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AUTOMAZIONE E INDUSTRIA 4.0 Automazione: Identifica tutto ciò che è necessario per far funzionare una macchina (o un processo) in modo automatico, senza l’intervento dell’uomo. Il suo scopo è quello di sostituire l’uomo in compiti ripetitivi o nocivi, con apparecchiature in grado di operare in modo...

AUTOMAZIONE E INDUSTRIA 4.0 Automazione: Identifica tutto ciò che è necessario per far funzionare una macchina (o un processo) in modo automatico, senza l’intervento dell’uomo. Il suo scopo è quello di sostituire l’uomo in compiti ripetitivi o nocivi, con apparecchiature in grado di operare in modo autonomo con minimi interventi da parte dell’operatore. RIVOLUZIONE INDUSTRIALE: STORIA 1) Primo passo (Meccanizzazione) La produzione è caratterizzata dall’uso di macchine che non sfruttano più l’energia fornita dall’uomo. (es. fonti di energia naturali) 2) Secondo passo (Controllo) L’uomo non deve più controllare (nel senso di gestire/regolare) la macchina, fa tutto da sola. Gestione scientifica: I lavoratori non devono più pensare. ➔ Introduzione della catena di montaggio (Ford) Teoria dei controlli automatici: Sulla base delle misure effettuate sulle grandezze fisiche accessibili si definisce l’azione di comando per ottenere il comportamento desiderato da un processo. Sistema PID (controllo in retroazione): Progettazione dei sistemi di movimentazione, di carico e di scarico dei componenti in macchina. Sviluppo del controllo numerico (NC) delle macchine utensili in modo da avere maggiore controllo sulla produzione. 3) Terzo passo (Controlli automatici) L’uomo non deve più manipolare le informazioni ottenute dal processo produttivo. Nascono i sistemi combinatori che al verificarsi di determinate condizioni attivano l’avvio o la fine di operazioni svolte dalle macchine. - Prima generazione di controllori Interruttori e bobine Scarsa flessibilità: per effettuare una modifica si necessita della revisione completa del circuito elettrico. - Seconda generazione di controllori Semiconduttori: Transistor e circuiti stampati Aumento delle prestazioni Flessibilità ancora scarsa: è necessaria la riprogettazione della scheda se si desiderano effettuare modifiche. Si passa del controllo numerico diretto (DNC) ossia un computer gestisce tutte le macchine, al controllo numerico computerizzato (CNC) ovvero ogni macchina ha il suo computer.  Appaiono i primi robot - Terza generazione di controllori Sistemi a microprocessore. Controllori logici programmabili ➔ Nasce il PLC Alta flessibilità Nasce il CAD (progettazione assistita dal PC) Nasce il CAD/CAM (Si sfruttano i modelli geometrici del CAD per generare percorsi delle macchine utensili) Nascono i sistemi di Computer Aided Engineering (CAE) ➔ Simulazioni agli elementi finiti Nasce il CIM (Computer Integrated Manufacturing): un sistema che unisce l’automazione flessibile (robot, macchine a controllo…), sistemi CAD/CAM e sistemi di gestione delle informazioni (CNC + CAD/CAM). 4) Quarto passo (Industria 4.0) I processi produttivi si basano su: - Robot autonomi/collaborativi - Additive manufacturing - Realtà aumentata - Simulazione - Integrazione orizzontale e verticale: integrazione dati lungo tutta la catena del valore - Internet of things: dispositivi computerizzati connessi in rete - Cybersecurity - Big Data e Analytics Fa riferimento all’ integrazione di sistemi cibernetici/virtuali e fisici/reali. L’obiettivo è la trasformazione digitale della produzione. I concetti di 4.0 sono: - Smart factories (fabbriche intelligenti): Smart production (Collaborazione tra tutti gli elementi della produzione es. macchine, operatori e strumenti), Smart services (integrazione dell’azienda con strutture esterne es. gestione rifiuti, fornitori, clienti…), Smart energy (Attenzione agli sprechi di energia