Impianti Industriali Montanari - Appunti di tutte le lezioni svolte 2022

Impianti industriali

Classificazione degli impianti industriali

Gli impianti industriali sono opere variegate e complesse a seconda del loro campo di applicazione, con caratteristiche molto diverse tra di loro: è importante classificare gli impianti industriali poiché abbiamo così a disposizione una mappa contenente le varie tipologie, in modo da chiarire come possono essere inserite all'interno di uno "spazio" tridimensionale. Questi criteri non sono univoci, quindi possono differire a seconda della casistica di analisi, nonostante alcuni siano consolidati per prassi.

I criteri principali di classificazione sono rappresentati da un sistema di tre assi:

• Asse z: modalità di risposta alla domanda
• Asse y: volume di produzione
• Asse x: caratteristiche intrinseche del prodotto

Modalità di risposta alla domanda

Possono essere prodotti:

• A magazzino: il prodotto è già stato realizzato prima che venga manifestato l’ordine da parte del cliente. L’oggetto era stato già realizzato per il magazzino.
• Per commessa ripetitiva: è una gamma di prodotti che vengono realizzati a scaglioni nel tempo.
• Per commessa singola: si manifesta dopo l’emissione dell’ordine da parte di un committente; esiste un cliente e un oggetto unico, ci si impegna per realizzarlo una volta richiesto.

In ottica gestionale, in base alle attività, poniamo una differente classificazione:

• Make to Stock: viene realizzato e messo in magazzino. Produzione su previsioni a limitata complicanza con un basso valore specifico, quindi prodotti standard.
• Assemble to Order: realizzo il pezzo attraverso operazioni di assemblaggio solo se questo prodotto viene richiesto. Il prodotto non è pronto, prevede solitamente una personalizzazione in fase di assemblaggio finale.
• Make to Order: il tempo di attesa è maggiore, non vi sono prodotti a magazzino (mentre nell’assemble si) ma questi devono essere prodotti in fabbrica.
• Engineer to Order: non è pronto niente, né il componente da assemblare né il progetto. Solo al momento dell’ordine sono attivate le operazioni di progettazione e produzione.

Volume di produzione

Il volume di produzione può essere unitaria, a lotti o continua.

Caratteristiche intrinseche del prodotto

Possono essere per parti (per fabbricazione o per montaggio; per fabbricazione vede modifiche di un oggetto in termini di dimensioni, forma e stato superficiale) o per processo.

Volumi di produzione

I volumi di produzione si distinguono in:

• Unitaria: alta variabilità dei cicli tecnologici, quantità prefissate (unitario), macchine universali.
• A lotti: le macchine utilizzate sono flessibili e possono aumentare l’entità di variabilità del prodotto.
• Continua: i cicli tecnologici sono costanti, le macchine sono rigide, il flusso di produzione è costante.

Il lotto di tracciabilità è, all’interno di un singolo lotto, un codice univoco che identifica una quantità discreta di merce prodotta: è una definizione oraria di un prodotto realizzata in una determinata linea, in un determinato giorno, in un determinato impianto. Questo serve per tenere traccia del prodotto per risolvere eventuali criticità che si possono presentare quando il prodotto è già in distribuzione. Attraverso questa mole di informazioni si può risalire alla rintracciabilità, quindi dal consumatore al produttore.

I cicli tecnologici sono le sequenze di operazioni che si devono eseguire per realizzare il bene. Essendo molto diversi l’uno dall’altro, deve esservi buona flessibilità degli strumenti utilizzati. La macchina universale è una macchina che è in grado di realizzare una o più operazioni molto diverse tra di loro.

Nella produzione a lotti, devo produrre prodotti diversi sempre con lo stesso sistema di produzione; la dimensione del lotto segue delle logiche di ottimizzazione in quanto queste variazioni impiegano costi, risorse e soprattutto molto tempo in cui l’impianto è fermo. Le macchine sono solitamente mediamente flessibili: per la produzione continua, il prodotto è sempre lo stesso, le macchine sono estremamente rigide.

