Obiettivo di questo articolo è la proposta di un metodo innovativo per la pianificazione della Manutenzione congiunta con la Produzione. Il metodo si fonda su un approccio di integrazione delle due funzioni di pianificazione basato sull’impiego di conoscenze e strumenti operativi di ingegneria di affidabilità. Il metodo è stato testato nel settore minerario, nella produzione del concentrato di rame, in una fabbrica sita a Nord di Antofagasta nella parte settentrionale del Cile. Il lavoro è risultato di una tesi di Laurea Magistrale del Politecnico di Milano in collaborazione con la PUCV (Pontificia Universidad Catolica de Valparaiso) e la società di ingegneria CGS S.A. (Centro de desarrollo de Gestión Empresarial).
Il problema
La produzione di concentrato di rame è realizzata in un sistema produttivo gestito a batch, con impianti che lavorano a campagne di produzione. Il ciclo tecnologico è a flusso discontinuo grazie alla presenza di un grande deposito inter-operazionale, i.e. stock-pile, in cui si accumulano elevate quantità di materiale (fig.1). La sequenza tecnologica è costituita da una serie di macro-fasi: frantumazione primaria, macinazione primaria, macinazione secondaria, frantumazione secondaria, flottazione primaria, flottazione secondaria e laminatura del concentrato. In particolare, la produzione del concentrato di rame si ottiene a partire dall’estrazione di rocce sulfuree che presentano concentrazione di rame pari a circa al 5-6 % del loro volume. Le prime fasi del processo hanno l’obiettivo di ridurre il minerale a una polvere di adeguata granulometria affinché le fasi successive di flottazione siano in grado, con un processo elettrolitico, di separare il rame dagli inerti. Alla fine, il rame (in lamine) presenta una concentrazione pari a circa il 40% del volume.
È evidente che un sistema del genere è caratterizzato da elevata complessità strutturale, con vincoli dipendenti dalle dimensioni dei mezzi di produzione e dalla sequenza tecnologica, ed elevata intensità di capitale negli asset installati. Ciò giustifica la necessità di gestire le operation dell’impianto in maniera ottimale e con un approccio integrato.
La pianificazione nelle pratiche correnti
Produzione e Manutenzione definiscono il piano delle proprie attività nel rispetto di vincoli e obiettivi tecnico-manageriali di funzione, ciò che permette il coordinamento inter-funzionale. Ad esempio, un tipico obiettivo di Manutenzione è di massimizzare la disponibilità operativa dei mezzi di produzione, rispettando vincoli di coordinamento con la Produzione che deve utilizzare gli impianti. Per effetto della separazione funzionale, i processi di pianificazione introducono alcune semplificazioni: ad esempio, il piano di produzione tipicamente non considera vincoli sulla disponibilità della manodopera del personale di manutenzione, ma solo il coordinamento dei periodi in cui i mezzi produttivi devono essere lasciati inutilizzati per permettere gli interventi di manutenzione. Non è quindi detto che – a causa delle semplificazioni apportate – il coordinamento sia fatto considerando tutti i costi importanti; quando trascurare alcuni costi non è irrilevante, è raccomandabile agire con attenzione. Pertanto, la crescente necessità di generare vantaggi competitivi per il business porta a rivalutare l’impostazione funzionale “classica” del processo di pianificazione, integrando meglio nel processo decisionale i costi addebitabili alla Manutenzione.
L’approccio proposto per la pianificazione congiunta
L’approccio è fondato su due cardini principali: i) la presa delle decisioni centrata sull’affidabilità del sistema; ii) l’ottimizzazione dell’utilizzo delle risorse di Manutenzione e Produzione guidata – come obiettivo – da una funzione di costo congiunta, nel rispetto di un insieme di vincoli funzionali anch’essi definiti in maniera congiunta. L’approccio è implementato in una metodologia a quattro passi (fig. 2) che porta al piano ottimale per ciascuna sezione di impianto dedicata ad una macro-fase del processo produttivo, che di seguito definiremo “processo unitario” (ad esempio il processo unitario di frantumazione primaria, ecc.).
La metodologia ha due caratteristiche salienti.
L’approccio proposto è improntato al miglioramento continuo, possibile con una iterazione ciclica dei 4 passi fino al contenimento delle criticità a livelli accettabili per il business.
L’approccio richiede conoscenze e strumenti di ingegneria di affidabilità e manutenzione a supporto del ciclo di pianificazione. Nel caso specifico, software di ingegneria di affidabilità e manutenzione e expertise di CGS nel settore hanno permesso di agevolare l’impiego di diverse tecniche, come il Reliability Block Diagram (RBD) per la modellazione dell’impianto minerario preso in considerazione. Tra le varie analisi, è stata importante l’analisi delle prestazioni a livello sistemico con il calcolo delle cosiddette Importance Measures (IMs), per guidare l’analisi delle criticità attraverso misure d’impatto dei componenti sulle prestazioni di sistema. Inoltre, la Programmazione Lineare Mista, tecnica di ricerca operativa, è stata usata per la risoluzione del problema di ottimizzazione congiunta al livello dei processi unitari.
