Management Engineering - Gestione degli Impianti Industriali

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1 1 _ Gli impianti industriali Introduzione Esistono diversi tipi di impianti: • Impianti di processo (cemento, vetro, gomma, soda, alcol metilico, raffinazione del greggio, ecc.): servono impianti ausiliari per l’alimentazione delle materie prime bulk (non unitarizzate), per la fornitura dei fluidi di processo (azoto, ossigeno, argon, ecc.) e per l’eroga zione di servizi (calore, e.e., aria compressa, ecc.). Nella maggior parte dei casi si tratta di produzioni continue. Questi tipi di impianti se vengono interrotti implicano costi molto elevati per i prodotti non terminati e i prodotti che vengono prodotti durante l’accensione • Impianti di fabbricazione : produzione di oggetti tramite aggiunta di materiali • Impianti di assemblaggio : assemblaggio di tutti i materiali Definizione di impianto: L’impianto industriale può essere definito come “quella parte di una organizzazione (detta impresa o azienda) in cui, mediante opportuni mezzi tecnologici (macchine, energia, infrastrutture, ecc.), risorse economiche e umane (lavoro), si operano trasformazioni tecniche a carico di merci in ingresso per ottenere all’uscita b eni (prodotti e/o servizi) di maggior valore per l’impresa”. Un impianto industriale è quindi costituito da un insieme mezzi di qualunque specie (in genere si tratta di beni durevoli, rappresentati da opere civili, macchine, attrezzature, strumentazioni e componenti vari), ordinati al fine di sfruttare, trattare e trasformare risorse (materie ed energia) con processi di varia natura e opportunamente combinati, e utilizzati da un'impresa come strumenti per la produzione di beni (merci o servizi) a vantaggio dell'uomo. In alcuni casi non si gestisce un impianto per soddisfare la domanda ma per raggiungere un equilibrio vantaggioso. Per processo produttivo si intende l’insieme di attività che si esplicano nella trasformazione di materiali in ingresso in prodot ti finiti (beni economici) grazie a scambi di energia che comportano cambiamenti nelle caratteristiche fisiche o chimiche dei materiali stessi. Pertanto l’impianto industriale può essere visto come l’insieme del processo produttivo e di tutti i sottosiste mi gestionali che concorrono alla realizzazione delle trasformazioni. Tipologie di impianto industriale All’interno di un impianto industriale si distinguono: • impianti di produzione (o tecnologici), nei quali vengono compiute le attività di trasformazione vera e propria delle materie prime in prodotto finito (processo produttivo), in cui cioè si realizza il ciclo tecnologico; • impianti di servizio (o ausiliari) che realizzano un ciclo compiuto di trattamento di un servizio attraverso una serie di macchine e attrezzature. Classificazione degli impianti di produzione 1. In funzione della natura delle trasformazioni : si distinguono gli impianti per “tipologia di trasformazione” e si ricopre in pratica la classificazione dei “settori industriali” (chimico, tessile, 2 meccanico, siderurgico, elettromeccanico, ecc.). Quando trasformiamo lo facciamo meccanicamente o tramite processo (chimico, farmaceutico, siderurgico…) 2. In funzione delle dimensioni : grande, media, piccola impresa in relazione al numero di addetti, capac ità produttiva, capitale investito, ecc. (le soglie dimensionali differiscono a seconda del settore industriale) 3. In funzione del livello di integrazione : dipende dal numero di differenti trasformazioni che vengono svolte all’interno di un impianto: un “impianto integrato” è un impianto ove vengono effettuate la maggior parte delle fasi di trasformazione che devono essere svolte per trasformare una materia prima elementare in un prodotto. 4. In funzione del fattore produttivo rilevante: si distinguono impianti ad alta intensità di capitale di investimento in attrezzature e macchinari (capital intensive) o a elevata intensità di lavoro (labour intensive). Per la maggior parte degli impianti questa non è una scelta. 5. In funzione del diagramma tecnologico del processo: a. processi monolinea (lineari): b. processi sintetici (convergenti): c. processi analitici (divergenti): prendo una materia prima e la lavoro per otte nere risultati diversi d. processi misti (convergenti / divergenti) 6. =n funzione dell’insieme di caratteristiche progettuali e gestionali : o Tipo di flusso produttivo : ▪ produzione unitaria - produzione bassa (es. navi, satelliti, ecc.) ▪ a lotti (o a ciclo intermittente) - produzione media (es. computer, ecc.) ▪ a ciclo continua - produzione elevata (es. automobili, nylon, ecc.) o Modalità di risposta alla domanda del mercato : ▪ produzione per il magazzino (make to stock) ▪ produzione su commessa (singola o ripetitiva) - make -to-order o Modalità di realizzazione del prodotto/caratteristiche del prodotto : ▪ per parti (es. computer) ▪ per processo (es. cemento, acciaio) 3 Gli impianti di servizio: All’interno di un impianto di produzione i servizi generali assolvono ai seguenti scopi: ▪ fornire energia agli impianti tecnologici (elettrica, termica, pneumatica) ▪ stoccare e conservare in modo integro le merci e i prodotti, impiant o di servizio (magazzino) che serve a mantenere in modo integro ▪ realizzare i flussi fisici di materiale all’interno dell’impianto, impianto di material handling ▪ mantenere le condizioni microclimatiche, assicurando il benessere fisiologico dei lavoratori ▪ realizzare adeguate condizioni di sicurezza e igiene (antincendio, ventilazione, filtrazione, trattamento dei reflui, ecc.) sia all’interno dell’impianto sia nei confronti dell’ambiente esterno, valutazione dei rischi sul lavoro e impianti idraulici Tipologi e di impianti di servizio: impianti di produzione energia termica (es. generatore di vapore) , impianti di distribuzione energia elettrica , impianti idraulici (es. pompe & piping) , impianti ad aria compressa (es. compressori) , impianti di trasporto interno agli impianti tecnologici (convogliatori, AGV) , impianti di condizionamento e riscaldamento (es. fan coil) , impianti di illuminazione (es. apparecchi di illuminazione) , impianti antincendio (es. sprinkler) , impianti di aspirazione e ventilazione (e s. cappe, canali, ventilatori) , impianti di trattamento dei reflui (solidi, liquidi, gassosi) . Classificazione degli impianti di servizio Gli impianti di servizio possono essere classificati sotto tre profili diversi: 1 =n base all’entità servita: a. servizi p er i mezzi produttivi degli impianti tecnologici di produzione (es. impianto di refrigerazione) b. servizi per le persone (es. impianto di climatizzazione) 2 In base al tipo: a. servizi di alimentazione: tipicamente servizi “centrifughi”, in cui si distribuisce al le utenze un servizio prodotto da un’unità centrale b. servizi di scarico: tipicamente “centripeti”, in cui il servizio viene raccolto dalle utenze e convogliato ad un centro di raccolta 3 In base alla funzione svolta: a. servizi di produzione e distribuzione dell ’energia ▪ elettrica ▪ termica 4 ▪ fluidi in pressione b. servizi di controllo delle condizioni ambientali di lavoro ▪ condizionamento ▪ ventilazione ▪ illuminazione c. servizi di trasporto e stoccaggio materiali solidi d. servizi di trasporto e stoccaggio materiali fluidi