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LA MANUTENZIONE PREDITTIVA |
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Gli impianti destinati alla produzione industriale sono oggetto di studio continuo finalizzato all'innalzamento delle prestazioni, in termini di precisione di lavorazione e di produttività; più recentemente lo studio si è orientato anche verso la loro capacità di operare senza interruzione o quantomeno senza interruzioni indesiderate. Si può facilmente comprendere che quest'ultimo versante della ricerca è sinergico al precedente perché la riduzione dei tempi improduttivi delle macchine aumenta il tempo disponibile per la produzione. Le tecniche che consentono di progettare, costruire e gestire impianti con l'obiettivo di massimizzare il tempo produttivo, sono mutuate da quei comparti merceologici che storicamente sono coinvolti nella sicurezza degli impianti. Tra questi si annoverano: il settore aerospaziale, il chimico, il nucleare, la produzione di energia; in questi ambiti furono dapprima i requisiti di sicurezza e poi gli obiettivi di riduzione costi che stimolarono lo sviluppo delle discipline affidabilità e manutenibilità (anni '30); queste ultime forniscono le basi teoriche della manutenzione predittiva. In tempi più recenti le nuove tecniche manutentive sono approdate anche nel manifatturiero tradizionale; la loro marcata componente innovativa nei confronti delle obsolete prassi di manutenzione, lo capacità di dilatare i tempi produttivi e di erodere altro terreno ai costi del prodotto attraggono sempre più l'attenzione delle aziende operanti su impianti in qualità di utenti, costruttori e fornitori di service manutentivo. La manutenzione predittiva si basa su metodi e tecniche tuttora in rapida evoluzione, ancorché fondati su basi consolidate; merita un riguardo particolare l'approccio alla valutazione del beneficio economico derivante dalla sua applicazione. Questa memoria tratta tale punto, dopo aver accennato agli aspetti tecnici generali. |
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L'esecuzione rapida ed efficace di un intervento predittivo su di una macchina richiede che quest'ultima sia adeguatamente predisposta a questo scopo. Quando il mezzo non possiede intrinsecamente questo requisito, perché non soddisfatto in progettazione, è bene adeguarlo tramite un'operazione di manutenzione migliorativa. Nel seguito si descrivono gli accorgimenti fondamentali da prendere affinché un mezzo di lavoro sia idoneo al mantenimento predittivo.
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1. Alloggiamento dei sensori
Il mezzo deve essere dotato di opportuni alloggiamenti in grado di contenere i sensori. Le posizioni degli alloggiamenti debbono essere tali da consentire misure significative sullo stato dei componenti e sulla presenza di eventuali anomalie di natura statica e dinamica. Normalmente le posizioni di misura sono individuate in prossimità dei componenti più critici (maggiormente soggetti ad avaria, essenziali ai fini del funzionamento). Tale osservazione non è più valida nel caso in cui l’informazione rilevata (irraggiamento, corrente, pressione, campo visivo, ecc.) si manifesti a distanza. La collocazione della sensoristica deve rispettare le direzioni preferenziali di captazione dei segnali ed essere protetta da inaccettabili interferenze di natura fisica quali urti, cesoiamento, radiazioni, ed altro. I sensori debbono essere ubicati in modo da non ostacolare lo svolgimento del processo a cui il mezzo è deputato. La compatibilità reciproca dei sensori e del processo svolto dall'impianto deve essere soddisfatta per tutte le possibili condizioni di funzionamento (marcia, stand-by, arresto, ecc.)
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2. Cablaggio dei sensori
I segnali captati dai sensori possono raggiungere l’unità di elaborazione (trattamento, elaborazione, ecc.) viaggiando all’interno di cavi che si estendono, almeno in parte, nell'impianto stesso. Il cablaggio deve rispettare le stesse regole di compatibilità con le funzioni svolte dall'impianto già citate per i sensori. Vi sono casi in cui il segnale viene veicolato in cavi già adibiti al trasporto di energia o di segnali di comando indipendenti dalla finalità manutentiva (onde convogliate). Un’alternativa talvolta valida al cablaggio, quando questo sia ostacolato da impedimenti oggettivi o da costi eccessivi per la stesura di cavi, è la trasmissione via radio dal sensore, od in prossimità di esso, ad una stazione ricevente collocata presso l’unità di ricezione.
