Appunti di Progettazione e gestione degli impianti nell'impresa alimentare

Scienze e tecnologie alimentari - UniMi

Appunti di lezioni di: progettazione e gestione degli impianti nell'impresa alimentare

Elementi di economia tecnico-gestionale

Impianti: Complesso di mezzi fisici e risorse umane che deve operare trasformazioni su materiale in ingresso (input) al fine di avere un prodotto in uscita (output) di valore superiore.

Obiettivo

- Aumentare il valore degli output rispetto agli input attraverso un processo tecnologico (presenza di componenti tecniche, anche solo per servizi come la logistica).

- L'incremento di valore deve essere maggiore del costo complessivo dell'operazione di trasformazione da input ad output effettuata con l'impianto.

Fattori produttivi

Tutto ciò che entra nel processo (uomini, macchine, energia, tecnologia, capitali ecc.). È ciò che rende possibile la trasformazione degli input in output. Le 4 'M' (in inglese): "uomo, machine, materiali, denaro". Approccio bottom-up, quindi tutti gli elementi che portano alla realizzazione di un impianto. L'impianto è una sintesi delle 4M. L'impianto è il luogo dove avviene tutto questo.

Categorie di impianti

Impianti produttivi: impianti in cui si ha la reale trasformazione di materie prime in prodotto finito.

Impianti per la produzione di servizi: non vi è la trasformazione del prodotto, ma permettono di portare il prodotto dalla produzione al consumatore (es. Logistica, impianti di conservazione, refrigerazione ecc.).

Classificazione degli impianti

• Natura delle trasformazioni: meccanici, agroalimentari..
• Dimensioni: produttività, dipendenti, fatturato.. dipende fortemente dal settore.
• Tipologia di processo
• Natura del capitale: relazione tra capitale e lavoro (%); impianti ad alta intensità di capitale ed impianti con prevalenza di lavoro umano. Si parla di composizione organica del capitale: capitale fisso/capitale variabile.
• Continuità di funzionamento (modalità di utilizzo):
• Ciclo continuo: impianti organizzati per lavorare con cicli continui (es. impianti automatizzati, produzione di latte, settore molitorio).
• Cicli discontinui (batch): impianti organizzati per produrre a step (es. vinificazione, produzione birra, impianti di conservazione, refrigerazione ecc.). La discontinuità non è da intendersi in senso temporale ma legata ai cicli di lavorazione (lotti).

Gli impianti di servizio

Il funzionamento degli impianti tecnologici richiede una serie di sistemi di supporto necessari per la corretta prestazione: gli impianti di servizio.

Gli obiettivi di questi impianti sono

• Mantenere le condizioni ambientali idonee per la produzione, la conservazione di materie prime/prodotti finiti e per gli operatori.
• Fornire energia elettrica e termica.
• Realizzare condizioni di igiene e di sicurezza.
• Caricare o scaricare materiali solidi o sfusi necessari per la produzione.

Classificazione degli impianti di servizio

• Entità servita (produzione, operatori...)
• Tipologia di servizio: alimentazione (centrifugo) – es. energia elettrica, vapore all'utenza... scarico (centripeto) – es. acque reflue, vapore condensato che torna all'impianto di servizio...
• Funzione (condizionamento ambientale, produzione e distribuzione energia, impianti di trasporto).

La realizzazione dell'impianto

1. Studio di fattibilità
2. Progettazione completa
3. Realizzazione del progetto

Dopo tutti questi studi, daremo gli input, gli elementi di scelta alla base sullo studio di fattibilità.

La funzione di produzione

Si tratta di combinare i diversi "fattori di produzione" che intervengono in un processo produttivo. Questa funzione ha più che altro scopo di definire una correlazione tra i diversi parametri del processo produttivo. In alcuni casi sono state definite delle correlazioni specifiche che hanno portato a definire vincoli e grandezze descrittive del processo produttivo arrivando alla cosiddetta programmazione lineare.

L'impresa può variare i fattori di produzione (o meglio la loro intensità) per massimizzare il proprio obiettivo economico. La variazione produce, però, un effetto specifico noto come legge dei rendimenti decrescenti: Se si aumenta la quantità di un fattore di produzione nel processo produttivo, la prima quantità aggiunta di tale fattore dà luogo ad un incremento di un prodotto maggiore delle successive.