e. servizi di interazione impianto - ambiente ▪ trattamento effluenti liquidi e gassosi ▪ trattamento acque industriali Struttura generale di un impianto di servizio 1. Generatore del servizio (servizio centrifugo) o punto di raccolta (servizio centripeto) 2. Rete di distribuzione 3. Connessione tra impianto di servizio e impianto tecnologico (utenza) 5 2 _ Obiettivi e principi del corso Obiettivo: Sostenibilità a lungo termine La sostenibilità è spesso definita come la capacità di soddisfare le richieste del presente senza compromettere la possibilità delle future generazioni di soddisfare le proprie. La sostenibilità si basa di tre pilastri: • Economico • Ambientale • Sociale Le scelte di gestione degli impianti industriali impattano fortemente sui tre pilastri della sostenibilità. Scelte oculate nella gestione degli aspetti produttivi e di impianti di servizio permettono il contenimento dei costi e l’incremento del guadagno per una sos tenibilità economica dell’azienda più robusta e duratura nel tempo… Questo ha impatti ovviamente anche sociali: lavoratori che mantengono il proprio posto di lavoro, famiglie che crescono grazie a tale lavoro, indotto di filiera e servizi associati e benes sere economico della comunità in cui l’azienda è inserita. Un’appropriata gestione delle risorse e degli associati rischi ambientali porta ad una serie di benefici, tra i quali: − contenimento delle risorse utilizzate (energetiche, materiali…), − contenimen to delle emissioni, − abbassamento della probabilità o della gravità di eventuali disastri ambientali (es. rilascio di materie tossiche nei fiumi…) − scelta di approvvigionamento di risorse alternative (energie «pulite», materiali meno tossici per ambiente, non utilizzo di materie rare…). A livello sociale parleremo solo degli impatti all’interno della fabbrica e non nella popolazione, gli impianti industriali hanno impatti di varia natura: − dai rischi alla persona (es. rischi di infortuni) − al benessere psico -fisico determinato dal tipo di lavoro svolto e dall’ambiente in cui si lavora − stress da lavoro correlato principi: soddisfacimento della domanda La capacità produttiva o di servizio deve essere adeguata alla domanda di mercato. La domanda n on deve essere soddisfatta tutta e tutta immediatamente, questo perché in questo modo si possono abbassare i costi. La domanda di beni o servizi non è costante nel tempo e può essere caratterizzata da variazioni cicliche e stagionalità e da trend positiv i o negativi nel tempo. In base alla natura del prodotto o servizio in oggetto, si determinerà se si vuole soddisfare tutta la domanda, se è necessario dimensionare la capacità su un valore medio o sul valore di picco della richiesta. Principi: uso approp riato delle risorse Le risorse non sono infinite. Quindi è necessario effettuare scelte sostenibili nel rispetto delle risorse. Le risorse naturali (acqua, suolo, aria pulita, metalli, minerali, energia, …) sono disponibili in quantità limitate e vengono c onsumate rapidamente. La tendenza all’aumento dei consumi e della produzione tendenzialmente provocherà scarsità di risorse e aumento dei prezzi. È necessario produrre più valore impiegando meno risorse, attraverso un uso più efficiente lungo il loro ciclo di vita (estrazione, trasporto, consumo, smaltimento), per limitare l’impatto sull’ambiente e i rischi dovuti alla scarsità delle risorse. 6 Il costruttore deve essere in grado di stimare il consumo di co2 prima che il suo progetto venga approvato e finanzi ato. =n ambito industriale, un uso appropriato delle risorse consente di ridurre i costi, oltre all’impatto ambientale dell’impianto stesso. Principi. Gestione dei flussi fisici (traffico) Una corretta gestione dei flussi fisici può aiutare a ridurre: − i tempi di attesa − le code − Il Work In Progress (WIP) − il tempo speso le operazioni che non generano valore Più i flussi fisici sono abbondanti più sono i soldi ‘bloccati’ nell’azienda. Ad esempio, una corretta gestione del traffico dei veicoli in città può a iutare a ridurre i tempi di attesa ai semafori, garantendo una riduzione dei tempi di percorrenza ed il parco veicoli in moto. In ambito industriale, il material handling si occupa dei metodi per ridurre i tempi (e i costi) totali di produzione attraverso un più efficiente controllo dei flussi dei materiali, una riduzione dell’inventario ed un miglioramento della sicurezza. Principi: gestione del rischio (guasti ed errori) La gestione del rischio (risk management) è il processo mediante il quale i rischi ve ngono identificati e misurati (o stimati) e successivamente si sviluppano strategie per minimizzare, monitorare e controllare la probabilità o l’impatto di eventi avversi La gestione del rischio si presenta in diversi ambiti e contesti: • operativo , ad esem pio di tipo meccanico ed elettrico, con impatti su produzione, asset e salute degli operatori; • finanziario , dove la gestione del rischio si occupa di proteggere il valore economico di una compagnia utilizzando strumenti finanziari per gestire l’esposizione a rischi legati ad esempio al credito, ai mercati o all’inflazione; • informatico , dove la cybersecurity ( sicurezza informatica) si occupa di mitigare i rischi associati all’adozione e all’utilizzo di tecnologie digitali in un organizzazione; • biologico , dove gestione del rischio significa ridurre la probabilità che un agente biologico presente nell’attività l avorativa possa arrecare danni ai lavoratori. 7 3 _ Facility manager Definizione: Disciplina che coordina lo spazio lavorativo con le risorse umane e l’attività propria dell’azienda. Il FM integra i principi della gestione economica e finanziaria d’azienda, dell’architettura e delle scienze comportamentali e ingegneristiche. Altre definizioni (meno opportune): il FM consiste nella gestione esterna di tutti i servizi non specifici dell’attività principale dell’organizzazione. =l FM è l’i nsieme delle competenze professionali capaci di gestire, pianificare ed eseguire i processi e coordinare i servizi appaltati all’esterno in un’ottica di integrazione con la realtà aziendale locale. Il facility manager è un tecnico che si occupa di gestire e fare manutenzioni ai servizi per un’organizzazione. Il Facility Management è la prassi di coordinare le infrastrutture degli ambienti di lavoro con le persone e con l’attività dell’organizzazione, coerentemente con gli obiettivi specifici dell’organiz zazione stessa. Fornitura di servizi ausiliari integrati resi ad una organizzazione (pubblica o privata). Occorre distinguere bene il FM da altre discipline in qualche modo ad esso collegate. Il facility management inizialmente si occupava solo dei servizi e impianti, ad oggi il facility manager si occupa di tutti le categorie. Building management Gestione tecnico -manutentiva degli immobili con la progettazione e realizzazione degli interventi sul patrimonio: • Gestione del calore • Gestione de gli impianti • Gestione delle opere civili • Gestione della sicurezza Property management Gestione del patrimonio immobiliare degli investimenti e dei servizi: • Ricognizione delle consistenze e dei titoli di proprietà • Assistenza alla gestione delle dichiarazi oni fiscali • Gestione delle locazioni passive e dei contratti passivi • Gestione delle locazioni attive → Controllo delle unità e dei costi degli immobili e fornitura di un supporto tecnico -gestionale. 