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Ragione sociale: ELABOR s.c. - Fiorentini Consultancy

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Sessione tematica Fabbrica 4.0

5- PROCESSI DI PRODUZIONE AVANZATI

Ambito strategico

 

Livelli di dettaglio della proposta di innovazione

 

Fase di sviluppo

 

Brevetto

 

Titolo / nome

Abbattere le disuniformità di processo indotte da parti rotanti o da geometrie circolari. Il sistema di controllo Fi-Co.

 

Caratteristiche

FiCo è un sistema di controllo hw/sw per processi di produzione continui, che consente di migliorare drasticamente i risultati, in termini di produttività e di Qualità del prodotto.
Il controllore si focalizza sulle fluttuazioni persistenti che spesso sono presenti, per diversi motivi, ed è in grado di ridurne l'ampiezza anche quando gli sforzi per cogliere le cause all'origine ed implementare azioni correttive diventano inefficaci o inattuabili. La metodologia FiCo prevede in genere di svolgere un assessment sul processo e sul sistema di controllo. Tipicamente emerge che la scelta delle variabili da controllare è corretta, i sistemi hw sono capaci e performanti, ma che è la modalità d'azione con cui il controllo agisce che è troppo semplificata. In tali casi é sufficiente aggiungere al sistema di controllo le giuste logiche, per metterlo in grado di inviare al processo azioni adeguate, che cioè varino al momento giusto e con la giusta ampiezza, in modo da contrastare sensibilmente le oscillazioni.

 

Gli ambiti di applicazione

La soluzione si rivolge ai processi continui in cui siano critiche le dimensioni trasversali, ad esempio il diametro o lo spessore di tubi a sezione circolare, ma anche di profili più complessi, e più in generale laddove si ritrovino fluttuazioni in una caratteristica (non necessariamente dimensionale) di un prodotto ottenuto da un processo continuo:
- Produzione del tubo vetro borosilicato per applicazioni farmaceutiche-
- Produzione per processo continuo di profilati speciali, ad es. estrusione in materiale plastico, alluminio, ecc
- Produzione di film termoplastico per imballaggio, ad es. processo "bolla" o "cast"

 

Che problema risolve

Spesso nei processi industriali in serie, specie quelli continui caratterizzati da una molteplicità di parametri di controllo, la presenza di fluttuazioni persistenti non si riesce a contrastare efficacemente con gli usuali controllori (es. PID) e determina ingenti costi in termini di scarto di produzione e di costi della non Qualità (resi dal mercato, gestione non conformità, ecc.). Tipicamente ci si concentra sull'eliminazione delle cause alla sorgente, almeno finché migliorare i sistemi termici/meccanici è tecnicamente fattibile ed economicamente sostenibile. Raggiunto questo limite, anche se la quota di costi associata al problema rimane consistente, tali fluttuazioni finiscono spesso per essere considerate ineliminabili e "connaturate al processo", sicchè alla perdita di competitività che già affligge gli aspetti operativi si assommano ripercussioni sulla motivazione delle persone e sulle prospettive strategiche in senso più generale.
IN QUESTO QUADRO L'IDEALE SAREBBE disporre di un sistema di controllo che si possa installare sopra al sistema di controllo esistente, senza richiedere investimenti rilevanti, e che sia in grado di correggere efficacemente le fluttuazioni di processo, indipendentemente dalle sorgenti che le generano.

 

I vantaggi e i benefici specifici

Il progetto nasce nell'ambito della produzione di tubo vetro borosilicato per applicazioni farmaceutiche.
Nel caso del processo "Danner" lo scarto automatico dimensionale è tipicamente attorno al 20%, e la variabilità dimensionale sul prodotto consegnato è molto consistente (CpK ~ 1,0); prestazioni considerate normali e connaturate al processo; l'unica alternativa è passare al processo "Vello", il che richiede investimenti non trascurabili (~10 M€), e comporta di assumere vincoli sulla flessibilità della produzione. Il controllore FiCo è in grado, senza richiedere modifiche meccaniche apprezzabili, di identificare continuamente le caratteristiche di ripetitività dei disturbi presenti nel processo, e di opportunamente comandare gli attuatori (immodificati) in modo da ridurre l'ampiezza delle fluttuazioni, ottenendo risultati molto rilevanti sia sulla produttività (+10%), sia sulla Qualità del materiale venduto (CpK +0,3), con impatti quindi sia operativi sia strategici.

Gli sviluppi del controllore nel suo ambito originario hanno dato luogo ad una vera e propria metologia. Un'approccio innovativo alle problematiche di controllo che può essere applicato a tutti i processi continui in cui avvengono trasformazioni azionate da movimenti meccanici, come ad esempio in primis l'estrusione.

Settore produzione film plastico
In questo caso il problema è ottenere uno spessore del film uniforme lungo tutto il profilo. Nel caso specifico del processo "bolla" il profilo è circolare e la variabilità di spessore incide (come sopra) sui costi di produzione e sulla qualità, infatti per l'utilizzatore del fluttuazioni del film significano direttamente impatti sul costo dei materiali diretti. Vengono già impiegati sistemi sofisticati di controllo, che impiegano diverse decine di attuatori di raffreddamento, agenti nei diversi punti del profilo, i quali abbreviando o allungando la durata della fase di stiramento del film, ne compensano le deviazioni di spessore. Anche in questo caso però, l'efficacia dello schema di controllo attuale è condizionata da alcuni vincoli quali le distanze tra il punto di processo e quello di misura, ecc., talché in determinate condizioni si possono verificare comportamenti indesiderati del controllore che ne vanificano l'uso. L'impiego della metolodolgia FiCo permette di superare queste limitazioni, garantisce l'ottimizzazione progressiva del profilo di spessore, "immunizzando" al contempo il sistema dai comportamenti indesiderati.

 

Fase di sviluppo della soluzione proposta

Sviluppato un modello di processo affetto da oscillazioni, multivariabile e sufficientemente generale
Sviluppato metodo di controllo in grado di contrastare le stesse oscillazioni
Sviluppato dimostratore software in cui il sistema di controllo lavora sul processo simulato di cui al modello
Il dimostratore illustra il caso della produzione di tubo vetro borosilicato per applicazioni farmaceutiche con processo "Danner" (il processo dal quale sono stati tratti gli spunti iniziali per il progetto)
Conferma di funzionalità e misura quantitativa dell'efficacia su dati di processo reali (riscontro mediante il dimostrature+simulatore)
Un modello di controllore molto affine, basato su una rielaborazione degli stessi concetti ha trovato applicazione anche in un settore affatto diverso, quello della produzione di film plastico (processo "bolla").

 

Elementi di innovazione

Eliminazione delle mutue influenze fra diverse variabili sotto controllo, che spesso determina l'impossibilità di controllarle tutte contemporaneamente in modo automatico. Soppressione di oscillazioni persistenti, considerata non fattibile con gli ordinari controllori industriali (PID). Controllore software implementato al 100% con tecnologie open source

 

Maturità tecnologica

TRL: 3 - RI: 20% - SS: 80% - progetto di industrializzazione

 




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