e utilizzo di fonti rinnovabili). - Cyber-Physical Systems (CPS): integrazione di sistemi di diversa natura per il controllo del processo e, attraverso il feedback, il suo adattamento in tempo reale a nuove condizioni operative. Le smart factories devono seguire i 3 concetti di: - Connessione: interoperabilità dei sistemi e raccolta dati. - Digitalizzazione: rapidità di accesso all’informazione e strumenti per il processo decisionale. (integrazione servizi esterni, interfaccia con clienti mediante app, reportistica dati, allarmi macchina…)  Nasce così il concetto di Big Data: un insieme di dati il cui volume è così grande da superare la capacità dei convenzionali strumenti nel raccoglierli, immagazzinarli, gestirli ed analizzarli. Sono generalmente suddivisi in tre tipologie: strutturati, non strutturati e in base a quanto si prestano all’indicizzazione. Le 5V del Big Data: I database per Big Data sono caratterizzati da: - Volume: non gestibili da database tradizionali - Velocità: processati in tempo reale - Varietà: dati di diversa natura e soprattutto non strutturati - Veridicità: incertezza, inconsistenza, complessità … - Valore: economico, informativo, statistico - Intelligence: analisi dei dati e trasformazione in valore. (Manutenzione preventiva, ottimizzazione consumo energetico, riduzione tempi di fermo macchina, analisi delle performance…) Il sistema 4.0 si riflette sulla realtà produttiva come: - Customizzazione - Aumento della dinamica dei processi - Miglioramento dell’efficacia e dell’efficienza - Integrazione della componente umana nel sistema produttivo SISTEMI DI PRODUZIONE Si definisce sistema di produzione un insieme integrato di macchinari e risorse umane che compie una o più operazioni di trasformazione o di montaggio su un grezzo, una parte o un insieme di parti. I sistemi di programmazione della produzione seguono due logiche differenti: - PUSH: Programmazione a spinta, il prodotto viene fabbricato in anticipo. Si creano scorte di magazzino con conseguente rischio di mercato. - PULL: Programmazione a trazione, il prodotto viene fabbricato in base alla domanda. Si riduce il livello di scorte e si aumenta la flessibilità del sistema produttivo. Classificazione secondo la domanda (Wortmann): - Make to stock: produzione in serie, la produzione viene avviata in anticipo rispetto alla domanda. - Assembled to order: la realizzazione delle parti viene realizzata in anticipo rispetto alla domanda, mentre la customizzazione viene avviata nella fase di assemblaggio. Si tengono a magazzino i semilavorati e si assembra in base agli ordini. - Make to order: la produzione viene avviata a fronte della domanda. La customizzazione, invece, viene avviata nella fase di montaggio. - Purchased to order: la customizzazione sta nel processo produttivo. - Engineered to order: la customizzazione viene avviata fin dalla progettazione. Classificazione secondo i volumi di produzione: - Sistemi a flusso: massima ripetitività, flusso continuo, macchinari specifici che funzionano a regime costante. - Sistemi a lotti: lavorazione e movimentazione di quantità predefinite di materiali, con media ripetitività, macchinari generici e raggruppati in reparti per funzionalità. - Sistemi a prodotto singolo: ripetitività nulla, flusso discontinuo Classificazione secondo la realizzazione del prodotto: - Sistemi produttivi per processo: le materie prime non sono più individuabili nel prodotto finito perché sono mutate nella forma. - Sistemi produttivi per parti: Si possono distinguere le materie prime e i semilavorati nel prodotto finale. Dimensionamento della capacità produttiva Capacità produttiva nominale (di targa): Valore teorico della capacità produttiva. Capacità effettiva (o teorica): Tiene conto delle interruzioni programmate (es. manutenzioni). Produzione effettiva: Tine conto delle