8 Asset management Ottimizzazione del patrimonio immobi liare: • Strategie di valorizzazione immobiliare • Programmazione operativa e finanziaria • Servizi per la ricerca di nuovi locatari o compratori • Analisi e valutazione di costi e benefici • Gestione delle trasformazioni del patrimonio → Gestione strategica de l portafoglio patrimoniale edilizio (impatto sul valore complessivo dei beni). Classificazione dei servizi di facility manager L’esistenza di standard nel facility management: Nell’ambito dei costi aziendali, quanto valgono quelli relativi ai servizi ausiliari? Fra il 18% e il 29% dei costi totali. Global Service : nell’accezione più recente (norma UN= 10685) identifica “la fornitura di un servizio di manutenzione e di gestione in modo imprenditoriale completo e con responsabilità totale, anche legislativa, del risultato contrattuale circa la disponibilità alla produzione e conservazione del bene oggetto del contratto” . Concretamente con Global Service si tende ad individuare una particolare attività contrattuale di fornitura dei servizi basata s ul risultato. Outsourcing : acquisizione da terzi di determinate attività Outsourcing del Facility Management : acquisizione da un terzo della fornitura integrata di servizi ausiliari (con o senza cessione di addetti del committente). Quindi il Global Serv ice non è: − acquisizione di uno o pochi servizi tradizionali − un contratto a prestazioni − rapporto di breve termine 9 Un po’ di storia (negli USA) Anni ‘70 Le facility sono un costo. Gli attori del mondo del Facility Management sono: i proprietari delle facil ity, i fornitori di singoli servizi, i fornitori di utilities. Anni ’80 Le facility diventano un asset: impatto sul business, impatto sull’efficienza dei dipendenti. =l mondo del Facility Management ha dei nuovi attori: facility manager aziendali. Anni ‘90 La recessione dei primi anni ‘90 avvia il processo di focalizzazione sul Core Business. Le competenze dei Facility Manager interni possono essere esternalizzate. I fornitori di servizi evolvono verso integratori di servizi → Il contenuto tecnologico delle soluzioni di FM diviene più complesso. Anni 2000 Negli USA il mercato dei Servizi di Facility Management gestiti in outsourcing nel 2000 è stato stimato in circa 340 Mld di $ (375 Mld di Euro) (Fonte: Outsourcing Institute). In Europa Alla fine degli ann i ‘80 nel Regno Unito il Governo Tatcher impone agli Enti Pubblici di terziarizzare il Facility Management. Si crea un mercato e nel 1999 la spesa per servizi di Facility Management è stata stimata in circa 300 Mld di Euro (Fonte: Arko European Facility Ma nagement Fund ,1999) In Italia L’evoluzione del settore del Facility Management in =talia sta subendo una forte accelerazione che si stima porterà l’offerta ad una configurazione più simile a quelle di mercati più avanzati. La velocità del processo sarà in parte determinata dalla parallela evoluzione della domanda di servizi integrati proveniente dal settore privato e da quello pubblico. Evoluzione della fornitura tradizionale dei servizi al FM 10 4 _ Dimensionamento Che cosa significa dimensionamento? Dimensionare significa individuare i parametri ed il relativo valore che caratterizzano il sistema o il componente progettato che ne garantiscono il funzionamento e le prestazioni necessarie. Ciò deve essere svolto rispettando le specifiche tecniche del progetto, garantendone la sua affidabilità e la sua sicurezza durante l'intero ciclo di vita della risorsa. È una prestazione (es. continuità nel tempo) Approcci al dimensionamento Il dimensionamento può essere eseguito con a pprocci diversi, in base a ciò che viene dimensionato: A. Identificazione del numero di risorse necessarie, note le specifiche di progetto e le caratteristiche della singola risorsa. B. Identificazione del valore di uno o più parametri in modo da soddisfare le specifiche di progetto. In alcuni casi è possibile utilizzare entrambi gli approcci ed è quindi necessario individuare quello migliore. Approccio A Questo approccio prevede di trovare il numero di risorse necessarie a soddisfare un certo fabbisogno, parten do dalla capacità della singola risorsa. Approccio B In questo caso il dimensionamento dipende fortemente dal sistema/componente studiato, non esiste una formula generica valida sempre. Ci si riconduce all’analisi di un parametro (tipicamente una grandezza fisica) che caratterizza il funzionamento del sistem a e sulla base del quale si effettua il dimensionamento per soddisfare le richieste. Adeguati modelli matematici permettono di analizzare il sistema e di ottenere il valore richiesto con una serie di calcoli. Il dimensionamento avviene quindi dimensionando opportunamente il parametro di interesse. Esempi di dimensionamento NB: =l fabbisogno può essere un numero di pezzi (buoni) all’anno oppure ore effettivamente tornite. Numero di carrier in una flotta (logistica) – approccio A Identificazione del numero d i veicoli sufficiente a consegnare ogni spedizione senza ritardi. 11 Postazioni in un call center – approccio A Indicazione del numero di postazioni in grado di garantire ai clienti un tempo di attesa non eccessivo. Linea di assemblaggio a flusso continuo – approccio B Definizione della lunghezza minima della stazione che consente di completare tutte le op erazioni con ragionevole certezza disservizio (vedi slide per altri esempi) 12 5 _ Accumulatore polmone Dimensionamento dell’accumulatore polmone =l dimensionamento dell’accumulatore polmone prevede di determinare il numero di unità di copertura dell’accumulatore stesso. Per questo motivo appartiene all’approccio B di dimensionamento. (=l parametro fisico da determinare è il numero di unità di copertura.) L’accumulatore è impiantisticamente messo a meta tra il generatore e le utenze. Se il generatore fornisce 60u ma le utenze ne richiedono 100u, l’accumulatore mi fornisce le 40u che mi mancano. Nel secondo caso se il generatore produce 60u e le utenze ne chiedono 40u, l’accumulatore tiene le 20u in più. L’accumulatore funge sia da genera tore che da utente a seconda della situazione. Il parametro fisico da determinare è la capacità di accumulo in funzione della richiesta espressa delle utenze, date le condizioni al contorno. Quando utilizzo un accumulatore lo metto per coprire la variabi lità della domanda mentre il generatore copre la media. Mi aspetto che il generatore produca un valore costante pari alla domanda media, nei casi di variazione interviene l’accumulatore. Questo è un ciclo. L’accumulatore funzione sui cicli. NB: Gli ac cumulatori (volume di accumulazione) di dimensionano sulle quantità cumulate e NON su quelle istantanee. Per calcolare la dimensione dell’accumulatore polmone, si proceda come segue: • si definisca una politica di utilizzo del generatore. In termini analiti ci, questo porta alla definizione delle funzioni r(t) e p(t) (ad es. in m3/h) • si tracci l’integrale nel tempo della funzione di produzione p(t) e della funzione r(t), come fatto in figura nella slide precedente; P(t) è la cumulata di p(t) e R(t) è la cumu lata di r(t) (ad es. in m3) • si determini la funzione V(t) come differenza tra le due funzioni integrali, in simboli: • La dimensione D dell’accumulatore è pari a: • il volume di inizializzazione è pari al valore minimo: 13 6 _ Frazionamento Progettazione di un impianto industriale Individuazione dei requisiti di funzionamento (quantità, qualità, tempo, ubicazione della domanda, ecc.). Esame delle alternative di realizzazione disponibili. Per ciascuna di queste: • Scelta del grado di frazioname nto • Macro -selezione dei componenti dell'impianto (macchine, generatori, trasportatori, etc.) • Dimensionamento dei componenti • Scelta di localizzazione dei generatori • Check normativo: sicurezza, igiene, standardizzazione, ecc. • Analisi economica delle alte rnative Scelta dell’alternativa migliore. Esecuzione del progetto di dettaglio. Realizzazione del progetto. Frazionamento, Dimensionamento e Localizzazione La scelta del grado di frazionamento risponde alla modalità con cui si intende evadere la domanda da l punto di vista del numero degli impianti di produzione/generazione. Tale fattore è da abbinare alla scelta della localizzazione rispetto alle utenze. ▪ Frazionato è il caso di un impianto in cui la richiesta totale venga soddisfatta attraverso più unità di produzione/generazione ▪ Centralizzato è il caso in cui la potenzialità necessaria venga messa a disposizione da un impianto localizzato (eventualmente frazionato) in un’unica centrale di produzione/generazione La scelta di dimensionamento risponde alla dom anda (di mercato o delle utenze): quanta potenzialità installare, stando ai requisiti evidenziati in fase di acquisizione dati sulla domanda? Se la domanda di mercato/utenze è costante nel tempo: − esattamente la domanda − più della domanda, per avere una rise rva Se la domanda di mercato/utenze è variabile nel tempo: − la domanda massima attesa − la domanda media, nel caso in cui il prodotto/servizio sia accumulabile − sempre nel caso di prodotto/servizio accumulabile, più della domanda media (ma meno di quella massima), per avere una riserva e per risparmiare sull’accumulatore. La scelta di localizzazione (sia in termini di centralizzazione vs. decentralizzazione , che più generali di collocazione geografica in rapporto a fattori esogeni quali le esigenze di appr ovvigionamento, il mercato di sbocco, incentivi, situazione geo -politica, ecc.) prende in considerazione la modalità attraverso cui, con un’opportuna localizzazione degli impianti di produzione/generazione, ottimizzare: − le attività produttive: minore costo dei fattori produttivi (es. materiali), contesto più adatto (es. minori restrizioni legislative, tassazione) − le attività di distribuzione: prossimità alle utenze: minori costi, minori tempi Si possono affrontare problemi di ricerca della migliore localiz zazione di un impianto di produzione/servizio all’interno di una rete di utenze. Alcuni esempi: − un solo generatore, da posizionare nel luogo più opportuno − più di un generatore, tutti posizionati in un unico luogo opportuno − più di un generatore, ciascuno po sizionato vicino a particolari utenze (o gruppi di utenze) 14 I concetti tecnico -economici Per impostare correttamente l’analisi economica, analizziamo quali sono i diversi termini che andranno presi in considerazione: Costi di impianto : Impianti di produzione/servizio, Sistemi di accumulo e riserva, Impianti di distribuzione. Costi di esercizio : Produzione, Distribuzione (trasporto merci, pompaggio, perdite nella rete e negli accumulatori, …), Costi opportunità legati alla mancata produ zione/servizio Obiettivo : minimizzare il costo totale Economie di scala Si definisce economia di scala quel fenomeno tecnico -economico per cui, al crescere della potenzialità di un impianto, si osserva che: • il costo fisso cresce , ma in modo meno che pr oporzionale rispetto alla maggiore potenzialità; questo si può osservare: nel costo di acquisto dell’impianto e in tutti i costi indiretti (es. personale di supervisione, manutenzione, ecc.); • il costo variabile di produzione unitario del prodotto/servizio decresce; Le economie di scala sono un fenomeno intimamente connesso ad un cambiamento nella tecnologia dell’impianto. Non lo si confonda quindi, in tipica ottica contabile, con l’effetto di riduzione del costo pieno industriale legato alla ripartizione d ei costi fissi (costi fissi di impianto + costi fissi del servizio reso) su un volume maggiore di produzione. 15 I costi di manutenzione possono ritenersi proporzionali al costo d'impianto, se non crescenti in modo ancora più lento. Il costo del lavoro è anch ’esso meno che proporzionale alla potenzialità dell'impianto, soprattutto nel caso di impianti a elevata automazione. Ad esempio, negli impianti chimici il fattore di scala del costo del lavoro è stimato in m = 0,25. L’impatto sui costi variabili: Come de tto, il costo variabile unitario di produzione tende a diminuire all’aumentare della potenzialità di un impianto. Questa riduzione si ripercuote in modo proporzionale sul costo complessivo, generando quindi un risparmio economico. Possibili determinanti so no: • il cambiamento intrinseco della tecnologia (es. da realizzazione per lavorazione con asportazione di truciolo a realizzazione per stampaggio) • il cambiamento nella configurazione del sistema produttivo (da configurazione per reparti a linea) • minori perd ite energetiche per maggiore cura progettuale Si definiscono diseconomie di scala i maggiori costi che si generano (a livello di costi fissi e variabili) al crescere della dimensione dell’impianto. Ad esempio: • Costo di impianto: rete di collegamento generatore -utenze • Costo di esercizio: perdite energetiche lungo la rete di distribuzion e (c’è diseconomia di scala quando l’aumento dei costi di distribuzione è più consistente dei risparmi dovuti al miglioramento del rendimento del generatore) Si definisce economia di scopo (sinergie) quella riduzione di costo che, a parità di livello di attività (= fatturato o ricavi), si realizza grazie all’introduzione di un impianto che possa essere sfruttato anche da altre produzioni già attive in azienda. Elasticità di funzionamento Possibilità di variare i livelli produttivi senza aggravi sensibili nei costi unitari di produzione. Solitamente, impianti di grandi dimensioni presentano una elasticità inferiore, dovuta alle particolari condizioni chimico - fisiche in cui operano. Pertanto, non frazionare in regime di elevata correlazione tra i picchi di domanda può generare forti costi legati all’inelasticità dell’unico grande generatore centrale. 