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基于约束理论的J公司除草剂生产线产能提升研究

作者:admin1 日期:2022-06-23 14:34:06 点击:78

摘要:随着世界人口持续增长、粮食需求的增加、大宗除草剂草甘膦禁限用的趋势 下,市场对 S 除草剂的需求量逐年呈上升趋势。面临当前生产经营变革的挑战和 迎接新需求的机遇,如何确保S除草剂生产线在短期内、少投入的情况下提升产 能、降低生产成本、提高市场竞争力,已成为J公司目前需要尽快解决的问题。

本文通过运用约束理论对J公司S除草剂生产线产能的提升进行研究。首先, 介绍了 J公司和S除草剂生产线的基本情况,对S除草剂生产现状及产能进行了 深入分析。其次,通过运用各工序的生产节拍与OEE相结合的方法对制约整个 S 除草剂生产线产能的瓶颈工序进行识别,并明确瓶颈工序的影响因素。再次, 针对瓶颈工序影响因素,通过运用约束理论聚焦五步法提出产能优化方案并进行 持续改善。通过应用DBR制定S除草剂的生产计划,非瓶颈工序按照瓶颈工序 的步调进行协同生产,并为瓶颈工序设置时间缓冲。最后,通过对S除草剂生产 线的产能提升方案实施的成果进行分析与评价。

通过对S除草剂生产线的改善,充分表明了约束理论对产能提升是非常有效 的:瓶颈工序的OEE得到了显著提高;S除草剂生产的节拍时间由4.66小时缩 至2.73小时;S除草剂的产能从原来的140吨/月提升到目前的203.4吨/月,增 加了 45.3%;交货的周期比实施前提前了约 11 天。约束理论在 S 除草剂生产线 的成功应用,为 J 公司和其他类似化学品生产企业的改善积累了宝贵的实践经验。

关键词:运营管理;约束理论;瓶颈识别;鼓-缓冲-绳;产能提升

ABSTRACT

With the continuous growth of the world population and the increase of food demand, the market demand for herbicide S is increasing year by year under the trend of the restriction of the use of bulk herbicide glyphosate.To cope with the challenges of current chemical production and operation reform and meet the new opportunities of market demand, how to ensure that herbicide S production line can increase capacity, reducing costs and improve competitiveness in a short period of time with less investment has become an issue that company J should solve as soon as possible.

In this thesis, the improvement of production capacity of company J herbicide S production line was studied by using theory of constraints.Firstly, the basic information of Company J and the production line of herbicide S were introduced, and the production status and capacity of herbicide S were deeply analyzed.Secondly, by using the method of combining the production beat of each process with OEE, the bottleneck processes that restrict the productivity of the whole herbicide S production line are identified and the influencing factors of the bottleneck processes are clarified.Thirdly, in view of the factors impacting the bottleneck,the potential of the bottleneck process of herbicide S production line is fully explored by using the constraint theory and focusing on the five-step method, and the capacity optimization scheme is proposed by using the non-bottleneck process to obey the bottleneck process for continuous improvement.The production plan of herbicide S was created by using DBR method with a certain amount of buffer time was set before the bottleneck, and the non-bottleneck step coordinated production line is carried out according to the beat of bottleneck.Finally, to evaluate of the results of the capacity improvement for herbicide S production line.

Through the improvement of the capacity of herbicide S production line, it is fully demonstrated that the constraint theory is very effective in increasing production capacity.The OEE of bottleneck step has been great improved;The cycle time of herbicide S decreased from 4.66 hours to 2.73 hours.The production capacity of

herbicide S has increased from 140 tons/month to 203.4 tons/month, increasing by 45.3%;The delivery time is about 11 days ahead of the implementation requirement.The successful application of constraint theory in herbicide S production line has accumulated valuable practical experience for the improvement of Company J and other similar chemical enterprises.

Key Words: Operations Management, Theory of Constraints, Bottleneck Indentify, Drum Buffer Rope, Improvement of Produciton Capacity

目录

致谢 ..............................................................  I

摘要 ..............................................................  II

ABSTRACT ..................................................................................................................................... III

