基于约束理论的钢铁物流仿真优化

梁素梅 吴迪

[摘 要]以“一罐到底”模式作为研究对象，以约束理论（TOC）为基础，运用约束理论五步骤法对某钢铁厂“一罐到底”模式进行仿真优化，通过实施两个优化方案明显提高了某钢铁厂的设备利用率，打破了瓶颈，降低了各机器的繁忙率，使其运行良好;提高各机器的利用率，缩短铁水的平均生产周期，提高系统产能，增加了钢铁厂在市场的核心竞争力。

[关键词]约束理论;钢铁企业;“一罐到底”模式

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

1 引言

关于高炉—转炉流程中出铁到转炉的界面模式，殷瑞钰院士早在2000年就提出“一包到底”的铁水至转炉之间的运输方式，[1]国内沙钢、京唐等企业都相继采用并取得了效果。“一罐到底”界面模式是指，在炼钢作业中用同一受铁罐承载铁水完成运输全过程，包括铁水的承接、运输、铁水预处理、转炉兑铁等。“一罐到底”实现后，可取消炼钢过程中混铁炉环节，减少铁水倒罐作业，降低铁水温降，减少铁水散热损失，同时减少翻铁区烟尘排放，缓解除尘压力，改善现场作业环境烟尘污染，利于实现清洁生产。基本工艺流程如下：受铁罐在高炉受铁后，不倒包直接运到转炉跨，兑入转炉。整个高炉—转炉区段中仅受铁罐一种装置，可称其为“一罐到底”界面模式。该界面模式采用的受铁罐兼有高炉受铁容器，储运容器，预处理容器和兑入容器“四位一体”的功能。铁水由受铁罐直接兑入转炉，由此铁水只发生一次空气冷却降温过程，而没有倒包包体吸热降温，能大幅度减小温度损失，节能降耗，减少环境污染，可实现容器的快速周转，是未来界面的发展方向。在钢铁行业中，界面模式研究是开展钢铁物流研究的基础，经实践表明“一罐到底”界面模式可节约能源、降低能源消耗、减少铁水散热的损失、减少烟尘污染等，具有较大经济效益和社会效益，是未来高炉—转炉区段界面模式的发展方向[1]。因此找出“一罐到底”界面模式中的瓶颈及关键路径，并消除这些物流瓶颈，进一步优化钢铁企业运作方案，提高设备利用率，提高产品产量和质量，实现节能降耗、降低成本、提高自身核心竞争力。

2 约束理论

约束理论（Theory of Constraints，TOC）是以色列物理学家戈德拉特博士在他的优化生产技术（Optimized ProductionTechnology，OPT）的基础上发展起来的。[2]这套管理办法通常可以让企业在极短时间内，且无大量额外投资的情况下，使业绩产生突破性的增长。一般地说，在企业整个的业务经营流程中，任何一个环节只要它阻碍了企业更大程度地增加有效产出或减少库存和运营费用，那么它就是一个“约束”。通常也称作“瓶颈”（Bottle Neck）。通常人们认为：所谓“约束资源”，指的是实际生产能力小于或等于生产负荷的资源，而其余的资源则为非约束资源，它是建立在解决瓶颈资源的问题上，适用于解决各种瓶颈的五个聚焦步骤（five focusing steps）为：第一步，找出系统之瓶颈。第二步，决定如何利用系统瓶颈，并释放瓶颈的潜能。第三步，非瓶颈项目必须支持和服从第二步的利用计划。第四步，改善系统的瓶颈，并给瓶颈因素松绑。第五步，回头看，谨防人的惰性成为系统的瓶颈。具体实施为假如第四步的改善打破了原先的瓶颈，则再回到第一个步骤。

约束理论的五个聚焦步骤最大的优点在于对整个系统的改进只集中在瓶颈作业，瓶颈之外的作业不会考虑一并改善，改进目标相当明确。瓶颈之外的作业要做的是对瓶颈作业改进的支持和服从。瓶颈作业的改进方式是由里而外，先利用系统瓶颈，释放瓶颈的一切潜能。更重要的一点是回头看，改进瓶颈后，需要回过头来重新观察整个系统，看是否存在新的瓶颈，从而进行新的一轮五个步骤法找新的瓶颈，打破新的瓶颈，服务和支持新的瓶颈释放潜能等，从而使整个系统的运营效率得到持续的提升。不会因人的惰性而造成企业的懈怠以成为持续盈利的企业为目标不断改善。

3 “一罐到底”模式简化

钢铁企业中“一罐到底”界面模式[1]可简化为：受铁罐进入高炉进行受铁作业—运输车toBUFFER0运输—进入转炉进行兑铁作业—运输车toBUFFER1运输—检包和称重运输车toBUFFER2运输—进入高炉进行受铁。因为实际中主要以受铁作业，toBUFFER0运输，兑铁作业，toBUFFER1运输，检包和称重，toBUFFER2运输，受铁为主，符合现实情况。

4 具体应用

4.1 利用“一罐到底”模式仿真模型找到瓶颈因素——受铁作业

Witness软件是一个关于生产、运輸、规划等的仿真软件，它可以可视化生产系统仿真的整个过程，让使用者清楚地了解到生产过程中发生的问题，并及时对模型的参数（对应的生产参数）进行调整和优化，实现对物流系统优化配置，得到了较为广泛的应用。[3]某钢铁厂的“一罐到底”模式在Witness中建模见图1“一罐到底”模式仿真模型。

给定“一罐到底”模式仿真[4]模型处理后的参数初始值，设定一天的时间60×8=480分，经过Witness2008中的Run，分别得到受铁罐零件;BUFFER0-BUFFER2缓冲器;受铁机器、兑铁机器、称重或检包机器的运行数据，根据受铁罐零部件类、机器类和缓冲区类数据统计可以得到进入此仿真模型的受铁罐数目为12罐。因本文主要考察此模式的瓶颈工序，兑铁作业的繁忙率为85.72%，称重检包为20.56%。

受铁作业明显属于整个模式的瓶颈工序设备的繁忙率为99.51%，为90%以上，其后的兑铁作业和称重检包由于受铁瓶颈，导致受铁罐不足，设备均处于利用率较低的状态。

4.2 打破瓶颈——提高瓶颈作业的效率和增加瓶颈作业设备

4.2.1 解决方案1

缩短受铁作业时间，提高受铁作业的工作效率。把受铁作业时间从NEGEXP （15，1）变为NEGEXP （10，1），同样运行一天480分，根据统计可得，受铁作业的繁忙率从原来的99.51%降为79.5%，瓶颈作业得到明显的改善，兑铁作业从原来的85.72%上升为85.87%，提高了兑铁作业的繁忙率，让兑铁机器转炉提高利用率。在运行良好范围内，称重或检包繁忙率较低，比较空闲，适当的时候投入更多的受铁罐，加快投料速度，减少称重或检包的空闲率。