CC BY
34
МЕТОДОЛОГИЯ
и ч
ва
ass
sss
ss
s
МЕНЕДЖМЕНТ КАЧЕСТВА
Методы реализации принципов TQM на метизно-металлургическом предприятии
В статье рассматривается пример использования математического моделирования и информационных технологий на метизно-металлургическом предприятии для обеспечения соответствия готовой продукции таким требованиям потребителей, как минимальная стоимость и максимальная своевременность поставки.
'т* Т4
С.А. ФЕДОСЕЕВ,
доцент, к.ф.-м.н., ГОУВПО «Пермский государственный технический университет» (fsa@gelicon.Ыz)
□ \
□на Ключевые
□ □3
пн слова:
менеджмент качества, математические модели исследования операций, метизное производство.
настоящее время в мировой практике одним из наиболее методологически эффективных подходов к управлению качеством продукции является Всеобщий менеджмент качества (Total Quality Management - TQM) [1]. Базовый принцип TQM - это удовлетворенность потребителей, которая достигается через соответствие продукции таким следующим требованиям:
- ноль дефектов;
- максимальная полезность;
- минимальная стоимость;
- максимальная своевременность поставки;
- максимальная безопасность.
Количество дефектов, набор полезных характеристик и параметры безопасности продукции в основном определяются ее конструктивными особенностями, применяемыми материалами и технологией производства. Поэтому они мало зависят от эффективности управления производством. Наибольшее влияние управление производством оказывает на стоимость продукции (путем снижения ее себестоимости) и на своевременность поставки продукции [2].
Рассмотрим пример использования математического моделирования и информационных технологий на метизнометаллургическом предприятии (далее MM^ для планирования производства сортового стана 250 (далее Стан-250), позволяющих:
3 снизить себестоимость продукции за счет сокращения простоев стана;
3 повысить скорость реагирования на изменения спроса со стороны потребителей за счет своевременного перепланирования работы стана.
Стан-250 предназначен для прокатки сортовых и фасонных профилей из углеродистых и низколегированных марок сталей. На Стане-250 производится периодический профиль горячекатаного арматурного проката класса А400, термоупрочненного арматурного проката класса А400С и А500С и высокопрочного арматурного проката класса Ат800 диаметром от б до 40 мм. Для получения сортовых и фасонных профилей на Стане-250 служит катаная или непрерывно-литая квадратная заготовка сечением 125х125 мм, длиной от 8,0 до 11,7м.
План производства для Стана-250 формируется ежемесячно (то есть является краткосрочным) по следующим причинам:
3 спрос на арматуру меняется очень быстро. Потребители продукции MM^ имеют возможность при необходимости
3
3
существенно корректировать свои ранее согласованные с ММП заказы по номенклатуре и объемам; длительность производственных циклов для выпуска требуемых партий арматуры для Стана-250 обычно составляет от одного до нескольких дней, для чего достаточен месячный горизонт планирования;
Стан-250 имеет фиксированную производительность, поэтому нет необходимости в долгосрочном планировании его загрузки, например на год; производство Стана-250 относится к поточному типу. Характерной особенностью такого производства является отсутствие необходимости в планировании производства комплектующих, при этом план выпуска готовой продукции напрямую связан с оперативным планом производства. Процесс планирования производства для Стана-250 можно условно разделить на два этапа:
1. Ежемесячно отдел сбыта ММП формирует потребность в продукции на очередной месяц. Отдел производства на основании этой потребности формирует производственное задание на очередной месяц для электросталеплавильного производства, производящего заготовку, и для прокатного производства. Прокатный цех на основании производственного задания формирует план производства для Стана-250 на очередной месяц с разбивкой по дням. При этом прокатный цех учитывает график планово-предупредительных ремонтов Стана-250, который формирует отдел ремонтов.
2. Несколько раз в месяц (иногда по нескольку раз в неделю) в соответствии с быстро изменяющимся спросом отдел сбыта ММП формирует заявки на корректировку плана производства для Стана-250, согласумыми с отделом производства. На основании этих заявок прокатный цех своевременно осуществляет изменение оперативного плана производства для Стана-250, при этом уточняя потребность в заготовке для электросталеплавильного производства.