Caratteristiche intrinseche

Produzione per parti: le operazioni vanno a variare la forma, le dimensioni o lo stato superficiale di parti singole; il ciclo tipicamente non è obbligato, o meglio, alcune attività le devo svolgere con delle propedeuticità (vincoli tecnologici) ma ho comunque dei gradi di libertà. L’obiettivo è ottimizzare una certa funzione, tipicamente il costo: possono anche essere il servizio al cliente, le tempistiche, ecc.

Produzione per processo: i componenti originari non sono più distinguibili nel prodotto finito. Il ciclo tecnologico è obbligato e danno origine ad un prodotto in cui non è possibile individuare i semilavorati. È molto legato agli aspetti impiantistici.

In funzione della tecnologia impiegata si individuano diversi processi produttivi. Ai margini abbiamo il ciclo obbligato e il ciclo non obbligato. Il primo lo distinguiamo in un funzionamento continuo oppure intermittente. Il secondo lo distinguiamo in fabbricazione (linee di produzione, celle di produzione, reparti di produzione) e montaggio (linee di montaggio, cellule di montaggio, a posto fisso).

Processi a ciclo tecnologico obbligato

L’approccio che utilizzeremo sarà focalizzato non sulla tecnologia implementata in una realtà produttiva ma più in generale, applicabile in qualsiasi contesto operativo. Vediamo dunque il processo come una black-box in cui, nel merito, entra la figura del tecnologo che ricerca il massimo dell’efficienza: ci focalizziamo invece sul processo a se stante, ossia la trasformazione di materie prime in un solo prodotto principale, un prodotto finito. La grandezza fondamentale che consideriamo sono i volumi produttivi: ciò che avviene all’interno di questa box sono trasformazioni chimico fisiche che non consentono distinguibilità delle materie prime una volta che il prodotto è finito.

Il ciclo tecnologico a processo obbligato può essere svolto mediante due "modalità":

• Accostando macchine di potenzialità determinata: andrà fatto il bilanciamento (fare in modo che i vari attori lavorino il più possibile sincronizzati, riuscendo a lavorare la stessa quantità di prodotto senza avere dei punti troppo sollecitati).
• Accostando macchine appositamente dimensionate: il costo è maggiore sin da subito ma sono progettate appositamente per le esigenze.

q = rappresenta la produttività per la quale l’impianto viene concepito [unit/h] [kg/gg]

In altre parole: quanto volume, in chili o in unità, riesce a lavorare l’impianto in un arco di tempo.

Volume in unità di tempo = produttività è caratteristica di quella specifica macchina.

Q = rappresenta la quantità di prodotto richiesta complessivamente dal mercato [kg/anno]

Non dipende dalla macchina: dipende dalla domanda; è un dato esterno che serve per programmare la produzione in base alla produttività di ciascuna linea. q è invece la produttività richiesta dal mercato.

N = intervallo di tempo disponibile per effettuare la produzione [ore/anno]

In giallo è la curva di funzionamento: la quantità di targa è la quantità nominale (o produttività di targa) per la quale è stato progettato l’impianto e ha la caratteristica di avere il massimo rendimento. Discostandosi dal punto nominale, sarà maggiore la “spesa”, quindi una diminuzione del rendimento. L’interruzione della curva significa che non posso più produrre con quei parametri: la produzione diventa intermittente in questo “spazio” in cui non è descritta la curva.

Ogni impianto quindi ha un valore idealizzato: è la produttività nominale, in cui ha il massimo dell’efficienza. Vi è una sorta di flessibilità rispetto al valore ideale ma entro un determinato range che chiameremo Δq .

q = flusso minimo di impiego, al di sotto non funziona in modo continuo (ma intermittente)

q = flusso massimo

La condizione ottimale è quando q = q ossia produco quello che devo produrre al costo minimo raggiungibile = massima economia.

Scenario quando q ≤ q ≤ q

Quando il mercato mi chiede un volume maggiore di prodotto: devo verificare di quanto si abbassa il rendimento in funzione dell’incremento richiesto di produttività. I due scenari che si presentano sono:

• Non soddisfo la richiesta e mantengo q=q quindi vendo di meno (di quello che il mercato mi chiede) ma ci guadagno di più (se avessi prodotto quanto mi chiede il mercato).
• Soddisfo la richiesta, quindi q>q ma con una diminuzione del rendimento.

