基于MTO模式的钢铁企业生产系统优化研究

第 要 市场竞争的加剧给企业带来了难得的机遇与严峻的挑战，对钢铁企业来说，如何对企业生产计划系统进行管理直接影响着企业产品订单交付和企业收益状况。订单计划问题涉及炼钢、热轧等多个工序，每个工序的生产工艺各不相同，且合同订单的规模相对较大。因此，按照各工艺环节的目标及约束，对生产过程进行优化研究，对企业缩短交货期、降低库存等运作成本及提高客户满意度等方面有着非常重要的作用。本研究对提高企业的快速适应市场能力和企业的利润有着一定的理论和现实意义。 本文主要以合同的准时交货、最小化组炉余材率、最大化热送热装比和工序能力均衡等为目标，研究并分析了钢铁企业一体化生产计划系统的优化模型。提出并设计了基于式的一体化系统优化模型，根据订单与库存的匹配，设备的负荷等约束建立了库存匹配优化模型和生产能力优化模型。运用局部优化方法，从五个部分采用多系统协作方式完成一体化生产计划的编制，保证了各工序上物流的高效运转及有效衔接，最大化产能的同时充分提高热装热送率，指导实际生产的优化运行。 关键词：钢铁企业 一体化生产计划系统 生产系统优化 第 he of As to of in of is of is it is to up on to in of to on to of of is on to on in An of a of in of of In to of of is by of on TO on 第 录 摘 要.一章 绪论.究背景及研究意义. 研究背景. 研究目的及意义.内外研究现状. 国外研究现状. 国内研究现状.文的研究内容及研究方法. 研究内容. 论文的研究方法. 论文的技术路线.二章 相关理论概述及现状分析.铁行业现状分析. 钢铁企业生产工艺流程及其特点. 钢铁企业的营运能力分析. 钢铁企业信息系统建设分析.产系统相关理论分析. 现代生产系统的结构及类型. 生产计划系统的概念及分类. 一体化生产计划系统的优化方法. 订单生产模式的分类及特点. . .三章 系统优化模型的分析与构建.体化生产计划系统优化模型分析. 一体化生产过程描述. 优化模型分析. 钢铁企业一体化生产计划编制流程. 库存匹配模型. 生产能力模型. 章小结.四章 一体化生产计划系统编制流程设计.统编制体系的问题分析.统编制体系的建立.体化生产体系信息传递模型.体化生产计划编制流程.章小结.五章 总结与展望.文总结.来展望.考文献. 谢.读硕士学位期间研究成果.汉科技大学 硕士学位论文 第1页 第一章 绪论 究背景及研究意义 究背景 随着世界钢铁工业进入快速发展阶段，我国钢铁企业也取得了前所未有的发展，连续十年名列世界第一钢铁产量大国。但随着国内外市场环境的变化，我国钢铁产业发展过程中的不足之处也逐渐呈现出来：产品结构不合理、市场集中度低、企业平均规模小、数量多、产量分散，供给大于有效需求，导致了产业布局分散、效益差、成本高规模小的局面1。 自2008年以来，受美国次贷危机的影响，全球经济萎靡，中国钢铁产业也面临严峻的考验，不得不进行转型变革。其中一些中小型钢铁企业走上了重组整合的道路，被一些大型的钢铁企业并购，淘汰落后产能达到可持续发展。伴随着钢铁交易量的降低，成交价格的下降，国内钢铁行业也进行了一场瘦身计划，包括国内一些大型的钢铁企业宝钢、武钢等均收到重击，有些中小型企业入不敷出只能全线停产2。同时，因资源条件影响，国内钢铁企业在整个供应链中话语权低，讨价还价能力较弱，国内钢铁企业的发展受制于国外大型铁矿企业，原材料大幅涨价，直接导致国内钢铁企业利润率下降。为了应对国际以及国内的竞争压力，国内钢铁企业也纷纷开始寻找自己的出路，同时国家也在宏观政策上对我国钢铁产业结构进行规划调整。