Appunti di Impianti Industriali e gestione della produzione

Impianti industriali e gestione della produzione

Giacalone Alberto

AA 2020/2021

Politecnico di Milano

Prof. Pozzetti Alessandro

Indice

I sistemi produttivi ..................................................................................................................................... 4

Concetti introduttivi ..................................................................................................................... 5

Classificazione dei sistemi produttivi ..................................................................................................................... 5

L’evoluzione dei sistemi produttivi ........................................................................................................................ 6

La configurazione a reparti ..................................................................................................................... 7

Caratteristiche ..................................................................................................................................................... 7

Dimensionamento di un sistema a reparti .............................................................................................................. 8

La configurazione a celle .......................................................................................................................... 9

Caratteristiche ..................................................................................................................................................... 9

Group Technology ............................................................................................................................................. 10

La configurazione in linea ...................................................................................................................... 11

Caratteristiche delle linee di fabbricazione ......................................................................................................... 11

Caratteristiche delle linee di assemblaggio ......................................................................................................... 11

Bilanciamento di una linea .................................................................................................................................. 12

Valutazione della capacità produttiva per una linea monoprodotto ................................................................... 13

Valutazione della capacità produttiva per una linea multiprodotto ................................................................... 14

La configurazione a posti fissi ............................................................................................................... 15

Caratteristiche della configurazione a posti fissi ................................................................................................ 15

Calcolo del numero di postazioni di lavoro ......................................................................................................... 15

Gli impianti di processo ............................................................................................................................ 16

Caratteristiche degli impianti di processo ........................................................................................................... 16

Dimensionamento di un impianto a flusso continuo ............................................................................................ 16

Dimensionamento di un impianto a flusso discontinuo ........................................................................................ 16

Affidabilità, tasso di guasto e disponibilità ....................................................................................... 17

Affidabilità ......................................................................................................................................................... 17

Tasso di guasto .................................................................................................................................................. 17

Disponibilità ....................................................................................................................................................... 17

La valutazione delle prestazioni dei sistemi produttivi ................................................................... 18

Concetti introduttivi .......................................................................................................................................... 18

Produttività di un impianto ................................................................................................................................ 18

OEE – Overall Equipment Effectiveness .............................................................................................................. 19

Flessibilità .......................................................................................................................................................... 19

I costi dei sistemi produttivi ................................................................................................................... 20

Concetti generali ............................................................................................................................................... 20

Il costo delle scorte ........................................................................................................................................... 20

Il costo di setup .................................................................................................................................................. 20

Il costo di stockout ............................................................................................................................................ 20

La pianificazione dei progetti ................................................................................................................. 21

Concetti introduttivi .......................................................................................................................................... 21

Pianificazione e controllo con il diagramma di Gantt ......................................................................................... 21

Pianificazione e controllo con il PERT ................................................................................................................ 21

La gestione delle scorte .......................................................................................................................... 22

Obiettivo della gestione delle scorte .................................................................................................................. 22

Il modello EOQ-OP ............................................................................................................................................ 22

La pianificazione della produzione ....................................................................................................... 23

Articolazione in fasi ........................................................................................................................................... 23

1 - Pianificazione di lungo periodo ...................................................................................................................... 23

2 - Pianificazione aggregata ................................................................................................................................ 23

3 - Il piano principale di produzione: MPS (Master Production Schedule) ........................................................... 23

4 - La pianificazione dei fabbisogni di materiali ................................................................................................. 24

5 - La programmazione operativa (scheduling) .................................................................................................... 26

6 - Il controllo avanzamento della produzione ..................................................................................................... 26

Il MES – Manufacturing Execution System ........................................................................................... 27

Il ruolo del MES ................................................................................................................................................. 27

Le funzionalità del MES ...................................................................................................................................... 27

Prefazione

Questo documento è un’approssimazione del corso di Impianti Industriali e Gestione della Produzione tenuto dal prof. Alessandro Pozzetti agli alunni del terzo anno in Ingegneria dell’Automazione presso il Politecnico di Milano.

Tutti gli argomenti oggetto del corso sono qui presentati e coperti in modo minuzioso: le slide del corso infatti state integrate con gli approfondimenti del professore e con i vari libri consigliati.

