procesos de transporte industrial para su 
optimización, antes se consideraba una tarea compleja el diseñar modelos de simulación gráfica pero hoy en día con el 
avance de los Software de Simulación es imprescindible “probar antes de ejecutar”. Por ello, se desarrolló un modelo de 
simulación para mejorar los procesos de abastecimiento de caliza. Este modelo de simulación en 3D, permite representar 
el comportamiento del transporte de la Materia Prima desde las canteras hacia la planta industrial, siguiendo las fases 
del proceso de simulación. Se usó el Software Arena de Rockwell Software, para el desarrollo y diseño del modelo en 
3D, el cual permitió mostrar visualmente los traslados de materia prima (caliza) e identificar como se están empleando 
los recursos, y con ello poder analizar y evaluar adecuadamente el proceso. 
En el desarrollo de la propuesta se realizaron modificaciones en el proceso, como cambios de transportes de camiones 
por fajas transportadoras; apilamientos de material por tolvas de descarga, el cual de manera real podría significar 
dificultad en la concepción de la mejora que se quiere plantear, sin embargo con la Simulación Virtual del proceso, se ha 
podido establecer una mejora en el uso adecuado de los recursos y en la operatividad del proceso, y con ello mediante un 
análisis de tiempos, ocupación y costos, evidenciar la optimización de este proceso de transporte para el abastecimiento 
de materia prima, hacia la planta industrial 
 
Palabras clave: Simulación, Optimización; Mejora de Procesos; Modelado 3D. 
 
Área temática: Simulación 
 2
 
1 Introducción 
En la actualidad es importante para las empresas industriales la eficiencia y eficacia de sus procesos, y para empresas 
que buscan provisionarse adecuadamente con materias primas lo es aún mayor, por tratarse de un problema de gran 
complejidad, que podría representar altas inversiones en una mejora de sus procesos. 
Por ello en presente trabajo abarca el mejoramiento del proceso en el abastecimiento de la materia prima –caliza para 
una empresa de fabricación de Cemento basada en simulación discreta; se pretende eliminar los tiempos de esperas de 
los camiones de 100 Toneladas que participan en el proceso de transporte. Así mismo, optimizar los recursos, 
principalmente en los sistemas de abastecimiento, tanto principal como del sistema auxiliar de descarga de caliza, 
tomándose en consideración las capacidades de los transportes, tiempos de desplazamientos, tiempos de carga y 
descarga y distancias. Para ello se emplea un modelo de simulación de eventos discretos que nos permita analizar la 
situación actual y mediante dicho análisis lograr una propuesta que mejore el proceso. 
El aporte de la presente investigación permitirá reducir costos, que es una política organizacional de la empresa, 
modificando el transporte del sistema auxiliar de acarreo por con un transporte de faja que es versátil y automatizado. 
El resto de éste trabajo está organizado de la siguiente manera: En la sección 2 se muestra el Estado de Arte , La sección 
3 describe la contribución del trabajo al sector, y, la sección 4 muestra los Resultados obtenidos, asi como las 
conclusiones y referencias. 
2 Estado de arte 
Las organizaciones y los mercados vienen presentando grandes cambios, producto de la dinámica en los que se 
desarrollan, producto de las grandes adelantes tecnológicos, y principalmente por las tecnologías que ayudan a la mejora 
de procesos en cualquier ámbito de la organización, el mundo hoy, exige por lo tanto a las organizaciones establecer 
metodologías de cambios y mejoramiento para brindar a sus clientes calidad en sus productos y servicios. Sin embargo 
en este proceso de cambios y el rápido crecimiento de las empresas, no se han considerado diversos factores que genera 
malas prácticas y conllevan a los sobrecostos, falta de control e ineficiencia en la ejecución de las actividades de los 
procesos. 
El desarrollo del mundo industrial ha llegado a niveles de competitividad, propia de la innovación de nuevos productos y 
procesos, que sumado a la globalización del comercio internacional, nos lleva a que solo los mejores puedan subsistir, en 
estos mercados de alta competencia. Dentro de este marco, la gestión por procesos da un enfoque total al modo de 
operación de actividades de la empresa, y unido al modelamiento matemático, permite identificar sus procesos que 
requieren o puedan ser mejorados o innovados. 
Así mismo cada vez más las empresas se enfrentan al reto de implementar nuevas técnicas organizativas y de 
producción, siendo una da las mejores alternativas los procesos de simulación para poder evaluar mas mejoras optimas 
de sus procesos. 
La mejora continua (continuous improvement), es una filosofía “de nunca acabar”, que asume el reto del 
perfeccionamiento constante de los procesos, productos y servicios de una empresa. Esta filosofía busca un 
mejoramiento continuo de la utilización de la maquinaria, los materiales, la fuerza laboral y los métodos de producción y 
de esta manera, poder optimizarlo en función a la reducción de costos y el incremento de la calidad [1]. 
 