我国政府为了刺激钢铁行业的健康发展，自十六大以来，宏观调控政策屡屡出台，如钢铁产业发展政策和六项振兴计划，帮助钢铁产业转型，对钢铁产业及产业链产生了很大影响，具有优势的企业将获得机会，形成“巨型”企业1。在政府不断出台宏观政策的情况下，我国钢铁企业应怎样抓住机遇，应对危机，提高核心竞争力是本文的出发点。钢铁工业可以分为分成钢、生铁、金属制品、铁合金碳素制品、耐火材料、成品钢材、焦炭、铁矿石及其加工产品这八大类主导产品。本文考虑到数据取材方便钢产品的直观性和取材方便，研究的对象仅仅限于钢这一主导产品。 随着不断变化的经营环境和工艺技术的不断改进，客户对钢铁的需求向多品种，小批量的方向发展，特别是对交货期及服务的要求日趋精确成为现在钢铁企业所面临的严峻环境。企业为了更好的满足客户的需求，占有更多的市场份额，必须实现按订单投料，灵活组织生产，而这与钢铁企业巨大的生产规模和复杂的生产流程形成了尖锐的矛盾。订单计划即根据合同池的数据信息及交货期对生产过程中的多个工序进行全局控制，不同生产工序的工艺不同，再加上合同规模较大，为了保证生产的高效运行，就必须建立更加科学、合理、全面的生产合同计划，根据现代生产制造流程的特点，建立符合现代生产管理的生产计划与调度系统。 究目的及意义 生产计划是指在计划期内按照各种工艺约束的限制条件，对资源进行分配及安排加工第2页 武汉科技大学 硕士学位论文 任务顺序，用于满足生产过程的需要。是企业根据市场需要和订单要求的产品而制定的企业总体计划，是对企业总体目标的确定和时间进度的安排。因此研究如何制定、实施和改进生产计划对提高市场快速应对能力和增加企业利润有着一定的理论和现实意义。 钢铁生产过程是一个半连续半离散的混合式流程化生产过程，即把我们通常所说的三流（信息流、物质流、能量流）进行集成化处理3，伴随着高温下的化学变化与物理变化，由不同结构功能的单元工序过程组成的复杂流程系统。一体化生产计划是钢铁精细化生产的重要内容，在生产过程中需要 合考虑各种资源的计划控制，对生产过程中的设备、物料、资金、人力、技术等多方面进行实时监控，优化资源配置，最大化企业利益。 管理模式与计划调度的落后一直是制造企业生产的瓶颈问题，不管是对传统的生产车间，还是现代计算机集成制造系统，生产系统的的有效运行是所有制造企业都必须面临并亟待解决的问题4。若企业仍采用传统的管理控制模式，不仅不能发挥硬件设备的技术优势，还会造成经济上的浪费。钢铁企业面临小批量、多品种、高质量、交货时间短等多样性特点的大量订单形势的客户需求，在生产过程中，为了优化企业资源配置，最小化生产成本，必须提高各工序之间的连续性及生产计划的均衡性，使企业生产效益最大化。 本课题的研究意义： （1）根据生产计划制定各工艺环节的生产目标及工艺流程约束，运用统一建模思想及反向控制理论，优化以订单为驱动的一体化生产计划系统的编制，提高生产管理水平，使其在计划上能够做到切实可行。 （2）本课题主要对缩短交货提前期或推后期，使库存降到最低，优化生产成本，平衡设备的生产能力进行研究，优化各工序的生产计划。在保证各工序物流的高效运转及有效衔接的基础上，最大化产能的同时充分提高热装热送率，指导实际生产的优化运行。 （3）通过对一体化生产系统五个子系统进行局部优化研究，采用多系统协同控制的方式编制一体化生产计划模型体系，对钢铁生产过程中编制各工序衔接紧密的一体化生产计划问题具有一定的理论指导意义。 内外研究现状 在钢铁生产过程中，存在着物质流的传递和能量流的相互转化，各工艺过程之间是一个半连续的过程，并呈现多阶段性，各工序之间有顺序约束又衔接紧密，主要工序有炼钢、连铸和热轧。为了实现整个生产过程的集成，做到全局最优化管理，这就要求钢铁企业必须从整体出发，以流程整体最优为目标5。 外研究现状 随着社会的快速发展和科技的进步，越来越多的企业将先进的管理技术和手段运用到生产管理体系中，也使生产计划和控制技术得到了快速的发展。