interruzioni non programmate (e. guasti). La flessibilità di un impianto definisce la facoltà dello stesso di essere utilizzato per ottenere prodotti differenti tra loro senza dover sostenere costi di trasformazione dei macchinari. Progettazione del layout produttivo - Layout per celle: Le macchine vengono raggruppate in modo da poter realizzare contemporaneamente articoli diversi ma “tecnologicamente simili” appartenenti alla stessa famiglia di prodotto. Impiegato per produzione di lotti medio-grandi. - Layout per processo (o per reparti): Sistema di produzione diviso in reparti nei quali vengono messe le apparecchiature che realizzano lo stesso tipo di processo. L’incidenza del tempo di setup è tanto maggiore quanto è piccolo il lotto. Viene tipicamente impiegato per lotti di piccole dimensioni. - Layout in linea (o transfer): Apparecchiature automatizzate, manodopera di basso livello, tempi di setup nulli, impiegato per volumi molto grandi. Si usa in mezzo alla linea il Buffer inter-operazionale che è una riserva di pezzi, necessaria ad alimentare i reparti a valle, ridurre il danno provocato da rotture di una stazione e assorbire le variazioni del tempo ciclo laddove siano inserite operazioni manuali. Il tempo ciclo (tc) è definito come il tempo di lavoro della macchina più lenta sommato al tempo di trasporto tra una macchina e l’altra. Valutazione del numero di fermate Possiamo avere due casi: La fermata della stazione non danneggia il pezzo Dove: n indica il numero di stazioni mentre p indica la probabilità di interruzione Se la probabilità è la stessa in tutte le stazioni si ottiene N=n*p [fermate/ciclo] La fermata della stazione danneggia il pezzo Dove la sommatoria considera la probabilità che il pezzo passi indenne Il tasso di produzione ideale orario si modifica come: Valutazione dell’effetto del Buffer inter-operazionale Se non ho il buffer devo fermare tutta la linea se il primo segmento della linea si ferma  Se mettessi un buffer di capacità infinita tra due segmenti Ottengo quindi che l’efficienza con un buffer di capacità finita mi produrrebbe un’efficienza Ex con E0 < Ex < E∞. Mi conviene avere un buffer inter-operazionale nel caso in cui E∞ risulterà molto maggiore di E0. Una linea considerevolmente lunga converrà sempre dividerla in segmenti di pari efficienza e separarli da magazzini inter-operazionali. SISTEMA FMS (FLEXIBLE MANUFACTURING SYSTEMS) Un sistema flessibile di lavorazione è un sistema altamente automatizzato che consiste di macchine CNC interconnesse da un sistema automatico di movimentazione dei pezzi controllato da un sistema distribuito di microprocessori. Un sistema per essere definito FMS deve: 1) Gestire particolari diversi 2) Accettare facilmente cambi sulla produzione, sul mix o sul volume di produzione 3) Gestire il malfunzionamento di un componente senza bloccare la produzione 4) Accettare facilmente l’inserimento di un nuovo prodotto nel mix Il layout può essere: 1) In linea: A differenza del Transfer si possono lavorare una diversa varietà di pezzi e con un ordine del tutto casuale. Il trasferimento avviene lungo una linea. 2) Ad anello: I pezzi circolano su un sistema principale di forma anellare che si arresta solo nel caso in cui deve avvenire il passaggio del pezzo dall’anello primario all’anello secondario per la lavorazione. 