Per qualsiasi dubbio, suggerimento o segnalazione per favore contattami via e-mail alberto.giacalone@hotmail.com.

Alberto.

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I sistemi produttivi

Concetti introduttivi

Il sistema produttivo può essere definito come l’insieme coordinato delle risorse, dei processi tecnologici, dei flussi fisici e delle procedure gestionali che concorrono alla realizzazione delle trasformazioni delle materie prime.

Un sistema produttivo può essere rappresentato attraverso diverse simbologie:

• Diagramma tecnologico – simbologia ASME: mette in evidenza le tecnologie e le movimentazioni.
• Flow-sheet: mette in evidenza la sequenza e la fisica delle attività.
• Layout: rappresenta la disposizione fisica delle risorse.

Per processo produttivo si intende la trasformazione di materiali in prodotti. Esso è definito per mezzo del ciclo tecnologico, che può essere costituito da fasi tecnologiche e fasi di assemblaggio.

Un prodotto è definito da un codice (tipicamente una stringa di caratteri alfanumerici) e dalla distinta base (rappresentazione gerarchica dei codici che costituiscono il prodotto).

Classificazione dei sistemi produttivi

In generale qualunque produzione industriale può essere collocata in questo spazio tridimensionale.

Modalità di realizzazione del prodotto: produzione di processo (senza assemblaggio: acciaio, cemento, ceramica, …) o produzione manifatturiera (anche detta per parti: pc, automobile, …).

Modalità di realizzazione del volume: continua (petrolio), intermittente o unitaria (navi).

Modalità di risposta della domanda: per il magazzino (realizzati in anticipo rispetto agli ordini) o su commessa (in presenza di eventuali personalizzazioni).

Modello di Wortmann: espansione dell’asse verticale modalità di risposta alla domanda. Un unità di tempo viene indicata con il termine lead time, che comprende anche tempi di attesa, movimentazione, etc.

Tra le diverse categorie cambia: 1. Il tempo di evasione dell’ordine (crescente). 2. La capacità di personalizzazione del prodotto (crescente). 3. Costi di mantenimento a scorta: mancato guadagno quando ho a scorta dei materiali (decrescente). 4. Rischio di obsolescenza ed invecchiamento delle scorte (decrescente).

Talvolta ci si può spostare tra categorie adiacenti. Si può anche ottimizzare questo modello in vari modi, ad esempio riducendo i lead time di ogni fase, sovrapponendo alcuni processi, attraverso il posizionamento ibrido (ad esempio adotto logica MTS, ma ho anche dei prodotti ATO in caso di clienti esigenti), oppure la personalizzazione al più tardi (realizzo un prodotto il più possibile modulare e lo personalizzo alla fine).

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L’evoluzione dei sistemi produttivi

Nella progettazione dei prodotti:

• Sistemi di progettazione computerizzata – ci si rende conto che la progettazione del prodotto deve prescindere dalla modalità di produzione industriale (per problemi di qualità, tempi morti, tempi di setup, etc) – design for manufacturing.
• Macchine di montaggio automatico – si ottimizzano i movimenti per essere fattibili da robot – design for assembly.
• Si rendono più accessibili le parti a più rischio di manutenzioni frequenti – design for maintanability.
• Eliminazione materiali a fine vita – design for disassembly.
• Adesso: progettazione per riciclabilità, riutilizzabilità, impiego di sostanze dannose, consumi di energia, etc.

Nella progettazione dei sistemi produttivi:

Ci si rende conto che va integrata la progettazione del sistema fisico, dell’organizzazione del lavoro e del sistema gestionale. Approfondisce poi tale aspetto in L3.2 minuto 20:00.

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La configurazione a reparti

Caratteristiche

Dentro ciascun reparto ci sono diverse risorse produttive (macchine e operatori) tra loro simili (ovvero che implementano una stessa tecnologia).

I prodotti simili (che visitano gli stessi reparti) vengono indicati con delle frecce colorate. Talvolta potrebbero esserci dei cicli tecnologici alternativi per lo stesso prodotto.

Il sistema di movimentazione adottato è spesso flessibile, cioè potrebbe potenzialmente andare da/verso qualsiasi punto.

