Impianti Industriali

IMPIANTI INDUSTRIALI

LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA GESTIONALE

C. Scimeca, R. Scimeca

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PALERMO | SCUOLA POLITECNICA

Prefazione

Il presente testo costituisce una sintesi completa del corso di Impianti Industriali, di G.

Galante, ed è diviso in tre sezioni distinte: “Layout”, “Manutenzione” e “Rumore e

insonorizzazione degli ambienti, Prevenzione incendi e Sicurezza sul lavoro”. Le fonti sono

appunti presi a lezione, slide e altro materiale didattico fornito dal professore e, dove

necessario, approfondimenti sul web.

La prima sezione della dispensa di Impianti Industriali affronta in maniera esaustiva il

problema del layout degli stabilimenti industriali, a partire dalla sua definizione e necessità

affinché un impianto operi in maniera efficace. Seguono le principali tecniche (schematiche,

grafiche, informatiche, algoritmi euristici e di ottimizzazione, etc.) per la definizione del

layout ottimale o sub-ottimale di un impianto industriale. La trattazione si occupa prima del

layout di stabilimenti organizzati per reparti e successivamente di quello di impianti in linea.

La seconda sezione affronta il problema della manutenzione degli impianti industriali. Il

primo capitolo riprende richiami di statistica dell'affidabilità necessari (funzione densità di

guasto, affidabilità, tasso di guasto, etc.) e mostra alcune applicazioni ai casi più semplici di

sistemi in serie, parallelo e stand-by. Il secondo capitolo espone tecniche affidabilistiche

come la Fault tree analysis (albero dei guasti) ed Event tree analysis (albero degli eventi) per

la determinazione delle caratteristiche affidabilistiche per sistemi più complessi. Il terzo

capitolo tratta i sistemi riparabili, dalla definizione della disponibilità degli impianti fino ai

processi markoviani. Infine il quarto capitolo spiega come effettivamente viene affrontato il

C S – R S

LAUDIO CIMECA ICCARDO CIMECA

problema della manutenzione, esponendo poi le diverse politiche manutentive (correttiva,

preventiva, minimal repair, opportunistica, etc.).

La terza e ultima sezione è, come intuibile dal titolo, suddivisa in altre tre sotto-sezioni.

Questa affronta dunque il problema della sicurezza negli impianti industriali, suddividendolo

in tre parti. La prima parte tratta l'insonorizzazione dei locali di lavoro, partendo dalle nozioni

fondamentali di acustica per poter meglio comprendere gli interventi volti a limitare

l'inquinamento acustico negli stabilimenti industriali. Successivamente vengono spiegate

tutte le principali misure utilizzate, tra cui cabine, cabinati, schermi acustici, controsoffitti,

baffles. La seconda parte si occupa della prevenzione incendi. In primis viene spiegato cos'è

un incendio, come si forma, quali sono i suoi prodotti (specificando i danni che recano

all'uomo e all'ambiente circostante) e i modi per spegnerlo. Il testo mostra come si

classificano i materiali in base alla resistenza e reazione al fuoco. Successivamente vengono

elencate le misure di prevenzione e protezione adottate all'interno degli impianti industriali,

specificandone il contesto di utilizzo e il modo di agire (varie tipologie di estintori, idranti,

impianti fissi, sistemi di allarme, etc.). La terza parte parla della sicurezza sul lavoro in

generale: quali sono i suoi principali attori e in che modo operano, le principali norme

vigenti, come viene valutato il rischio sul lavoro, importanza della prevenzione e protezione

di tutto il personale e dei beni aziendali.

Si augura una buona lettura,

I Dottori, R S – C S

ICCARDO CIMECA LAUDIO CIMECA

Università degli studi di Palermo – Corso di Laurea Triennale in

Ingegneria Gestionale

Sintesi del corso di Impianti Industriali (del Professore G.Galante)

Capitolo 1.

