Impianti Industriali

Impianti industriali

Laurea triennale in ingegneria gestionale

C. Scimeca, R. Scimeca

Università degli Studi di Palermo | Scuola Politecnica

Prefazione

Il presente testo costituisce una sintesi completa del corso di Impianti industriali, di G. Galante, ed è diviso in tre sezioni distinte: “Layout”, “Manutenzione” e “Rumore e insonorizzazione degli ambienti, Prevenzione incendi e Sicurezza sul lavoro”. Le fonti sono appunti presi a lezione, slide e altro materiale didattico fornito dal professore e, dove necessario, approfondimenti sul web.

La prima sezione della dispensa di Impianti Industriali affronta in maniera esaustiva il problema del layout degli stabilimenti industriali, a partire dalla sua definizione e necessità affinché un impianto operi in maniera efficace. Seguono le principali tecniche (schematiche, grafiche, informatiche, algoritmi euristici e di ottimizzazione, etc.) per la definizione del layout ottimale o sub-ottimale di un impianto industriale. La trattazione si occupa prima del layout di stabilimenti organizzati per reparti e successivamente di quello di impianti in linea.

La seconda sezione affronta il problema della manutenzione degli impianti industriali. Il primo capitolo riprende richiami di statistica dell'affidabilità necessari (funzione densità di guasto, affidabilità, tasso di guasto, etc.) e mostra alcune applicazioni ai casi più semplici di sistemi in serie, parallelo e stand-by. Il secondo capitolo espone tecniche affidabilistiche come la Fault tree analysis (albero dei guasti) ed Event tree analysis (albero degli eventi) per la determinazione delle caratteristiche affidabilistiche per sistemi più complessi. Il terzo capitolo tratta i sistemi riparabili, dalla definizione della disponibilità degli impianti fino ai processi markoviani. Infine il quarto capitolo spiega come effettivamente viene affrontato il problema della manutenzione, esponendo poi le diverse politiche manutentive (correttiva, preventiva, minimal repair, opportunistica, etc.).

La terza e ultima sezione è, come intuibile dal titolo, suddivisa in altre tre sotto-sezioni. Questa affronta dunque il problema della sicurezza negli impianti industriali, suddividendolo in tre parti. La prima parte tratta l'insonorizzazione dei locali di lavoro, partendo dalle nozioni fondamentali di acustica per poter meglio comprendere gli interventi volti a limitare l'inquinamento acustico negli stabilimenti industriali. Successivamente vengono spiegate tutte le principali misure utilizzate, tra cui cabine, cabinati, schermi acustici, controsoffitti, baffles.

La seconda parte si occupa della prevenzione incendi. In primis viene spiegato cos'è un incendio, come si forma, quali sono i suoi prodotti (specificando i danni che recano all'uomo e all'ambiente circostante) e i modi per spegnerlo. Il testo mostra come si classificano i materiali in base alla resistenza e reazione al fuoco. Successivamente vengono elencate le misure di prevenzione e protezione adottate all'interno degli impianti industriali, specificandone il contesto di utilizzo e il modo di agire (varie tipologie di estintori, idranti, impianti fissi, sistemi di allarme, etc.).

La terza parte parla della sicurezza sul lavoro in generale: quali sono i suoi principali attori e in che modo operano, le principali norme vigenti, come viene valutato il rischio sul lavoro, importanza della prevenzione e protezione di tutto il personale e dei beni aziendali.

Si augura una buona lettura,

I Dottori, Riccardo Scimeca – Claudio Cimeca

Università degli Studi di Palermo – Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Gestionale

Sintesi del corso di Impianti Industriali (del Professore G. Galante)

Capitolo 1

Il problema del layout fa parte di una delle mono-fasi della realizzazione di un prodotto (progettazione del prodotto, pianificazione lavorazioni e layout, controllo della produzione). Consiste nel determinare il numero delle risorse produttive necessarie per la realizzazione dei cicli di lavorazione e la loro sistemazione ottimale all’interno dell’officina. Il layout di uno stabilimento industriale è notevolmente influenzato dalla tipologia di produzione richiesta in termini di varietà, quantità e complessità dei prodotti.