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3.Individuazione delle informazioni da rilevare
La valutazione dello stato di funzionamento di un componente, o della sua vita residua, necessita la conoscenza di informazioni specifiche ad esso relative. Queste possono essere quantitative o qualitative; nel primo caso si tratta di grandezze fisiche, nel secondo di informazioni che il manutentore elaborerà secondo la sua discrezionalità o confronterà con scenari di riferimento. Tra le grandezze fisiche figurano tutte quelle note dai sistemi di misura: accelerazione, velocità, spostamento, temperatura, pressione, tensione, intensità di corrente, illuminamento, ecc. Tra le informazioni qualitative si annoverano: mappe termiche, inquadrature video statiche e dinamiche, radiografie, ecc.
La scelta della tipologia di sensori da utilizzare dipende dalle informazioni da rilevare e dall’opportunità tecnologica di eseguirne un rilevamento diretto oppure uno indiretto da elaborare successivamente (velocità ottenuta integrando l’accelerazione rilevata). Sono da utilizzare a seconda dei casi: accelerometri, estensimetri, sensori induttivi e capacitivi, termocoppie, esposimetri, telecamere, termocamere, ecc.. In funzione dell’intervallo di variabilità e della precisione del rilievo si scelgono le caratteristiche di gamma dinamica, di linearità e di affidabilità; i trasduttori devono possedere la robustezza e la stabilità idonee per essere installati nell’ambiente prescelto, che potrebbe anche essere ostile (temperature estreme, presenza di sostanze corrosive, presenza di forti campi elettrici e magnetici, radioattività, ecc.).
Per particolari rilievi (spostamenti relativi tra albero e supporto a strisciamento) si installano sensori di prossimità; in alcuni casi occorre collocare a bordo dell'impianto anche una sorgente autonoma del segnale il quale interagirà con il componente in analisi (generando l'informazione occorrente) e sarà successivamente captato dal sensore. |
4.Trasmissione delle informazioni
Le informazioni rilevate possono essere inviate per successiva elaborazione ai sistemi sotto elencati. Sistemi portatili di analisi periodicamente allacciati ai dispositivi di ricezione dell’informazione, ad esempio tramite connettori posti in zone facilmente accessibili. Sistemi locali fissi di analisi (solitamente multi canale) permanentemente allacciati ai dispositivi di ricezione dell’informazione, ad esempio tramite connettori. Rete informatica, cablata, wireless o mista in grado di trasferire l’informazione in qualunque punto geograficamente distribuito da essa raggiunto, ed esempio LAN, WAN, INTERNET. In quest’ultimo caso si distinguono tre differenti configurazioni di rete descritte nel seguito.