Il problema del layout fa parte di una delle monofasi della realizzazione di un prodotto (progettazione del

prodotto, pianificazione lavorazioni e layout, controllo della produzione). Consiste nel determinare il numero

delle risorse produttive necessarie per la realizzazione dei cicli di lavorazione e la loro sistemazione ottimale

all’interno dell’officina. Il layout di uno stabilimento industriale è notevolmente influenzato dalla tipologia di

produzione richiesta in termini di varietà, quantità e complessità dei prodotti. La varietà è data dal numero di

prodotti diversi da realizzare e dai modelli di ciascuna tipologia. La complessità di un prodotto può essere

misurata dal numero di componenti che lo costituiscono. La complessità di un componente può essere a sua

volta misurata dal numero di lavorazioni necessarie alla sua realizzazione. Se si suppone che tutti i componenti

costituenti i prodotti siano realizzati in azienda, una misura globale del livello di attività produttiva n è dato

dalla seguente: ,

con Q quantità del prodotto j, n numero di componenti del prodotto j ed n numero di lavorazioni necessarie

j cj l,kj

per il componente k del j‐esimo prodotto. È opportuno definire alcuni parametri che saranno utilizzati nel

prosieguo per la progettazione di un sistema di lavorazione. Definiamo tempo di attraversamento TA il tempo

uscita e quello di ingresso; esso

di permanenza di un prodotto nel sistema, dato dalla differenza tra l’istante di

è la somma dei tempi di lavorazione sulle macchine, dei tempi di attesa e dei tempi di trasporto. Tale tempo

l’intervallo di tempo

può non essere costante e allora si definisce un tempo medio. Definiamo tempo di ciclo t c

tra l’uscita di due unità consecutive dal sistema (se non è costante si definisce un tempo di ciclo medio).

). Definiamo work

Definiamo produttività p il numero di pezzi che escono dal sistema nell’unità di tempo (p=1/ t c

in process WIP il numero di semilavorati presenti mediamente nel sistema in un generico istante. Definiamo

carico di lavoro di una risorsa o workload WK il tempo necessario a svolgere tutte le attività assegnate alla stessa.

Lo studio del layout può riferirsi a modifiche di un layout o trasferimenti di impianti già esistenti o alla

costruzione di un nuovo stabilimento. In figura vediamo le varie tipologie dei tre aspetti del processo

produttivo che influenzano il layout:

domanda, produzione, tecnologia di

realizzazione del prodotto. Le

principali soluzioni impiantistiche

sono: produzione a punto fisso,

produzione per reparti, produzione

per prodotto, produzione per gruppi.

Esse danno il nome al corrispondente

tipo di layout. Nel layout a punto fisso

il prodotto rimane fermo e ad esso

confluiscono uomini e attrezzature,

garantendo un movimento minimo

dei materiali e una buona

responsabilizzazione dei lavoratori;

tuttavia si ha necessità di maestranze

molto qualificate e il movimento e

posizionamento delle macchine

risulta lungo e costoso. Nel layout per

reparti o per processo (o job shop) tutte le

lavorazioni di un certo tipo e il

macchinario loro destinato sono riunite in un unico reparto. Risulta pratico per produzioni di modesta entità

non standardizzate e consente una buona flessibilità di produzione. La lavorazione di ciascuna tipologia di

prodotto è effettuata suddividendo la richiesta annua in lotti o batch, in modo da assicurare una produzione

1

abbastanza uniforme delle diverse tipologie di prodotti (pertanto gestire la produzione non è semplice). Con

questa tipologia si assistono ad alti valori del TA e del WIP, e una bassa utilizzazione delle macchine. Il layout

per prodotto è articolato secondo una struttura produttiva costituita da una successione di macchine utilizzate

(a volte progettate) per realizzare una sequenza prefissata di lavorazioni, per ottenere prodotti in grande

quantità e con varianti limitate. I principali vantaggi sono: alta utilizzazione delle risorse (macchine), tempo

di produzione breve, basso WIP, semplice pianificazione e controllo della produzione. Naturalmente non si

ha grande flessibilità, e inoltre la produzione risulta

influenzata dalla macchina più lenta e dai guasti di una di

esse. Infine l’officina con un layout per gruppi è divisa in

sezioni o gruppi di macchine diverse in modo che ogni

gruppo lavori una famiglia di pezzi simili. La famiglia è

caratterizzata dalla similitudine dei cicli di lavorazione.

Ogni sezione con il suo gruppo di macchine prende il

nome di cella di lavorazione. Questa tipologia risulta

adatta per produzioni di piccola e media serie poichè

permette di trasformare la produzione di numerose

tipologie di pezzi, ciascuna con bassa numerosità, in

quella di pochi gruppi di molti pezzi con caratteristiche

simili. Non è detto che allʹinterno della cella i singoli pezzi della famiglia seguano la stessa sequenza di visita

delle macchine, così come non è detto che le lavorazioni dei pezzi di una famiglia possano essere effettuate

per intero all’interno di una singola cella. Tuttavia lo scheduling è facilitato, si riduce il tempo di setup, il costo

di trasporto, il WIP e il tempo di attraversamento rispetto al layout per reparti. In figura sono mostrate le aree

di impiego delle tipologie di layout descritte in funzione del numero di tipologie di prodotti da realizzare e

. In basso vediamo gli schemi delle tipologie di layout sopradescritte.

del volume di produzione Layout per prodotto

Layout per reparto

Layout per gruppi

2

Capitolo 2.