目录 .............................................................. V

插图清单 .......................................................  VIII

附表清单 .......................................................... X

1 绪论 ............................................................  1

1.1 研究背景及问题提出................................................. 1

1.1.1 研究背景..................................................... 1

1.1.2 问题提出..................................................... 2

1.2 研究目的与意义..................................................... 3

1.3 研究内容与方法..................................................... 3

1.3.1 研究内容..................................................... 3

1.3.2 研究方法..................................................... 4

1.4      研究路线.......................................................... 4

1.5      论文结构.......................................................... 6

2 文献综述 ........................................................  7

2.1 约束理论概述....................................................... 7

2.1.1 约束理论发展背景及原理....................................... 7

2.1.2 约束理论聚焦五步法........................................... 8

2.1.3 DBR 生产计划控制系统 ...................................... 9

2.2 约束理论应用现状.................................................. 11

2.3 产能提升研究现状.................................................. 13

2.4 文献评述.......................................................... 14

2.5 本章小结.......................................................... 15

3      J 公司 S 除草剂生产线现状及问题分析 ..............................  16

3.1 J 公司概述 .......................................................................... 16

3.1.1 J 公司简介 .......................................................................... 16

3.1.2 S除草剂简介................................................. 17

3.2     S除草剂生产线产能现状........................................... 18

3.2.1     S 除草剂工艺简述 .......................................... 18

3.2.2     S除草剂产能现状............................................ 20

3.3     S 除草剂生产线瓶颈识别与分析.................................... 22

3.3.1     瓶颈工序识别................................................ 22

3.3.2瓶颈工序的影响因素分析...................................... 27

3.5 本章小结.......................................................... 28

4      S 除草剂生产线产能提升方案 ......................................  29

4.1     挖掘瓶颈工序的潜能............................................... 30

4.1.1     设备可靠性提高............................................. 30

4.1.2生产工艺优化................................................. 33

4.1.3瓶颈工序生产控制改善........................................ 35

4.2系统资源全面配合与服从瓶颈工序.................................... 36

4.2.1     系统非瓶颈工序全面配合与服从............................... 36

4.2.2非瓶颈工序质量配合.......................................... 38

4.2.3     系统其他资源的配合......................................... 39

4.3优化S除草剂生产线的排产计划...................................... 39

4.3.1应用DBR生产计划控制系统................................... 39

4.3.2     S除草剂生产线缓冲的管理................................... 43

4.3.3S除草剂生产线排产计划制定................................... 47

4.4     打破系统瓶颈工序 ................................................ 48

4.5      持续改善 ........................................................ 50

4.5.1 树立持续改善的理念.......................................... 50

4.5.2持续寻找新瓶颈............................................... 50

4.5.3     持续改善缓冲的设置......................................... 51

4.6      本章小结......................................................... 51

5      S 除草剂生产线产能提升方案实施和效果评价 .........................  52

5.1     S 除草剂产能提升方案实施计划及保障措施.......................... 52

5.1.1 S 除草剂产能提升方案实施计划 ............................... 52

5.1.2 S 除草剂产能提升方案实施保障措施 ........................... 53

5.2 S 除草剂生产线产能提升方案实施.................................... 54

5.2.1 设备可靠性改善方案实施...................................... 54

5.2.2 生产工艺优化方案实施........................................ 57

5.2.3 瓶颈工序生产控制改善方案实施................................ 59

5.2.4 瓶颈工序步骤优化方案实施.................................... 59

5.2.5 基于瓶颈工序的生产计划方案实施.............................. 60

5.3 效益分析与实施评价................................................ 62

5.3 本章小结.......................................................... 63

6 总结与展望 ......................................................  65

6.1      总结............................................................. 65

6.2      展望............................................................. 66

参考文献 ..........................................................  67

插图清单

图 1.1 论文技术路线图………………………………………………………………5 

图 2.1 TOC 聚焦五步法………………………………………………………………8 

图 2.2 DBR 生产计划控制系统示意图…………………………………………………10 

图 3.1 J 公司组织结构图…………………………………………………………… 16 

图3.2 S除草剂结构式................................................................... 17