16 Configurazione della rete di trasporto: In sintesi: 17 7 _ Utilizzo delle variabili economiche nella progettazione e gestione degli impianti La funzione di produzione di un impresa Massimizzazione dell’eccesso tra valore del prodotto e valore dei fattori impiegati nella produzione. Massimizzazione dell’utile: R – C = U Questa relazione va riferita a tutta la vita prevista per l’impianto (N anni): =n un’economia di mercato il valore del prodotto è determinato dal prezzo di vendita che si determina nell’incontro tra domanda e offerta (il prezzo è una leva di m arketing). L’impresa può entro certi limiti variare a suo piacimento l’intensità con cui i fattori di produzione vengono utilizzati per dare origine al prodotto/servizio (es. diverso grado di automazione). Costo di impianto e di esercizio Ai fini della pro gettazione degli impianti occorre operare con una classificazione dei costi che tenga conto dell’istante, nell’arco della vita utile dell’impianto, in cui il singolo costo viene sostenuto: Costo di impianto : istante iniziale Costo di esercizio : nel corso d ella vita dell’impianto Nota: Nel corso della vita di un impianto si possono fare investimenti sull’impianto stesso (revamping, miglioramento efficienza/potenzialità produttiva, automazione, ecc.). Il Costo di impianto è La somma dei mezzi monetari necessari perché l’impresa possa disporre dell’impianto pronto a produrre. La determinazione del costo di impianto è utile per: • Conoscere l’ammontare totale dei finanziamenti necessari • Predisporre un piano di ammortamento per valutare l’incidenza del capitale fisso sui costi di esercizio e valutare così la convenienza economica Il costo di esercizio è la somma di tutti i costi da affrontare in un dato periodo di tempo (€/anno) per far funzionare correttamente l’impianto: ▪ Costo variabile (o costo te cnico): Energia, Lubrificanti, Materie prime… ▪ Costo fisso: Ammortamento del Costo di =nvestimento, Manutenzione, Personale, Assicurazioni… Costi di inefficienza =l costo di inefficienza o di mancanza rappresenta l’onere che l’azienda sostiene per il fatto che gli impianti, per motivi di progettazione o conduzione, non rispondono agli standard di capacità produttiva per cui sono stati concepiti (es. fermi per guasto). Non corrisponde ad un vero flusso di cassa, ma è piuttosto un costo figurativo, pagato in t ermini di riduzione del volume produttivo. Il costo di inefficienza è tendenzialmente riconducibile al mancato reddito, ovvero Ci = Margine Contribuzione (perso) = Ricavo (persi) – Costi V (non sostenuti) 18 ma possono esserci anche dei costi aggiuntivi: magg ior spesa per recuperare il prodotto da terzi costi non facilmente quantificabili associati alla perdita di immagine, di un cliente e/o di una certa quota di mercato maggiore costo fisso per sovradimensionare l’impianto. Il costo di inefficienza dipende qu indi anche dal comportamento d’acquisto dei clienti a fronte di uno stock - out. Due tipologie di costi sono associati a questo evento: ▪ Costi fisici : amministrativi, penali, duplicazione attività (emissione documenti, …) ▪ Costi figurativi : mancate vendite att uali e future Una economia nei costi variabili o di mancanza può essere conseguita al prezzo di maggiori costi fissi (es. aumento della disponibilità del sistema). Una economia nei costi di impianto comporta un aggravio nei costi variabili e/o di mancanza di esercizio. La durata dei beni strumentali e il rinnovo degli impianti Vita fisica : usura fisica Vita possibile : cambiamento delle caratteristiche quantitative e qualitative del prodotto Vita utile : obsolescenza, ovvero l’impianto non è più in grado di produrre a costi competitivi rispetto ad una tecnologia aggiornata: − diminuzione dei ricavi dovuta a impianti concorrenti più efficienti (progresso tecnologico) − aumento dei costi di produzione dovuto al progressivo logorio (manutenzione, perdita d i resa, riduzione disponibilità) La decisione di acquisto iniziale di un impianto è corretta se si verifica la seguente relazione: ovvero se il costo di impianto è inferiore al valore della somma dei margini attualizzati che l’impianto potrà fornir e durante il suo funzionamento. La decisione di acquisto di un nuovo impianto deve essere valutata unicamente con riferimento ai flussi di cassa futuri. Non vanno considerati i costi passati (es. case, capannoni, azioni, …). Un flusso di cassa F ha valor e diverso a seconda che si realizzi oggi o tra 1, 2 o t anni. il present value o valore attuale (PV) è: 19 Il Present Value Annual (PVa) rappresenta il valore attuale di T pagamenti unitari posticipati, per T anni e con un costo del capitale k. I crit eri di valutazione degli investimenti I principali criteri di investimento usati dalle aziende sono: • Net Present Value ( NPV ) o Valore Attuale Netto (VAN) • Internal Rate of Return ( IRR ) o Tasso Interno di Rendimento (TIR) • Pay Back Time ( PBT ) o Tempo di Recup ero (TR) Net Present Value (NPV) Il Net Present Value (NPV) o Valore Attuale Netto (VAN) rappresenta l’incremento di valore economico dell’impresa associato all’investimento. =n altri termini, esso rappresenta il valore che ha per l’impresa la possibilità di realizzare l’investimento. È dato dalla somma al gebrica dei flussi di cassa netti associati all’investimento, attualizzati. La formula generale è Nel caso in cui l’investimento sia interamente concentrato nell’istante iniziale (I0) ed abbia un valore terminale VT, tale formula si può esprimere come : =l Net Present Value indica, in termini assoluti, qual è il valore netto creato dall’accettazione dell’investimento. Il criterio da seguire per un singolo investimento è: Se NPV ≥ 0 → accettare l’investimento Se NPV < 0 → rifiutare l’investimento Tra pi ù investimenti alternativi, verrà scelto quello che aumenta maggiormente il valore dell’impresa, ossia quello con NPV superiore (rapportato al valore dell’investimento iniziale). Internal Rate of Return (IRR) L’=nternal Rate of Return (=RR), o Tasso =ntern o di Rendimento (TIR) o Discounted Cash Flow Rate Of Return (DCFROR), è il tasso di attualizzazione che rende uguale a zero il NPV di un investimento. L’=RR è quindi quel particolare tasso di attualizzazione che rende equivalenti i valori dei flussi di cas sa positivi e negativi di un progetto. 20 L’=RR può anche essere visto come quel tasso massimo al quale prendere a prestito le risorse finanziarie per realizzare il progetto di investimento, affinché permanga la sua convenienza economica. L’=RR indica il rendimento lordo di un investimento. Per valutare la convenienza di un investimento esso va confrontato con il costo del capitale k (%/anno). Il criterio decisionale da seguire nel caso di un singolo investimento è: Se =RR ≥ k → accettare l’inves timento Se IRR < k → rifiutare l’investimento Tra più investimenti alternativi, verrà scelto quello con IRR maggiore. Pay Back Time (PBT) Il Pay Back Time (PBT), o Tempo di Recupero (TR), rappresenta il tempo necessario affinché i flussi di cassa generati eguaglino l’esborso iniziale. =n altri termini, esso indica il numero di anni in cui l’investimento si ripaga. Il Pay Back Time attualizzato rappresenta il tempo necessario affinché i flussi di cassa generati eguaglino l’esborso iniziale, garantendo anche all’investitore la remunerazione richiesta. Senza attualizzazione è un indicatore grossolano e sbagliato. Il Pay Ba ck Time può essere utilizzato come criterio di valutazione dell’investimento. Il criterio da seguire per un singolo investimento è: Se PBT ≤ Valore soglia → accettare l’investimento Se PBT > Valore soglia → rifiutare l’investimento Tra più investimenti alt ernativi, verrà scelto quello con PBT inferiore, a cui corrisponde un rischio minore nella valutazione dei flussi di cassa previsti futuri. 