Automazione manifatturiera come modello di azienda e lean production

Nel corso del prossimo anno nel settore manifatturiero si prevede una spinta verso l’automazione. Nello specifico, si prevede che aumenterà la domanda di soluzioni di automazione aperte, semplici e flessibili. Strumenti di sviluppo software e linguaggi di programmazione comuni saranno usati sempre più diffusamente e, sempre più spesso, i processi di engineering diventeranno interamente digitali. Cogliendo le tendenze in atto e integrandole nei loro processi, le aziende hanno la possibilità di far evolvere ulteriormente le loro strutture di automazione. Con queste premesse, concetti come quello di Automazione Manifatturiera e Lean Production sono essenziali per le figure professionali del domani. L'articolo fornisce una panoramica generale sul mondo industriale che ci circonda rendendo il lettore in grado di approfondire i diversi concetti ed iniziare a districarsi in questo mondo.

Introduzione

I moderni sistemi di produzione industriali possono essere visti come macchine complesse, paragonati a degli orologi, in cui anche il più piccolo ingranaggio concorre al corretto funzionamento dell'intero sistema e senza il quale si può arrivare a rallentamenti della produzione o a blocchi dell'interno sistema. Partendo da tali assunti, va da sé che un approccio sistematico, fondato su solide basi teoriche, sia necessario per garantire non solo elevati indici di produttività ma anche il benessere del lavoratore. Di fatto, contrariamente a quanto si possa pensare, le aziende investono sulla salute psico-fisica del lavoratore, pena uno scarso rendimento dello stesso e, conseguentemente, un abbassamento degli indici di produttività. Per ultimo, ma non meno importante, è fondamentale poter predire quando una data macchina necessiterà di un intervento di manutenzione, che sia esso ordinario oppure straordinario, volto a garantire, per il più possibile, una continuità della produzione. In questo caso, la branca prende il nome di manutenzione predittiva di un impianto di produzione, ma su questo ci si soffermerà nel corso di un successivo articolo. Lo scopo di questo articolo è di fatto fornire gli strumenti necessari per capire cosa si intende per Automazione Manifatturiera, gli aspetti teorici alla sua base, e come possa essere modellato un semplice impianto di produzione. Con questi strumenti il lettore potrà poi approfondire e districarsi all'interno della materia, soprattutto in quella dell'Industria 4.0.

Automazione Manifatturiera

L’Automazione Manifatturiera studia i sistemi di produzione e il modo in cui è possibile effettuare ed eventualmente automatizzare il controllo dei processi produttivi. Un sistema di produzione è un sistema che trasforma un bene in un altro bene. La trasformazione è puntata a fornire valore aggiunto al bene in ingresso onde ottenere un prodotto di valore (economico) maggiore in uscita; è, quindi, consuetudine chiamare bene l'input del sistema di produzione e prodotto l’uscita del sistema di produzione. Tutte le industrie possono essere suddivise in 3 settori: settore primario, settore secondario e settore terziario. Il primo si occupa dell’estrazione del bene (ad esempio, agricoltura, estrazione mineraria, estrazione petrolifera), il secondo si occupa della lavorazione del bene (ad esempio, industria aerospaziale, industria per il raffinamento del petrolio, industria elettronica), ed infine il terzo si occupa dell’erogazione di servizi ovvero facilitare l’uso dei beni (ad esempio, banche, industria dell’informazione, settore educativo). Da qui, è possibile fornire una classificazione per i tipi di beni e per i tipi di produzione. I beni prodotti da un sistema di produzione possono essere continui o discreti.

I beni continui sono quelli per i quali non è possibile individuare entità separate e distinte. Tipici esempi sono beni liquidi, come il petrolio ma anche altri materiali, come la carta o le polveri.
I beni discreti sono invece quelli per i quali è possibile individuare entità separate e distinte. Tipici esempi sono tutti gli oggetti che utilizziamo quotidianamente, dal computer, al telefono, all'automobile.