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5. Tipologie di elaborazioni da effettuare
I segnali forniti dai trasduttori sono sottoposti alle seguenti elaborazioni: 5.1. Controllo di soglia: confronto dei valori misurati con dei livelli di segnalazione/allarme predefiniti (vibrazioni e altre grandezze) (p. es. limiti massimi e minimi preimpostati) 5.2. Analisi nel dominio del tempo: tracciamento dei valori in funzione del tempo ed eventuale elaborazione statistica (p. es. calcolo del valore medio, efficace, di picco, di picco-picco - vedi normativa UNI CEI) 5.3. Analisi nel dominio della frequenza: scomposizione dei segnali temporali nelle loro componenti in frequenza (p. es. analisi FFT - Fast Fourier Transform, analisi speciali -cepstrum, envelope, demodulation, SEE- spectral emitted energy, ecc…, valutazione delle componenti in ampiezza e fase, calcolo del valore efficace in bande limitate, analisi agli ordini, (vedi normativa UNI CEI) 5.4. Analisi tempo-frequenza: rappresentazioni spettrali in funzione del tempo (diagrammi tridimensionali) (p. es. spettri in cascata - waterfall, analisi alle ondine - wavelet) 5.5 Osservazione di inquadrature su parti dell'impianto: visualizzazione tramite immagini di fasi del processo in evoluzione (p. es. TV a circuito chiuso) |
6. Scelta delle caratteristiche dei sistemi di analisi
Oltre alle caratteristiche necessarie per lo svolgimento delle particolari elaborazioni richieste, i sistemi utilizzati a tal fine dovrebbero consentire l'immissione in rete dei risultati conseguiti e accettare comandi di configurazione e di gestione provenienti dalla rete stessa. L'esecuzione delle procedure di acquisizione dei segnali/elaborazione potrebbe essere vincolata, se richiesto, a particolari condizioni operative e fasi di processo (p. es. acquisizione avviata da segnali di sincronismo generati da PLC). La misura di grandezze fisiche impone che i sistemi adottati siano calibrabili e certificabili periodicamente, in accordo con le specifiche normative. Tali sistemi devono possedere capacità di autodiagnosi periodica o a richiesta, anche via rete informatica, con telesegnalazione di sopravvenute avarie; devono inoltre essere caratterizzati da un valore proprio di MTBF (valutabile nella particolare applicazione) superiore di almeno dieci volte a quello del componente controllato. |
7. Denominazione dei punti sensorizzati e dei rilievi effettuati
Le locazioni dei sensori a bordo devono essere univocamente contrassegnate con appropriate diciture che ne indichino anche la ubicazione fisica. Le denominazioni dei rilievi devono fornire nuovamente tutte le indicazioni relative alla locazione fisica del sensore, al tipo di misura, alla data di rilevamento, ecc… |
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Molteplici benefici giustificano l'applicazione della manutenzione predittiva:
Un metodo per esprimere il "beneficio complessivo" determinato dall'effetto olistico dei singoli fattori sopra menzionati è il ragguaglio al risparmio economico. Si tratta di effettuare un bilancio costi-benefici tra i costi imputabili direttamente ed indirettamente all'applicazione della manutenzione predittiva ed i benefici che da essa discendono. La situazione di riferimento per l'individuazione sia dei costi che dei benefici è ovviamente quella esistente senza l'attuazione della predittiva.
Costi diretti della manutenzione preventiva Sono quelli derivanti dall'ammortamento degli strumenti hardware e software impiegati nei rilievi e nell'analisi dei dati, del relativo personale coinvolto. In caso di terziarizzazione è il costo del service.
Costi indotti della manutenzione preventiva Sono le perdite di produzione dovuta all'esecuzione degli interventi ispettivi e riparativi, gli ammortamenti dei costi sostenuti per la predisposizione al mantenimento preventivo e per le analisi ingegneristiche atte a determinare la predittiva più opportuna a ciascun tipo di mezzo di lavoro.
Benefici derivanti Minori costi di produzione persa per guasti, o di recupero produzione (laddove il recupero sia possibile), risparmio di ricambi (rispetto alla manutenzione programmata), riduzione costi per scarti qualitativi, riduzione ammortamento per recupero degrado del mezzo.
Quanto sopra esposto ha solo valore indicativo in quanto ogni realtà industriale ha caratteristiche proprie, pertanto in taluni casi sono preponderanti costi che in talaltri sono irrisori e viceversa. Un criterio di valutazione di larga massima dei benefici economici, da impiegare nel manifatturiero meccanico, settore di elezione della macchina utensile, è brevemente descritto nel seguito.
Assunti fondamentali:
Calcolo del beneficio annuo
Ore annue richieste dalla produzione x MTTR x costo orario di produzione x h / MTBF.
Calcolo del costo annuo
ammortamento degli strumenti hardware e software impiegati nei rilievi e nell'analisi dei dati + costo del personale coinvolto.
oppure
Costo del service
MTTR = Mean Time To Restoration MTBF = Mean Time Between Failures h = Interventi predittivi effettuati con successo / interventi predittivi totali |
