Appunti di Impianti Industriali

Appunti del corso di impianti industriali A.A. 2019/2020

Prof. M.M. Schiraldi

A cura di Edoardo Gabrielli

Sistemi produttivi

1.0 - 4.12 212/03

Introduzione

L’operations management è un'area della gestione interessata dal controllo del processo di produzione e dalla riprogettazione delle operazioni commerciali nella produzione di beni o servizi. Essa implica la responsabilità di garantire che le operazioni aziendali siano efficienti in termini di utilizzo delle risorse necessarie ed efficaci in termini di rispetto delle esigenze dei clienti. Inoltre, si occupa della gestione di un intero sistema di produzione che è il processo che converte input (sotto forma di materie prime, manodopera ed energia) in output (sotto forma di beni e/o servizi), come attività o consegna di un prodotto o servizio.

Essa si riferisce alla gestione del sistema di produzione:

• Sistema di produzione: il sistema che implementa la trasformazione input-output.
• Operations manager: il responsabile del processo di trasformazione.

Il sistema di produzione è spesso usato come sinonimo di sistema manifatturiero e sistema di assemblaggio. Altre nozioni utilizzate per descrivere diversi tipi e dimensioni dei sistemi di produzione sono linea, fabbrica, impianto e officina. Una raccolta di attrezzature integrate e risorse umane, la cui funzione è quella di eseguire una o più operazioni di elaborazione e/o assemblaggio su una materia prima, parte o insieme di parti di partenza.

Sottosistemi: processo di produzione, sottosistema logistico (trasporto, magazzinaggio, movimentazione dei materiali...), servizi e strutture ausiliarie (ad es. approvvigionamento idrico, impianto termico ed elettrico...).

I processi produttivi si distinguono in processi manufatturieri e continui o per processo. Nei primi abbiamo la capacità di vedere gli stati intermedi di lavorazione del prodotto in cui io posso regolare l’avanzamento dei lotti nelle varie fasi. Nella produzione del prodotto birra, la produzione della bottiglia è effettuata con un processo manufatturiero mentre la produzione della birra è di tipo continuo in cui non posso fermare o rallentare le varie fasi ma al massimo monitorare il processo.

Green field

Quando progetto a partire da zero sia in riferimento a un impianto che a un magazzino o un centro distributivo. Posso progettare liberamente senza vincoli.

Brown field

Quando ho già qualcosa e devo adattarlo o ampliarlo a nuovi flussi. In questi casi si hanno dunque molti vincoli sui cui progettare.

Industrializzazione del processo

Standardizzazione su grandi volumi. I grandi volumi forzano l’industrializzazione.

Produzione a lotti

Il lotto è un’unità di prodotto che viene trattata in un'unica soluzione. La produzione a lotti è sicuramente più limitata in capacità della produzione continua. Si parla di produzione continua in quanto il lotto è continuamente prodotto cioè è una produzione ininterrotta che non prevede stati intermedi di produzione un po' come dei processi chimici.

Servizio o prodotto

I primi sono spesso intangibili, nondurevoli e l'output non può essere inventariato. Vi è un elevato contatto con il cliente e i tempi di risposta sono brevi. Vi è un lavoro ad alta intensità. I secondi sono tangibili, resistenti, l'output può essere inventariato. Vi è un basso contatto con il cliente e tempi di risposta lunghi e un capitale ingente.

Flessibilità

La flessibilità del volume o elasticità è la capacità di adattare rapidamente e in modo economico (significativo) il livello di produzione sulla base della domanda senza mandare l’azienda in fallimento. La flessibilità del processo o statica è la capacità di alternare rapidamente e economicamente produzioni già realizzate in precedenza ossia passare da una produzione all'altra in una determinata struttura di produzione in un breve lasso di tempo.

La flessibilità del prodotto o dinamica è la capacità di aggiungere o sostituire economicamente nuovi prodotti al mix di prodotti in breve tempo. Il tempo che esprime la misura della flessibilità dinamica è il Time To Market ossia il tempo che passa da quando viene l’idea di lanciare il nuovo prodotto a quando il prodotto viene esposto sullo scaffale.