L’applicazione di questa metodologia richiede un elevato livello di maturità non solo nei processi di gestione della manutenzione, ma di gestione del ciclo di vita degli asset. Prima di tutto, è necessario disporre di conoscenze e strumenti di ingegneria di affidabilità e manutenzione. Inoltre, il contesto organizzativo deve essere pronto ad un approccio integrato nei processi di pianificazione. Infatti, la metodologia orienta a prendere decisioni congiunte di pianificazione della produzione e manutenzione e di (ri)configurazione dell’impianto industriale tenendo strategicamente in conto degli impatti delle decisioni sul ciclo di vita dell’asset. Questo non può avere successo se non in un contesto organizzativo che offre l’humus per far crescere l’integrazione nei processi di pianificazione di medio-lungo termine.
Alcuni risultati nel caso industriale
L’impianto di produzione del concentrato di rame preso come banco di prova ha permesso di sperimentare la metodologia di integrazione proposta.
Con l’analisi sistemica delle criticità, dopo aver costruito il modello RBD dell’impianto e raccolto e adattato statisticamente i dati storici dei guasti, sono state valutate due prestazioni: l’indisponibilità sistemica e l’IM di ogni processo unitario. L’indisponibilità sistemica è risultata pari al 18,14% mentre, con l’IM, sono stati localizzati i processi unitari critici, responsabili per l’85,46% dell’indisponibilità.
Con la definizione delle alternative di (ri)configurazione nei processi unitari, sono stati identificati – sempre con le IMs – i macchinari che più impattano sul livello di indisponibilità nei processi unitari critici. Per questi, sono state proposte delle opzioni di riconfigurazione che riguardano l’inserimento di ridondanze e frazionamenti di capacità.
L’ottimizzazione congiunta della pianificazione nei processi unitari è stata basata su un modello di Programmazione Lineare Mista selezionato da letteratura, perché adatto al processo batch, ed adattato al caso in esame. Il modello ha permesso di decidere il livello ottimo di utilizzazione di ogni processo unitario in relazione alla dimensione ottima del batch da lanciare in ogni campagna di produzione, e sono stati identificati i periodi ottimali per i piani di manutenzione preventiva, con il livello ottimo di disponibilità operativa attesa che ne consegue. Contestualmente, sono state selezionate le opzioni di riconfigurazione ottimali, tra quelle fattibili proposte: una ridondanza per il frantoio in frantumazione primaria; un frazionamento di capacità per quanto riguarda una macina nella macinazione primaria; una pompa in ridondanza (stand-by) a quelle già esistenti nella frantumazione secondaria.
L’analisi centrata sull’affidabilità per le prestazioni a livello di sistema ha infine permesso di verificare le opzioni definite dall’ottimizzazione al livello dei processi unitari: il piano congiunto, comprensivo di alcune scelte di riconfigurazione d’impianto, rende possibile una sostanziale riduzione dell’indisponibilità sistemica.
Grazie alla metodologia delle IM è possibile concentrare gli sforzi migliorativi sui Processi Unitari più critici per l’impianto. Dalla tabella 1, un esempio lampante di criticità è dato dal Processo Unitario della Macinazione Primaria: la sua Indisponibilità iniziale è elevata, 14,17%, e impatta per il 35,07% sull’indisponibilità attesa totale del sistema. In questo Processo Unitario, a livello macchina è il Crusher ad impattare maggiormente, con un’Indisponibilità attesa del 51% per il 22,60% sull’Indisponibilità sistemica e quindi per il 64,5% su quella del Processo Unitario. La metodologia identifica, come soluzione ottimale, l’inserimento di una doppia ridondanza, vista l’estrema criticità della macchina; si riuscirebbe così ad evitare un’eccessiva frequenza nell’intervento di Manutenzione Preventiva, nonostante il notevole investimento per la riconfigurazione.
Conclusioni
La proposta presentata di un metodo innovativo per la pianificazione della Manutenzione congiunta con la Produzione nell’ambito degli impianti industriali ha permesso di focalizzare l’attenzione su un aspetto sfidante: la pianificazione integrata nella gestione degli asset, prendendo in forma congiunta decisioni impiantistiche e di pianificazione delle attività in operations. Come dimostrato sui dati reali del caso minerario scelto come test, l’incremento di disponibilità è notevole (nel caso specifico pari a circa 8 %). Considerando i vincoli fisici esistenti di una reale installazione, non è detto che tutte le opzioni siano realmente praticabili. Ciononostante, basta pensare che alcune delle decisioni potrebbero essere state prese in fase di progetto, nel cosiddetto Beginning of Life, ed è evidente che l’impatto sulla redditività dell’investimento di un’innovazione non solo metodologica ma anche organizzativa, in accordo con la visione dell’Asset Management, sarebbe stato notevole.
Carlo Parmigiani
Ricercatore, Dipartimento di Ingegneria Gestionale, PoliMi
Irene Roda
Ricercatrice PostDoc, Dipartimento di Ingegneria Gestionale, PoliMi
Adolfo Arata Andreani
Direttore CGS SA (Centro de desarrollo de Gestión Empresarial), Professore Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