Il problema del layout può essere affrontato mediante metodi differenti:

 Modelli schematici: il problema è descritto attraverso dei modelli grafici come diagrammi di flusso,

diagrammi di sequenza delle operazioni, disegni, etc.

 Modelli logico‐matematici: descrizione del problema per mezzo di relazioni logico‐matematiche tra le

variabili che lo definiscono; a loro volta tali modelli possono essere deteministici o probabilistici e statici o

dinamici (le variabili variano nel tempo o meno).

 Modelli di simulazione: il problema è descritto attraverso un modello logico‐informatico che riproduce il

funzionamento del sistema reale.

Una seconda classificazione riguarda le tecniche di risoluzione utilizzate. Le tecniche schematiche tradizionali

fanno uso di modelli schematici per la valutazione delle possibili alternative e sono adottabili in casi molto

semplici o come primo approccio a problemi complessi. Le tecniche grafiche si prefiggono di ottimizzare il flusso

di materiale tra i reparti usando strumenti di analisi grafica come diagrammi di flusso, diagrammi di sequenza,

etc. Abbiamo inoltre gli algoritmi di ottimizzazione e euristici che si basano sulla risoluzione di modelli logico‐

matematici: il modello è costituito da una funzione obiettivo da ottimizzare e da un insieme di vincoli da

rispettare (presentano problematiche relative all’aderenza alla realtà). Vi sono anche tecniche basate sulla teoria

dei grafi, che mirano alla risoluzione di modelli matematici basati sullʹimpiego dei grafi relazionali. Tali

tecniche, anche se efficienti, forniscono soltanto indicazioni preliminari per la costruzione del layout a blocchi.

Una delle tecniche schematiche tradizionali chiamata metodo della sequenza richiesta, la cui principale ipotesi è

che i centri di produzione si susseguono lungo una linea retta (il flusso della produzione deve seguire, nel

passaggio da una macchina allʹaltra, una linea senza incroci), si basa sull’assegnazione della postazione alla

macchina che la richiede. Il costo del trasporto interno del materiale è un costo che non aggiunge valore al

prodotto e pertanto minimizzare gli spostamenti dei pezzi in lavorazione è senzʹaltro un obiettivo da

perseguire. Questo è l’obiettivo del metodo della tabella di trasferimento, che prova a raggiungere un layout in

cui ogni reparto è adiacente a tutti quelli con cui scambia materiale. Se in un reparto le macchine devono essere

disposte in linea, in seguito a vincoli imposti dallʹedificio che le ospita, allora si parla di reparti in linea; se

inoltre queste producono prodotti di uguale volume di produzione, si assume che lʹefficacia del layout sia

misurata dalla distanza coperta dal materiale nei suoi spostamenti e che uno spostamento allʹindietro comporti

una penalità espressa da un coefficiente di maggiorazione pari a 2 (assumiamo inoltre che i reparti abbiano

tutti la stessa area). Allora l’obiettivo sarà minimizzare la somma dei momenti, intendendo per momento il

prodotto del numero di trasferimenti da una macchina allʹaltra per la sua distanza dalla diagonale principale.

Se supponiamo unicamente che i reparti abbiano la stessa area si parlerà di reparti non in linea, e la misura

dellʹefficienza del layout è espressa dalla funzione:

con a numero di carichi/anno spostati dal reparto i al reparto j e

ij

b distanza tra i reparti i e j. Vediamo un esempio relativo alla

ij

sistemazione di 9 reparti che devono lavorare 9 tipi di pezzi. In

tabella vediamo i principali dati raccolti per il problema.