La flessibilità del mix è la capacità di un sistema di modificare (in modo significativo) la composizione del mix di prodotti e di riorganizzare i piani di produzione in breve tempo.

Gerarchia funzionale IEC62264 standard

È importante, per esempio, per organizzare un impianto di produzione sapere quali sono gli standard che regolano lo scambio di informazioni all'interno dell’impianto. Parliamo di standardizzazione per lo scambio di informazioni.

Qui vedete la sigla IEC EN ISO fatta dalla commissione elettrotecnica internazionale che con questo standard dice che se voi dovete gestire l'impianto di produzione sappiate che per noi le parti di un impianto queste sono e lo scambio di informazioni avviene a questi livelli.

A livello zero del processo produttivo reale corrisponde la macchina del packaging. Al livello uno troviamo i sensori, cioè una fotocellula che controlla e tiene conto dei dati del processo produttivo. A livello 2 vi è la macchina che non fa altro che raccogliere dati e un computer che va a raccogliere dati dalle macchine produttrici e li elabora e li restituisce ai sistemi di più alto livello come i MES. A questo livello ho degli oggetti che devono reagire velocemente al massimo ore.

A livello tre ho quello che lo IEC definisce Operation Management, cioè definisce quindi come realizzare la produzione, pianifica la programmazione della produzione e tutto ciò che riguarda la gestione del flusso di lavoro e delle ricette, cioè di tutto ciò che serve per assemblare un prodotto e per realizzare la produzione del prodotto finito desiderato e tutto quello che serve anche per ottimizzare il processo di produzione e controllare l'avanzamento e raccogliere i dati.

A livello quattro ho quello che lo IEC definisce Business Planning Logistics in cui abbiamo, per esempio, la pianificazione della gestione del piano di produzione, dell’uso dei materiali, le consegne e la gestione materiali e la determinazione dei livelli di magazzino. I sistemi che controllano queste attività hanno tempi di reazione nell'ordine di giorni, settimane e mesi. A livello tre abbiamo il Manufacturing Execution System (MES) cioè i sistemi che sostanzialmente controllano l'avanzamento di produzione e sanno esattamente cosa sta in produzione su qualsiasi macchina e come questi pezzi devono assorbire materiali e le ore di lavoro.

Attività a livello 4

• Determinare i livelli ottimali di inventario di materie prime, fonti energetiche, pezzi di ricambio e merci in lavorazione in ciascun punto di stoccaggio. Queste funzioni includono anche la pianificazione dei requisiti dei materiali (MRP) e l'approvvigionamento di parti di ricambio.
• Modificare il programma di produzione di base dell'impianto, se necessario, ogni volta che si verificano gravi interruzioni della produzione. Stabilire il programma base di produzione dell'impianto. Pianificazione della capacità produttiva.
• Sviluppare programmi ottimali di manutenzione preventiva e di rinnovo delle apparecchiature in coordinamento con il programma base di produzione dell'impianto.
• Raccolta e manutenzione delle materie prime e dell'utilizzo dei pezzi di ricambio e inventario disponibile e fornitura di dati per l'acquisto di materie prime e pezzi di ricambio.
• Raccogliere e mantenere il consumo complessivo di energia e l'inventario disponibile e fornire dati per l'acquisto di fonti energetiche.
• Raccolta e manutenzione di beni complessivi nei file di inventario di processo e produzione.
• Raccogliere e mantenere i file di controllo di qualità in relazione alle esigenze dei clienti.
• Raccolta e manutenzione di macchinari e attrezzature e file di cronologia della vita necessari per la pianificazione della manutenzione preventiva e predittiva.
• Raccogliere e mantenere i dati sull'utilizzo della manodopera per il personale e la contabilità.
• Modifica del programma di produzione di base dell'impianto per gli ordini ricevuti, in base ai cambiamenti di disponibilità delle risorse, alle fonti di energia disponibili, ai livelli di domanda di energia e ai requisiti di manutenzione.