最早出现的生产过程管理方法有经济批量法、订货点法、安全库存法等，但是这些方法并没有将“独立需求”和“相武汉科技大学 硕士学位论文 第3页 关需求”区分开来，因此未能取得预期效果6。直到本世纪六十年代中期，在美国一些以离散型批量生产为生产方式的企业内部，在原有传统方法的基础上，提出了一种将“独立需求”和“相关需求”进行了区分，基于无线约束的物料需求计划，简称种计划方法使相关需求的生产计划管理问题得到了较好的解决7，把企业在无计划状态下的物料积压和缺货情况降到了最低，大大减少了无效成本的产生。准时制生产（n 由日本的丰田公司基于多品种、小批量、高质量、低能耗的独特生产模式提出的，以通过“零库存”来实现“消除一切浪费”为核心8，与物料生产的推动式生产计划与控制系统不同，它是一个推动式的生产方式，基本思想是根据企业的生产需求，在一定的时间内生产需要的产品，它的目标就是缩短生产过程，使整个系统的物流处于平衡、迅速的状态，提高资源的利用效率9。准时制生产模式于1961年开始在丰田公司推广，经过十几年的不断完善与发展，丰田公司在生产经营上去得了骄人的业绩，但由于 以在企业全面推广和实现较为困难。后来美国麻省理工学院（据其对结其成功的经验，于1990年提出了一个以“彻底消除浪费”为核心内涵的全新概念：精益生产模式0。 70年代末期，称它是一种企业在生产过程中用于安排人力及物料调度的生产计划方法11。他认为企业在生产过程中最重要的是要找出控制这个生产系统进度的关键资源也称为瓶颈环节，将其看做是整个生产系统管理和控制的重点，使该关键环节满负荷工作，达到最大的输出量，不至于影响生产的进度，使企业的生产周期最短化，最小化在制品库存。最优化生产技术的应用在通用汽车公司、通用电气公司等取得了明显的经济效益，也逐渐被业界和理论界所接受。以色列的. 基础上提出了约束理论（以解决瓶颈约束改进生产产量，提高整个企业的生产效率。 为了不断的提升企业竞争力及市场占有率，企业在以上的生产计划与控制技术基础上，依然在不断的追求效率更高、更完善的管理模式。1977年， 出了制造资源计划系统12（I），实现了财务、市场营销计划和生产计划的有效整合，使企业生产过程中的各种资源得到统一的计划和控制。 1990年，美国的 是一套在供应链与互联网的基础上，通过信息共享和互相信息交流来提高企业各部门之间合作的系统。该系统集成了精益化生产、同步工程和快捷制造的思想，实现了对企业资源计划及整个供应链资源的有效管理，体现了事前计划和事后控制的思想。 内研究现状 有关生产计划和控制体系的研究，在国内研究方面，许多学者在原有相关研究的基础第4页 武汉科技大学 硕士学位论文 上，提出了不同的基于集成化思想的生产计划与控制模式：集成模式；集成模式等。其中具有代表性的有：秦志敏教授在上海交通大学现了论的集成化研究13；西北工业大学机电工程学院博士研究生王军强等分别对4；李权兵等在其基础上对5等等。 由于生产过程中一体化计划编制的重要性，国内学者对一体化计划方法进行了大量的研究工作。唐洪华、田乃媛等以唐钢薄板坯连铸连轧流程为研究对象，运用物流管制理论建立了物流仿真系统，并编制了科学的生产调度作业计划16；孙福权、郑秉霖等采用混合算法的思想对一体化管理的生产计划编制匹配问题进行研究17；贺东风根据对薄板坯连铸连轧流程连续化程度的研究，找出其主要的影响因素并进行了分析18；许剑等运用并行策略方法开发了武钢9；李耀华等对钢铁企业的一体化生产计划编制问题的五个子系统进行局部优化研究，给出其一体化生产计划的编制流程20；唐立新等对编制一体化生产计划时各工序需满足的约束进行了分析21；马天牧等通过应用模型控制和参数控制的两环控制策略的方法，解决了一体化批量计划问题22。