Scenario quando q ≤ q ≤ q

Quando il mercato mi chiede un volume minore di prodotto: potrei pensare di produrre sempre a valore nominale ma si vengono a generare scorte.

• Produco in modo continuo con q<q quindi aumento i costi di produzione (cala il rendimento) ma non ho costi di gestione scorte.
• Produco in modo intermittente con q=q però nascono dei costi sorgenti: i magazzini per la conservazione delle scorte e i costi di avviamento dell’impianto (poiché produco a regime ma quando soddisfo la richiesta mi fermo e riprendo successivamente).

Scenario quando q ≤ q

Quando la produttività va al di sotto della produttività limite. La soluzione è nella produzione intermittente:

• Produco in modo intermittente con q=q però nascono dei costi sorgenti: i magazzini per la conservazione delle scorte e i costi di avviamento dell’impianto (poiché produco a regime ma quando soddisfo la richiesta mi fermo e riprendo successivamente).
• L’alternativa è la possibilità di lanciare un prodotto alternativo quando l’impianto non è in funzione.

Lezione 3 - 08/03/2021

Nel periodo in cui l’impianto è fermo, ci si interroga se è conveniente introdurre sul mercato un nuovo prodotto da dover essere realizzato su quella linea. Andiamo ad analizzare ora questo contesto del prodotto alternativo.

Il prodotto alternativo è un prodotto che può essere alternato alla produzione principale. Questo si introduce quando si ha l’impianto principale fermo: per sfruttarlo e non lasciarlo inerte, si introducono dei prodotti solitamente meno convenienti del prodotto principale poiché altrimenti diverrebbe questo il prodotto principale.

Come anticipato, lo scopo è quello di contribuire alla copertura dei costi fissi di un impianto che comunque si sosterrebbero anche mantenendo fermo per il periodo di tempo considerato. Il prodotto secondario, se oltre a coprire i costi fissi, riesce a dare profitti, è sicuramente conveniente introdurlo. Il problema è quello di quantificare e qualificare il prodotto alternativo da introdurre.

A: prodotto principale

B: prodotto secondario

N: anno

Sulle ascisse poniamo il tempo suddiviso in periodi temporali: evidenziati sono i periodi in cui viene prodotto il prodotto principale (A). Se il mercato dovesse subire una contrazione, potrebbero esserci dei periodi importanti in cui si può introdurre il prodotto secondario (B). Ha senso inserire B solo se copre i costi e rimane un qualcosa in termini di profitto.

Vi sono degli intervalli di tempo in cui l’impianto non viene comunque utilizzato: questo perché servono dei fermi impianto legati all’avviamento di produzione (critico, potrei produrre impianti fallati perché produzione non è a regime), ai cambi di produzione (attrezzaggio impianti). A questo punto la convenienza di B non è scontata: converrà introdurlo se i costi fissi per produrre B sono bassi e i tempi di fermata A-A sono alti.

La domanda è quella di individuare la quantità critica di produzione, ossia la quantità limite di prodotto principale richiesta dal mercato tale da rendere indifferente dal punto di vista economico la produzione di un prodotto alternativo nei tempi di fermata dell’impianto. Il miglior impianto è quello che ha quantità critica migliore.

Supponiamo di avere due impianti di produzione (1) e (2): il primo ha una quantità critica di produzione pari a 10 t/gg mentre il secondo a 20 t/gg. A seconda della richiesta del mercato si vede che l’impianto 2 è in grado di produrre sia A sia B cosa che l’impianto 1 non è in grado di fare. L’impianto 1 è meno performante: non riesce a rispondere con entrambi i prodotti a fronte di una piccola contrazione di mercato. L’impianto 2 è in grado di rispondere con due prodotti per una larga fetta di mercato.

La quantità critica è espressa in termini di prodotto principale: la conseguenza è quella di introdurre un prodotto secondario. La quantità critica di produzione è quella quantità richiesta dal mercato: da quel momento in poi risulta essere indifferente introdurre un prodotto limite o meno. In altre parole, nello spazio di tempo a disposizione, che io lo introduca o meno, è indifferente: se la contrazione del mercato è sempre maggiore, allora sarà maggiore il tempo a disposizione per produrre il prodotto secondario.