При формировании плана производства для Стана-250 необходимо решить следующую задачу по оптимизации: минимизировать время простоя, который связан с перевалкой при смене диаметра профиля и класса арматурной стали, путем подбора соответствующей последовательности запуска партий арматуры в производство.
Математическая постановка данной задачи может быть записана в следующем виде: найти вектор управления, обеспечивающий экстремальное значение целевой функции при ограничениях типа равенств и неравенств.
42
ВеК КАЧЕСТВА № 4 • 2011
МЕНЕДЖМЕНТ КАЧЕСТВА
5 QC QQG QQC □ C G
МЕТОДОЛОГИЯ
В рассматриваемом случае:
3 целевая функция ^ 111111 ,
где p - количество перевалок Стана-250,
^ - время перевалки;
3 параметр управления - кортеж партий арматуры Ь Є ,
где К - множество всех кортежей длиной
м
3 ограничения j=\ ,
где Я/ - объем ]-той партии арматуры,
14
производительность стана при прокатке j-той партии арма-
м>,.
туры;
T-эффективное время работы стана в плановом периоде;
- матрица времен перевалки между і-той и і-той партиями арматуры при смене диаметра профиля;
- матрица времен перевалки между і-той и і-той партиями арматуры при смене класса арматурной стали.
Данная задача является ИР-трудной [3], то есть в общем случае, а именно при значительном количестве номенклатурных единиц в плане производства, не может быть решена полным перебором за конечное время даже с помощью современной вычислительной техники. Однако для ее решения в рассматриваемой функции планирования алгоритм полного перебора был реализован и показал свою эффективность для Стана-250 при количестве номенклатурных единиц арматуры в плане производства не более семи.
Для сокращения времени расчета были исследованы две эвристики, основанные на использовании норм времени на переналадку (перевалку) оборудования Стана-250 при смене диаметра профиля и класса арматурной стали.
В первой эвристике на каждом шаге алгоритма выбирается та арматура, после которой суммарное время перехода на другие
виды арматуры является минимальным. Данная эвристика исследовалась на эффективность путем сравнения решений, получаемых с ее помощью, и решений, получаемых полным перебором. К сожалению, данная эвристика оказалась неэффективной, так как в большинстве численных экспериментов полученное с ее помощью время простоя Стана-250 было на 40-60% больше того времени простоя, которое позволял получить полный перебор.
В качестве второй эвристики был использован так называемый жадный алгоритм [4], заключающийся в принятии локально оптимальных решений на каждом этапе, исходя из предположения о том, что конечное решение также окажется оптимальным. В рассматриваемой задаче жадный алгоритм на каждом шаге выбирает в качестве следующей ту арматуру, для которой время простоя при переходе от текущей арматуры минимально. Для рассматриваемой задачи жадный алгоритм показал высокую эффективность, о чем свидетельствует сравнение результатов, полученных с помощью жадного алгоритма, и результатов, полученных полным перебором. Так, при проведении 50 численных экспериментов с произвольно выбираемыми семью видами арматуры получены следующие результаты:
3 в 18 экспериментах было получено минимальное время простоя Стана-250, совпадающее с временем простоя, полученным полным перебором;
3 в 30 экспериментах было получено решение с временем простоя, которое не более чем на 10% большее минимального, полученного полным перебором;
3 в 2 экспериментах было получено решение с временем простоя, которое не более чем на 12% большее минимального, полученного полным перебором. Наихудшее решение оказалось больше минимального на 11,53%.
Таким образом, поскольку жадный алгоритм позволяет формировать план производства Стана-250 для реального набора арматуры на персональном компьютере за время, не превышающее 4 минут, именно он и был выбран в качестве основного для решения задачи минимизации времени простоя Стана-250. Дополнительным аргументом в пользу жадного алгоритма послужила легкость, с которой на ММП решается задача выбора первой арматуры в последовательности для плана производства. В соответствии с техническими условиями, как правило, это арматура с номинальным диаметром 12 мм.