Può essere definita anche in termini di produttività marginale di un fattore produttivo; in questo caso definita produttività marginale come: Si può dire che la produttività marginale di un fattore produttivo è un incremento di produzione che si ottiene dall’impiego di una unità di quel fattore, mantenendo costante la quantità di tutti gli altri. La produttività marginale è via via decrescente.

I fattori di produzione: fissi e variabili

L'analisi dei fattori di produzione evidenzia due principali tipologie: fattori di produzione il cui costo è indipendente dal livello produttivo (CF), fattori di produzione i cui costi dipendono dal livello produttivo (CV).

I costi fissi

Costi indipendenti dal livello di produzione (investimenti, impianti, quote fisse ecc.); Personale (?) perché si hanno dei lavori stagionali. La teoria dell'ammortamento.

I costi variabili

Energia (?) perché si ha una quota legata al consumo.

I costi semivariabili

Il diagramma di redditività è una rappresentazione grafica nel piano cartesiano delle curve relative ai costi fissi, variabili e totali nonché la curva relativa ai ricavi con lo scopo di determinare visivamente, oltre che algebricamente, le seguenti grandezze:

1. Quantità di equilibrio, ovvero la quantità da produrre e vendere per non avere né utili né perdite;
2. Quantità di guadagno, ovvero determinare quanto bisogna produrre e vendere per conseguire un determinato guadagno;
3. Prezzo di vendita, ovvero determinare a quanto dobbiamo vendere i nostri prodotti per raggiungere il punto di equilibrio o superarlo di un valore definito da noi a priori.
4. Valutare le variazioni che subiscono le diverse grandezze al variare di una di queste e in particolare al variare della quantità prodotta e venduta.

La scelta impiantistica - Composizione organica del capitale (COC = CF/CV)

CF >>> Costi indipendenti dal livello di produzione (investimenti, impianti, quote fisse ecc.); CV >>> Costi dipendenti dal livello di produzione (materie prime, quote variabili ecc.);

La composizione organica del capitale è un indicatore del livello di organizzazione dei fattori produttivi ed è espresso come: COC = CF / CV. COC elevato indica alti investimenti in tecnologia ed elevata automazione [↑CF ↓CV]; COC basso indica bassi investimenti in tecnologia ed elevata manodopera [↓CF ↑CV].

Il mercato, è lo stesso di riferimento nonostante i costi siano differenti. Prima del BEP 2, le soluzioni impiantistiche non sono adeguate perché non si ha un U<0. Tra BEP 1 e BEP2, l’U2>0.

La scelta economica come parametro di progetto

Il diagramma di redditività rappresenta un utile strumento progettuale. La lettura del livello produttivo in termini di:

1. Punto di Pareggio (BEP): che deve essere superato
2. Livello ottimo di produzione: che deve essere massimo

Permette di identificare le quantità di produzione alla base del dimensionamento tecnico. Il Business Plan che ne deriva costituisce la coniugazione tra la valutazione economica e la valutazione tecnica ed è garanzia della sostenibilità economica dell’impianto.

Margine di contribuzione

Il margine di contribuzione (MC) è ciò che rimane dal ricavo dopo aver pagato i costi variabili MC = R - CV. U = R – CT = R – CF – CV ma R-CV è il MC, quindi MC = U + CF. Il MC è correlato all’Utile di una produzione a parità di CF. È un indicatore di redditività che permette di valutare l’andamento dell’Utile. Nella pratica si calcola con R-CV.

Calcolo del BEP

MC è un indicatore di redditività: se confronto due produzioni con il medesimo livello produttivo, la più conveniente sarà quella con MC maggiore. Se cambiano le quantità ma non il CF, allora si deve utilizzare il MC per valutare la convenienza. Dalla definizione di MC, ricordando il BEP si può dire che: Considerando due casi "a" e "b", a parità di CF, se MCa > MCb allora BEPa < BEPb. Quale conviene? Dipende dalla forma di capitale e dalla necessità di rientrare dall’esposizione con il sistema creditizio.