21 8 _ Affidabilità e disponibilità degli impianti Continuità di funzionamento Obiettivi: • mantenere la per formance attesa durante tutta la vita utile di sistemi e impianti tecnologici complessi • assicurare il funzionamento regolare e il buono stato di conservazione degli impianti produttivi, dei servizi e delle attrezzature ponendo attenzione anche a: • aspetti patrimoniali, tecnologici, economici e umani • trattazione generale, ovvero applicabile a sistemi e impianti del mondo industriale e dei servizi Nel diagramma sono rappresentate le curve dei costi di impianto e di inefficienza Se la mia linea non si ferma mai i costi di inefficienza diminuiscono. I costi di inefficienza includono i mancati g uadagni e i costi diretti e indiretti causati dal fuori servizio dei sistemi. I costi di impianto comprendono i costi di investimento e manutenzione. Il nostro obiettivo è quello di minimizzare la somma dei costi e trovate il punto di ottimo economico. Cos to di inefficienza di esercizio (o di mancanza): • Inefficienza tecnica causata da guasti • Cause esterne di natura organizzativa (mancanza ordini di lavoro, materiali, manodopera, …) → margine di contribuzione della mancata produzione Scopo dell’analisi affidabilistica è comprendere i fenomeni e le cause di guasto che, su base statistica, affliggono un impianto rendendolo indisponibile alle attività produttive. Dall’analisi affidabilist ica è possibile: − stimare il costo della non disponibilità e, con questo, il costo del ciclo di vita − valutare economicamente la validità di interventi volti a ridurre l’indisponibilità − ottimizzare la disponibilità operativa e stimare la durata di un compo nente e/o di un sistema. In altri termini questa analisi contribuisce a determinare e a migliorare la qualità di un componente e/o sistema. Storia della manutenzione Nel mondo antico, prima del 1900, la manutenzione era di tipo correttiva, avveniva nel mo mento in cui si verificava il guasto il quale venire aggiustato manualmente. Nei primi anni del 900 la manutenzione diventò preventiva perché si sapeva che dopo un certo tempo di utilizzo l’impianto avrebbe smesso di funzionare. Con la seconda guerra si è sviluppata la logistica di supporto. Bisognava fare in modo che le competenze, le attrezzature e il personale arrivasse nel momento giusto in cui c’era la necessita di manutenzione preventiva. Negli anni ’60 si sono sviluppate tecniche di diagnostica, olt re ad aggiustare il guasto veniva studiata l’origine del guasto per conoscerla in futuro e poter intervenire per tempo. Dagli anni ’70 la manutenzione è diventata un’attività standardizzata. 22 Oggi la manutenzione può essere effettuata in outsourcing, il che funzione anche delle imprese. Affidabilità Per affidabilità di un componente (macchina o impianto) si intende la probabilità che il componente funzioni correttamente senza guasti per un tempo assegnato, in predeterminate condizioni amb ientali. L’affidabilità è una grandezza di natura probabilistica ed è misurabile quindi su basi statistiche, note le frequenze relative di guasti avvenuti in corrispondenza di vari tempi di funzionamento. L’affidabilità (reliability, R) si ottiene da un’a nalisi probabilistica. R=R (C, A, t) − Criterio o condizione di guasto (C) → sistemi bi -stabili (funziona o non funziona) vs. sistemi a limite ammissibile − Condizioni ambientali (A) − Intervallo di tempo (t) Se C e A sono noti (fissati) l’affidabilità R divent a una funzione del tempo R = R(t) con t variabile aleatoria N0 = N g(t) + N f(t) N0 = numero componenti in prova al tempo t = 0 Ng(t) = numero componenti guasti al tempo t > 0 Nf(t) = numero componenti funzionanti al tempo t > 0 Densità di guasto: Probabilità (f) che il componente o il sistema si guasti ad un istante di tempo prefissato (ora, giorno, … - intervallo ∆t→0), a partire dall’istante di inizio servizio. f(t2− t1)= Ng (t2− t1) Nt Probabilità cumulata di guasto : Probabilità (F) che il componente o il sistema si guasti entro un istante prefissato (ora, giorno, …), cioè non sopravviva in uno stato di buon funzionamento fino a quell’istante. F(t2)= F(t1)+ f(t2− t1) F(t) è una funzione cumulata di probabilità, ovvero è la probabilità che il tempo al guasto tf (variabile aleatoria) sia < t. Da F(t) si ricava f(t): f(t) è una densità di probabilità, ovvero è la probabilità che un componente messo in prova al tempo t = 0 si guasti nell’intervallo [t, t+dt]. Probabilità che il componente o sistema funzioni correttamente (C, condizione di guasto) senza guastarsi per un periodo di tempo assegnato (t) e in predeterminate condizioni ambientali (A). R = 1 – F 23 Tasso di guasto z(t): Probabilità che il componente o sistema che abbia funzionato fino ad un certo istante prefissato (quindi con un certo valore di affidabilità a quel tempo), si guasti nel periodo di tempo (ora, giorno, … - intervallo ∆t→0) immediatamente succe ssivo . Il tasso di guasto è una misura del rischio immediato di guasto di un componente o sistema che ha già “vissuto” per un determinato tempo. È pari al rapporto tra il numero di guasti in un intervallo di tempo e il numero dei componenti/sistemi ancora funzionanti all’inizio del periodo considerato È il limite, se esiste, del rapporto tra la probabilità condizionata che l’istante T di un guasto di un componente o sistema cada entro un dato intervallo di tempo (t, t+∆t) e la lunghezza di questo interv allo ∆t quando ∆t tende a zero, supposto che il componente/sistema sia disponibile all’inizio dell’intervallo di tempo Quindi z(t) rappresenta la variazione istantanea del numero di unità funzionanti (a causa di quelle che si guastano) rispetto a quelle fu nzionanti all’inizio di dt; le sue dimensioni corrispondono a (tempo) -1. Analiticamente: Integrando con l’ipotesi: z(t) = λ = cost, ovvero ipotizzando che la variazione di unità funzionanti non dipenda dal tempo (il componente non modifica la sua “propensione” al guasto a seguito di usura e/o invecchiamento). Otteniamo → Due tipologie principali di guasto: • Guasti accidentali • Guasti per usura (corrosione, fatica, degradazione, …) Fattori che influenzano il tasso di guasto: − Car atteristiche del componente/sistema (tipo, taglia, ecc.) che dipendono da: standard di progettazione materiali utilizzati tecniche di fabbricazione controllo di qualità tecniche di installazione tipologia start -up procedure operative a regime − Fluid o di processo − Condizioni ambientali (interne, esterne) − Strategia di manutenzione − Modo di guasto, causa di guasto, severità sollecitazioni (dipendenti, ad esempio, dall’età dei componenti) 24 Disponibilità Probabilità che un sistema svolga correttamente la sua funzione al momento della domanda d’uso. Probabilità che un sistema svolga la funzione richiesta in determinate condizioni (d’uso e ambientali) ad un istante di tempo o durante un intervallo di tempo supponendo che siano assicurati i servomezzi necessari (energia elettrica, combustibili, aria compressa, ecc.). Per disponibilità di un componente (macchina o impianto) si intende la percentuale di tempo di buon funzionamento rispetto al tempo totale per c ui è richiesto il funzionamento dello stesso. La differenza fra i due tempi è data dai tempi di fermata per guasto/riparazione. Definizione operativa di disponibilità: • Il valore medio della disponibilità in un intervallo di tempo è calcolabile come il rapporto fra il tempo di funzionamento alle condizioni stabilite (senza guasti) e il tempo di funzionamento richiesto (se il tempo di osservazione è sufficientemente lungo per descrivere correttamente il comportamento del