Introduzione di politiche preventive
su condizione in un sistema
di trasporto per polverino di legno
Il caso Reni Ettore Spa, l’ingegneria di manutenzione
supporto alla gestione degli impianti
L
a produzione del pannello di compensato di pioppo, core business della Reni Ettore Spa di Volta Mantovana, leader europeo in questa nicchia di mercato del settore legno-arredo, è
altamente energivora e ad intenso capitale umano.
La movimentazione della materia prima (tronchi), e gli imponenti impianti per la sua trasformazione nel prodotto finito assorbono
grandi quantità di energia elettrica, termica ed un numero molto elevato di operatori più o meno direttamente coinvolti nel processo di
produzione.
Si può ben immaginare pertanto quali siano i costi legati al funzionamento di tali impianti, e quindi quanto sia importante mantenere la
disponibilità degli stessi a livelli molto elevati e il loro funzionamento
entro standard produttivi e qualitativi vicino all’eccellenza.
Gli sviluppi del mondo produttivo, anche alla luce della recente
crisi, hanno spinto le aziende ad approcci cost-based sempre più
spinti che hanno riguardato anche l’organizzazione della manutenzione, il corrispondente
inventory management e
l’impiego delle tecniche
dell’ingegneria di manutenzione.
Scopo della Divisione
Manutenzione di Reni Ettore Spa è quindi quello
di minimizzare i tempi di
fermo per guasto, e allo stesso tempo implementare procedure e modelli migliorativi per consegnare agli utilizzatori (operatori) impianti
produttivi efficienti e sicuri.
Ben consapevole dell’esigenza di un mix equilibrato delle differenti politiche manutentive, da tempo Reni Ettore Spa ha intrapreso
la scelta della prevenzione e del monitoraggio delle attrezzature come
via maestra per il miglioramento dell’efficienza dei propri impianti.
L’introduzione di sistematiche politiche preventive e su condizione, seppur non ancora completato, ha consentito e sta consentendo
di raggiungere l’obiettivo prefissato.
La scelta del piano manutentivo: un approccio
maintenance engineering oriented.
L’introduzione di concetti di manutenzione preventiva è un percorso che richiede l’esistenza di un valido supporto di informazioni
relative al comportamento storico dei componenti e dei sistemi. In
questo senso gioca un ruolo fondamentale l’esistenza del Sistema
MANUTENZIONE
PREVENTIVA
Giacomo Bellomi,
direttore tecnico Reni Ettore
Spa
Mauro Borghini,
resp. Manutenzione
Meccanica Reni Ettore Spa
Informativo di Manutenzione (SIM). Partendo dal SIM per esempio
semplici analisi di Pareto sui guasti permettono di definire le aree
critiche d’intervento, e di scendere nel dettaglio con le tecniche proprie dell’analisi R.A.M. (Reliability, Availability and Maintainability) in
modo da ottenere la parametrizzazione del comportamento al guasto
ed alla riparazione finanche del singolo componente.
Ciascun componente può essere caratterizzato mediante le distribuzioni statistiche del rateo di guasto condizionato λ(t) e del rateo di
aggiustamento condizionato μ(t) che poi conducono alla definizione,
mediante l’utilizzo di distribuzioni statistiche (i.e. Weibull), di parametri quali l’affidabilità R(t) e la manutenibilità G(t).
Il passaggio dai dati collezionati sul campo (i.e. time to failure,
time to repair, ricambi installati, ecc.) ai parametri descrittivi delle
distribuzioni statistiche può avvenire mediante l’applicazione di tecniche come la Reliability Least Square Analysis (LS) o la Maximum
Likelihood Estimation
(MLE) .
La conoscenza di
queste informazioni permette l’applicazione di
modelli matematici per
la determinazione delle migliori scadenze di
intervento per le politiche preventive (Manzini
et al., 2010). Peraltro
spesso la queste informazioni sono difficili da collezionare, ovvero cominciano ad avere un
significato a diversi mesi di distanza dalla loro introduzione. Quindi
la “taratura” degli interventi preventivi su base statistica può risultare
difficoltosa ed imprecisa.