La redditività di un investimento per le attrezzature: la vita utile

La stima della vita utile e della vita residua sono argomenti che interessano sistemi meccanici di diverso tipo ed appartenenti a diversi settori di applicazione. I motivi di degrado del materiale durante il funzionamento sono essenzialmente di tipo metallurgico, meccanico e chimico e dipendono dal tipo di esercizio e dall’ambiente in cui opera l’impianto e/o il componente.

Due indicatori per valutare gli investimenti per impianti

• Pay Back semplice (PB)
• Return of Investment (ROI)

Il tempo di recupero - payback period (PB)

Fra quanto tempo recupererò l’investimento fatto? Indicatore che fornisce il tempo necessario per recuperare il costo di investimento in funzione dei benefici che l’investimento genera. Unità di misura: il tempo (solitamente anni).

Il ritorno dell’investimento (ROI)

Indicatore che fornisce la percentuale di rendimento annua di un investimento, in funzione del beneficio che permette di ottenere e del deprezzamento dell’investimento. Unità di misura: adimensionale, si esprime in percentuale.

Elementi di economia tecnico-gestionale II

Continuità di funzionamento di un impianto

Un aspetto importante, nell’ambito gestionale ma anche progettuale, sono i cosiddetti costi dell’inefficienza intesi come guasti che bloccano il funzionamento dell’impianto. Questo porta da una parte ad incrementare il costo della singola unità, dall’altra a ridurre il ricavo. Nel settore alimentare questo è particolarmente importante vista (spesso) la stagionalità dei processi che, se dovessero coincidere con il guasto di un impianto, potrebbero avere delle ripercussioni significative sulle prestazioni economiche dell’intera annata.

Affidabilità di un impianto

Vi è pertanto la necessità di grandezze di riferimento per definire la continuità con cui un impianto può garantire la produttività dichiarata:

Affidabilità (R, Reliability): probabilità (%) che una macchina (o impianto) funzioni correttamente senza guasti in un determinato intervallo di tempo, in determinate condizioni ambientali. Risulta quindi essere una grandezza di tipo probabilistico (% di funzionamento) considerando però uno specifico intervallo temporale (solitamente ore di funzionamento) e determinate condizioni ambientali (riportate nelle IFU – Istruzioni per l’Uso).

I momenti della macchina

1. Periodo iniziale di mortalità infantile in cui la macchina è in fase di rodaggio, tempo durante il quale la macchina inizia ad operare ed eventualmente i pezzi difettosi manifestano segni di cedimento (ZONA 1).
2. Periodo di vita utile in cui la macchina lavora, i suoi componenti sono assestati e gli operatori sono preparati ed esperti per l’uso, in questo stadio il tasso di guasto è costante e minimo (ZONA 2).
3. Fase di usura (ZONA 3) quando la macchina manifesta fenomeni di usura che deriva dall’utilizzo, in questa fase il tasso di guasto cresce fino a quando la macchina si rompe definitivamente e diventa inutilizzabile.

Ai fini dell’affidabilità la zona più importante e di maggiore interesse è la ZONA 2 che è quella riferibile al periodo di vita utile.

I guasti

L’analisi dei guasti porta alla seguente classificazione:

• Guasti accidentali: NON prevedibili
• Guasti per degradazione: più prevedibili in quanto causati da un fenomeno fisico prevedibile correlato al tempo di funzionamento. Anche questo, però, presenta fattori di incertezza legati a fenomeni casuali.

L’intervento di manutenzione fa ripartire la curva spostandola in avanti! Massimo curva rossa: tempo di guasto medio sulla curva della frequenza di guasto senza manutenzione. Nel caso in cui si faccia manutenzione, la curva si sposta in avanti, spostando il tempo di guasto.

Dall’affidabilità alla disponibilità

Disponibilità (A, Availability): è la percentuale di tempo di buon funzionamento rispetto al tempo totale per cui è richiesto il funzionamento stesso. Viene introdotto il concetto del tempo di riparazione (Tr) per cui si ha la seguente formula: La disponibilità, introducendo la variabile legata al tempo di riparazione Tr, permette di quantificare le attese legate alla manutenzione che, in ogni caso, rappresentano un «fermo macchina».

