Appunti SPBS - Sistemi di Produzione di beni e servizi - Prof. Guido Guizzi, Teresa Murino, Carmela Liberatina Santillo

Materiale sistemi di produzione di beni e servizi

Industry 4.0

Industry 4.0 è un termine coniato in Germania nel 2011, e indica la formazione di un nuovo paradigma industriale basato su sistemi informatici con una forte capacità di interazione con i sistemi fisici, dotati di capacità computazionale, di comunicazione e di controllo. A differenza delle rivoluzioni industriali precedenti, essa non si basa su una singola tecnologia abilitante, ma su molteplici che si aggregano in diversi scenari, per innovazioni di diversa natura (di prodotto, processo, modello di business ecc.), che puntano ad una Digital Trasformation, ovvero una transizione verso un’industria completamente interconnessa e automatizzata, non attraverso una semplice digitalizzazione, ma con una vera e propria visione nuova della gestione operativa.

Per chiarire, distinguiamo i concetti di automatizzazione e automazione, dove la prima rende automatica un’operazione o un processo, la seconda un’intera logica di produzione: ovvero non è solo la singola macchina ad essere automatica, ma l’intera linea può interagire e prendere decisioni, sulla base di informazioni real-time [si assottiglia così il confine tra parte fisica e digitale della produzione]. La catena del valore automatica e dinamica che si intende realizzare è possibile grazie a tecnologie ITC di elaborazione, comunicazione e controllo che interagiscono tra loro.

Tecnologie abilitanti

Sono nuove e non ancora utilizzate su larga scala; noi parleremo di Smart Factory, Cyber-Physical System, Internet of Things e Big Data, Cyber Security, alla base dell’implementazione del paradigma.

Smart factory

Indica la capacità di un ambiente produttivo di operare in modo intelligente tramite l’integrazione dei sistemi informatici nelle attività. Vengono utilizzati per questo diversi strumenti, dai CAD, alla simulazione dinamica, realtà virtuale e/o aumentata, sistemi ERP e strumenti di schedulazione, tutti che interagiscono tra loro [vantaggio delle smart factory]. Esse utilizzano sistemi di acquisizione di dati all’avanguardia e una gestione intelligente di informazioni e stati d’ordine, per adattarsi ad una produzione variabile con prodotti personalizzati, capace di reagire dinamicamente al mutare delle condizioni.

Cyber-physical system

Non ne esiste una chiara definizione, è un sistema cibernetico, formato da una parte computazionale e comunicativa e una parte fisica integrate tra loro. In questo modo i sistemi sono autonomi e identificano le strategie di controllo del sistema produttivo dinamicamente, per massimizzarne le performance. Ciò permette di inserire specifiche soluzioni per il cliente o per il prodotto all’interno della linea, con un’organizzazione più dinamica, basata su un sistema decentrato e autonomo, in grado di garantire flessibilità, robustezza ed efficienza produttiva.

La comunicazione con l’uomo avviene tramite interfacce capaci di adattarsi alle situazioni (per facilitarne l’utilizzo).

Un CPS presenta una struttura gerarchica a 5 livelli:

• Smart Connection Level: livello di connessione in cui i dati generati sono raccolti e organizzati per il trasferimento al livello successivo;
• Data to Information Conversion Level: I dati sono valutati e confermati in informazioni utili (i dati grezzi non sono leggibili dalla macchina);
• Cyber Level: Le informazioni vengono elaborate e si ricercano informazioni correlate aggiuntive;
• Cognition Level: Qui sono effettuate le stime e le decisioni più complesse. Il confronto permette di identificare pattern e prendere decisioni: a tale livello, la macchina stessa prende coscienza del proprio stato di salute;
• Configuration Level: Le info elaborate sono inviate ai sistemi aziendali, ove responsabili e operatori le utilizzeranno per prendere decisioni. La macchina stessa, a seconda del proprio stato di salute, regolerà il proprio carico di lavoro e programma di produzione, per ridurre i tempi di inattività per inefficienze di gestione o malfunzionamenti imprevisti.

In questo livello infatti si mira ad avere un sistema resiliente, capace di difendersi dalle difficoltà che si presentano, riconfigurandosi o ‘spingendo’ verso cambiamenti di gestione, prevedendo le inefficienze e i fallimenti.