这些方法研究为实际应用打下了良好的基础并取得了一定的成果，然后在考虑铁水进厂节奏等因素对生产计划存在影响等方面仍有局限。 钢铁企业生产计划与调度相关理论与方法的研究已相对成熟，如郑秉霖等叙述了一体化管理在钢铁企业管理中的地位，进而综述了钢铁生产工序管理和生产计划理论方法发展趋势17；马跃等以特钢为研究对象，在用多层递阶计划和动态实时调度策略，针对企业的上层管理和下层执行之间的关系，构建了立了适合特钢企业经营管理与生产制造一体化的信息系统23；蔡洋等对基于用立了其体系结构模型24；刘晓冰等在综合考虑生产过程的复杂性、工艺约束限制、成本管理与计划管理等要素的相互协作的基础上，建立了纵横交叉的集成化生产计划管理模型25。 文的研究内容及研究方法 究内容 （1）本文通过对钢铁行业的生产系统现状，及钢铁企业的生产工艺流程特点的分析，提出建设一体化系统的必要性。根据生产计划制定各工艺环节的生产目标及工艺流程约束，运用统一建模思想及反向控制理论，建立以订单为驱动的一体化生产计划系统优化模型。 （2）主要对企业的订单排产计划进行了研究，建立库存匹配优化模型和生产能力优化模型。主要从缩短交货提前期或推后期，使库存降到最低，优化生产成本，平衡设备的生产能力，最大化生产的利用效率，按照工序的先后顺序进行排产。保证各工序上物流的武汉科技大学 硕士学位论文 第5页 高效运转及有效衔接，最大化产能的同时充分提高热装热送率，指导实际生产的优化运行。 （3）在建立生产系统优化模型的基础之上，通过对一体化生产系统五个子系统进行局部优化研究，采用多系统协同控制的方式完成了一体化生产计划模型体系的编制，解决了钢铁生产过程中各工序衔接紧密的一体化生产计划的编制问题。 文的研究方法 本课题研究方法主要有两种：文献资料法，理论研究与实际应用相结合的方法。 （1） 文献资料法：通过对国内外的参考文献的搜集、整理、分析、综合，概括性掌握钢铁企业一体化生产系统的基本理论和研究现状，并借鉴其相关研究方法。 （2） 理论研究与实际应用相结合：本文分析了钢铁行业的生产系统现状，及钢铁企业的生产工艺流程及特点，企业营运能力及信息系统建设情况，提出建设一体化系统的必要性。根据生产计划制定各工艺环节的生产目标及工艺流程约束，运用统一建模思想及反向控制理论，建立以订单为驱动的一体化生产计划系统优化模型。 文的技术路线 论文在总体研究计划的指导下有序的展开，第6页 武汉科技大学 硕士学位论文 文的技术路线 武汉科技大学 硕士学位论文 第7页 第二章 相关理论概述及现状分析 铁行业现状分析 在国内政策利好的刺激下，钢材市场需求有所放量，市场库存和钢厂库存消化加速，但随着生产成本的上升，企业的盈利空间压缩，行业的整体盈利水平仍然偏低。“十一五”期间，粗钢产量年均增幅将达到12%左右，但行业总体盈利水平仍然偏低，甚至低于全国工业行业的平均利润水平。 虽然我国钢铁产业的快速增长有力地支持了我国国民经济的快速、健康发展，但产业内部存在着严重的问题，最大问题就是产能过剩，产品结构不合理，特别是针对粗钢产品。随着总量的增加，更加剧了国内市场供需不平衡的矛盾，导致市场价格降低，企业经济效益也随之下滑。由于大量存在低水平、落后的产能，加上盲目的重复建设，导致严重的产品同质化现象，特殊钢材稀缺、普通钢材比例又过高，产品的结构严重失调。这就要求企业积极采取措施来应对国内的现状。 铁企业生产工艺流程及其特点 钢铁制造过程是一个复杂的，多目标的，多约束性的生产过程，从原材料的供给开始，逐步形成一个扩张的产品流，中间经过多个不同的工序进行生产，最终生产出符合客户订单要求且属性多样的产品。其制造环节繁多、工艺繁杂、工艺流程长、物料处理量大，在不同的工艺流程中，不仅是生产出的产品和中间半产品，还有各种返回的中间产物包含其中26。