sistema) • Da un punto di vista esclus ivamente economico , quando il costo medio delle riparazioni (in tempo e materiale) su di un sistema rappresenta una piccola frazione del costo iniziale, il sistema viene definito riparabile • Quanto più velocemente si può riportare in servizio un sistema, t anto più viene minimizzato l’effetto del guasto Disponibilità (Availability) = A(t) Indisponibilità (Unavailability) = Q(t) = 1 – A(t) Manutenibilità G(t): Attitudine di un sistema al ripristino, in un tempo predefinito, della sua capacità di fornire le prestazioni previste quando le attività di manutenzione sono eseguite in conformità alle procedure prescritte e con i mezzi indicati. Probabilità che un sistema sia mantenuto o riportato alle condizioni funzionali/operative nominali entro un prefissato pe riodo di tempo. Tasso di riparazione z g(t): Il tasso di riparazione z g(t) è la variazione istantanea del numero di unità guaste, a causa di quelle che vengono riparate (dimensionalmente z g(t) è un tempo -1). Conoscendo z g(t) si può calcolare la manutenibili tà G(t) (probabilità che il componente/sistema possa essere riparato entro il tempo t). Analogamente all’affidabilità e al tasso di guasto, se z g(t) = cost = µ. Fattori che determinano il valore di manutenibilità: • Accessibilità (accessibility): un si stema deve essere progettato in modo che ogni sua parte e relative pertinenze permettano ispezioni, riparazioni, revisioni e sostituzioni, tenendo anche conto delle attrezzature necessarie • Estraibilità (dismounting): durante una azione manutentiva, deve e ssere possibile sconnettere ed asportare ogni apparato senza che vi sia obbligo di coinvolgere altri apparati non direttamente correlati alla specifica azione • Manipolabilità (handiness): tutti gli apparati soggetti a smontaggio previsto da atti manutentiv i devono essere progettati in modo da essere facilmente trasportabili (peso, forma, tossicità, agganci di sollevamento, etc.) • Pulibilità (cleaning -friendliness): comparti, apparati, etc. devono essere progettati in modo da facilitare al massimo le operazioni di pulizia • Unificazione (standardisation): già allo stadio di sviluppo, devono essere applicate soluzioni atte ad avere la minima diversificazione possibile tra le entità del sistema, ovvero si dovrà cercare di 25 ottenere il massimo numero di part i intercambiabili, usando componenti standard ogni volta sia possibile • Intercambiabilità (interchangeability): un componente può essere sostituito da uno simile senza che le prestazioni di sistema ne risentano significativamente; la sostituzione deve esse re ovviamente compatibile in “form, fit, function” • Testabilità (testability): il grado di testabilità (misurabilità) di una parte, sotto specificate condizioni, deve essere considerato già dallo stadio di sviluppo; tale grado deriva da un bilanciamento tr a i requisiti richiesti e i costi correlati È il valore atteso del tempo al guasto [UNI 9910], ovvero è il tempo che mediamente il componente trascorre nello stato di buon funzionamento prima del guasto: Quindi λ= 1 MTTF e analogamente dimostro che MTTR = 1 µ. Quindi la disponibilità è il rapporto tra il tempo per cui il componente o il sistema può funzionare e il tempo totale per cui è richiesto il servizio (è un valor medio percentuale) Indisponibilità (Q) : Probabil ità che un’entità non sia in grado di eseguire una funzione richiesta in determinate condizioni e ad un dato istante, assumendo che i mezzi esterni necessari siano assicurati 26 Affidabilità e disponibilità dei sistemi Si definisce sistema un insieme di elementi/componenti interagenti realizzati per raggiungere determinati obiettivi. Scopo di un sistema è di fornire una determinata prestazione. Dal punto di vista dell’affidabilità interessa studiare la probabilità di qu egli eventi, originati dai guasti ai componenti del sistema, che portano, nel tempo, al mancato conseguimento della prestabilita funzione del sistema. Componente non riparabile : un componente non riparabile rimane nello stato di guasto per l’intera durata della missione (solo al termine della missione può essere sostituito) Componente riparabile : componenti per i quali attraverso interventi di riparazione o sostituzione il sistema è riportato entro le condizioni stabilite per il suo corretto funzionamento. Allo stato di guasto segue, con un certo ritardo (tempo riparazione), un nuovo stato di funzionamento all’inizio del quale il componente è “come se fosse nuovo” (as good as new). Cause dei guasti di componenti e sistemi • Sollecitazioni, fatica, urti : oltr e all’intensità ed alla distribuzione di carichi nel tempo, influiscono le caratteristiche strutturali dei materiali e l’eventuale presenza di difetti o altri stati particolari • Temperatura : oltre al suo livello, è importante la distribuzione nello spazio e nel tempo delle sorgenti di calore, l’inerzia termica e la capacità di trasmissione del materiale dei componenti • Usura : l’usura è dovuta a fenomeni di attrito, ad insufficiente dissipazione del calore e ad esposizione ad elevati livelli di radiazione • Corrosione : è un fenomeno che dipende dalle caratteristiche chimiche dell’ambiente e da quelle chimico -fisiche dei materiali, da fenomeni elettrici, dalla contemporanea presenza di sollecitazioni Si generano diverse situazioni; particolarmente importanti so no le seguenti: Sistemi non riparabili : costituiti da componenti non ripristinabili (non riparabili o non sostituibili). Il primo passaggio dallo stato di funzionamento a quello di guasto del sistema è irreversibile. In questo caso se ne esprime l’affidabi lità (R = Reliability), ovvero la probabilità che non si guasti entro il tempo di missione t Sistemi riparabili : costituiti da componenti ripristinabili (riparabili o sostituibili). In questo caso si ha un'alternanza di intervalli di tempo con il sistema rispettivamente nello stato di funzionamento e di guasto. In questo caso se ne esprime la disponibilità (A = Availability), ovvero la percentuale del tempo di missione trascorsa in condizioni di buon funzionamento. È possibile inoltre distinguere: ▪ Sistemi non ridondanti : sono quelli che risultano guasti non appena si guasta un componente ▪ Sistemi ridondanti : sono quelli che non si guastano se si guasta un componente Un sistema di componenti si può classificare in base al modo in cui sono interconne ssi i componenti: ▪ Sistema serie : tutti i componenti devono funzionare perché il sistema funzioni ▪ Sistema parallelo : è sufficiente che un componente funzioni perché il sistema funzioni Oppure in base alla modalità operativa di eventuali componenti in stan d-by (solo sistemi parallelo): ▪ Stand -by freddo : nel caso in cui il componente di riserva sia disattivo quando il componente normale è operativo ▪ Stand -by caldo : nel caso in cui il componente di riserva sia comunque utilizzato, magari a regime ridotto, qua ndo il componente normale è operativo. In questo modo il componente di riserva è subito pronto ad intervenire SISTEMA SERIE Se un elemento qualsiasi non funziona, l’intero sistema non funziona Rserie (t) = R1(t) x R2(t) x … x Rn(t) = Πi Ri (t) L’affidabilità di un sistema serie è sempre minore della minima affidabilità dei suoi componenti. L’incremento maggiore di affidabilità si ottiene intervenendo sul componente meno affidabile. 