Internet of Things e Big Data

Quando si parla di IoT si evidenziano gli elementi di miniaturizzazione delle tecnologie di sensing e di comunicazione wireless nei dispositivi, utilizzate per raccogliere e condividere informazioni. Essi sono presenti o aggiungibili in un secondo momento e raccolgono una grande quantità di dati, connettendo qualsiasi oggetto fisico. Ciò genera una mole di informazioni tale da necessitare tecnologie per la loro gestione, chiamate Big Data Analytics, che permettono di analizzare i dati estraendone conoscenza.

Cybersecurity

Ovvero la protezione delle infrastrutture informatiche, fondamentale per lo sviluppo di tale tecnologia, nella difesa contro il cyber crime (che può diventare un pericolo anche per la sicurezza di persone fisiche e strutture, nella convergenza tra sistemi cyber e fisici). Una linea guida è rappresentata dalla triade CIA:

• Confidentiality [Riservatezza] – Che garantisce la privacy dei dati restringendo gli accessi tramite crittografia di autenticazione.
• Integrity [Integrità] – Garantisce l’accuratezza e l’affidabilità dei dati, inalterati durante la trasmissione e preservati da entità non autorizzate (e da accidentali modifiche di quelle autorizzate).
• Availability [Disponibilità] – Garantisce l’accesso alle informazioni solo agli utenti autorizzati e prevede piani per il ripristino dovuto a disastri naturali o provocati dall’uomo.

Architetture e modelli di riferimento per l’IoT

Al momento non esiste un modello di riferimento, soprattutto vista la personalizzazione di ogni Paese. Noi considereremo il modello tedesco RAMI 4.0, poiché più dettagliato e diffuso.

L’asse verticale rappresenta le proprietà strutturali di un Asset (componenti della fabbrica) o un insieme di Asset. Partendo dal basso, vi sono sei livelli:

• Asset: oggetti reali in termini di ingombri, collegamenti etc;
• Integration: interfaccia tra parte fisica e informativa (con specifiche funzionali, manuali etc);
• Communication: Descrive le modalità d’accesso a info e funzioni di un asset (=che dati uso, dove stanno e come sono distribuiti);
• Information: Descrive i dati usati, generati o modificati dalle funzionalità tecniche dell’Asset (con esecuzione di regole, verifica integrità dati etc.);
• Functional: Descrive le funzioni tecniche di un Asset;
• Business: Descrive gli aspetti commerciali come costi, risultati di vendita etc.

Una volta identificato l’Asset, se ne specificano le proprietà strutturali (non per forza tutti i livelli, solo quelli presenti). Il primo asse orizzontale è invece il ciclo di vita della fabbrica e degli Asset al suo interno (che però sono diversi all’interno della fabbrica stessa). Il secondo asse orizzontale fa riferimento al modello piramidale dell’automazione industriale:

La parte inferiore della piramide è il Campo (che comunica col controllo attraverso specifici fieldbus, dove i più diffusi sono standard pubblici). A salire troviamo lo SCADA, il MES (che gestisce e monitora la produzione della fabbrica) e l’ERP (che integra i software gestionali aziendali). In tale modo vengono scambiati dati tra Business e Manufacturing.

Per i problemi comunicativi, ogni Asset ha una Administration Shell che ne immagazzina i dati e funge da interfaccia (esse sono la rappresentazione digitale di oggetti fisici reali). È prevista inoltre la tecnologia OPC Unified Architecture (OPC UA) per lo scambio dati e lo scambio di modelli informativi.

World Class Manufacturing

Metodologia

Premessa

WCM è un termine coniato da Schonberger nell’ ’86, nello studio delle aziende che seguivano l’approccio al ‘kaizen’, miglioramento continuo verso l’eccellenza della produzione, investendo su pilastri come il controllo qualità, Just in Time, coinvolgimento del personale etc. Esso cadde in disuso ad inizio millennio, per poi essere riportato in voga dalla FIAT di Marchionne.

Il WCM si ispira principalmente al TPS (Toyota Production System), un metodo di organizzazione alternativo alla produzione in serie Fordista, che si basa su pochi principi fondamentali:

• La chiave del cambiamento è il coinvolgimento delle persone;
• Non è un progetto, ma un nuovo modo di lavorare;
• La prevenzione degli infortuni resta un ‘valore’ non derogabile;
• La voce del cliente deve arrivare in tutti i reparti e uffici;
• Tutti i capi devono esigere rispetto per gli standard;
• I metodi vanno applicati con costanza e rigore;
• Ogni spreco è una Muda non tollerabile;
• Tutte le anomalie devono essere rese visibili.