根据钢铁企业生产流程的规范性，其生产过程可以看作是一个混合流程制造过程，提高其经济效益的最好手段是进行大批量的生产。随着客户日益需求的多样化，使其对产品的生产要做到多样性，小批量性，这就要解决产品生产的大批量性与多样性产品之间的矛盾，这就使在产品规范生产中必须做好成本的有效管控，在其生产中原材料的成本占到企业生产成本的比例往往是比较大的，是成本管控的重点所在。其次产品的多样性也决定了生产中各材料管控的一个繁杂性。 依照钢铁企业管理特点及各生产的工艺特点，其生产工艺流程可分为物理加工和化学冶炼过程27。在化学冶炼过程中，物质在一定温度经过一定时间发生化学反应，向高炉中加入合适比例的主材料(如铁矿石、废钢、铁合金)和辅助材料来形成符合理化性能要求的产品内在质量。其冶炼主要发生在两个环节炼钢和炼铁。 炼铁的主要内容是将铁矿石、焦炭、石灰石等按照一定的比例要求，一起送入高炉中进行冶炼，然后再将炼钢所需的原料高炉铁水送往炼钢工序；高炉炼铁的特点是铁水是按照标准成分进行生产的单一产品，这就使其要有固有的工艺特性，且追求的是稳产、高产和低成本，所以此过程属于典型的连续流程型生产类型28。炼钢阶段主要是把炼钢所需的原料（铁水及废钢等）中过多的碳、磷等杂质去掉并加入适量的合金成分的过程，该工序决定了钢铁产品的理化性能，通常炼钢过程为连续生产类型29。物理加工过程就是体现温第8页 武汉科技大学 硕士学位论文 度、物质结构、形变之间的关系，其通过浇铸轧钢及冷轧、退火、固焙、酸洗、修磨及精整等再处理工序来形成产品的外在质量，不再需要添加原材料。浇铸就是将铁水经中间罐连续注入用冷水冷却的结晶器里，凝成坯壳后，从结晶器以稳定的速度拉出，再经喷水冷却，待全部凝固后，切成指定长度的连铸坯。轧钢就是将连铸出来的钢锭和连铸坯以热轧方式在不同的轧钢机轧制成各类钢材，最后形成产品。依据以上生产流程可以看出，化学冶炼过程中的投入是生产物资的主要投入，是其生产流程的主要特点，因此化学冶炼过程是生产物资供应管理控制的关键。 铁企业的营运能力分析 企业营运能力是指企业经营管理中资金运营的能力。运营能力的高效和有序主要反映财务竞争力在营运能力上的体现情况，具体表现在：一是企业平衡资金的能力，提高资金的周转效率，更加有效地利用资金，确定符合企业生产实际的产成品周转率；二是做好合理、有序的资金运营分配方案，通过充分利用现代网络技术，结合企业自身和市场动态信息的财务状况来实现。三是增强公司的短期偿债能力，管理好流动资产和应收账款，及时收回应收账款，提高资金的变现能力30。 营运能力体现在钢铁产业主要是产业的生产经营管理水平，产业对于金融危机的应对能力则是通过管理经营水平的高低体现出来的。2009年8月之前表现看，钢铁产业的营运能力指标虽受到经济环境的负面影响，但并没有影响到改变其相对稳定状态，但2010年以来，依照流动资产周转率和应收账款周转率这两个指标的变化情况，可以看出钢铁产业营运能力呈明显下滑趋势。 从应收账款周转率的变化反映在钢铁产业的趋势上看，从2005年开始，保持一直相对稳定的整体上升趋势，透露出钢铁的经营水平是在不断提高的。从2009年1月开始，外部经济环境因素促使应收账款周转率有所下滑，至2010年5月跌至不到2005年数据的50%，铁行业的应收账款周转率的变化幅度在2009年11月以前与产成品周转率变化幅度一致，保持在21次左右，2010年5月， 钢铁产业流动资产周转率自2005年开始上升，在2009年以来，由于产品的销售市场风险增加，价格波动，使流动资产周转率下降至近几年最低点31。 武汉科技大学 硕士学位论文 第9页 铁行业生产工艺流程图 00310页 武汉科技大学 硕士学位论文 铁企业信息系统建设分析 在一些发达国家，相关数据显示，在美国的8000家应用企业中，其中材料费可节约5%，直接生产人员的劳动生产率可提高5间接人员的劳动生产率可提高20原材料和在制品占用资产可减少20目前，中国也有大量钢铁企业应用了2。 