Definió Robert E. Shannon, a la simulación como: “es el proceso de diseñar y desarrollar un modelo computarizado de 
un sistema o proceso y conducir experimentos con este modelo con el propósito de entender el comportamiento del 
sistema y evaluar varias estrategias con las cuáles se puede operar el sistema”, [2]. 
Según Fábregas (2003) un sistema se define como el conjunto de componentes o procesos interrelacionados que recibe 
entradas, las procesa y emite salidas con la finalidad de lograr un objetivo común[3]. En cuanto a los tipos de modelos 
de optimización [7] [8] y [9], podemos decir que existe diversos modelos asociados con sistemas reales existentes, cada 
uno de ellos con una forma de solución. De aquí que se utilicen los nombres conocidos de programación lineal, entera, 
binaria, dinámica y no lineal, etc., y para aquellos modelos estocásticos los modelos de simulación. 
Todo proceso está compuesto de tres elementos fundamentaleslos cuales son los inputs o entradas, la secuencia de 
actividades, y finalmente, los outputs o salidas [4]. Los inputs o entradas se dividen en recursos e insumos. Los primeros 
permiten el desarrollo de las operaciones o tareas del proceso, y pueden ser tangibles o intangibles; asimismo, los 
recursos pueden ser de distintos tipos: financieros, humanos, espacio físico, energía, informáticos. Por otro lado, los 
insumos son bienes materiales que serán procesados para la obtención del producto final (output) [5]. 
Tal como su nombre lo indica, la secuencia de actividades, es el conjunto de operaciones o tareas, relacionadas entre sí, 
que se realizan para transformar los inputs y convertirlos en outputs. 
 3
 
El software Arena es un programa de simulación de eventos discretos desarrollado por Rockwell Automation. Es un 
ambiente de simulación que consiste en módulos o bloques con lenguaje Siman y que presenta una forma visual de 
manera de ayuda. El programa presenta aplicaciones que permite facilitar el modelado y análisis de datos como Input 
Analyzer, Output Analyzer, ProcessAnalyzer y Optquest, [6]. 
 
3 Contribución 
 
3.1. Descripción del Proceso en el ámbito de Estudio 
La empresa posee una cantera ubica a 25 km de la Planta Cementera en donde se tritura caliza a una granulometría 
de 2 pulgadas. Esta caliza es transportada a la planta mediante camiones que tienen una capacidad máxima de 100 
Toneladas. Para el transporte de materia prima se hace uso de 17 camiones Volvo FH 520. El proceso de abastecimiento 
se inicia cuando los camiones FH520 son cargados en cantera por un cargador frontal 980H. Los camiones trabajan bajo 
el régimen a destajo, es por ello que deben cumplir con la cantidad de 6 viajes diarios. Una vez lleno cada camión de 
100 TN se traslada25 kilómetros hacia la zona de descarga en planta. Cuando el camión ingresa a planta lo hace por una 
vía de acceso directa al sistema principal de descarga, el cual posee una Tolva de Capacidad de 180 Toneladas, que 
almacenará la caliza de los camiones FH520. Luego, el camión hace su ingreso a la tolva de descarga se posiciona sobre 
una malla hueca donde seguidamente apertura sus compuertas neumáticas que se encuentran en la parte inferior de la 
tolva del camión FH520, para que por gravedad la carga de caliza caiga sobre la tolva de almacenamiento. El nivel o 
cantidad de caliza que se encuentra en la Tolva es la instrucción para que un siguiente camión cargado ingrese a la tolva 
a descargar. Para que la caliza continúe desplazándose por el proceso es necesario un alimentador vibratorio que 
permita el paso de la caliza hacia la faja transportadora. Debido a la vibración mecánica generada por el alimentador 
vibratorio el material es abastecido hacia la faja transportadora número 3320. Esta faja transporta la caliza a lo largo de 
250 metros. La descarga se realiza sobre dos pilas lineales la 1A y 1Bque tienen una capacidad de 6000 Toneladas cada 
una. La operación de llenado de las Pilas es de una por vez, es decir una vez llena la pila 1A, se detiene el proceso y la 
faja 3320 se moviliza hacia la pila 1B para iniciar nuevamente la descarga. Este ciclo se realiza siempre que el proceso 
lo requiera. 
 