图 3.3 S 除草剂销售额情况…………………………………………………………17 

图 3.4 S 除草剂生产线现场一角……………………………………………………18 

图3.5 S除草剂生产流程简图....................................................... 19

图3.6 S除草剂2016〜2020年实际产能...................................... 21

图 3.7 2020 年月产量………………………………………………………………21

图3.8实际生产工序节拍................................................... 26

图3.9各工序实际产能..................................................... 27

图3.10 一氯OEE损失因素分布图.......................................... 27

图 4.1 产能提升实施步骤……………………………………………………………29

图 4.2 一氯反应釜 R301 损坏情况…………………………………………………30 

图4.3工艺管线改善............................................................. 34

图 4.4 一氯工序循环时间……………………………………………………………35

图4.5 —氯工序反应控制温度曲线........................................... 36

图4.6氟化与一氯工序步骤优化............................................. 38

图4.7现有生产计划控制系统示意图......................................... 40

图4.8 S除草剂生产线DBR生产计划控制示意图.............................. 41

图4.9新拟合工序节拍..................................................... 42

图 4.10 干燥工序……………………………………………………………………42 

图 4.11 缓冲区域三色管理…………………………………………………………46 

图 5.1 S 除草剂产能提升方案实施计划……………………………………………52 

图5.2搪玻璃腐蚀挂片测试............................................................. 54

图5.3搪玻璃釜标准安装程序............................................... 56

图5.4 一氯工序反应釜寿命测............................................... 56

图 5.5 泵的类型改善………………………………………………………………… 57

图5.6泵的可视化标准安装程序............................................. 58

图 5.7 一氯工序下游转料管线改善…………………………………………………58

图 5.8 一氯工序改善后循环时间……………………………………………………59

图 5.9 S 除草剂生产线排产计划……………………………………………………61

图 5.10 DBR 生产计划实施后各工序月产能………………………………………62

图 5.11 S 除草剂生产线实际月产量………………………………………………63

图 5.12 S 除草剂月产能生优化前后比较…………………………………………63

附表清单

表 3.1 S 除草剂生产节拍数据表……………………………………………………24

表 3.2 各工序 OEE 相关数据统计表………………………………………………25 

表 3.3 工序拟合节拍表……………………………………………………………… 26 

表 4.1 故障发生频率评分表………………………………………………………… 30 

表4.2故障影响后果评分表............................................................. 31

表4.3故障检测程度评分表................................................. 31

表4.4 一氯反应釜FMEA分析结果表(部分)................................ 32

表 4.5 一氯工序分解表………………………………………………………………37

表4.6氟化工序分解表..................................................... 37

表 5.1 搪玻璃挂片腐蚀测试结果表…………………………………………………55

表5.2挂片腐蚀测试氟离子含量表........................................... 55

表 5.3 缓蚀剂优化结果表……………………………………………………………55

5.4各工序设备故障月统计表............................................. 60

表 5.5 S 除草剂排产计划表…………………………………………………………61

表5.6优化前后各指标对照表............................................... 62

1    绪论

1.1    研究背景及问题提出

1.1.1   研究背景

当前工业高度发达,许多国家为了应对全球经济发展的形势,都积极调整了 本国的经济结构,但以传统的农业仍然是其他各产业的重要支柱。现代化农业生 产离不开农药,农药作为农业生产的基础物资,对于保证农业增产提效、保障粮 食生产和环境安全、促进农业发展具有重要意义。随着各国对环保意识的提高, 大力发展高效、安全的农药将是未来的新趋势。中国也非常重视农药产业发展, “十四五”规划纲要提出了一系列政策,引导农药行业向着更加规范、精细、可 持续的方面发展。

农药主要作用是预防、控制农业生产中病、虫、害等生物。农药主要可分为 化学农药、生物农药两种,目前市场上以化学农药为主。化学农药主要可以分为 杀虫剂、除草剂及杀菌剂三种,其中除草剂约占市场份额的 40%。随着世界人口 持续增长,特别是在非洲和亚洲,养活世界人口的挑战越来越困难。据预测再过 30 年,全球的人口将会增加约 30%;另一方面,由于城市化和其他原因,估计 每年有 1200万公顷的农业土地流失,到2050年,人均耕地将仅为0.16公顷, 而在20世纪50年代人均耕地为0.52公顷[1]。这就需要利用一种更高效的农业技 术提高每公顷可用农田的产量,而农民可用的工具之一就是除草剂,以防止养分 流失的杂草生长。高效、可靠的除草剂供应对保障粮食安全生产至关重要,也影 响着国家的经济稳定。市场全球化也导致了除草剂行业价格竞争的加剧。目前, 全球农药行业正处于发展的上升期,销售主要以德国巴斯夫等欧美农业植物保护 公司巨头为主,在 2017 年除草剂销售额占全球农药市场的 42.9%[2]

同时,农药原料药在生产成本上面临也将面临更严峻地挑战。化学农药是化 工产业的一个分支。近年来,随着中国对新《安全生产法》和新《环境保护法》 的施行,政府对国内化工制造业的要求不断提高,尤其是化工企业针对安全和环 保的投入也将不断加大,从而导致企业整体的生产成本也将越来越高。随着生态 环境保护治理力度的加强和国家供给侧改革战略的推行,不达标的化工企业也将 面临被淘汰,上游原料上涨,这也增加了农药的生产成本。

