Lezioni, Manutenzione dei sistemi di produzione M

Manutenzione dei sistemi di produzione M – 6 CFU

Alberto Regattieri

Prof. Appunti di Simone Benassi

Indice

• 1. Generalità sulla manutenzione dei sistemi di produzione ......................................... 1
• 2. Teoria dell’affidabilità (in ambito impiantistico) ....................................................... 4
• 2.1. Modelli affidabilistici per componenti non riparabili ........................................ 5
• Legame fra l’affidabilità R(t) e il rateo di guasto condizionato λ(t) .................. 8
• Profili del rateo di guasto condizionato λ(t) ....................................................... 9
• Mean Time To Failure – MTTF ......................................................................... 12
• Distribuzione di probabilità di Weibull .............................................................. 18
• Basi dati affidabilistiche ..................................................................................... 19
• DM – Direct Method .......................................................................................... 24
• IDM – Improved Direct Method ........................................................................ 25
• RM – Rank Method ............................................................................................ 27
• PLE – Product Limit Estimator .......................................................................... 29
• Analisi di fitting ................................................................................................. 32
• Metodo dei minimi quadrati (LSxy – Least Square) ..................................... 32
• Ricerca della “miglior esponenziale negativa” ............................................. 34
• Ricerca della “miglior Weibull” .................................................................... 36
• 2.2. Modelli affidabilistici per componenti riparabili ............................................... 39
• Mean Time To Repair – MTTR ......................................................................... 41
• Cicli di rottura – aggiustamento ......................................................................... 43
• Disponibilità di un componente riparabile ......................................................... 44
• 2.3. Schemi funzionali e schemi affidabilistici – Sistemi complessi ........................ 50
• Configurazione affidabilistica serie ................................................................... 51
• Configurazione affidabilistica parallelo ............................................................. 53
• Parallelo completamente ridondante ............................................................. 53
• Parallelo a logica maggioritaria k/n (o parallelo maggioritario) ................... 55
• Parallelo con riserva (stand-by) .................................................................... 56
• Efficienza del sistema ................................................................................... 58

Appunti dell’A.A. 2012/2013

Manutenzione dei sistemi di produzione M – Indice moduli – Simone Benassi   i  

• 2.4. Buffer interoperazionali ..................................................................................... 78
• 1) Tempo di copertura (T_COPERTURA) ................................................................ 79
• 2) Microfermate (µ_FERMATE) .............................................................................. 80
• 3. Mix di politiche di ottimizzazione manutentiva ......................................................... 83
• 3.1. Politica preventiva su base statistica .................................................................. 84
• Type I – Modello ad età costante ....................................................................... 85
• Type II – Modello a data costante ...................................................................... 90
• 3.2. Politica ispettiva elementare .............................................................................. 94
• 4. La gestione dei ricambi ................................................................................................. 105
• 4.1. Metodi di previsione del fabbisogno dei ricambi ............................................... 108
• Metodi generali .................................................................................................. 108
• Metodo di Poisson ............................................................................................. 109
• Metodo binomiale – Metodo revisionale a due termini ..................................... 112
• 4.2. Metodi di gestione del fabbisogno dei ricambi .................................................. 114
• Criterio del costo globale minimo ...................................................................... 114
• Shoring dei ricambi ............................................................................................ 118
• 4.3. La gestione operativa dei ricambi ...................................................................... 119
• 5. Il Sistema Informativo di Manutenzione – SIM ......................................................... 120
• 5.1. Data Collection .................................................................................................. 120
• 5.2. Analisi di gestione .............................................................................................. 124
• 5.3. Pianificazione degli interventi ........................................................................... 125
• 5.4. Gestione delle scorte e delle attrezzature ........................................................... 125
• 6. Total Productive Maintenance – TPM ........................................................................ 128
• 7. Il Global Service di Manutenzione – GSM ................................................................. 133
• Acronimi .......................................................................................................................... 137
• Definizioni ...................................................................................................................... 139

Appunti dell’A.A. 2012/2013

Manutenzione dei sistemi di produzione M – Indice moduli – Simone Benassi   ii  

1. Generalità sulla manutenzione dei sistemi di produzione

Il mercato odierno è caratterizzato da:

• Personalizzazione dei prodotti;
• Mix produttivo;
• Variabilità;
• Qualità;
• Time To Market (TTM);
• Prezzi di vendita;
• Costi.

Le risorse aziendali per fronteggiare le caratteristiche appena elencate sono:

• Sistemi di produzione flessibili ed elastici (utilizzo di FMS, FMM, …);
• Nuovi materiali;
• Forte modularità “under the skin”;
• Trasformazione del processo di produzione (per sfruttare meglio i fattori di produzione);
• Automazione (flessibile se sono richiesti tempi di set up estremamente ridotti o nulli);
• Integrazione (supportata dall’IT – Information Technology) VS progettazione produzione VS distinta base progettuale distinta base produttiva.