3) Aperto: la movimentazione avviene mediate gli AGV che portano il pezzo alle varie macchine. Anche l’assemblaggio, come la produzione, può avvenire per parti, in celle o in linee. GESTIONE DEI SISTEMI PRODUTTIVI E DEI MATERIALI GESTIONE DEI SISTEMI PRODUTTIVI Per una gestione efficacie ed efficiente è necessario: Pianificare Programmare  Gestire Con l’obiettivo di assicurare che venga prodotto sempre solo ciò che serve nei tempi e nelle quantità giuste e al minimo costo possibile. È necessario tenere in conto dei vincoli: - Esterni: domanda, tempi di consegna… - Interni: saturazione degli impianti, contenimento delle scorte, forniture… Coordinamento tra produzione e domanda: - Strategia del livellamento: produco una quantità fissa, non in funzione della domanda. Ho rischio di obsolescenza e alti costi di magazzino. - Strategia di adattamento: produco in funzione della domanda. Necessito di strutture flessibili. Alti costi di setup ma magazzino più contenuto. PROGRAMMAZIONE E CONTROLLO DELLA PRODUZIONE (PCP) La programmazione della produzione industriale viene suddivisa in: 1) Pianificazione strategica della produzione Si valuta nel lungo periodo (1-3 anni). Si formula un budget di produzione per ogni unità produttiva. Si indica quanto si dovrà produrre e quali risorse saranno necessarie. Si scelgono le strategie tra MAKE or By (Acquisire o cedere capacità produttiva). 2) Programmazione aggregata della produzione Si valuta nel medio periodo (6-12 mesi). Si formula un Piano Principale di Produzione (MPS) che analizza i vincoli di disponibilità di risorse e raggiungimento del fatturato. Si indica per ciascuna famiglia quanto produrre. Si programma: - Utilizzo della manodopera - Manutenzioni programmate - Acquisti approvvigionamenti 3) Programmazione operativa della produzione Si considera il breve periodo (1 settimana / 15 giorni). Si individuano le risorse produttive a cui affidare i lotti. Si formula il Material requirements Planning (MRP). Programmazione sui singoli prodotti tenendo conto dei vari vincoli e della distinta base. 4) Controllo della produzione Si effettua giornalmente.  Si controlla l’effettiva esecuzione del piano operativo e si monitora lo stato di avanzamento della produzione. Si controllano i consumi di materiale, tempi di attrezzaggio. È importante eseguire velocemente la correzione quando si rileva uno scostamento. GESTIONE DEI FLUSSI Lead Time aziendale rappresenta il periodo di tempo compreso tra l’inizio della prima attività e la fine dell’ultima attività di un ciclo di produzione. Lead Time del cliente: la quantità di tempo necessaria per evadere l'ordine di un cliente. Lead Time di gestione dell'ordine: tempo che intercorre tra la ricezione di un ordine dal cliente al momento in cui viene creato l'ordine di vendita. Lead Time dei materiali: il tempo necessario per ricevere i materiali da un fornitore dopo che è stato effettuato l'ordine iniziale. Lead Time di produzione/fabbrica: il tempo necessario ad un produttore per completare un ordine dopo la generazione di un ordine di produzione. Lead Time di consegna: il tempo che intercorre tra la fine della produzione e la consegna del prodotto al cliente. Lead Time cumulativo: il tempo necessario per realizzare un prodotto dall'inizio alla fine, dall'approvvigionamento delle materie prime fino al sotto-assemblaggio delle unità correlate. Tempo di produzione: il numero di giorni necessari per completare una particolare attività. Takt time: la velocità con cui i prodotti devono essere completati per stare al passo con la domanda dei clienti. GESTIONE DEI MATERIALI Bisogna considerare: - COSTI DI APPROVVIGIONAMENTO: costi fissi indipendenti dalle dimensioni del lotto - COSTI DI MANTENIMENTO DELLE SCORTE: i costi di esercizio dei magazzini, i costi per obsolescenza e deterioramento, furto, spreco, le uscite monetarie. - COSTI DI SOTTOSCORTA (rottura di stock): dovuti all’esaurimento o insufficienza delle scorte rispetto a quelle richieste dal mercato o dalla produzione. - COSTI DI SOVRA-STOCK: costituiti da maggiori costi di mantenimento generati da un’eccedenza non fisiologica di scorte non motivata né da stagionalità né da ragioni speculative. La gestione dei materiali può essere eseguita con due logiche: - Stock control (gestione a scorta): Metodo a quantità fissa o Metodo a periodo fisso. Viene