基于約束理論的鋼鐵物流仿真優(yōu)化

梁素梅 吳迪

[摘 要]以“一罐到底”模式作為研究對象，以約束理論（TOC）為基礎(chǔ)，運(yùn)用約束理論五步驟法對某鋼鐵廠“一罐到底”模式進(jìn)行仿真優(yōu)化，通過實(shí)施兩個(gè)優(yōu)化方案明顯提高了某鋼鐵廠的設(shè)備利用率，打破了瓶頸，降低了各機(jī)器的繁忙率，使其運(yùn)行良好;提高各機(jī)器的利用率，縮短鐵水的平均生產(chǎn)周期，提高系統(tǒng)產(chǎn)能，增加了鋼鐵廠在市場的核心競爭力。

[關(guān)鍵詞]約束理論;鋼鐵企業(yè);“一罐到底”模式

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.27.005

1 引言

關(guān)于高爐—轉(zhuǎn)爐流程中出鐵到轉(zhuǎn)爐的界面模式，殷瑞鈺院士早在2000年就提出“一包到底”的鐵水至轉(zhuǎn)爐之間的運(yùn)輸方式，[1]國內(nèi)沙鋼、京唐等企業(yè)都相繼采用并取得了效果?！耙还薜降住苯缑婺Ｊ绞侵?，在煉鋼作業(yè)中用同一受鐵罐承載鐵水完成運(yùn)輸全過程，包括鐵水的承接、運(yùn)輸、鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐兌鐵等。“一罐到底”實(shí)現(xiàn)后，可取消煉鋼過程中混鐵爐環(huán)節(jié)，減少鐵水倒罐作業(yè)，降低鐵水溫降，減少鐵水散熱損失，同時(shí)減少翻鐵區(qū)煙塵排放，緩解除塵壓力，改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境煙塵污染，利于實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。基本工藝流程如下：受鐵罐在高爐受鐵后，不倒包直接運(yùn)到轉(zhuǎn)爐跨，兌入轉(zhuǎn)爐。整個(gè)高爐—轉(zhuǎn)爐區(qū)段中僅受鐵罐一種裝置，可稱其為“一罐到底”界面模式。該界面模式采用的受鐵罐兼有高爐受鐵容器，儲運(yùn)容器，預(yù)處理容器和兌入容器“四位一體”的功能。鐵水由受鐵罐直接兌入轉(zhuǎn)爐，由此鐵水只發(fā)生一次空氣冷卻降溫過程，而沒有倒包包體吸熱降溫，能大幅度減小溫度損失，節(jié)能降耗，減少環(huán)境污染，可實(shí)現(xiàn)容器的快速周轉(zhuǎn)，是未來界面的發(fā)展方向。在鋼鐵行業(yè)中，界面模式研究是開展鋼鐵物流研究的基礎(chǔ)，經(jīng)實(shí)踐表明“一罐到底”界面模式可節(jié)約能源、降低能源消耗、減少鐵水散熱的損失、減少煙塵污染等，具有較大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是未來高爐—轉(zhuǎn)爐區(qū)段界面模式的發(fā)展方向[1]。因此找出“一罐到底”界面模式中的瓶頸及關(guān)鍵路徑，并消除這些物流瓶頸，進(jìn)一步優(yōu)化鋼鐵企業(yè)運(yùn)作方案，提高設(shè)備利用率，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降低成本、提高自身核心競爭力。

2 約束理論

約束理論（Theory of Constraints，TOC）是以色列物理學(xué)家戈德拉特博士在他的優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)（Optimized ProductionTechnology，OPT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。[2]這套管理辦法通?？梢宰屍髽I(yè)在極短時(shí)間內(nèi)，且無大量額外投資的情況下，使業(yè)績產(chǎn)生突破性的增長。一般地說，在企業(yè)整個(gè)的業(yè)務(wù)經(jīng)營流程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)只要它阻礙了企業(yè)更大程度地增加有效產(chǎn)出或減少庫存和運(yùn)營費(fèi)用，那么它就是一個(gè)“約束”。通常也稱作“瓶頸”（Bottle Neck）。通常人們認(rèn)為：所謂“約束資源”，指的是實(shí)際生產(chǎn)能力小于或等于生產(chǎn)負(fù)荷的資源，而其余的資源則為非約束資源，它是建立在解決瓶頸資源的問題上，適用于解決各種瓶頸的五個(gè)聚焦步驟（five focusing steps）為：第一步，找出系統(tǒng)之瓶頸。第二步，決定如何利用系統(tǒng)瓶頸，并釋放瓶頸的潛能。第三步，非瓶頸項(xiàng)目必須支持和服從第二步的利用計(jì)劃。第四步，改善系統(tǒng)的瓶頸，并給瓶頸因素松綁。第五步，回頭看，謹(jǐn)防人的惰性成為系統(tǒng)的瓶頸。具體實(shí)施為假如第四步的改善打破了原先的瓶頸，則再回到第一個(gè)步驟。