Nellʹultima colonna della tabella più in alto sono riportati il

ottenuti

numero di spostamenti/anno per ciascun prodotto,

moltiplicando i corrispondenti carichi/anno per gli spostamenti

(numero di reparti visitati meno uno). Sulla base dei dati delle

due tabelle è possibile costruire la tabella di trasferimento che

evidenzia il volume dei trasferimenti tra i vari reparti. Ad

esempio il numero di carichi/anno trasferiti dal reparto a al b è

dato dalla somma dei carichi/anno di quei prodotti che nel loro

ciclo di lavorazione presentano la sequenza a‐b. Sulla base dei

dati è possibile trovare soluzioni che migliorano lʹefficienza del layout mettendo in posizione centrale un

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reparto che ha il maggior numero di scambi con altri, rendendo

contigui i reparti a maggiore scambio. È opportuno inoltre far sì

che il reparto ricezione (a) e quello imballaggio (i) siano disposti

sui lati esterni del layout per consentire un facile accesso da parte

degli autocarri e dei sollevatori

provenienti dallʹesterno. Seguendo

queste direttive proponiamo la soluzione in figura, con la quale otteniamo un

valore della funzione di cui sopra pari a 2456. Otteniamo così un’efficienza pari a

2102/2456=0.858, ovvero del 85,8%. Potrebbero probabilmente trovarsi soluzioni

ancora migliori ma in questo caso ci si accontenta di unʹefficienza dell’85,8% e si

ritiene tale soluzione definitiva.

Facendo sempre riferimento al layout per reparti, si propose un nuovo approccio per la definizione delle fasi

in cui si articola lo studio del layout, chiamato Systematic layout planning:

 Fase 0: Dati. Raccolta ed analisi dei dati riguardanti prodotti, macchine, spazi disponibili, etc…

 Fase 1: Analisi dei flussi. Un’analisi quantitativa dei flussi tra i reparti può essere riassunta con l’impiego

della tabella di trasferimento, nelle cui righe e colonne sono elencati i reparti ed in corrispondenza di

ciascuna coppia di reparti è riportato il numero di carichi scambiati.

 Fase 2: Considerazioni qualitative. Alcune esigenze di vicinanza o di lontananza tra i reparti non sono

immediatamente esprimibili numericamente, ma sono di tipo qualitativo. Un esempio è quello dei reparti

di ricevimento merce e spedizione che si vorrebbero vicini. In questi casi è utile l’impiego della tabella di

relazione, nella quale ad una lettera corrisponde una richiesta più o meno forte di vicinanza o lontananza.

 Fase 3: Grafo di relazione. Il grafo fornisce una prima sistemazione relativa

dei reparti, supposti di area uguale. Può essere costruito manualmente,

eventualmente con l’ausilio di un software grafico, evidenziando con linee

di diverso tipo le diverse richieste di prossimità tra i reparti.

L’obiettivo è quello di posizionare vicini i reparti che hanno

maggiori richieste di prossimità. Per la sua costruzione s’inizia

con i legami di tipo A e si procede con i livelli gerarchicamente

inferiori, come vediamo in figura.

 Fase 4: Richieste di spazio. Per determinare l’area di ciascun reparto è necessario conoscere il numero di

macchine e operai che contiene, la dimensione di eventuali magazzini operazionali e altri elementi di

dettaglio; lʹarea del reparto si ottiene come somma delle aree dei vari centri di produzione che lo

compongono: per ciascun centro bisogna considerare lo spazio occupato dalla macchina, armadi, spazio

operativo e per la manutenzione. Il numero di macchine di tipo j può determinarsi con la seguente :

1

∑ ∏ 1 60 8

 Fase 5: Disponibilità di spazio. Nel caso di stabilimento preesistente, l’area disponibile costituisce un

vincolo del problema, mentre se lo stabilimento è nuovo il progettista deve cercare di minimizzare gli

spazi affinchè la pianta dell’officina sia congruente con gli standard dei capannoni.

 Fase 6: Grafo di relazione tra le aree. Si disegna il grafo di relazione tra i reparti rappresentandoli con le

loro effettive aree.

 Fase 7: Sviluppo di alternative.

 Fase 8: Valutazione e scelta. Bisognerebbe, per ogni alternativa, allegare dati di costo e attribuire punteggi

ai vari aspetti di rilievo, per rendere le stesse più confrontabili e scegliere il layout definitivo.

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1 Q quantità di pezzi di tipo richiesti nell’arco dell’anno e da lavorare sulla macchina di tipo t tempo di lavorazione del pezzo di

i j,

ij ij

numero di lotti di produzione per la realizzazione dei pezzi di tipo ta tempo di attrezzaggio

tipo sulla macchina di tipo in minuti, nl i,

i j i ij

difettosità della lavorazione sul pezzo nt numero di turni di

della macchina di tipo per la lavorazione del pezzo in minuti, d j i,

j i ij

lavoro, ng numero di giorni lavorativi in un anno, A disponibilità della macchina relativa al periodo di potenziale operatività,

j

coefficiente che considera la mancata utilizzabilità della risorsa per indisponibilità dell’operatore e per problemi di gestione della

produzione.

I principali problemi del layout riguardano