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Process simulation
Industria 4.0 Simulazione Sistemi produttivi

Simulazione di processo: uno strumento essenziale

Che cosa s’intende per simulazone di processo?

La simulazione ricopre un ruolo fondamentale nei nostri uffici tecnici: infatti, sarebbe ormai impensabile progettare un componente, o più in generale un prodotto, senza l’uso di software dedicati, dai sistemi CAD ai software agli elementi (o volumi) finiti, solo per citare i più comuni.

Mediante l’utilizzo di questi tool è possibile prevedere il comportamento ad esempio meccanico dei componenti in maniera estremamente accurata, permettendo al progettista di comprendere quanto accadrà in esercizio.

Per alcune tipologie di simulazione, inoltre, viene richiesta una capacità di calcolo notevole, soprattutto nel momento in cui si vanno a considerare simulazioni multi-body e multi-fisiche, ovvero interazioni tra diversi corpi o stati fisici nel quale il nostro sistema si trova ad operare e ad interagire (es. solido-liquido, transizione di fase, gas-liquido, ecc.)  

In maniera analoga, per simulazione di processo si intende ogni forma di simulazione che ha l’obiettivo di predire il comportamento di un sistema produttivo a diversi livelli, su tutti:

  • prestazionale: come si comporta il sistema produttivo in riferimento alle metriche chiave (es. OEE, costo orario, capacità produttiva)?
  • logistico: come interagiscono i miei flussi produttivi? Dove sono i colli di bottiglia?
  • multi-fisico e multi-body: quali sono i parametri di processo da utilizzare per soddisfare i requisiti di prodotto? Come interagiscono i miei manipolatori con il manufatto in transito?
  • ergonomico: come impatta la progettazione della stazione di lavoro sulla salute degli operatori?

A differenza di quanto avviene nella progettazione di prodotto, questi tool non sono ancora molto utilizzati a livello di processo produttivo, soprattutto nelle PMI, principalmente a causa della scarsa conoscenza di alcuni aspetti:

  • modalità: quali software e quali competenze richiede il loro utilizzo?
  • benefici: perchè dovrei investire in questi tool?
  • costi: richiedono un certo investimento iniziale (quanto?), anche se ormai l’offerta sul mercato sta diventando sempre più conveniente.

Per ultimo, la simulazione di processo riveste un aspetto fondamentale in fase di implementazione di un Digital Twin, ovvero di un modello digitale di un sistema produttivo che si comporta (in tempo reale) alla pari di quello reale.

Di seguito ci focalizzeremo principalmente su uno dei tool di simulazione più potenti quando si progetta una fabbrica, ovvero la simulazione agli elementi discreti, anche chiamata DES (dall’inglese Discrete Event Simulation). 

 

La simulazione agli eventi discreti

 

Nella simulazione agli eventi discreti, il processo viene scomposto, ovvero “discretizzato” in una sequenza di blocchi contenenti un certo numero di informazioni, quali ad esempio:

  • tempo ciclo
  • tempo di set up
  • manodopera richiesta
  • attrezzatura richiesta
  • costi
  • utenze (es. energia elettrica, acqua)
  • variabilità del processo;
  • logica di flusso (FIFO, LIFO)
  • MTBF
  • Tasso di difettosità

Sulla base di queste informazioni, con la simulazione si è in grado di valutare l’interazione dei vari blocchi, e di conseguenza predire le metriche chiave del processo, ad esempio:

  • quante parti posso produrre all’ora, per turno, al giorno, al mese, all’anno?
  • qual è il mio costo orario?
  • utilizzo fattori, ad esempio manodopera, impianti, utenze
  • bilanciamento delle linee: quanti buffer devo prevedere, e dove? Dove posso ottimizzare il processo e dove mi conviene scomporlo in sottoprocessi?

Al fine di ottenere dei risultati che rispecchiano la realtà, è importante che i dati di input siano “di qualità”. Ciò significa che:

  • più i dati sono veritieri, ovvero si riferiscono a valori reali basati ad esempio su uno storico, meglio è;
  • maggiore è la quantità di dati disponibile, più i valori di input sono statisticamente affidabili;
  • è auspicabile avere un sistema di raccolta dati automatico, solitamente utilizzando sistemi MES (Manufacturing Execution Systems)

In alcuni casi, in particolare quando si progetta una nuova fabbrica, è difficile avere uno storico a cui fare riferimento: occorre quindi fare delle stime iniziali, per poi affinare il modello attraverso la raccolta di dati reali una volta che il sistema diventa operativo. Per questo, è importante che vengano coinvolti in questa fase tutti gli esperti di processo in grado di fornire delle stime iniziali affidabili.

 

DES: quali vantaggi

 

Secondo uno studio riportato da Kokareva et al. (01), i principali benefici associati ad una simulazione agli elementi discreti includono:

  • Un aumento della produttività degli stabilimenti esistenti fino al 20%
  • Una riduzione degli investimenti in fase di pianificazione di nuovi stabilimenti fino al 30%
  • Una riduzione delle scorte di magazzino e dei tempi di processamento fino al 40%
  • Ottimizzazione delle dimensioni del sistema produttivo, inclusa la dimensione dei buffer
  • Riduzione del rischio di investimento nella fase iniziale di concetto
  • Incremento dell’utilizzo delle risorse produttive
  • Miglioramento della progettazione delle linee

 

DES: quali sfide

 

Nonostante i benefici evidenti, vi sono tuttavia alcune sfide nell’implementazione di una simulazione DES:

  • La simulazione non può prescindere da una conoscenza approfondita del prodotto, dei processi e del sistema produttivo in generale
  • L’utilizzo di tali strumenti richiede competenze specifiche, che devono essere acquisite internamente, oppure in outsourcing
  • Come già indicato, la qualità dei dati di output dipende in maniera determinante dall’affidabilità dei dati di input. Senza le adeguate conoscenze del processo e senza un adeguato sistema di raccolta dati iniziale, è molto difficile ottenere risultati spendibili.

 

Da dove iniziare?

 

In questo post ci siamo focalizzati sulla simulazione agli elementi discreti, primo strumento fondamentale per la progettazione di un sistema produttivo ottimizzato, soprattutto in presenza di elevata complessità.

Per maggiori livelli di dettaglio, è possibile utilizzare altre tipologie di simulazione di processo, quali simulazioni cinematiche, multi-fisiche, di ergonomia, da utilizzare a seconda degli aspetti specifici di investigazione. Infatti, è importante sottolineare che il tipo di simulazione deve essere funzionale ai requisiti di costo, di qualità, di rischio ammissibile e delle tempistiche di implementazione associate. Di conseguenza, occorre che il progetto sia gestito considerando maniera strutturata ogni singolo aspetto. 

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A presto!

 

Riferimenti

 

01- Kokareva V.V. et al, Production Processes Management by Simulation in Tecnomatix Plant Simulation, Applied Mechanics and Materials Vol 756 (2015) pp 604-609

Nicola Accialini

Hi there! I am Nicola, founder and admin of SkillS4i. Aerospace Engineer, technology enthusiast and industrial expert. I live in Spain and I like travelling, cycling, hiking and reading.

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