約束理論的五個(gè)聚焦步驟最大的優(yōu)點(diǎn)在于對整個(gè)系統(tǒng)的改進(jìn)只集中在瓶頸作業(yè)，瓶頸之外的作業(yè)不會考慮一并改善，改進(jìn)目標(biāo)相當(dāng)明確。瓶頸之外的作業(yè)要做的是對瓶頸作業(yè)改進(jìn)的支持和服從。瓶頸作業(yè)的改進(jìn)方式是由里而外，先利用系統(tǒng)瓶頸，釋放瓶頸的一切潛能。更重要的一點(diǎn)是回頭看，改進(jìn)瓶頸后，需要回過頭來重新觀察整個(gè)系統(tǒng)，看是否存在新的瓶頸，從而進(jìn)行新的一輪五個(gè)步驟法找新的瓶頸，打破新的瓶頸，服務(wù)和支持新的瓶頸釋放潛能等，從而使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營效率得到持續(xù)的提升。不會因人的惰性而造成企業(yè)的懈怠以成為持續(xù)盈利的企業(yè)為目標(biāo)不斷改善。

3 “一罐到底”模式簡化

鋼鐵企業(yè)中“一罐到底”界面模式[1]可簡化為：受鐵罐進(jìn)入高爐進(jìn)行受鐵作業(yè)—運(yùn)輸車toBUFFER0運(yùn)輸—進(jìn)入轉(zhuǎn)爐進(jìn)行兌鐵作業(yè)—運(yùn)輸車toBUFFER1運(yùn)輸—檢包和稱重運(yùn)輸車toBUFFER2運(yùn)輸—進(jìn)入高爐進(jìn)行受鐵。因?yàn)閷?shí)際中主要以受鐵作業(yè)，toBUFFER0運(yùn)輸，兌鐵作業(yè)，toBUFFER1運(yùn)輸，檢包和稱重，toBUFFER2運(yùn)輸，受鐵為主，符合現(xiàn)實(shí)情況。

4 具體應(yīng)用

4.1 利用“一罐到底”模式仿真模型找到瓶頸因素——受鐵作業(yè)

Witness軟件是一個(gè)關(guān)于生產(chǎn)、運(yùn)輸、規(guī)劃等的仿真軟件，它可以可視化生產(chǎn)系統(tǒng)仿真的整個(gè)過程，讓使用者清楚地了解到生產(chǎn)過程中發(fā)生的問題，并及時(shí)對模型的參數(shù)（對應(yīng)的生產(chǎn)參數(shù)）進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對物流系統(tǒng)優(yōu)化配置，得到了較為廣泛的應(yīng)用。[3]某鋼鐵廠的“一罐到底”模式在Witness中建模見圖1“一罐到底”模式仿真模型。

給定“一罐到底”模式仿真[4]模型處理后的參數(shù)初始值，設(shè)定一天的時(shí)間60×8=480分，經(jīng)過Witness2008中的Run，分別得到受鐵罐零件;BUFFER0-BUFFER2緩沖器;受鐵機(jī)器、兌鐵機(jī)器、稱重或檢包機(jī)器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)受鐵罐零部件類、機(jī)器類和緩沖區(qū)類數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以得到進(jìn)入此仿真模型的受鐵罐數(shù)目為12罐。因本文主要考察此模式的瓶頸工序，兌鐵作業(yè)的繁忙率為85.72%，稱重檢包為20.56%。

受鐵作業(yè)明顯屬于整個(gè)模式的瓶頸工序設(shè)備的繁忙率為99.51%，為90%以上，其后的兌鐵作業(yè)和稱重檢包由于受鐵瓶頸，導(dǎo)致受鐵罐不足，設(shè)備均處于利用率較低的狀態(tài)。

4.2 打破瓶頸——提高瓶頸作業(yè)的效率和增加瓶頸作業(yè)設(shè)備

4.2.1 解決方案1

縮短受鐵作業(yè)時(shí)間，提高受鐵作業(yè)的工作效率。把受鐵作業(yè)時(shí)間從NEGEXP （15，1）變?yōu)镹EGEXP （10，1），同樣運(yùn)行一天480分，根據(jù)統(tǒng)計(jì)可得，受鐵作業(yè)的繁忙率從原來的99.51%降為79.5%，瓶頸作業(yè)得到明顯的改善，兌鐵作業(yè)從原來的85.72%上升為85.87%，提高了兌鐵作業(yè)的繁忙率，讓兌鐵機(jī)器轉(zhuǎn)爐提高利用率。在運(yùn)行良好范圍內(nèi)，稱重或檢包繁忙率較低，比較空閑，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候投入更多的受鐵罐，加快投料速度，減少稱重或檢包的空閑率。