Attività a livello 3

• Gestire le operazioni di produzione.
• Gestire la manutenzione delle attrezzature di produzione.
• Gestione di laboratorio e test di qualità dei materiali.
• Gestire i movimenti e lo stoccaggio dei materiali.
• Rendicontazione sulla produzione dell'area, compresi i costi di produzione variabili basati sul modello di costo standard aziendale.
• Raccolta e conservazione dei dati di area relativi a produzione, inventario, manodopera, materie prime, qualità del prodotto, pezzi di ricambio e consumo di energia.
• Esecuzione di raccolta dati e analisi off-line come richiesto dalle funzioni di ingegneria.
• Svolgere le funzioni di personale necessarie come: statistiche sul periodo di lavoro (ad esempio, tempo, compito), programma delle ferie, programma delle forze di lavoro, regole del lavoro sindacale, formazione interna e qualificazione del personale.
• Stabilire il programma di produzione dettagliato immediato per la propria area, compresi manutenzione, trasporto e altre esigenze legate alla produzione.
• Ottimizzando localmente i costi per la propria area di produzione mentre si completa il programma di produzione stabilito dalle funzioni di Livello 4.
• Modifica dei programmi di produzione per compensare le interruzioni della produzione che possono verificarsi nella sua area di responsabilità.

Definizioni d’impresa in IEC62264

Un'impresa è una raccolta di siti e aree e rappresenta il livello più alto di una gerarchia di apparecchiature basata sui ruoli. L'impresa è responsabile per determinare quali prodotti saranno fabbricati, in quali siti saranno fabbricati e in generale come saranno fabbricati. Le funzioni di livello 4 riguardano generalmente i livelli di impresa e di sito. Tuttavia, la pianificazione e la pianificazione dell'impresa possono coinvolgere aree, centri di lavoro o unità di lavoro all'interno di un'area.

Produzione - Definizioni del sito in IEC62264

Un sito è un raggruppamento fisico, geografico o logico determinato dall'azienda. Può contenere aree, linee di produzione, celle di processo e unità di produzione. Le funzioni di livello 4 in un sito sono coinvolte nella gestione e nell'ottimizzazione del sito locale. La pianificazione e la pianificazione del sito possono coinvolgere centri di lavoro o unità di lavoro all'interno delle aree. Una posizione geografica e le principali capacità produttive identificano di solito un sito. I siti hanno generalmente capacità produttive ben definite.

Produzione - Definizioni dell’area in IEC62264

Un'area è un raggruppamento fisico, geografico o logico determinato dal sito. Può contenere centri di lavoro come celle di processo, unità di produzione, linee di produzione e zone di stoccaggio. La maggior parte delle funzioni di livello 3 si verificano generalmente all'interno dell'area. La principale capacità produttiva e la posizione geografica all'interno di un sito di solito identificano le aree. Le aree hanno generalmente capacità e capacità produttive ben definite. Un'area è composta da elementi di livello inferiore che svolgono le funzioni di produzione. A seconda della strategia di pianificazione e pianificazione selezionata, le funzioni di livello 4 potrebbero arrestarsi a livello di area oppure pianificare le funzioni degli elementi di livello inferiore all'interno delle aree.

Centro di lavoro / Definizione unità in IEC62264

I centri di lavoro sono elementi della gerarchia delle attrezzature in un'area. Per la gestione delle operazioni di produzione vi sono termini specifici per centri di lavoro e unità di lavoro che si applicano alla produzione in lotti, alla produzione continua, alla produzione discreta o ripetitiva e allo stoccaggio e alla movimentazione di materiali e attrezzature.

Nastro e rullo

Dal punto di vista gestionale, se io metto un oggetto sul nastro, considerando la velocità del nastro e lo spazio dopo un certo tempo me lo trovo alla fine. Se io ho una rulliera a seconda di cosa ho deciso di motorizzare (io potrei avere una rulliera libera o parzialmente motorizzata) l'oggetto può muoversi o fermarsi.

A Fiumicino abbiamo il nastro in entrata che fa portare il kit al metal detector, nastro in uscita e poi la rulliera finale dove la roba staziona. La rulliera finale serve a bufferizzare e a tamponare la differenza di velocità che ci sono tra la macchina collo di bottiglia che in questo caso è il metal detector e la domanda che il flusso di gente che in maniera completamente variabile (perché c'è quello che ci mette tre ore e quello invece è velocissimo) va a prendersi oggetti dall'altro.