Punti di forza:

• Elevata flessibilità: capacità del sistema di adattarsi (velocemente ed economicamente) a mutamenti delle esigenze esterne e/o delle condizioni interne dello stabilimento. Esistono tanti tipi di flessibilità:
  • Flessibilità di mix: posso produrre contemporaneamente prodotti diversi.
  • Flessibilità di volume: posso modificare le quantità relative.
  • Flessibilità di prodotto: posso introdurre prodotti nuovi.
  • Flessibilità di espansione: posso introdurre macchine nuove.
  • Flessibilità di ciclo tecnologico.
• Scarsa obsolescenza del sistema (conseguenza del primo punto): se una macchina è obsoleta posso semplicemente sostituirla.
• Scarso impatto dei guasti sulle prestazioni del sistema.

Punti di debolezza:

• Gestione della produzione complessa: problemi tipici sono il lancio in produzione, scelta dei cicli alternativi o attrezzaggio degli utensili, sequenziamento sulle singole macchine e coordinamento tra reparti.
• Possibile formazione di colli di bottiglia: ad esempio quando ho un mix produttivo molto variabile.
• Prestazioni produttive spesso non elevate (conseguenza del secondo punto): aumento e variabilità dei tempi di attraversamento. Causa anche una scarsa saturazione delle macchine.
• Difficoltà di valutazione della capacità produttiva di periodo (conseguenza del terzo punto).
• Gestione della qualità complessa: conseguenza dei cicli alternativi, infatti si tende a inserire un reparto di controllo qualità centralizzato alla fine del ciclo.
• Difficoltà di gestione dei flussi di materiali (solo nel caso di assembly shop).

Condizioni di applicabilità:

• Mix produttivo (anche in piccole quantità) da realizzare contemporaneamente.
• Mix produttivo variabile nel tempo.
• Frequente introduzione di nuovi prodotti o tecnologie.
• Necessità di personalizzazione del prodotto (caso particolare del punto precedente).

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Dimensionamento di un sistema a reparti

Il dimensionamento di sviluppa in due fasi:

1. Individuazione di un mix produttivo di riferimento (compito della direzione aziendale). Per ogni tipo del mix deve essere sviluppato un ciclo tecnologico (compito del tecnologo). Sono quindi noti i tipi macchina necessari e i tempi di esecuzione. Non sono noti il numero di macchine necessarie.
2. Somma dei tempi delle operazioni che devono essere effettuate su uno stesso tipo.

Notazione: pezzo j e macchina i.

Fabbisogno di ore produttive annue per ogni macchina i. ⋅ = � + TS ⋅ 60 ⋅ t

Tempo di lavorazione unitario TSU Tempo di setup ore/lotto q Domanda annua del pezzo NL Numeri di lotti annui Cs Coefficiente di resa (1-scarto)

Ore annue utilizzabili per la produzione per ogni macchina i.

H () = H (t) ⋅ ⋅ op ⋅ ue ⋅ pp

Ht(t) Ore lavorative annuali (dipende dai turni) Cue Coefficiente che tiene conto di fermate per eventi impreviste Cm Disponibilità della macchina (comprende Cpp Coefficiente che tiene conto dell’efficacia della guasti e manutenzione) Tfunz/(Tfunz+Trip) gestione Cope Coefficiente di efficienza manodopera (interferenza uomo-macchina)

Numero di macchine i necessarie per la produzione. = ()

Questo numero deve essere evidentemente arrotondato per eccesso, il che talvolta abbassa la saturazione delle macchine. Potrebbe quindi essere necessario diminuire la produzione, esternalizzare la produzione di alcuni prodotti, considerare cicli tecnologici alternativi, etc.

Numero di turni più conveniente effettuata mediante il calcolo del costo annuo corrispondente alla produzione su 1, 2 o 3 turni () () () () + + ⋅ ⋅ + ⋅

CL Costo totale annuo della manodopera CM Costo di una macchina CE Costo totale annuo di esercizio (elettricità) CS Costo di installazione di servizi di impianto INTZ Numero di macchine necessarie r,d Costi di ammortamento annui (delle macchine e dei servizi di impianto)

Note

• I valori possono essere espressi in valori assoluti o percentuali. Spesso sono più diffusi questi ultimi.
• Alcuni dati sono spesso stimati, analisi di sensitività (considerare la vita utile di un macchinario 5 o 7 anni cambia la valutazione?).

Analisi what-if: ved