27 SISTEMI PARALLELO Basta che un solo elemento funzioni perché il sistema funzioni Rpar(t) = 1 -[(1 -R1(t)) x (1 -R2(t)) x … x (1 -Rn(t))] = 1 - Πi [1 -Ri (t)] L’affidabilità di un sistema parallelo è sempre maggiore della massima affidabilità dei suoi componenti. L’incremento maggiore di affidabilità si ottiene intervenendo sul componente più affidabile. I sistemi ridondanti , si chiamano anche sistemi “a ridondanza maggioritaria” rappresentano il caso generale dei sistemi di tipo parallelo in cui, affinché il sistema funzioni sia necessario che funzionino almeno k degli n elementi in parallelo Esempio: tre pompe parallele id entiche (A, B, C), di affidabilità 0,8, sono in grado di erogare ciascuna il 50% della portata richiesta da un’utenza. La ridondanza può essere per sistema o per componente La ridondanza per componente è più favorevole da un punto di vista affidabilistico Perché è importante calcolare l’affidabilità e la disponibilità di un sistema? − Determinare la sicurezza di funzionamento, sulla base dei dati disponibili (storici, tecnici ecc.) − Definire la politica di manutenzione preventiva per la conoscenza dell’effetto prodotto dal guasto − Individuare le cause di malfunzionamento allo scopo di studiare azioni correttive − Progettare un sistema con prefissata affidabilità − Assicurare la continuità di funzionamento richiesta 28 9 _ Fault Tree Analysis (FTA) La FTA è un metodo di analisi di tipo deduttivo, è un’analisi generale del tipo di guasto per l’individualizzazione dei guasti sui singoli componenti. Alcune definizioni Evento indesiderato o “Top Event”: è il guasto del sistema da esa minare: ha un numero n di eventi (nodi del sistema) che lo precedono e lo determinano ma nessun evento che lo segue. Combinazione di cause : accadimento simultaneo di guasti degli elementi funzionali che portano all’evento indesiderato. Unità esaminata : è l ’oggetto da esaminare, identificato dalle sue caratteristiche funzionali e costruttive (sistemi, componenti ed elementi funzionali). Componente : è l’unità esaminata di livello più basso alla quale possono essere assegnati uno o più elementi funzionali. Ris ultati conseguibili con la FTA: − È in grado di fornire informazioni qualitative e quantitative riguardanti l’affidabilità del sistema − Permette di descrivere il sistema e il suo comportamento di insuccesso funzionale come una catena causale di effetti − Per mette di riconoscere sistematicamente i percorsi critici di guasto (analisi causa/effetto) − Permette di identificare tutte le combinazioni degli eventi che conducono al top event − Permette di identificare le combinazioni minime di eventi di un sistema che conducono al top event (Minimal Cut Set – MCS) − Il calcolo della probabilità di accadimento del top event permette di esprimere un giudizio sull’accettabilità della probabilità calcolata − È possibile procedere a un’analisi di sensitività sugli eventi primar i rispetto agli effetti sul top event − Nel caso di non accettabilità occorre individuare quali eventi primari determinano tale inaccettabilità e quali possono essere gli interventi − Nella scelta degli interventi devono essere considerati fattibilità, compl essità, costi e tempo di realizzazione Strumenti per l’applicazione della FTA 29 Minimal cut set (MCS) 1. Dallo schema grafico di un albero dei guasti si ricava la formula di struttura dell’albero 2. Con le regole dell’algebra booleana si ricava la formula di struttura semplificata dell’albero 3. Si identificano i MCS relativi all’albero dei guasti Un MCS rappresenta la più piccola combinazione di eventi primari che, se avvengono, causano il Top Event (TE). I MCS defi niscono i failures modes del TE. Il TE è dato dalla somma (unione) dei MCS. 30 Probabilità di accadimento del TE (p oppure Q) a) MCS i mutuamente esclusivi: p(TE) = p(MCS 1) + p(MCS 2) + p(MCS 3) + … b) In generale (r = numero di MCS): p(TE) = S 1 – S2 + S 3 – … ( -1)r-1 ⋅Sr S1 = p(MCS 1) + p(MCS 2) + p(MCS 3) + … S2 = p(MCS 1)⋅p(MCS 2) + p(MCS 1)⋅p(MCS 3) + … S3 = sommatoria dei prodotti del terzo ordine ... N.B. La probabilit à di accadimento del TE corrisponde all’indisponibilità del TE Numero atteso dei guasti del TE (W) =n un intervallo di tempo, W indica il numero atteso di volte che si verifica il TE in seguito all’accadimento degli eventi che costituiscono il MCS. Se, ad esempio, MCS = {A, B} e l’intervallo di tempo è pari a T: N.B. La porta INH si utilizza, ad esempio, quando uno degli eventi che definiscono il MCS rappresenta il guasto di un sistema di sicurezza (B) che deve intervenire in seguito al guasto del sistema principale (A) Le regole con cui si calcola W(TE) sono le stesse viste per p(TE) a proposito dell’unione dei MCS: W(TE) = S 1 – S2 + S 3 – … Limite superiore e limite inferiore Il termine S 1 corrisponde al limite superiore ( upper bound ) Il termine S 1 – S2 rappresenta il limite inferiore ( lower bound ) Il valore esatto di P(TE) o di W(TE) è compreso tra questi due limiti Si può dedurre che alberi differenti tra loro come numero e tipo di porte logiche possono però portare agli stessi risultati, ovvero esse re ridotti agli stessi MCS. In questo caso si dice che gli alberi sono logicamente equivalenti. Risulta quindi del tutto normale che alberi dei guasti disegnati da progettisti diversi e riferiti allo stesso impianto e allo stesso Top Event possono avere as petti diversi; la loro analisi logica deve però condurre a risultati identici, se i diversi alberi esprimono le stesse conoscenze. 31 10 _ La sicurezza sul lavoro negli impianti industriali Gli infortuni e la malattia sul lavoro sono due aspetti differenti. Gli infortuni si possono descrivere precisamente nel tempo e nel modo in cui succedono, la sicurezza sul lavoro si impegna a ridurre gli infortuni sul lavoro. La malattia non guarisce nel tempo come un infortunio, è dovuto a delle esposizioni prolungate nel tempo. L’=nail è riconosciuto come l’unico organismo di assicurazione sul lavoro. Ciò garantisce che chiunque venga trattato allo stesso modo, inoltre essendo un istituto statale non pu ò fallire. Ci sono numerosi studi effettuati sulla piramide di Heinrich, che rivelano questi dati. Per un infortunio grave in un dato periodo c’è stato un ordine di grandezza in più di infortuni non gravi e due ordini di grandezza in più di quasi incident i. Una azienda non può aspettare che si verifichi un incidente grave prima di conoscere come muoversi. Nel caso di infortuni gravi l’azienda deve essere temporaneamente chiusa per cercare di conoscere il motivo per cui questo incidente è accaduto. In Itali a molti near miss non vengono dichiarati perché ciò significa autodenunciarsi e probabilmente venire puniti. Molti dipendenti non seguono gli indicazioni e questo può causare i near miss. L’indice di frequenza è un misuratore che definisce gli infortuni i n base alle ore lavorate. Il risultato è solitamente un numero che varia da 1 a 80/90.L’indicatore di frequenza indica la stima di probabilità, il quale racconta il passato e dice che se il passato rimane invariato si avrà di nuovo lo stesso indicatore di frequenza. L’indice di gravità indica l’impatto che ha l’infortunio. Talvolta si ricorre alle medie triennali. C’è una forte correlazione tra