Anche per ciò che concerne la produzione è possibile individuare una tipologia continua ed una discreta, indipendentemente dal tipo di bene prodotto. Una produzione si dice continua quando l’impianto lavora i beni in transito (continui o discreti) senza interruzioni. Un tipico esempio relativo a un bene continuo è l’industria della carta. Al contrario, una produzione si dice discreta quando l’impianto lavora i beni in transito (continui o discreti) organizzandoli in lotti. Nel caso di beni discreti questo può servire a ridurre i tempi e i costi di riattrezzaggio (setup) delle macchine. Nel caso di beni continui questo tipo di produzione può essere necessario se il bene viene prodotto mediante reazioni chimiche che avvengono in determinati recipienti dotati di una certa capacità.

Organizzazione della produzione

Un impianto manifatturiero prevede diversi tipi di organizzazione del sistema di produzione inteso come cammino che deve compiere il bene in ingresso per essere lavorato. Si possono evidenziare i seguenti tipi di organizzazione: job shop, flow line, a lotti, e cellulare.

Organizzazione job shop: ogni tipo di pezzo effettua un proprio percorso all'interno del sistema di produzione;
Organizzazione flow line: tutti i pezzi effettuano lo stesso percorso;
L'organizzazione a lotti prevede che un insieme di pezzi simili vengano posti in lotti e quindi ogni lotto effettui un proprio percorso all'interno del sistema di produzione;
L'organizzazione cellulare prevede la suddivisione dell'intero sistema in celle produttive indipendenti ciascuna delle quali produce un insieme di parti molto simili fra loro.

La job shop e la flow line si trovano agli estremi per tipo di organizzazione: la prima usa un percorso diverso per ogni tipo di pezzo da lavorare, mentre la seconda fa esattamente l’opposto. Al contrario, l'organizzazione a lotti e l’organizzazione cellulare rappresentano un tipo intermedio di organizzazione tra job shop e flow line. Con il termine layout indichiamo il modo con cui le macchine sono disposte all'interno di un'azienda manifatturiera. Quattro sono i tipi di layout più diffusi: layout a posizione fissa, layout a processo, layout cellulare, e layout a prodotto.

Il layout a posizione fissa è caratterizzato da un sistema di costruzione e manipolazione di oggetti posti come satelliti attorno al bene in produzione. Tipici esempi in cui le macchine lavorano intorno all'oggetto e quest'ultimo è fisso sono la produzione di navi o la produzione di aerei;
Il layout a processo è caratterizzato da una suddivisione dell'impianto in una moltitudine di dipartimenti. All'interno di ogni cella si realizza un tipo di processo, quale può essere una verniciatura, una laminatura, un taglio, e così via. Al termine del processo il bene prodotto dalla cella i-esima viene passato alla j-esima la quale modifica ulteriormente il bene. Quindi, ogni cella compie un determinato processo ed il pezzo in lavorazione viaggia nel sistema di cella in cella fino a diventare il prodotto finale. In genere, è possibile produrre beni diversi, per ogni tipo di prodotto esiste un percorso diverso tra i dipartimenti. Generalmente, i beni viaggiano nel sistema raggruppati in lotti (batch) per minimizzare i costi ed i tempi di trasporto e di setup delle macchine;
Il layout cellulare è caratterizzato da una suddivisione dell’impianto in una moltitudine di celle (group technology), microscopicamente simile al caso precedentemente analizzato. La differenza sostanziale sta nel fatto che ogni cella produce un bene e non si occupa del solo incremento di valore aggiunto; quindi, ogni cella si comporta come se fosse un micro impianto operando un processo completo;
Nel layout a prodotto le macchine sono organizzate lungo una linea: ogni pezzo effettua lo stesso percorso e quindi le differenze tra le parti prodotte, se ci sono, sono minime.

È possibile riconoscere una stretta corrispondenza tra layout e organizzazione del sistema di produzione. Il job shop è il tipo di produzione in cui ogni parte segue un proprio percorso e può essere realizzato su un layout a posizione fissa oppure a processo. Quando il numero di parti supera una certa quantità (dell'ordine del centinaio) la produzione viene eseguita a lotti (batch) oppure organizzata in cellule (group technology). La produzione batch viene realizzata da layout a processo; quella a cellule in layout cellulare. Infine, nel caso che la varietà sia limitata mentre la quantità molto consistente, conviene organizzare la produzione secondo una flow line, tipicamente realizzata in un layout a prodotto.

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