甲磺草胺(即s除草剂)是由美国富美实(FMC)农业植物保护公司开发 的第一个三唑啉酮类新型高效低毒的除草剂,并于 1996 年在巴西首次推出,主 要用于防治甘蔗、大豆、向日葵等农作物的杂草。S除草剂需求量在国际市场逐 年呈上升趋势,2019 年销售额已超过 3 亿美元,其将成为农药市场上重量级的 除草剂单品。另外,在目前大宗草甘膦禁限用趋势下,市场对甲磺草胺的使用将 会大于草甘膦,其将会是后草甘膦除草剂时代的一个重要的补充替代品。从产品 特性、应用作物分布、全球市场分布、农药登记趋势来看该除草剂在未来市场具 有广泛的发展前景[3]。

1.1.2   问题提出

J 公司目前拥有一条 S 除草剂生产线,其生产工艺采用 FMC 公司授权的专 利技术,并为其提供定制代工,目前产能为 1400 吨/年左右。根据市场分析和产 品订单需求,未来 3~5 年 S 除草剂在国际市场明显呈上升趋势,预测市场需求量 为 3000 吨/年以上。过去几年 J 公司对 S 除草剂生产线虽进行了投资改造,但 S 除草剂的产能改善效果并不理想、实际增加的产能达不到原来的设计要求;随着 市场需求的快速增加,当前J公司S除草剂产能供应不足的问题显现地更加突出。 应对当前农药生产经营环境的变革和迎接当前市场需求的新机遇,如何确保 S 除草剂质量的基础上快速提升当前生产线产能、降低生产成本、提高市场竞争力, 已成为 J 公司目前需要尽快解决的问题。

过去几年 J 公司对于 S 除草剂产能的提升,都简单地从生产现场出发去反复 解决生产中同样的问题,有时虽然解决了当前的问题但产生了新的问题;同时, 各部门也忙于解决日常出现的突发情况,而整体的生产效率却得不到提高。目前 J 公司 S 除草剂产能约束的主要原因是没有找到合适的生产方法和理论,管理层 缺乏对整个生产系统进行系统性地分析和研究,导致资源得不到合理地利用。

目前,生产管理领域有许多理论和方法。 其 中, 约束理论( Theory of Constraints,TOC)由于具有简单易懂、高效、通用性好的特点被广泛应用于各 生产制造各领域中,并都获得了显著的效果。约束理论是高德拉特博士为寻找和 消除系统中的约束条件而提出的理论方法[4]。约束理论要求企业管理者打破传统 2 的概念,不只是关注局部,而是从整体观念出发将主要的影响因素找出来进行改 善。美国运营管理协会对100多个项目进行研究,发现约束理论的改善效果是六 西格玛的 20 倍,是精益方法的 9 倍[5]。约束理论聚焦五步法、鼓-缓冲-绳子 (Drum-Buffer-Rope,DBR)生产计划控制系统可帮助企业快速地发现系统中存在 的问题,并进行改进。通过采用约束理论可以系统地识别J公司现有生产中的瓶 颈工序及其影响因素,多个角度全面地解决存在的问题,从而避免之前重复解决 问题但还是没有解决的弊端。约束理论可以帮助J公司将各部门整合在一起,在 目前时间紧和资源有限、以较小投入的情况下,实现S除草剂生产线的产能得到 有效地提升。

1.2    研究目的与意义

本文通过运用约束理论及相关工具,对目前S除草剂生产系统中产能不足的 影响因素进行原因分析,制定相应的优化策略,并基于优化方案对S除草剂生产 线系统进行改善。本研究意义如下:

1)      通过利用约束理论对当前 S 除草剂生产系统的产能不足进行系统性地分 析,发现生产中的瓶颈工序;针对瓶颈工序产生的影响因素进行原因分析并提出 改善措施,使S除草剂的产能得到提升。立足于公司管理现状,基于约束理论建 立一套具有J公司特色的生产管理方法,对于提升公司的管理水平有着非常重要 的意义。

2)      通过引入约束理论实现对J公司S除草剂生产线产能和管理水平的提升, 对企业的发展有着深远的意义。采用科学的管理理论是指导现代化工生产的发展 趋势,并为企业带来很好的经济价值。将约束理论在化工生产管理的实践经验推 广到与J公司合作的类似化工企业及国内类似的精细化学品生产企业中,对于提 升企业的核心竞争力具有重要的实践意义。