In questo senso la manutenzione on-condition può essere considerata un’utile risorsa. Il monitoraggio di opportuni parametri di
funzionamento (e.g. temperature, vibrazioni, rumore, usure, etc.) può
consentire l’individuazione di un corretto piano preventivo altrimenti
difficile da individuare.
E’ opportuno sottolineare che il legame fra la misura del parametro e il vero stato affidabilistico del sistema rappresenta un problema
ancor oggi oggetto di studio. In ogni caso le evidenze sperimentali
dimostrano l’efficacia di questo approccio anche considerando le
inevitabili approssimazioni che richiede. Di seguito verrà discussa
un’applicazione svolta presso Reni Ettore Spa orientata alla presentazione dell’apporto del monitoraggio della temperatura alla costruzione della politica di manutenzione di un sistema complesso.
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Analisi delle temperature di funzionamento e scelta
del lubrificante per cuscinetti volventi
La produzione del pannello di compensato genera grandi quantitativi di polvere di legno, ottenuti come sottoprodotto di lavorazioni
quali sezionatura e levigatura delle superfici. Questi in seguito sono
oggetto di movimentazione, stoccaggio e valorizzazione termica.
La movimentazione della polvere di legno è un’operazione delicata
sia per questioni di sicurezza (rischio di incendio ed esplosione) sia
per questioni ambientali (rischio di rilascio in atmosfera). In genere
le polveri sono aspirate dai punti di produzione tramite ventilatori e
convogliate in stazioni filtranti dove vengono abbattute, per poi passare attraverso un sistema di valvole e raffinatori che dosa il materiale
per il successivo trasporto pneumatico verso il silo di stoccaggio a
monte delle centrali termiche. L’esigenza di avere raffinatori nasce dal
fatto che dal punto di prelievo vengono aspirati anche liste di legno di
piccole dimensioni che devono essere ridotte in chips per il trasporto
pneumatico successivo. I raffinatori sono semplici mulini a martelli
con griglia movimentati da motori asincroni a 3000 rpm non ridotti. Il
surriscaldamento dei cuscinetti dei raffinatori è una delle problematiche maggiormente ricorrenti e al tempo stesso rischiosa, per il fatto
che il calore viene trasmesso attraverso l’albero del moto al legno. In
condizioni di elevato surriscaldamento questo può portare fenomeni
di ignizione ed incendio generalizzato con conseguenze molto gravi per gli impianti pneumatici di trasporto. E’ bene ricordare che la
temperatura di accensione del legno in oggetto è nell’intorno di 200
- 250°C. Nel caso di specie la ridotta granulometria del materiale da
trattare è un elemento aggravante il rischio di incendio e la probabilità
di esplosioni ad esso collegato. Purtroppo nel passato queste evenienze si sono entrambe manifestate, con immaginabili ingenti danni.
L’usura data dal normale funzionamento genera fenomeni di rottura e bloccaggio dei cuscinetti, che ne richiedono la sostituzione.
In ogni caso l’usura aumenta l’energia dispersa in calore ed inoltre,
consumando i sistemi di protezione dall’infiltrazione delle polveri tra
le sfere, aumenta il rischio di bloccaggio. Reni Ettore Spa ha quindi
deciso di abbandonare la politica esclusivamente correttiva ritenendo
non accettabile il rischio correlato all’evento del bloccaggio dei cuscinetti in esame. In ogni caso l’analisi dei dati storici ricavati dal SIM
aziendale ha permesso una valutazione di tale politica caratterizzata
da una disponibilità asintotica pari ad A=99.71% e da un costo complessivo pari a circa 1.660 €/anno.