WCM = LM + TQM + TPM + SCM + EI

Dove, LM = Lean Manufacturing, TQM = Total Quality Management, TPM = Total Preventive Maintenance, SCM = Supply Chain Management, EI = Employee Involvement

Utilizzo il buono di ogni metodologia, poiché non esiste un approccio universale per risolvere i problemi. Obiettivo del WCM è migliorare continuamente le performance produttive, eliminando gli sprechi e garantendo una qualità del prodotto collegata ad una flessibilità nel rispondere alle richieste del cliente, tutto attraverso il coinvolgimento e la motivazione del personale.

Il WCM infatti analizza qualsiasi azione strategica con un’analisi costi-benefici (attraverso il Cost Deployment e nove target detti ‘nove zeri’):

• Zero Insoddisfazione Cliente
• Zero Disallineamenti
• Zero Burocrazia
• Zero Insoddisfazione Azionisti
• Zero Sprechi
• Zero Attività NVA
• Zero Fermate
• Zero Opportunità Perse
• Zero Informazioni Perse

La chiave diventa quindi non solo la creazione di valore aggiunto, ma l’innovazione per supportare l’azienda nei momenti di crisi e curarne le inefficienze.

Pilastri del WCM

Il tempio del WCM è composto da 20 pillar (10 tecnici = le colonne e 10 manageriali = le basi).

Per ogni Pillar vengono effettuati step in successione ordinata, organizzati in base all’approccio:

• 1° FASE = REATTIVA: Individuo il problema e metto in pratica azioni correttive per ridurre gli effetti negativi;
• 2° FASE = PREVENTIVA: Studio i processi e i problemi per identificare le cause e rimuoverle, per potenziare il processo;
• 3° FASE = PROATTIVA: Studio il processo e le sue problematiche per prevenirle, migliorare il processo e gli standard lavorativi.

Ogni pillar poi si sviluppa in due direzioni:

• PROFONDITÀ: Ogni miglioramento va fatto in un’area ristretta: prima in un Area Modello, quella di maggior perdita.
• ESTENSIONE: Il miglioramento non resta in quell’area, si diffonde gradualmente fino a coprire tutti i reparti.

Sistema di Audit

La realizzazione di ogni step dev’essere certificata attraverso un sistema di audit interni o esterni, che confrontano i risultati ottenuti con quelli attesi. Importanti sono quelli esterni, che comparano le diverse aziende assegnando un punteggio da 1 a 5 a seconda degli obiettivi realizzati e il loro grado di implementazione. Sommando per ogni pilastro, si ottiene il WCM Score (che definisce 4 livelli di certificazione mondiale): Bronzo (≥50), Argento (≥60), Oro (70), World Class (≥85).

Cost Deployment

Il Cost Deployment (CD) è una metodologia che definisce in modo scientifico e sistematico un programma di riduzione dei costi basato sulla cooperazione di risorse di Produzione e Finance, che mi fa comprendere il valore degli sprechi. Sostanzialmente l’obiettivo è individuare sistematicamente gli sprechi e le perdite che si generano nei processi, trasformandoli prima in costi e poi eliminandoli.

Safety e CD sono i pilastri da cui parto → PRINCIPIO BASE: Nessuna metodologia produttiva è soddisfacente se non si può proporre una valutazione dei costi tra le attività di miglioramento e il relativo beneficio che ne si ottiene.

Il CD permette quindi di:

• Individuare relazioni tra fattori di costo e processi che generano i costi e i diversi tipi di sprechi e perdite;
• Trovare relazioni tra sprechi e perdite e loro riduzioni;
• Chiarire se è disponibile il know-how per le riduzioni di sprechi e perdite;
• Classificare i progetti sulla base dell’analisi costi-benefici.

Il CD confronta i risultati operativi con quelli economici e consente un’efficace definizione delle priorità per il miglioramento, in modo da ottimizzare i vantaggi. Il punto di partenza è identificare ciò che crea valore per il cliente (con valore inteso come ogni processo, attività e/o azione per cui il cliente finale sarebbe disposto a pagare, perché arricchisce il prodotto o servizio acquistati). Una volta identificato il valore, devo determinare un costo basato sull’ammontare di risorse, lavoro e tempo.