Quindi sostanzialmente la rulliera consente di disaccoppiare le dinamiche e per noi disaccoppiamento di una dinamica tra monte e valle è una cosa di una preziosità infinita perché su quel disaccoppiamento ci giochiamo le migliori strategie di ottimizzazione. Se ho rulliere disaccoppiate la macchina si ferma (certo dipende quant'è il ritmo di uscita dei pezzi e dipende quanto è lunga la rulliera) ma se ho fatto una rulliera lunga con una bella serpentina mi si ferma la macchina a valle e la macchina a monte può continuare a procedere perché accumula sulla rulliera che si gonfia e si sgonfia a seconda della velocità che scelgo andando a smaltire la coda e quindi non propagando le perdite di efficienza.

Questo è alla base per il calcolo delle perdite di efficienza. Ogni volta che trovo nastri devo moltiplicare le disponibilità per calcolare la disponibilità finale o l’efficienza delle prestazioni mentre quando trovate rulli non dovete moltiplicarli. Quello che per il meccanico è una differenza strutturale costruttiva per noi gestionali è una differenza enorme dal punto di vista della gestione del sistema.

Analisi costi volumi profitti

Questa è una struttura di costi con un esempio di economie di scala in cui c'è una intercetta, c'è una pendenza quindi descrive come un’unica retta costo fisso e costo variabile. Abbiamo il costo unitario che è l’iperbole che scende giù tratteggiata (è iperbole perché essendo un costo unitario significa che abbiamo il q cioè il volume al denominatore e quindi è una proporzionalità inversa).

L'economia di scala fa sì da flettere l'incremento dei costi col volume di produzione in maniera tale che questo sia non lineare ma una crescita meno che lineare ed è chiaro che questo oggetto qua non andrà mai a decrescere quindi va eventualmente a saturazione all'infinito però comunque flette e questa flessione del costo totale fa sì che l’iperbole del costo unitario trasli verso il basso diventando un’iperbole un pochettino schiacciata verso l'origine degli assi. L'effetto dell'economia di scala lo vedete perché così come si flette la struttura dei costi, la curva dei costi unitari è aspirata verso l'origine degli assi.

Molte volte accade che questa curva rossa oltre un certo livello di capacità risale ed è questo l'effetto delle diseconomie di scala, qualcosa che è molto difficile da vedere in pratica perché quando un'azienda sta nella zona di diseconomie di scala dopo due secondi si rende conto che c'è qualcosa che non va e modifica il suo piano perché stare in zona di diseconomie di scala significa non aver capito come va gestita l'azienda.

Diseconomia di scala significa dunque che io sto prendendo un sistema produttivo che ha una certa capacità produttiva installata e quindi c'è un certo target di capacità produttiva e lo sto spingendo su volumi che non sono quelli per cui l’impianto è stato realizzato, lo sto spingendo su volumi troppo alti allora in questo caso le diseconomie saltano fuori.

Quest’altro grafico fa vedere bene l’andamento dell’economie di scala nel caso specifico della produzione dell’acciaio. Ognuno dei punti rappresenta un caso cioè un’azienda e si vede che c’è un andamento decrescente che mi dice che all'aumentare dei volumi di produzione cala il costo per la capacità produttiva unitaria. In questo grafico vedete le curve di costo unitario detto anche costo medio e sono le curve di breve periodo ovvero io posso immaginare che inizialmente un'azienda che ha un certo settaggio di capacità produttiva viva lungo questa curva adesso ed è ovvio che su tale target il volume ideale è quello che corrisponde al costo minimo.

Quindi nel caso io mi trovassi su una configurazione di costo, qualora volessi decidere di cogliere le opportunità di mercato per vendere di più perché mi rendo conto di una domanda insoddisfatta probabilmente dovrei cambiare la configurazione produttiva quindi faccio degli investimenti e riorganizzo il sistema produttivo e logistico, e a questo punto mi porto su una nuova configurazione di costo e sfrutto le economie di scala.

Tornando alle ipotesi di linearità troviamo quest’altro grafico a cui aggiungiamo la retta dei ricavi e dunque il BEP e il Margine di Contribuzione.