La varietà è data dal numero di prodotti diversi da realizzare e dai modelli di ciascuna tipologia. La complessità di un prodotto può essere misurata dal numero di componenti che lo costituiscono. La complessità di un componente può essere a sua volta misurata dal numero di lavorazioni necessarie alla sua realizzazione. Se si suppone che tutti i componenti costituenti i prodotti siano realizzati in azienda, una misura globale del livello di attività produttiva n è data dalla seguente: , con Q quantità del prodotto j, n numero di componenti del prodotto j ed n numero di lavorazioni necessarie per il componente k del j-esimo prodotto.

È opportuno definire alcuni parametri che saranno utilizzati nel prosieguo per la progettazione di un sistema di lavorazione. Definiamo tempo di attraversamento TA il tempo di permanenza di un prodotto nel sistema, dato dalla differenza tra l’istante di uscita e quello di ingresso; esso è la somma dei tempi di lavorazione sulle macchine, dei tempi di attesa e dei tempi di trasporto. Tale tempo può non essere costante e allora si definisce un tempo medio.

Definiamo tempo di ciclo t_c l’intervallo di tempo tra l’uscita di due unità consecutive dal sistema (se non è costante si definisce un tempo di ciclo medio). Definiamo produttività p il numero di pezzi che escono dal sistema nell’unità di tempo (p = 1/t_c). Definiamo work in process WIP il numero di semilavorati presenti mediamente nel sistema in un generico istante. Definiamo carico di lavoro di una risorsa o workload WK il tempo necessario a svolgere tutte le attività assegnate alla stessa.

Lo studio del layout può riferirsi a modifiche di un layout o trasferimenti di impianti già esistenti o alla costruzione di un nuovo stabilimento. In figura vediamo le varie tipologie dei tre aspetti del processo produttivo che influenzano il layout: domanda, produzione, tecnologia di realizzazione del prodotto.

Le principali soluzioni impiantistiche sono:

• Produzione a punto fisso.
• Produzione per reparti.
• Produzione per prodotto.
• Produzione per gruppi.

Esse danno il nome al corrispondente tipo di layout. Nel layout a punto fisso il prodotto rimane fermo e ad esso confluiscono uomini e attrezzature, garantendo un movimento minimo dei materiali e una buona responsabilizzazione dei lavoratori; tuttavia si ha necessità di maestranze molto qualificate e il movimento e posizionamento delle macchine risulta lungo e costoso.

Nel layout per reparti o per processo (o job shop) tutte le lavorazioni di un certo tipo e il macchinario loro destinato sono riunite in un unico reparto. Risulta pratico per produzioni di modesta entità non standardizzate e consente una buona flessibilità di produzione. La lavorazione di ciascuna tipologia di prodotto è effettuata suddividendo la richiesta annua in lotti o batch, in modo da assicurare una produzione abbastanza uniforme delle diverse tipologie di prodotti (pertanto gestire la produzione non è semplice). Con questa tipologia si assistono ad alti valori del TA e del WIP, e una bassa utilizzazione delle macchine.

Il layout per prodotto è articolato secondo una struttura produttiva costituita da una successione di macchine utilizzate (a volte progettate) per realizzare una sequenza prefissata di lavorazioni, per ottenere prodotti in grande quantità e con varianti limitate. I principali vantaggi sono: alta utilizzazione delle risorse (macchine), tempo di produzione breve, basso WIP, semplice pianificazione e controllo della produzione. Naturalmente non si ha grande flessibilità, e inoltre la produzione risulta influenzata dalla macchina più lenta e dai guasti di una di esse.

Infine l’officina con un layout per gruppi è divisa in sezioni o gruppi di macchine diverse in modo che ogni gruppo lavori una famiglia di pezzi simili. La famiglia è caratterizzata dalla similitudine dei cicli di lavorazione. Ogni sezione con il suo gruppo di macchine prende il nome di cella di lavorazione. Questa tipologia risulta adatta per produzioni di piccola e media serie poiché permette di trasformare la produzione di numerose tipologie di pezzi, ciascuna con bassa numerosità, in quella di pochi gruppi di molti pezzi con caratteristiche simili.

Non è detto che all’interno della cella i singoli pezzi della famiglia seguano la stessa sequenza di visita delle macchine, così come non è detto che le lavorazioni dei pezzi di una famiglia possano essere effettuate per intero all’interno di una singola cella. Tuttavia lo scheduling è facilitato, si riduce il tempo di setup, il costo di trasporto, il WIP e il tempo di attraversamento rispetto al layout per reparti. In figura sono mostrate le aree di impiego delle tipologie di layout descritte in funzione del numero di tipologie di prodotti da realizzare e del volume di produzione. In basso vediamo gli schemi delle tipologie di layout sopradescritte.

