基于約束理論的鋼鐵物流仿真優化

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，運用約束理論五步驟法對某鋼鐵廠“一罐到底”模式進行仿真優化，通過實施兩個優化方案明顯提高了某鋼鐵廠的設備利用率，打破了瓶頸，降低了各機器的繁忙率，使其運行良好;提高各機器的利用率，縮短鐵水的平均生產周期，提高系統產能，增加了鋼鐵廠在市場的核心競爭力。

[關鍵詞]約束理論;鋼鐵企業;“一罐到底”模式

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

1 引言

關于高爐—轉爐流程中出鐵到轉爐的界面模式，殷瑞鈺院士早在2000年就提出“一包到底”的鐵水至轉爐之間的運輸方式，[1]國內沙鋼、京唐等企業都相繼采用并取得了效果?！耙还薜降住苯缑婺Ｊ绞侵?，在煉鋼作業中用同一受鐵罐承載鐵水完成運輸全過程，包括鐵水的承接、運輸、鐵水預處理、轉爐兌鐵等?！耙还薜降住睂崿F后，可取消煉鋼過程中混鐵爐環節，減少鐵水倒罐作業，降低鐵水溫降，減少鐵水散熱損失，同時減少翻鐵區煙塵排放，緩解除塵壓力，改善現場作業環境煙塵污染，利于實現清潔生產?；竟に嚵鞒倘缦拢菏荑F罐在高爐受鐵后，不倒包直接運到轉爐跨，兌入轉爐。整個高爐—轉爐區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，儲運容器，預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爐，由此鐵水只發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，節能降耗，減少環境污染，可實現容器的快速周轉，是未來界面的發展方向。在鋼鐵行業中，界面模式研究是開展鋼鐵物流研究的基礎，經實踐表明“一罐到底”界面模式可節約能源、降低能源消耗、減少鐵水散熱的損失、減少煙塵污染等，具有較大經濟效益和社會效益，是未來高爐—轉爐區段界面模式的發展方向[1]。因此找出“一罐到底”界面模式中的瓶頸及關鍵路徑，并消除這些物流瓶頸，進一步優化鋼鐵企業運作方案，提高設備利用率，提高產品產量和質量，實現節能降耗、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）是以色列物理學家戈德拉特博士在他的優化生產技術（Optimized ProductionTechnology，OPT）的基礎上發展起來的。[2]這套管理辦法通常可以讓企業在極短時間內，且無大量額外投資的情況下，使業績產生突破性的增長。一般地說，在企業整個的業務經營流程中，任何一個環節只要它阻礙了企業更大程度地增加有效產出或減少庫存和運營費用，那么它就是一個“約束”。通常也稱作“瓶頸”（Bottle Neck）。通常人們認為：所謂“約束資源”，指的是實際生產能力小于或等于生產負荷的資源，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聚焦步驟（five focusing steps）為：第一步，找出系統之瓶頸。第二步，決定如何利用系統瓶頸，并釋放瓶頸的潛能。第三步，非瓶頸項目必須支持和服從第二步的利用計劃。第四步，改善系統的瓶頸，并給瓶頸因素松綁。第五步，回頭看，謹防人的惰性成為系統的瓶頸。具體實施為假如第四步的改善打破了原先的瓶頸，則再回到第一個步驟。

約束理論的五個聚焦步驟最大的優點在于對整個系統的改進只集中在瓶頸作業，瓶頸之外的作業不會考慮一并改善，改進目標相當明確。瓶頸之外的作業要做的是對瓶頸作業改進的支持和服從。瓶頸作業的改進方式是由里而外，先利用系統瓶頸，釋放瓶頸的一切潛能。更重要的一點是回頭看，改進瓶頸后，需要回過頭來重新觀察整個系統，看是否存在新的瓶頸，從而進行新的一輪五個步驟法找新的瓶頸，打破新的瓶頸，服務和支持新的瓶頸釋放潛能等，從而使整個系統的運營效率得到持續的提升。不會因人的惰性而造成企業的懈怠以成為持續盈利的企業為目標不斷改善。

3 “一罐到底”模式簡化

鋼鐵企業中“一罐到底”界面模式[1]可簡化為：受鐵罐進入高爐進行受鐵作業—運輸車toBUFFER0運輸—進入轉爐進行兌鐵作業—運輸車toBUFFER1運輸—檢包和稱重運輸車toBUFFER2運輸—進入高爐進行受鐵。因為實際中主要以受鐵作業，toBUFFER0運輸，兌鐵作業，toBUFFER1運輸，檢包和稱重，toBUFFER2運輸，受鐵為主，符合現實情況。

4 具體應用

4.1 利用“一罐到底”模式仿真模型找到瓶頸因素——受鐵作業

Witness軟件是一個關于生產、運輸、規劃等的仿真軟件，它可以可視化生產系統仿真的整個過程，讓使用者清楚地了解到生產過程中發生的問題，并及時對模型的參數（對應的生產參數）進行調整和優化，實現對物流系統優化配置，得到了較為廣泛的應用。[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]模型處理后的參數初始值，設定一天的時間60×8=480分，經過Witness2008中的Run，分別得到受鐵罐零件;BUFFER0-BUFFER2緩沖器;受鐵機器、兌鐵機器、稱重或檢包機器的運行數據，根據受鐵罐零部件類、機器類和緩沖區類數據統計可以得到進入此仿真模型的受鐵罐數目為12罐。因本文主要考察此模式的瓶頸工序，兌鐵作業的繁忙率為85.72%，稱重檢包為20.56%。

受鐵作業明顯屬于整個模式的瓶頸工序設備的繁忙率為99.51%，為90%以上，其后的兌鐵作業和稱重檢包由于受鐵瓶頸，導致受鐵罐不足，設備均處于利用率較低的狀態。

4.2 打破瓶頸——提高瓶頸作業的效率和增加瓶頸作業設備

4.2.1 解決方案1

縮短受鐵作業時間，提高受鐵作業的工作效率。把受鐵作業時間從NEGEXP （15，1）變為NEGEXP （10，1），同樣運行一天480分，根據統計可得，受鐵作業的繁忙率從原來的99.51%降為79.5%，瓶頸作業得到明顯的改善，兌鐵作業從原來的85.72%上升為85.87%，提高了兌鐵作業的繁忙率，讓兌鐵機器轉爐提高利用率。在運行良好范圍內，稱重或檢包繁忙率較低，比較空閑，適當的時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。