Partendo dalla consapevolezza della necessità di un approccio
completo al problema si è deciso di indagare delle soluzioni lungo
due direzioni complementari:
- Riduzione della probabilità di infiltrazione delle polveri;
- Introduzione di un piano di manutenzione preventivo (su base statistica o su condizione). Vista l’importanza della temperatura di funzionamento in rapporto al rischio di incendio nel sistema, il parametro
scelto per il monitoraggio dello stato del sistema stesso è stato la
temperatura del cuscinetto. Quindi si è modificata l’installazione con
l’introduzione di un sistema di captazione della temperatura al supporto del cuscinetto tramite termocoppie che poi scaricano il segnale
campionato in continuo al quadro comandi del sistema. La scelta tecnica è caduta su materiale SKF, in particolare cuscinetti 1309 EKTN9,
con supporti SNL 511-609 e bussole H 309 (Fig.1). Per quanto riguarda la riduzione del rischio di penetrazione delle polveri nel corpo
del cuscinetto, dopo vari studi, si è optato per il potenziamento della
tenuta del supporto attraverso O-ring speciali tipo TSN 609 G.
Fig. 2 Esempio del profilo di temperatura misurata
L’analisi del comportamento storico della temperatura, incrociata
con i dati provenienti dal SIM, ha permesso la costruzione di un modello del comportamento affidabilistico del sistema. In Figura 2 è rappresentato un esempio di profilo delle temperature misurate, sono chiari
gli effetti degli interventi di pulizia ed ingrassaggio che periodicamente
sono effettuati e degli interventi di sostituzione dei cuscinetti. Il modello sviluppato è stato impiegato per l’analisi di differenti scenari alternativi contraddistinti da differenti mix di politiche. L’utilizzo di piattaforme
software esistenti sul mercato può agevolare questa what-if analysis
accorciandone i tempi e riducendone lo sforzo computazionale.
In definitiva sono stati individuati 3 possibili scenari:
1. Sostituzione preventiva dei cuscinetti su base statistica (ad intervallo fisso);
2. Sostituzione su condizione di superamento di un livello di temperatura di soglia prefissato;
3. Contenimento della temperatura di funzionamento mediante lo sviluppo di lubrificante specifico e sostituzione al raggiungimento della
temperatura di soglia.
Di seguito verranno presentati alcuni cenni di approfondimento per
ciascuno dei tre scenari.
Scenario n.1
Dalle analisi effettuate dapprima è stata valutata la possibilità della sostituzione preventiva di tutti i cuscinetti con scadenza derivante
dall’applicazione del modello di Barlow e Hunter (Manzini et al. 2010)
ad età costante (Type I). In base ad esso alla politica manutentiva può
essere associata una funzione costo unitario così definita:
Fig. 1 Cuscinetto semiassemblato
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Dove :
Cp costo di un intervento di manutenzione preventiva;
Cf costo di un intervento di manutenzione a guasto
La scadenza di sostituzione ottimale è determinata ricercando l’eventuale minimo di tale funzione. Nel caso in questione la funzione
UEC (tp) a causa della ridotta base dati disponibile non risultava facilmente interpretabile.
Per questa ragione si è deciso di rimandare il suo impiego al
momento in cui le informazioni saranno più numerose e quindi le
conclusioni più certe. In mancanza di sufficienti informazioni per l’applicazione degli esistenti modelli la scadenza di intervento preventivo
è stata fissato sulla base dell’esperienza pari a 320 ore.
La simulazione su un orizzonte temporale di 1 anno ha evidenziato
un valore medio della disponibilità attesa pari ad A= 99,88% con un
costo totale di manutenzione pari a circa 5.944 €/anno.
Scenario n.2
In questo caso il modello per la simulazione della vita del sistema è stato innescato con i dati provenienti dai rilievi di temperatura
effettuati sul campo. La sostituzione è schedulata al raggiungimento
di un livello predefinito di temperatura (livello di soglia). Il risultato
della simulazione ha portato ad un valore atteso della disponibilità
pari a A(t) = 98,12% con un costo totale di manutenzione pari a
circa 13.767 €/a.
Scenario n.3
In questo scenario alla politica on condition è stato associata la
ricerca di una temperatura di lavoro più bassa mediante lo sviluppo
di lubrificante specifico per l’applicazione.