VARIABILI DI POTENZIALITÀ:

• q_min: potenzialità giornaliera di pieno impiego dell’impianto, costante per i due prodotti
• q_mA: quantità richiesta giornalmente dal mercato per il prodotto A (q_mA < q_min intermittente)
• q_mB: quantità richiesta giornalmente dal mercato per il prodotto B (q_mB < q_min intermittente)

Se non fosse intermittente sarebbe più conveniente produrre in modo continuo il prodotto A. Ci poniamo in una ipotesi di lavorazione intermittente.

VARIABLE TEMPORALI:

• N: periodo all’interno del quale avviene la produzione

All’interno di N individuo tre altri intervalli:

• n_A: numero dei giorni in cui si produce il prodotto principale
• n_B: numero dei giorni per la produzione del prodotto secondario
• n_C: numero di giorni necessari per il cambio di produzione da A a B

VARIABLE ECONOMICHE:

• p_A: prezzo di vendita del prodotto A
• c_A: costo variabile unitario di produzione del prodotto A in condizione q_min
• p_B: prezzo di vendita del prodotto B
• c_B: costo variabile unitario di produzione del prodotto B in condizione q_min

COSTI GENERALI:

• t: tasso di valorizzazione del magazzino (ossia quanto mi costa utilizzarlo)
• CF_P: costi fissi dell’impianto
• CF_CP: costi fissi cambio di produzione
• C_MA: costo di immagazzinamento per il prodotto A
• C_MB: costo di immagazzinamento per il prodotto B

Se non fosse vera la disuguaglianza modifico gli indici (ossia il prodotto secondario diventa principale). A è marginalmente più conveniente di B se:

Le giacenze accumulate a magazzino ho (q_min - q_mA)*n_A dove in parentesi ho quello che produco ogni giorno meno quanto il mercato mi chiede ogni giorno. Questa differenza posso chiamarla sovrapproduzione giornaliera, ovvero mi dice quanto ogni giorno produco in più rispetto a quello che mi chiede il mercato.

Le giacenze di A richieste a magazzino sono (N-n_A)*q_mA ossia per i giorni in cui non produco il magazzino deve essere in grado di alimentare il mercato, quando l’impianto è fermo.

Vorrò che il mercato sia sempre alimentato quindi dovrò fare in modo che la quantità accumulata deve essere uguale alla richiesta del mercato mentre l’impianto è fermo. Questo ragionamento non lo riesco ad applicare sul prodotto secondario.

Andando ora a graficare l’andamento delle giacenze a magazzino, vediamo un andamento discontinuo: all’istante zero il magazzino è vuoto, per poi avere massima giacenza dopo n_A per poi tornare vuoto alla fine dell’intero periodo N.

Vedi su quaderno conclusione della lezione: livelli di magazzino, costi di immagazzinamento, utile lordo.

Lezione 4 - 15/03/2021

Esercitazione - vedi quaderno ed slide di esercitazione

Lezione 5 - 16/03/2021

Processi a ciclo tecnologico non obbligato

Il ciclo tecnologico non obbligato si verifica tutte le volte in cui il ciclo tecnologico non ammette una unica variante per poter essere realizzato dal punto di vista organizzativo, bensì può ammettere numerose varianti organizzative, guidate da diversi fattori esogeni (minimizzare il fattore costo, qualità, servizi al cliente, volumi da realizzare, layout eccetera).

Avendo la possibilità di modificare le fasi del processo operativo, queste vengono scambiate per poter ottimizzare uno o più indici di performance. Tipicamente, possiamo variare le fasi e per poterlo fare abbiamo macchinari che possono svolgere altri cicli tecnologici (possono anche realizzare altri prodotti): questo quando viene richiesta una determinata flessibilità, fattore insito nella differenziazione dell’azienda o dei prodotti.

Lo scopo è quello di ottimizzare una funzione obiettivo: per conseguirlo, dobbiamo gestire molteplici gradi di libertà, ovvero capire gli effetti delle loro variazioni e cercare di trovare la configurazione migliore.

Andiamo a distinguere due grandi categorie:

• Processi di montaggio