L’evoluzione odierna del mercato dipende da:

• Crisi;
• Crescita dell’attenzione dell’opinione pubblica sul concetto di sicurezza.

Produttività Sicurezza Qualità

Richiesta sempre più alta.

Richiesta dal punto di vista:

• Del prodotto;
• Del processo produttivo;
• Del rispetto dell’ambiente.

La produttività, la qualità e la sicurezza sono ottenute per mezzo di:

• Tecniche legate alla manutenzione;
• Metodi statistici per il controllo della qualità (SQC – Statistical Quality Control).

Manutenzione dei sistemi di produzione M – modulo 1 Generalità – Simone Benassi 1

Una generica attrezzatura di un impianto industriale (produttore di beni o servizi) ha un ciclo di vita caratterizzato da un’alternanza di periodi in cui può compiere correttamente la propria missione e periodi in cui la produzione è parzialmente o completamente compromessa da un guasto e risulta interrotta dalla successiva riparazione.

La manutenzione è la disciplina che si occupa del mantenimento del buono stato di salute dell’impianto. Ha principalmente due obiettivi:

1. Ridurre i tempi di fermo (Down Time – DT) che non possono essere eliminati del tutto: la probabilità di accadimento di un guasto è sempre presente;
2. Garantire la Q nominale (Up Time – UT), ossia garantire la produttività nominale/di progetto: molto spesso gli impianti sono costretti a lavorare a velocità ridotta.

N Q UP UT UT UT t₁ t₂ t₃ DOWN DT DT₁ DT₂

La manutenzione ricopre oggi un ruolo fondamentale: la maggior parte delle aziende investe pesantemente nell’aspetto manutentivo in quanto può essere una fonte di vantaggio competitivo nei confronti della concorrenza.

Al giorno d’oggi la manutenzione è trasversale a molte funzioni aziendali:

1. Progettazione (processi/prodotti);
2. Programmazione della produzione: il flusso dei materiali in produzione deve essere il più continuo e senza interruzioni;
3. Attività di pianificazione del lavoro / HR (Human Resource): risulta necessario selezionare le competenze (skills) di coloro che diventeranno manutentori dell’azienda;
4. Assicurazione e controllo della qualità: per la riduzione del problema della difettosità e degli scarti;
5. Approvvigionamento del materiale: l’approvvigionamento dei ricambi lo può effettuare l’ufficio acquisti o direttamente la manutenzione che conosce nel dettaglio il contesto ma non effettua trattative, mentre l’ufficio acquisti si comporta esattamente nella maniera opposta;
6. Pianificazione strategica: sono coinvolti la proprietà, l’amministratore delegato e il top management: sono prese le decisioni di medio lungo periodo che riguardano l’aspetto manutentivo (per esempio se un impianto deve essere venduto o dismesso a dicembre non ha senso effettuare un intervento di manutenzione pesante su di esso nel mese di agosto – Overhaul);

Manutenzione dei sistemi di produzione M – modulo 1 Generalità – Simone Benassi 2

7. Amministrazione (controllo di gestione): in quanto la manutenzione è un centro di costo;
8. CED (Centro Elaborazione Dati).

Esiste un livello ottimale della manutenzione?

Certo che sì.

€ Costo di mancanza di manutenzione. Costi totali. Spesa per la manutenzione.

Il classico trade-off rappresentato vale sempre, a meno di normative sulla sicurezza stringenti: in tali contesti i costi sono messi da parte e il livello della manutenzione è imposto dalla legge.

“Livello di manutenzione” Livello ottimo.

SP Beni e servizi

Processo di produzione

Input produzione. Richiesta di manutenzione.

Fattori della produzione. Manutenzione.

Processo di manutenzione o mantenimento.

Gli output del processo di produzione sono beni e servizi e una richiesta di manutenzione: quest’ultima deriva dalla rottura (failure) del SP (Sistema Produttivo) o dalla necessità di ridurre la probabilità di guasto e quindi mantenere i livelli di prestazione prefissati.

Processo di produzione e processo di manutenzione (o mantenimento) sono collegati tra loro, si “parlano”: infatti il processo di manutenzione è parallelo al processo di produzione.

Produzione e manutenzione si trovano spesso in conflitto fra loro in quanto l’ottica è completamente opposta: la produzione desidera che l’impianto sia sempre in funzione e quando gli viene chiesto di arrestarlo per effettuare interventi manutentivi non è d’accordo mentre.

Al contrario, i manutentori sono “contenti” quando possono lavorare sull’impianto.

In questo contesto i conflitti sono all’ordine del giorno.

Manutenzione dei sistemi di produzione M – modulo 1 Generalità – Simone Benassi 3

2. Teoria dell’affidabilità (in ambito impiantistico)

Scopo di questo capitolo è definire, misurare, gestire e controllare i principali parametri affidabilistici impiegati per modellare il comportamento al guasto di:

• Componenti: generica entità (attrezzatura, macchina, impianto) di cui si conosce il comportamento al guasto. Definito anche come qualsiasi livello di aggregazione di oggetti di cui si conosce il comportamento al guasto.
• Sistemi: insieme di componenti connessi fra loro per il soddisfacimento di una specifica necessità. Definito anche come insieme di componenti connessi fra loro il cui comportamento al guasto non è noto a priori ed è definito dal comportamento al guasto dei singoli componenti che lo costituiscono.