Пример оперативного плана производства для Стана-250 приведен на рис. 1.
ОПЕРАТИВНЫМ ПЛАН ПРОИЗВОДСТВА СТАН-260 НА АПРЕЛЬ 2011 г.
. час. 1 / 3 4 Ь в / 8 9 10 11 12 13 14
п/п день пр ть пт сб вс пи ВТ ср чт пт сб вс пн ВТ ср чт
ППР тм/ч 8 8
Профиль
АРМАТУРА A500C 12 СТЗПС М/Д 11700 144 3081 3081 3081 1807
АРМАТУРА А 400 14 35ГС М/Д 11700 153 1072 928
АРМАТУРА А 400 14 25Г2С М/Д 11700 153 300
4 АРМАТУРА А500С 14 СТЗПС М/Д 11700 145 1866 2320 814
АРМАТУРА АТВОО 14 25Г2С М/Д 11700 94 2 1000
6 АРМАТУРА А 400 25 25Г2С М/Д 11700 175 400
7 АРМАТУРА А 400 25 Э5ГС М/Д 11700 175 182 1318
АРМАТУРА А500С 25 СТЗПС М/Д 11700 166 2191 3309
АРМАТУРА А 400 32 25Г2С М/Д 11700 170 106 194
' АРМАТУРА А 400 32 35ГС М/Д 11700 170 1000
. .. . . - -г 165 2289 211 !
АРМАТУРА А500С 3 1200
13 АРМАТУРА А 400 18 25Г2С М/Д 11700 165 300
14 АРМАТУРА А 400 18 Э5ГС М/Д 11700 166 1000
15 АРМАТУРА А500С 18 СТЗПС М/Д 11700 160 340 3423 137
16 АРМАТУРА А 400 20 25Г2С М/Д 11700 170 500
17 АРМАТУРА А 400 20 35ГС М/Д 11700 170 16 77 523
18 АРМАТУРА А500С 20 СТЗПС М/Д 11700 168 2994
•" АРМАТУРА А500С 22 СТЗПС М/Д 11700 168
20 АРМАТУРА А 400 22 25Г2С М/Д 11700 170
АРМАТУРА А 400 22 35ГС М/Д 11700 170
. . АРМАТУРА А 400 28 25Г2С М/Д 11700 150
АРМАТУРА А 400 28 35ГС М/Д 11700 150
. АРМАТУРА А500С 28 СТЗПС М/Д 11700 167
алан прокэп-па 3081 3081 3081 2879 3094 2320 2396 3509 3415 3483 3051 3423 2314 3517
номинальное время 24 24 24 24 24 16 24 24 24 24 24 24 16 24
фактич время 21 396 21 396 21 396 19 556 20 895 16 19 556 20 728 20 558 20 895 18 387 21 396 13 662 20 895
Смена класса 0 501 0 501 0668 0 501 0501
Смена сорта 334 2 839 2 338 4008 2338
Постоянны* простои 1 104 1 104 1 104 1 104 1 104 1 104 1 104 1 104 1 104 1 104 1 104 1 104
Профилактика 1 5 1 5 1.5 1 5 1.5 1 5
Рис. 1. Пример оперативного плана производства для Стана-250
№ 4 • 2011 ВеК КАЧЕСТВА
43
и \
□в
МЕТОДОЛОГИЯ ваз МЕНЕДЖМЕНТ качества □а в
Заявка на корректировку плана производства
Измененный план производства для Стана-250
Рис. 3. Интерфейс функции корректировки плана производства
Рис. 2. Схема перепланирования производства для Стана-250
Дополнительно в функции формирования плана производства для Стана-250 реализована возможность учета реально существующих на ММП технологических условий перехода между диаметрами профиля и классами арматурной стали. Примером такого условия может быть принятая на предприятии последовательность перевалки. В этом случае приоритетными при составлении плана производства для Стана-250 будут именно ограничения, связанные с технологическими условиями, даже если они противоречат логике используемого алгоритма, например жадного.