usata per materiali di basso valore e alta frequenza di consumo. Generalmente anche per materiali indipendenti dalla domanda. - Flow control (gestione a fabbisogno): MRP o JIT. Viene usata per materiali di alto valore e bassa frequenza di consumo. Generalmente anche per materiali dipendenti dalla domanda. L’obiettivo è quello di avere in magazzino i materiali necessari all’attività nel momento in cui necessitano e allo stesso tempo contenere al minimo i costi di gestione del magazzino e i costi di approvvigionamento. Metodo a periodo fisso Si definisce un periodo costante in cui si verifica il livello di scorte a magazzino e in quel momento si fa un ordine di una quantità pari alla differenza tra il livello di reintegro e la scorta presente a magazzino. Il livello di reintegro (o di riordino) è definito come il fabbisogno della produzione + un certo valore di scorta di sicurezza. Dipende da tempo necessario per evadere l’ordine, ricevere la merce e renderla disponibile agli operatori). Metodo a quantità fissa Ogni qualvolta il magazzino raggiunge un livello predeterminato (LIVELLO DI RIORDINO) viene emesso un ordine pari ad un quantitativo prefissato detto lotto economico d’acquisto. Il lotto economico di acquisto è la quantità che rende minimo il costo totale di gestione delle scorte dato dalla somma tra il costo di mantenimento Cm e i costi di emissione dell’ordine Co. Material Requirement Planning (MRP) Si ordina in base a quanto definito dal Piano Principale di Produzione (MPS). Questo metodo risulta più efficiente rispetto ai precedenti. Oltre ad essere una logica di pianificazione della produzione, è un vero e proprio modulo informativo adibito alla pianificazione di dettaglio. Con questa logica è possibile controllare facilmente lo stato delle scorte, schedulare in modo preciso gli ordini di produzione ed effettuare agevolmente qualche revisione in caso di modifica del Piano Principale di Produzione. Just in time (JIT) Quindi si cerca di realizzare il prodotto giusto, nella quantità richiesta, nel momento in cui esso è richiesto e nelle condizioni pattuite dal cliente. È possibile ottenere tali obiettivi mediante un sistema pull (inizio produzione in seguito ad una richiesta) e mediante un processo di produzione senza intoppi e ben bilanciato. LEAN MANUFACTURING La Lean Manufacturing è una metodologia per ridurre gli sprechi. È stata introdotta la prima volta da Toyota nel 1930. Per spreco si intende tutto ciò che utilizza risorse senza aggiungere valore per il cliente. I sette sprechi definiti nell’originale sistema produttivo sono: 1) Trasporti non necessari. 2) Scorte eccessive. 3) Movimento non necessario di persone, attrezzature e macchinari. 4) Dipendenti inattivi in attesa o attrezzature inattive. 5) Eccessiva produzione di un prodotto. 6) Eccesso di risorse rispetto a ciò di cui un cliente ha bisogno. 7) Difetti che richiedono risorse per essere corretti. I 5 principi base della Lean sono: 1) Definisco il valore. 2) Elimino gli sprechi. 3) Creo il flusso. 4) Faccio tirare il valore del cliente. 5) Miglioro continuamente perseguendo la perfezione. Con l’introduzione dell’industria 4.0 si è migliorato molto più velocemente il concetto della Lean rispetto ai miglioramenti che si ottenevano tradizionalmente nello stesso periodo di tempo: la robotica ha migliorato la qualità della produzione, grazie ai Big Data si può seguire meglio la domanda del cliente e ridurre le scorte a magazzino, mediante la sensoristica e l’intelligenza artificiale si possono ridurre i movimenti degli operatori. La Teoria del Vincolo di Goldratt si basa sull’idea che l’anello debole di una catena determina la debolezza complessiva della catena stessa. Ogni sistema ha un vincolo (collo di bottiglia) che determina le prestazioni globali. In altre parole, si considera che l ’output