Si può riassumere che del sistema, al contrario del componente, non si conosce il comportamento al guasto: uno stesso oggetto può essere considerato sia un componente sia un sistema in funzione della conoscenza o meno del comportamento al guasto dello stesso oggetto dell’analisi.

Le parole chiave di questo capitolo saranno componente, sistema, guasto, rottura, aggiustamento e disponibilità.

Esistono due grandi famiglie di componenti:

1. Componenti riparabili: componenti che alla rottura possono essere riparati e quindi possono essere soggetti a più cicli di funzionamento – rottura – aggiustamento (ciclo f – r – a).

Q N UP UT UT UT t₁ t₂ t₃ DOWN DT DT₁ DT₂

Ciclo f – r – a

2. Componenti non riparabili: componenti che alla rottura non possono essere riparati e al più sono sostituiti con altri.

Q N UP UT t₁ DOWN

Guasto definitivo

Manutenzione dei sistemi di produzione M – modulo 2 Teoria dell’affidabilità – Simone Benassi 4

Un sistema costituito di più componenti non riparabili è necessariamente non riparabile mentre un sistema costituito da almeno un componente riparabile può essere trattato, per lo meno in linea teorica, come riparabile; inoltre quest’ultimo può anche essere gestito come non riparabile, qualora si abbia l’interesse di studiarne il comportamento al primo guasto.

Spesso un sistema complesso (impianto nucleare, raffineria) composto sia da componenti riparabili sia da componenti non riparabili è modellato, in prima analisi, come se fosse non riparabile, allo scopo di studiare quello che si definisce il comportamento al primo guasto o “rottura catastrofica” del sistema (esplosione dell’impianto).

È possibile distinguere differenti tipi di riparazione:

1. “As Good As New”: il componente dopo la riparazione è come nuovo (il componente è riportato all’istante 0);
2. “Minimal repair”: il componente dopo la riparazione è riportato alle condizioni prima del guasto (il componente è riportato all’istante t*);
3. “Imperfect repair”: il componente dopo la riparazione non è né nuovo né come prima del guasto (il componente è riportato in un istante compreso fra 0 e t*).

Q N UP UT UT₁ UT₂ DT t₁ DOWN t* 0 2 Fine riparazione 3

In azienda è fondamentale sviluppare la cultura manutentiva: molte organizzazioni si basano solo ed esclusivamente sulla propria esperienza per realizzare la manutenzione.

2.1. Modelli affidabilistici per componenti non riparabili

Il concetto di affidabilità è strettamente connesso a quello di funzionamento, ovvero quello di non funzionamento, e pertanto al processo di rottura di un generico componente o sistema: questo processo dipende da numerosissimi fattori, molti dei quali non controllabili.

Per questo motivo il tempo di rottura non è una grandezza deterministica, ma casuale.

La variabile fondamentale che esprime il tempo di rottura si chiama time to failure (tempo al guasto, tempo di rottura) ttf o t o τ (non è una grandezza deterministica, ma casuale).

C1 – Componente 1

Q N UP UT t₁ DOWN ttf 0 C1

Manutenzione dei sistemi di produzione M – modulo 2 Teoria dell’affidabilità – Simone Benassi 5

Come si misura il ttf?

Facciamo un semplice esempio per spiegarlo: il ttf relativo ai cuscinetti presenti nella turbina e il ttf relativo ai cuscinetti presenti nel dispositivo di movimento del carrello per l’atterraggio di un aereo possono essere definiti dalla stessa unità di misura?

Evidentemente no. Il ttf relativo ai cuscinetti della turbina ha come unità di misura un tempo [h], mentre il ttf relativo ai cuscinetti del carrello ha come unità di misura un numero di cicli [cicli].

La “duplice unità di misura” del ttf dipende dal tempo di utilizzo del componente/sistema: le turbine dei motori di un aereo sono sollecitate per un tempo notevolmente maggiore rispetto al carrello, che entra in funzione solo due volte per ogni volo.

A6-EWJ BOEING 777-200LR

Cuscinetti del carrello. Cuscinetti della turbina.

Il ttf è una v.a. con una distribuzione di probabilità chiamata f(t), rateo di guasto non condizionato, poiché è una misura puntuale della velocità con cui un generico componente si rompe in un istante di tempo t, quando è messo in funzione in t = 0 (esprime la probabilità istantanea di guasto al tempo t).

Il ttf può essere indicato dalla lettera greca τ.

T T ∫ f(x) dx = ∫ f(x) dx = P(ttf ≤ T) = F(T): probabilità che il guasto si manifesti prima di T.