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Layout per prodotto

Layout per reparto

Layout per gruppi

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Capitolo 2

Il problema del layout può essere affrontato mediante metodi differenti:

• Modelli schematici: il problema è descritto attraverso dei modelli grafici come diagrammi di flusso, diagrammi di sequenza delle operazioni, disegni, etc.
• Modelli logico-matematici: descrizione del problema per mezzo di relazioni logico-matematiche tra le variabili che lo definiscono; a loro volta tali modelli possono essere deterministici o probabilistici e statici o dinamici (le variabili variano nel tempo o meno).
• Modelli di simulazione: il problema è descritto attraverso un modello logico-informatico che riproduce il funzionamento del sistema reale.

Una seconda classificazione riguarda le tecniche di risoluzione utilizzate. Le tecniche schematiche tradizionali fanno uso di modelli schematici per la valutazione delle possibili alternative e sono adottabili in casi molto semplici o come primo approccio a problemi complessi. Le tecniche grafiche si prefiggono di ottimizzare il flusso di materiale tra i reparti usando strumenti di analisi grafica come diagrammi di flusso, diagrammi di sequenza, etc.

Abbiamo inoltre gli algoritmi di ottimizzazione e euristici che si basano sulla risoluzione di modelli logico-matematici: il modello è costituito da una funzione obiettivo da ottimizzare e da un insieme di vincoli da rispettare (presentano problematiche relative all’aderenza alla realtà). Vi sono anche tecniche basate sulla teoria dei grafi, che mirano alla risoluzione di modelli matematici basati sull’impiego dei grafi relazionali. Tali tecniche, anche se efficienti, forniscono soltanto indicazioni preliminari per la costruzione del layout a blocchi.

Una delle tecniche schematiche tradizionali chiamata metodo della sequenza richiesta, la cui principale ipotesi è che i centri di produzione si susseguono lungo una linea retta (il flusso della produzione deve seguire, nel passaggio da una macchina all’altra, una linea senza incroci), si basa sull’assegnazione della postazione alla macchina che la richiede.

Il costo del trasporto interno del materiale è un costo che non aggiunge valore al prodotto e pertanto minimizzare gli spostamenti dei pezzi in lavorazione è senz’altro un obiettivo da perseguire. Questo è l’obiettivo del metodo della tabella di trasferimento, che prova a raggiungere un layout in cui ogni reparto è adiacente a tutti quelli con cui scambia materiale.

Se in un reparto le macchine devono essere disposte in linea, in seguito a vincoli imposti dall’edificio che le ospita, allora si parla di reparti in linea; se inoltre queste producono prodotti di uguale volume di produzione, si assume che l’efficacia del layout sia misurata dalla distanza coperta dal materiale nei suoi spostamenti e che uno spostamento all’indietro comporti una penalità espressa da un coefficiente di maggiorazione pari a 2 (assumiamo inoltre che i reparti abbiano tutti la stessa area).

Allora l’obiettivo sarà minimizzare la somma dei momenti, intendendo per momento il prodotto del numero di trasferimenti da una macchina all’altra per la sua distanza dalla diagonale principale. Se supponiamo unicamente che i reparti abbiano la stessa area si parlerà di reparti non in linea, e la misura dell’efficienza del layout è espressa dalla funzione: con a numero di carichi/anno spostati dal reparto i al reparto j e b distanza tra i reparti i e j.

Vediamo un esempio relativo alla sistemazione di 9 reparti che devono lavorare 9 tipi di pezzi. In tabella vediamo i principali dati raccolti per il problema. Nell’ultima colonna della tabella più in alto sono riportati il numero di spostamenti/anno per ciascun prodotto, ottenuti moltiplicando i corrispondenti carichi/anno per gli spostamenti (numero di reparti visitati meno uno).

Sulla base dei dati delle due tabelle è possibile costruire la tabella di trasferimento che evidenzia il volume dei trasferimenti tra i vari reparti. Ad esempio il numero di carichi/anno trasferiti dal reparto a al b è dato dalla somma dei carichi/anno di quei prodotti che nel loro ciclo di lavorazione presentano la sequenza a-b.