 
Fig. 1: FlowSheet Abastecimiento de Caliza 
 
El sistema auxiliar de descarga de caliza se encuentra ubicado a 400 metros de la vía ingreso principal de los 
camiones de 100 Toneladas. Un puente de capacidad de 300 toneladas es el elemento de recepción de caliza, Este puente 
de concreto al igual que la tolva principal tiene una superficie hueca donde los camiones se posicionan y descargar por 
gravedad el material. Una vez depositada la caliza en el puente un cargador frontal 966H y 3 volquetes internacional de 
30 Toneladas desalojan la caliza depositada por los camiones FH520 de 100 Toneladas. El cargador frontal 966 H para 
cargar las 30 Toneladas de un camión Internacional tiene que depositar 4 cucharones llenos en su tolva, luego de ello el 
camión se trasladará 50 metros para vaciar su carga en una cancha que irá almacenando toda la caliza proveniente del 
sistema auxiliar. Toda esta caliza se irá acumulando como Stock dentro de la Planta. La caliza almacenada es cargada 
 4
 
por un cargador frontal 966H a 3 camiones internacional de 30 Toneladas de capacidad, los cuales recorrerán una 
distancia de 50 metros para descargar la caliza en una tolva de 40 toneladas ubicada sobre la Faja 3387. Para que la 
caliza continúe desplazándose por el proceso es necesario un alimentador vibratorio que permita el paso de la caliza 
hacia la faja transportadora. Un Alimentador Vibratorio ubicando en la parte inferior de la tolva de 40 Toneladas genera 
movimiento para continuar con el paso de caliza hacia la Faja 3387. La Faja 3387 de 200 metros alimenta caliza a un 
chute de transferencia que está conectado a la Faja 3320. Para tener una mejor percepción del sistema actual (Ver la fig. 
1). 
 
Durante el diagnóstico se constató la existencia de un inadecuado uso de recursos, así como demoras en los tempos de 
abastecimiento d materia prima. El proceso de mayor responsabilidad es el traslado de material, identificado en el macro 
proceso de la Fig. 1, como proceso principal. En la Fig. 2 se muestran las causas que inciden en el abastecimiento de 
caliza a la planta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 2: Diagrama de Ishikawa de las Causas que originan problemas en el abastecimiento de caliza 
 
3.2. Datos de entrada para el Modelo 
 
Para la realización del modelo de simulación, es muy importante contar con una base de datos de entrada que se obtiene 
del proceso de abastecimiento actual. 
 
Análisis de Datos Entrada con Input Analyzer del Software Arena 
 
Para iniciar con el modelo de simulación en Arena se hace uso de la herramienta Input Analyser en donde se ingresan 
los datos obtenidos, así: 
Variable Función Error 
Llegada de Camiones -0.5 + log(7,5.25) 0.0194 
 
Descarga principal de 
caliza 
NORM(6.77,1,31) 0.0144 
 
Descarga Auxiliar de 
Caliza 
1.5 + 9 * 
BETA(0.972,1.3) 
0.0648 
 
Carga de caliza en 
Auxiliar 
5.5 + 3 * 
BETA(1.22,1.78) 
0.0007 
 
Carga de caliza en Stock TRIA(1.5,2,3.5) 0.0001 
 
Tabla1. Resultados de las Expresiones de los Datos de Entrada 
 5
 
 
Supuestos en el Desarrollo de Modelo 
 
Se considerará que las 102 entidades siempre llegaran las 6 vueltas durante la corrida 
Se considerará que la descarga principal solo para por motivo de llenado de pila no por falla. 
La distancia entre la llegada a planta y la descarga principal es despreciable 
Cuando se restringe la entrada de entidades por descarga principal por pila llena las entidades que estaban en proceso se 
acumulan en el lote de 6000 unidades. 
 
3.3. Desarrollo del modelo de simulación Actual 
 
Se desarrolla el modelo en el software Arena y se divide en 5 partes: 
 
a. Llegada de caliza 
b. Abastecimiento principal 
c. Abastecimiento auxiliar 
d. Abastecimiento auxiliar –stock 
e. Abastecimiento de stock -principal 
f. Animación del modelo actual 
 
 
Fig. 3: Animación del modelo actual 
 
Análisis de Resultados 
El análisis de los resultados del ingreso de cada lote a los procesos se obtuvo gracias a los módulos lógicos 
record que se pusieron en el modelo. 
 