Disponibilità media
Uptime [h/anno]
Downtime [h/anno]
Numero atteso di guasti
tempo di sostituzione [h]
n°sostituzioni/anno
Costo MdO per Manutenzione [€]
Cost ricambi per Manutenzione [€]
Costi mancata produzione [€]
Costi totali [€/anno]
Conclusioni
Reni Ettore Spa da tempo ha fermamente intrapreso la via dell’Ingegneria di Manutenzione come valido supporto alla gestione dei
propri impianti di produzione.
In particolare nel processo di ricerca dei mix ottimali di manutenzione per le proprie attrezzature sta cercando di introdurre in modo
significativo la manutenzione preventiva (su base statistica e su condizione). In particolare il presente articolo presenta un processo di
continua ridefinizione delle politiche di manutenzione mediante lo
sfruttamento della verifica in continuo del valore di alcuni parametri
(i.e. temperatura).
Concludendo si può osservare che:
c Il modello per la valutazione del costo di manutenzione dovrebbe
tenere in conto eventuali rischi rilevanti di incidente, in caso contrario
si rischia di preferire politiche solo apparentemente convenienti;
c la schedulazione degli interventi basata sulla ricerca di informazioni sullo stato di salute mediante la misura di parametri (on-condition)
può rappresentare un valido supporto.
Spesso è associato a costi non trascurabili, ma la sua applicazione
richiedendo un’analisi approfondita del problema in esame spesso
porta con sé delle possibili ottimizzazioni che quindi ne aumentano
la convenienza.
Infine gli autori sono convinti che l’analisi R.A.M. unita alla successiva simulazione del comportamento atteso possa essere un valido strumento per la ricerca della miglior politica per la gestione di
un sistema complesso. I modelli ricreabili a partire dai dati dell’analisi
R.A.M. possono avere livelli discrezionali di complessità, per esempio
tenendo in conto aspetti spesso trascurati come l’impatto che la logistica e la gestione dei ricambi hanno sulle performance delle macchine.
Storica
99,71%
3190,7
9,3
18,6
1,0
9,3
139,2
1056,4
464,0
1659,6
Scenario 1
99,88%
3196,2
3,8
7,7
1,0
42,7
702,6
4857,2
384,0
5943,8
Scenario 2
98,12%
3139,8
60,2
85,9
1,0
60,2
902,4
6848,6
6016,0
13767,0
Scenario 3
99,21%
3174,7
25,3
25,3
1,0
25,3
379,2
2877,9
2528,0
5785,1
Tab. 1 Riassunto delle principali caratteristiche degli scenari presentati
La sostituzione del componente è sempre prevista al raggiungimento della soglia prefissata. Il grasso utilizzato è al litio complesso
a base di olio minerale con elevata stabilità meccanica anche in presenza di alte temperature ed ambienti polverosi. Il costo del grasso si
può considerare trascurabile in virtù delle ridotte quantità necessarie.
alla simulazione emerge una disponibilità attesa (sulla scorta delle previsioni del comportamento del nuovo sottogruppo) pari ad A =
99,21%, ed un costo totale di manutenzione pari a circa 5.785 €/
anno.La tabella 1 dettaglia le caratteristiche degli scenari analizzati. E’ opportuno ricordare che il costo della politica “storica” non
considera l’evento critico dell’incendio del sistema, ed è considerata
inapplicabile. Da alcuni mesi la politica preventiva (scenario 1) con
scadenza prefissata ha lasciato il posto a quella basata sul monitoraggio dello stato associata ad un nuovo lubrificante (scenario 3).
In particolare si occupa della
costruzione dei modelli affidabilistici delle linee produttive, della
simulazione e della conseguente
messa a punto dei piani di manutenzione.
Mauro Borghini, è responsabile della manutenzione meccanica di Reni Ettore Spa dal 1984.
Ha una lunghissima esperienza
nel settore e da tempo si occupa
del miglioramento delle applicazioni di cuscinetti estremamente
diffuse in azienda.
gli Autori
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Giacomo Bellomi Ingegnere
Gestionale classe 1977, è direttore tecnico della Reni Ettore Spa.
Responsabile della gestione tecnica di impianti, manutenzione e
ricambistica.
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