内钢铁企业信息系统应用情况 产系统相关理论分析 代生产系统的结构及类型 （1）现代生产系统的结构 企业生产系统功能的发挥由生产系统的结构形式决定，生产系统构成要素以及与其有相互关系的其他要素构成生产系统。生产系统的构成要素颇多，按作用和性质划分，分为结构化要素和非结构化要素33。 工艺技术、设施设备、设备产能以及系统集成等要素构成了主要的结构化要素，是构成生产系统框架的物质条件。生产工艺技术的特点、工艺技术的水平、生产设备的技术性能等是生产技术的主要内容。生产性构筑物、机器设备、装置以及他们的布局等统称为生武汉科技大学 硕士学位论文 第11页 产设施设备，生产设备设施的匹配和性能决定了生产系统的工艺特征和技术水平。生产系统内机器设备等生产性固定资产的种类、数量及其关系、技术性能决定企业的生产能力，生产能力则反应了生产的可能性。系统的集成范围、与外部的联系及集成的方向（即生产过程的横向集成、纵向集成）等构成了生产系统集成的条件，体现了企业生产系统的结构形式。 非结构化要素主要由人力资源、计划管理、质量管理和有效库存等构成。系统运作的决定要素是人员组织，分为人员的素质及组织结构、人事管理制度、劳动定额及定员等。生产计划的主要组成是由计划中的计划的编制和类型和实施控制等方面组成的，系统是不是能顺利进行是由计划决定的。生产系统的经济效益的是否有效，库存控制的方式是否得当、库存系统的类型是否划分正确是由生产库存决定的。要使系统正常运行并且保证产品质量，质量检验、控制和质量保证体系等内容是由质量管理决定的。 （2）现代生产系统的类型划分 对生产系统设计和运行管理在运行过程中产生影响的因素之一就是生产类型。生产过程的组织的特点的确立其实也是由产品结构划分的准确度、设备的先进程度、生产的方法优劣、专业化程度等方面各自的特点确定的。在企业生产管理中存在一些内在的客观规律，我们研究生产类型的目的其实就是在生产企业的活动中找到些表面现象背后的内在的一致性。一般来说，生产类型的划分是由分类标准的不同来决定的34，产类型划分 产计划系统的概念及分类 使生产部门协调一致、销售部门与顾客之间就交货期达成一致的手段称之谓生产计划。我国的经济体制从建国后的计划经济到现在改革开放后的社会主义市场经济，经济体制的改变从而也导致所有企业生产计划和调度的整体变化。产品的需求根据市场的需求变第12页 武汉科技大学 硕士学位论文 化在不断的产生供求之间的各种变化，产品的革新换代周期变短，企业只有通过不断的开发新产品才能占有一定的市场份额，生产方式由原来的品种单一、大批量、高库存向多品种、多功能、小批量低库存转变；企业在市场中的地位由附属品向市场主体转变等。在这种新形势下，企业生产计划除了遵循计划工作的一般原则外，还要讲究策略。 生产计划管理是企业的对市场响应能力的体现，直接关系到一个企业的产品数量和质量以及经营业绩，是组成运营管理的不可或缺的一部分。通常把对生产活动的计划、组织和控制工作一般称之为企业生产计划管理35。生产计划管理有广义和狭义之分，广义的生产计划管理是指以企业的整个生产系统为管理对象，包括所有与产品的生产相关的各个方面工作的管理，从对原辅材料的采购、设备、人力、资金等管理开始，再对生产工艺、流程以及质量的控制等系列管理工作。狭义的生产计划管理是指以产品的生产工艺、流程以及质量控制为对象进行的管理，包括过程组织、产能核定、计划制定、计划的执行以及生产调度工作。本文主要涉及狭义上的生产计划管理。 生产计划主要分长期、中期、短期三个层次，主要是依据其在生产经营的不同阶段所起的作用，以及延续时间的长短进行划分，这三个层次的生产计划构成了一个完整的生产计划体系，其间互相联系、相互配合。 生产计划的编制是企业根据市场