totale del ciclo è dato dall’output del reparto meno produttivo dell’azienda e che tutto il surplus prodotto dagli altri reparti diventa uno spreco. Secondo la Teoria del Vincolo per organizzare la produzione bisogna seguire la metodologia Drum-Buffer-Rope: - Drum (tamburo): Tutto il sistema deve produrre al ritmo dell’anello più debole. - Rope (corda): Si rilasciano solo le materie prime che l’anello più debole riesce a gestire in modo da non creare accumuli di lavoro davanti al vincolo. - Buffer: sono dei tempi di sicurezza collocati sia prima dell’anello più debole sia in altri punti specifici, in modo da evitare che il processo produttivo si fermi a causa degli anelli non vincolanti del sistema. AGILE MANUFACTURING La produzione AGILE viene sfruttata quando si devono introdurre nuovi prodotti in un mercato in rapida evoluzione. È un tipo di organizzazione pronta a continui e talvolta imprevisti cambiamenti. Un sistema produttivo Agile deve essere: - Economicamente valido per bassi volumi di produzione (usando mezzi di produzione flessibili). - Capace di produrre su ordine del cliente (per ridurre i magazzini e merci invendute). - Capace di customizzare la produzione (creare prodotti unici per ogni cliente). MASS CUSTOMIZATION MANUFACTURING L’obiettivo è quello di produrre prodotti personalizzati con tempi di consegna e costi comparabili a quelli di un prodotto di serie. La strategia MCM può essere divisa in tre categorie: - FORM: Modifiche nel momento della consegna, permette di scegliere diverse opzioni che non modificano le caratteristiche del prodotto. (es. colore). - OPTIONAL: Modifiche durante la produzione, permette di scegliere opzioni che modificano le caratteristiche dell’oggetto. (es. motorizzazione). - CORE: Interviene a livello di progettazione e rappresenta la perfetta realizzazione del modello MCM. KPI (Key Performance Indicators) Sono indici che vengono usati per rimanere al passo con il mercato e monitorare l’efficienza aziendale. First Pass Yield o FPY (o anche Throughput yield o TPY): letteralmente è il rendimento del primo passaggio, ossia il numero di pezzi che escono da un processo, diviso per il numero di pezzi che entrano in quel processo in un determinato periodo di tempo. Cicli di produzione lenti: si tratta di cicli di produzione che richiedono più tempo del ciclo di produzione medio o ideale, ma che non comprendono un’interruzione completa della produzione. OEE (Overall Equipment Effectiveness): OEE indica l’efficacia complessiva delle apparecchiature. OEE = disponibilità x efficienza x qualità = D x E x Q L’OEE tiene conto di molti dei KPI diversi, tra cui disponibilità (perdite per inattività), prestazioni (perdite di velocità) e qualità (perdite per difetti). - Tasso di disponibilità (D): è un indicatore che quantifica il tempo totale che un impianto è reso disponibile alla produzione. D = (Tempo Operativo / Tempo totale di produzione previsto) * 100 - Indice di efficienza (E): ci permette di sapere quanto tempo impiega una macchina a completare un ciclo produttivo rispetto al tempo previsto. E = [(Numero di unità processate * Tempo obiettivo) / Tempo Operativo netto] * 100 - Tasso di qualità del prodotto (Q): misura la percentuale di produzione conforme agli standard previsti dall’azienda. Q = (Numero di unità conformi prodotte / Totale di unità processate) *100 I KPI devono essere: Quantificabili, Accessibili, Tempestivi, Significativi, Controllabili, Confrontabili. LIVELLO DI AUTOMAZIONE Rapporta il numero degli operatori rispetto al numero delle macchine. - Tipo 0: Stazione singola con operatore (n=1, wi=1, M=1) - Tipo 1: Stazione singola in grado di operare per periodi di tempo lunghi in modalità “non sorvegliata” (n=1, wi =0, M1, wi=1, M>1) - Tipo 3: Sistema a più stazioni completamente automatica (n>1, wi=0, M1, wi=0 o wi=1, M