Sulla base dei dati è possibile trovare soluzioni che migliorano l’efficienza del layout mettendo in posizione centrale un reparto che ha il maggior numero di scambi con altri, rendendo contigui i reparti a maggiore scambio. È opportuno inoltre far sì che il reparto ricezione (a) e quello imballaggio (i) siano disposti sui lati esterni del layout per consentire un facile accesso da parte degli autocarri e dei sollevatori provenienti dall’esterno.

Seguendo queste direttive proponiamo la soluzione in figura, con la quale otteniamo un valore della funzione di cui sopra pari a 2456. Otteniamo così un’efficienza pari a 2102/2456 = 0.858, ovvero del 85,8%. Potrebbero probabilmente trovarsi soluzioni ancora migliori ma in questo caso ci si accontenta di un’efficienza dell’85,8% e si ritiene tale soluzione definitiva.

Facendo sempre riferimento al layout per reparti, si propose un nuovo approccio per la definizione delle fasi in cui si articola lo studio del layout, chiamato Systematic layout planning:

• Fase 0: Dati. Raccolta ed analisi dei dati riguardanti prodotti, macchine, spazi disponibili, etc.
• Fase 1: Analisi dei flussi. Un’analisi quantitativa dei flussi tra i reparti può essere riassunta con l’impiego della tabella di trasferimento, nelle cui righe e colonne sono elencati i reparti ed in corrispondenza di ciascuna coppia di reparti è riportato il numero di carichi scambiati.
• Fase 2: Considerazioni qualitative. Alcune esigenze di vicinanza o di lontananza tra i reparti non sono immediatamente esprimibili numericamente, ma sono di tipo qualitativo. Un esempio è quello dei reparti di ricevimento merce e spedizione che si vorrebbero vicini. In questi casi è utile l’impiego della tabella di relazione, nella quale ad una lettera corrisponde una richiesta più o meno forte di vicinanza o lontananza.
• Fase 3: Grafo di relazione. Il grafo fornisce una prima sistemazione relativa dei reparti, supposti di area uguale. Può essere costruito manualmente, eventualmente con l’ausilio di un software grafico, evidenziando con linee di diverso tipo le diverse richieste di prossimità tra i reparti. L’obiettivo è quello di posizionare vicini i reparti che hanno maggiori richieste di prossimità. Per la sua costruzione s’inizia con i legami di tipo A e si procede con i livelli gerarchicamente inferiori, come vediamo in figura.
• Fase 4: Richieste di spazio. Per determinare l’area di ciascun reparto è necessario conoscere il numero di macchine e operai che contiene, la dimensione di eventuali magazzini operazionali e altri elementi di dettaglio; l’area del reparto si ottiene come somma delle aree dei vari centri di produzione che lo compongono: per ciascun centro bisogna considerare lo spazio occupato dalla macchina, armadi, spazio operativo e per la manutenzione. Il numero di macchine di tipo j può determinarsi con la seguente: 1 ∑ ∏ 1 60 8.
• Fase 5: Disponibilità di spazio. Nel caso di stabilimento preesistente, l’area disponibile costituisce un vincolo del problema, mentre se lo stabilimento è nuovo il progettista deve cercare di minimizzare gli spazi affinché la pianta dell’officina sia congruente con gli standard dei capannoni.
• Fase 6: Grafo di relazione tra le aree. Si disegna il grafo di relazione tra i reparti rappresentandoli con le loro effettive aree.
• Fase 7: Sviluppo di alternative.
• Fase 8: Valutazione e scelta. Bisognerebbe, per ogni alternativa, allegare dati di costo e attribuire punteggi ai vari aspetti di rilievo, per rendere le stesse più confrontabili e scegliere il layout definitivo.

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1 Q quantità di pezzi di tipo i richiesti nell’arco dell’anno e da lavorare sulla macchina di tipo j, t_ij tempo di lavorazione del pezzo di tipo i sulla macchina di tipo j in minuti, n_l,i numero di lotti di produzione per la realizzazione dei pezzi di tipo i, t_a,ij tempo di attrezzaggio della macchina di tipo j per la lavorazione del pezzo di tipo i in minuti, d_ij difettosità della lavorazione sul pezzo di tipo i, n_t numero di turni di lavoro, n_g numero di giorni lavorativi in un anno, A_j disponibilità della macchina relativa al periodo di potenziale operatività, coefficiente che considera la mancata utilizzabilità della risorsa per indisponibilità dell’operatore e per problemi di gestione della produzione.

I principali problemi del layout riguardano