L’impresa fissa il prezzo di vendita osservando il mercato e organizza il proprio lavoro per avere un profitto accettabile. Così determina il target costing, ove il calcolo dei costi è basato su un costo obiettivo a cui tutta l’organizzazione deve tendere. [il Target costing nasce dalla logica Market – Oriented’ per trovare costo vero e costo obiettivo].

Diversamente, un’azienda snella guarda il prezzo di vendita e la produzione, cercando di individuare i costi che si potrebbero eliminare (performance di costo sempre migliori, con kaizen costing |→ il punto principale è diminuire, mentre si sostengono, i costi (tranne quelli prestabiliti da budget)).

I costi usati devono essere noti e facili da aggiornare, certificati e oggettivi: essi sono la valorizzazione dei fattori produttivi impiegati in un certo tempo per uno scopo, quindi sia il costo delle lavorazioni che l’eventuale set-up.

CI Il costo orario delle lavorazioni di trasformazione (C_I) è il vero valore aggiunto, pari alla somma dei costi di tutte le fasi di lavorazione (interne e esterne), di controllo e logistiche (es. spedizione) per il tempo necessario ad effettuarle (T_I). Ogni fase di lavoro interna può richiedere un SET-UP (attrezzaggio macchina) a cui associo un costo orario di set-up (C_s) e un tempo di set-up (T_s).

Cf = (Cs x Ts) + (CI x TI) Il costo della fase i-esima (C_f) è Concentrandosi su un’area model posso rilevare in modo semplice gli elementi economici inerenti alle attività in oggetto, alle attrezzature e infrastrutture usate per eseguirle.

Questo permette di conoscere e ripartire i costi indiretti sulle attività, secondo criteri logici e oggettivi, e impone di valorizzare le perdite per poter priorizzare gli interventi di miglioramento, controllandone i benefici. Devo analizzare la composizione di costo delle perdite e valutarne ogni singola voce. Alcune non sono riducibili (es. ammortamento), altri sono oggetto di miglioramento, ma possono non avere un immediato impatto sul conto economico (es. se ottimizzo manodopera, l’effetto è evidente solo se analizzo il processo e non a livello aziendale (=non licenzio il personale, lo uso in altre parti).

Per questo, a parità di qualsiasi altro elemento, non sempre gli sprechi che hanno un costo più elevato sono i primi a dover essere aggrediti, devo far attenzione a perdite con perimetro di riferimento importante e valenza complessiva elevata. Misuro sprechi e perdite con Efficienza e Efficacia: (costante) Output Efficienza = Efficacia = (minimizzo) Input (massimizzo) Output (costante) Input SPRECO Troppo input è uno L’uso non efficace di input è

SPRECO è quindi qualsiasi attività che consuma più risorse (più manutenzione, materiali etc.) del necessario, senza creare valore. PERDITA le invece possono essere: - Sporadiche, se avvengono una volta o raramente, l’impatto è rilevante e lo ‘risolvo’ con un’attenzione immediata. |→ Se le soluzioni non sono appropriate, può diventare ricorrente. - Croniche, è un problema costante, in genere non rilevante, ma il cui protrarsi nel tempo crea disturbo.

PERDITE Ci sono diversi tipi di: Perdita di TIPO A: generata da una deviazione rispetto allo standard, macroscopica, la trovo subito col CD. Perdita di TIPO B: generata da deviazioni rispetto alla situazione teorica e standard. Per eliminarle, osservo i principi operativi, ne comprendo gli standard e elimino i difetti una volta individuati. Perdita di TIPO C: identificata a livello ideale. Per eliminarla può essere necessario riprogettare gli impianti. SPRECO Successivamente, devo associare un valore economico allo: occorre un indicatore tecnico, che quantifichi la perdita, la valorizzi economicamente (in generale si usa perdita/costo). Ex. Perdita x Guasto (cioè costo del Guasto) [€/anno] = Guasti [h/anno] x tariffa [€/h]

IMPIANTI ENERGIA Esistono oltre 60 tipi di perdite, le raggruppo in 4 macrovoci: Impianti, Energia, Manodopera, Materiali:

IMPIANTI OEEL’Efficacia Complessiva dell’Impianto (OEE) è uno strumento semplice e potente per controllare il processo di miglioramento di una linea, di un impianto o di una macchina e misura il tasso di qualità, l’efficienza della prestazione e la disponibilità tecnica della macchina. l’OEE cause La misurazione riguarda direttamente la capacità produttiva e il miglioramento continuo.