Proceso Número de 
Camiones 
Tonelaje 
Abaste. Principal 29.2 2920 
Abaste. Auxiliar 72.6 7260 
Abaste. De Auxiliar a Stock 87.6 2917 
Abaste. De Stock a Principal 87.6 2917 
Tabla 2: Análisis de resultados de cada proceso principal 
 
 6
 
A continuación de muestran resultados obtenidos en el reporte de Arena: 
 
i. El tiempo promedio de espera encontrado en el modelo para el sistema de descarga principal es de 2.62 
minutos, así mismo el tiempo promedio de espera en la descarga auxiliar es de 15.98 minutos. 
ii. La longitud de cola encontrada en el modelo para el sistema de descarga principal es de 0.1324, así mismo la 
longitud de cola en la descarga auxiliar es de 0.3166 
iii. La utilización encontrada paralos recursos del modelo se ha desarrollado con una corrida de 24 horas. Los 
recursos son el Alimentador Vibratorio de la Descarga Auxiliar con un 34,06 %, Cargador Frontal de Puente 
Auxiliar 24,53% y Cargador Frontal de Stock 14,12% 
 
 
3.4. Validación 
La validación del modelo es uno de los pasos críticos, ya que permiten determinar si el modelo está libre de 
errores y es válido para dar respuesta al objetivo del estudio.Para asegurar que el modelo realizado es una representación 
de simulación en Arena, se ha una representación de la realidad se ha optado por validar el siguiente indicador 
 
3.4.1. Cantidad de Dumpers que ingresan a sistema principal por día 
 
Para la validación del sistema actual se realizará 10 réplicas del modelo inicial para después calcular el 
número de réplicas necesarias para validar con un error dado. Cada réplica corresponde a un día de trabajo. 
 
Prueba de Hipótesis o Contraste de Medias 
 
Prueba T: Se aplica cuando 2 es desconocida 
A continuación, se presenta la prueba de hipótesis, donde se desea comparar la media del sistema 
real contra la media del modelo de simulación con un nivel de significancia de 0.05. 
 
H0: 1 -2 = 0 H1: 1 -2 ≠ 0 
Criterio de rechazo de H0: t0> t/2,v 
 
Para calcular t0 y t/2,v se tienen las fórmulas siguientes, (CORDOVA, Manuel. 2005, Estadística descriptiva e 
inferencia.) 
 
Sustituyendo los valores en las formulas antes mencionadas se obtiene lo siguiente: 
 v = 19.97237 to = 0.43759 
 El valor de t con una probabilidad de 0.05 y con 20 grados de libertad es el siguiente: t0.05,20= 
0.437594974 
Entonces: |t0| ≤ t0.05,20 
t o 0.43759497 < t(α/2,v) 2.08596345 
Tabla 3: Comparación de probabilidades t 
 
Por lo tanto, se acepta la hipótesis de que las medias de los dos sistemas son iguales y por ende se asume 
que el sistema del modelo de simulación se comporta como el sistema real. 
 
3.5 Propuesta de Mejora 
 
a. Implementación de Tolva de Descarga Principal Adicional 
 
Como medida de mejora del sistema de descarga de camiones de caliza, se plantea adicionar una tolva en 
paralelo en el sistema principal, lo cual significa que ahora el abastecimiento de caliza de los camiones de 100 
Toneladas podrá realizarse en dos mallas. Recordemos que inicialmente esta tolva contaba con una sola malla lo que 
generaba que solo un camión pudiera hacer la descarga de material. 
 
 7
 
En la siguiente ilustración se muestra la propuesta de mejora 
 
 
Fig. 4:Implementación tolva adicional 
 
Lo que se plantea ahora es que se aumente la capacidad de almacenaje en 180 Toneladas adicionales, esto 
facilitará que dos camiones descarguen a la vez. Para ello es necesario realizar las siguientes acciones el rediseño del 
sistema : Apertura del suelo para nueva zona de descarga, Fabricación y montaje de nueva malla en la nueva zona de 
descarga para un camión de 100 Toneladas, y ,Montaje de dos nuevos alimentadores vibratorios para la descarga de la 
nueva malla. Cabe señalar que el acondicionamiento mecánico y eléctrico cumple con las especificaciones técnicas 
establecidas hasta un flujo de 1300 Toneladas/hr. 
Esta cambio mejorara los tiempos de espera de los camiones de 100 Toneladas que ingresan al sistema principal de 
descarga. 
 
b. Reemplazo del Sistema Auxiliar: Implementación de Sistema de Fajas Transportadoras Automáticas 
 
La segunda mejora va orientada al sistema de descarga auxiliar, la cual plantea cambiar el sistema de descarga en 
puente por un sistema de faja que permitirá recibir un flujo constante de camiones que son derivados de la tolva de 
descarga principal, así mismo se logrará un ahorro de costos en el empleo de un cargador frontal y tres camiones de 30 
toneladas ya que la descarga será apilada sin necesidad de realizar un transporte adicional. 
 