Come migliorare

Considerando le definizione e le specificità, si può ipotizzare di migliorare (aumentare il valore) l’Affidabilità e la Disponibilità fondamentalmente in due modalità:

• Prevedendo momenti di manutenzione più ravvicinati (ponderando, però, che spesso la manutenzione costituisce un «fermo macchina»);
• Intervenire in fasi progettuali scegliendo macchine con A o R più elevate o introducendo vere e proprie unità di riserva (organizzazione in parallelo).

I sistemi complessi

Per SISTEMI COMPLESSI intendiamo l’organizzazione di impianti con diverse componenti che possono essere organizzate in serie o in parallelo. L’impatto in termini di R o A cambia: se l’organizzazione in serie tende a ridurre il valore, l’organizzazione in parallelo la incrementa. L’organizzazione impiantistica in serie prevede componenti poste una dopo l’altra. L’organizzazione impiantistica in parallelo prevede componenti poste una in alternativa all’altra. Più elementi si aggiungono, più i parametri diventano piccoli.

È meglio avere tanti piccoli impianti rispetto a grandi impianti, così si cerca di non avere un blocco totale.

Economia di scala (o di dimensione)

Il costo specifico dell’impianto diminuisce con le dimensioni: questo significa che all’aumentare della potenzialità (taglia) dell’impianto i costi aumentano meno che proporzionalmente. In realtà questo vale anche per il costo specifico della manodopera (anch’esso inversamente proporzionale alle dimensioni). Analogamente, anche per il costo specifico energetico.

Economie di scala sono valide per

• Costo dell’impianto (ammortamenti)
• Costo della manodopera
• Costo di gestione dell’impianto

Esercizio economie di scala

Dall’esempio numerico di prima si evince che i costi C di un serbatoio (ma anche di molte attrezzature) dipendono dalla quantità di materia prima necessaria per la costruzione (m² di acciaio!) mentre la produttività P dal volume (m³). Considerando la formula: Nel caso del parallelo viene sottratto al caso del funzionamento certo (R = 1) il prodotto di tutte le probabilità di mancato funzionamento. Più elementi sono posti in parallelo, più la probabilità di avere contemporaneamente elementi non funzionanti diminuisce, aumentando la probabilità di avere un impianto funzionante.

R_tot = R₁*R₂*R_par*R₄

Rischio

In caso di fluttuazioni del livello di produzione che costringano a produrre meno della capacità produttiva dell’impianto, sarà più difficile ammortizzare i vari costi (soprattutto costi di gestione). Scarsa elasticità >>> scarsa capacità dell’impianto (di grandi dimensioni) di adattarsi alle esigenze produttive. Soluzione >>> frazionamento dell’impianto.

Frazionamento

Unità di riserva >>> l’impianto frazionato presenza spesso una unità di riserva: è previsto un modulo in più dello stesso taglio delle altre unità in modo da poter far fronte a guasti o rotazione dei moduli dell’impianto per manutenzione.

Integrazione grafica

Spesso in ambito produttivo ci si trova di fronte alla necessità di far corrispondere una produzione ed una richiesta che hanno valori di input ed output diversi. Come procedo:

1. Dimensiono la produzione intercettando le massime richieste dell’utenza (rischio sovradimensionamento)
2. Inserisco un sistema di accumulo che fa da polmone.

Posso calcolare:

1. La produzione di un determinato periodo.
2. La portata media: conoscendo L, tracciando la pendenza, la pendenza ci identifica il rettangolo che ha come altezza L. Oppure sommiamo i 3 istogrammi e dividiamo per 3.
3. Il volume del serbatoio

Energia e sostenibilità

Le fonti di energia rinnovabile sono delle fonti energetiche ricavate da risorse energetiche rinnovabili, ovvero quelle risorse che sono naturalmente reintegrate in una scala temporale umana, come la luce solare, il vento, la pioggia, le maree, le onde ed il calore geotermico. L’energia rinnovabile corniche spesso energia in quattro aree importanti:

1. Produzione di energia elettrica
2. Riscaldamento/raffreddamento ad aria ed acqua
3. Trasporti