Также в функции формирования плана производства для Стана-250 реализована возможность генерировать новые графики планово-предупредительных ремонтов, а не использовать имеющиеся графики, чтобы не прерывать ремонтными мероприятиями производство соответствующих партий арматуры, так как такой разрыв требует повторной настройки стана на «докатку» незаконченной партии арматуры.
Схема процесса перепланирования производства для Стана-250 под изменяющийся спрос представлена на рис. 2.
В соответствии с данной схемой своевременное изменение оперативного плана производства для Стана-250 осуществляется через механизм электронных заявок на корректировку, формируемых отделом сбыта ММП в соответствии с изменением спроса со стороны потребителей. Текущее состояние заявки на корректировку определяется одним из следующих ее статусов:
3 сформирована - заявка сформирована заинтересованным сотрудником отдела сбыта и находится на рассмотрении:
3 согласована - заявка прошла проверку и будет использована для корректировки оперативного плана производства; 3 отклонена - заявка не прошла проверку и не будет использована для корректировки оперативного плана производства. Сформированная заявка проходит проверку на соответствие имеющимся на ММП технологическим и ресурсным ограничениям путем формирования прогнозного плана производства с помощью функции корректировки плана производства (рис. 3).
Литература
1. Мазур И.И., Шапиро В.Д. Управление качеством. М.: Издательство «Омега-Л», 2008. 399 с.
2. Федосеев С.А. Управление производством как механизм повышения качества продукции // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2010. № 2(30). С. 56-60.
3. Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 416 с.
4. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ. М.: МЦНМО, 2001. 960 с.
3
3
Сформированный прогнозный план производства анализируется на соответствие имеющимся объективным ограничениям (в том числе на возможность производства требуемого количества заготовок) и субъективным критериям эффективности, разработанным специалистами отдела производства. В результате данные специалисты либо согласуют, либо отклоняют заявку на корректировку.
Если заявка на корректировку согласована с отделом производства, то она принимается к исполнению прокатным цехом.
При этом на основе согласованных заявок осуществляется перепланирование производства также с помощью функции корректировки плана производства (рис. 3), которая позволяет сформировать оперативный план производства на месяц, начиная с любой даты этого месяца, с учетом таких факторов, как:
3 партия арматуры, производимой последней в предыдущий день; фактический выпуск арматуры, который может отличаться от планового;
ручные корректировки плана, которые при необходимости может произвести ответственный сотрудник отдела производства.
Реализованная функция корректировки плана производства в сочетании с использованием прогнозных планов позволяет специалистам из заинтересованных подразделений ММП моделировать возможные изменения в оперативном плане производства и прогнозировать их последствия.
Следует отметить, что корректировка плана производства может осуществляться также на основании изменений графика планово-предупредительных ремонтов для Стана-250.
Перечисленные функции реализованы в виде комплекса программ, использующих справочную информацию о номенклатуре готовой продукции и заготовок, технологических операциях, нормах времени на перевалку, а также данные из плана технического обслуживания и ремонта Стана-250. Применение данного комплекса программ позволило получить на МПП следующие результаты:
3 удалось снизить планируемые простои на ремонты и обслуживание Стана-250 на 0,3%, что с учетом объемов его производства позволяет получить значительный экономический эффект; 3 созданы инструменты для адаптации ММП к изменению спроса на готовую продукцию путем прогнозирования последствий этих изменений и согласованного перепланирования производства Стана-250 всеми заинтересованными подразделениями.
Таким образом, использование на ММП современных методов управления производством, а именно математического моделирования и информационных технологий, создало дополнительные возможности для снижения издержек производства за счет сокращения простоев стана и максимально гибкого реагирования на быстро меняющийся спрос за счет своевременного перепланирования работы стана.
Выводы
1. Предложены математическая модель и эвристический метод для решения задачи оптимизации плана производства сортового Стана-250 с целью минимизации времени простоя стана.
2. Реализован программный комплекс для автоматизации
процесса планирования производства Стана-250, позволяющий в том числе осуществлять согласованное перепланирование производства заинтересованными подразделениями ММП для своевременной адаптации предприятия к изменениям спроса на арматуру. ■
44
век| КАЧЕСТВА № 4 • 2011