Teniendo estas dos mejoras en el proceso de descarga de caliza en Planta el diagrama de flujo del sistema mejorado 
quedaría de la siguiente manera. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 5: Diagrama de flujo mejorado 
 
 8
 
Diagrama de Análisis del Proceso de Abastecimiento para el modelo propuesto 
El proceso propuesto de abastecimiento de caliza se presenta en el siguiente diagrama DAP: 
 
 
Fig. 6: Diagrama de Proceso Abastecimiento 
 
3.6 Diagrama de recorrido Propuesto 
 
 
 
Fig. 7: Diagrama de recorrido propuesto 
 
 9
 
3.7 Análisis de Resultados 
El análisis de los resultados del ingreso de cada lote a los procesos se obtuvo gracias a los módulos lógicos record 
que se pusieron en el modelo. 
 
 
Proceso Número de 
Camiones 
Tonelaje 
Abaste. Principal 86.6 8660 
Abaste. Auxiliar 15.4 1540 
Abaste. De Auxiliar a Principal 15.4 1540 
Tabla 4 : Análisis de resultados de cada proceso – mejora 
 
A continuación de muestran resultados obtenidos en el reporte de Arena: 
i. El tiempo promedio de espera encontrado en el modelo para el sistema de descarga principal es de 2.60 
minutos, así mismo el tiempo promedio de espera en la descarga auxiliar es de 2.6510 minutos 
ii. La longitud de cola encontrada en el modelo para el sistema de descarga principal es de 0.0302, así mismo la 
longitud de cola en la descarga auxiliar es de 0.0597 
iii. La utilización encontrada para los recursos del modelo se ha desarrollado con una corrida de 24 horas. Los 
recursos son el Alimentador Vibratorio de la Descarga Principal con un 20,56 %, Faja 7,38% y Tolva 
Auxiliar3.27%. 
 
Análisis de Costo, Se analizara el Consumo de Combustible del Cargador Frontal. 
 
 Cargador Frontal 
 Galones Diesel Costo S/. 
Consumo Hora 8.3 58.1 
Consumo Diario ( 10 horas) 66.4 581.00 
Consumo Mensual (300 horas) 1,992 17,430.00 
Consumo Anual (3600 horas) 23,904 209,160.00 
Tabla 5: Consumo de Combustible Cargador Frontal 
 
Conclusiones 
El modelo de Simulación, nos ha permitido determinar la eficiencia de los recursos, por lo tanto, nos permite elaborar 
diversas propuestas de mejora en función a las capacidades instaladas. 
Con la implementación de una tolva en la descarga adicional en el sistema de abastecimiento de caliza se mejoró el 
tiempo promedio de espera de los camiones de 100 Toneladas 15 minutos a 2 minutos. 
 
Debido a la sustitución del sistema auxiliar de abastecimiento de caliza por un nuevo sistema de faja transportadora, se 
logra una optimización del transporte de caliza hacia la pila de stock, gracias a la disminución de procesos y su 
utilización 24, 53% y 7, 38%. 
El Modelo de simulación permitirá evaluar diversas formas de optimización de Recursos en la planta industrial, que 
permita desarrollar un proceso de mejora continua. 
El Modelo propuesto, constituye una herramienta fundamental para la toma de decisiones gerenciales ya que permite 
analizar alternativas de optimización, disminuyendo los riesgos en las inversiones empresariales. 
 
 1
0
Referencias 
[1] CHASE, RICHARD, ALQUILANO, NICHOLAS Y JACOBS, ROBERT. Administración de producción y 
operaciones: Manufactura y servicios. Octava edición. Colombia: McGraw-Hill. 2000 
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2003. 
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[5]. CAMACHO RICARDO, ¿Qué es un proceso? – Definiciones y elementos. 2011. 
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Academic, 2007. 
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Prentice Hall Hispanoamericana, 1992. 
[8] KAMLESH MATHUR, DANIEL SOLOW. Investigación de Operaciones, El Arte de la Toma de Decisiones. 
Prentice Hall, México 1996. 
 [9] WINSTON, WAYNE L. Investigación de Operaciones. Grupo Editorial Thomson, 4ta edición 2005.