1.3    研究内容与方法

1.3.1 研究内容

本文以J公司S除草剂生产线为研究对象,采用约束理论对生产系统的产能 提升进行研究。本研究主要内容包括:

1)对现有S除草剂生产线的产能进行分析,通过收集相关数据识别制约S除草剂产能的瓶颈工序,并对瓶颈工序的影响因素进行分析;

2)   针对影响瓶颈工序产能的相关因素,通过约束理论聚焦五步法及 DBR 生 产计划控制系统提出产能提升的解决方案;

3)    基于产能提升目标,对 S 除草剂生产线产能提升方案分 2 个阶段进行实施, 并对实施效果进行评估。

1.3.2    研究方法

本文通过应用约束理论对 S 除草剂生产线的产能进行研究。先根据 S 除草 剂生产工艺流程及产能现状,通过约束理论聚焦五步法识别出制约 S 除草剂产能 的瓶颈工序,明确瓶颈工序的影响因素;针对瓶颈工序的影响因素,继续通过应 用约束理论聚焦五步法挖掘 S 除草剂生产线瓶颈工序的最大潜能,其他服从瓶颈 工序,打破瓶颈、持续循环提升产能。 DBR 生产计划控制系统是约束理论在生 产管理实践的应用。通过 DBR 生产计划控制系统使整个生产系统按瓶颈工序排 产,并按瓶颈工序的节拍进行协同生产;并在瓶颈前设置缓冲对其保护,从而实 现系统的最大产出。通过 DBR 生产计划控制系统在 S 除草剂生产线的应用,保 证整个生产线基于瓶颈计划进行生产,进一步保障 S 除草剂生产线实现产能提升 的目标。

1.4 研究路线

本文通过图 1.1 研究路线对 S 除草剂产能不足的问题并进行分析与解决。本 研究工作包括如下:确定研究内容、对研究内容进行客观地详细描述、找出要解 决的相关问题、查阅相关文献资料并进行科学有效地分析,根据所学的相关知识 及工作经验对找到的问题提出改进,并制定出具体的解决方案等环节。主要按如 下研究思路:

首先,通过对 TOC 理论及 DBR 生产计划控制系统工具在国内外相关文献资 料的学习,掌握分析与解决问题的方法与理论,为后续研究提供理论指导。

其次,基于 J 公司目前现状和市场需求的情况,对 S 除草剂生产线的产能进 行分析,通过约束理论分析限制产能的瓶颈工序,并明确产能影响因素。

再次,针对瓶颈工序的产能影响因素进行原因分析,通过应用约束理论聚焦五步法及DBR生产计划控制系统提出优化方案。最后,通过约束理论与S除草 剂生产线的实际情况相结合,方案实施优化、持续改进,对S除草剂生产线产能 进行提升。

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图 1.1 论文技术路线图

1.5 论文结构

本课题以 J 公司 S 除草剂生产线为研究对象,通过应用约束理论找出 S 除草 剂在生产过程中存在的管理、设备和技术等问题,识别生产中的瓶颈工序并逐步 影响因素进行改善,提出改善方案,从而有效地提高 S 除草剂生产线的产能,最 终为 J 公司创造效益。本文共分 6 章:

第 1 章为绪论,主要介绍了本文研究的背景、目的及意义,并提出了主要研 究内容、方法及研究思路。

第 2 章为文献综述。阐述本课题有关的 TOC 理论及 DBR 系统。简述国内外 关于约束理论、DBR生产计划控制系统在生产管理中的应用及相关研究进展、 企业产能提升的研究现状,奠定了本文的理论基础和研究方向。

第 3 章为 J 公司 S 除草剂生产现状的分析。主要介绍了 J 公司及 S 除草剂生 产线的现状。通过对当前 S 除草剂生产线产能不足进行分析,运用约束理论识别 制约产能的瓶颈工序并确定影响因素。

第 4 章为 S 除草剂生产线产能提升方案。针对瓶颈工序的影响因素,通过应 用约束理论五步法提出设备可靠性及生产工艺改善方案挖掘瓶颈工序的最大潜 能,利用非瓶颈工序优化瓶颈工序的生产步骤保护瓶颈工序,通过打破瓶颈、持 续循环改善进一步提升系统产能;应用 DBR 系统优化生产计划。

第 5 章为 S 除草剂生产线产能提升方案实施与效果评价。阐述 S 除草剂生 产线瓶颈工序的设备可靠性、生产工艺、生产步骤、生产计划等改善方案的实施 过程,并对改善方案的效果进行评价。

第 6 章是总结与展望。总结成果,点出本研究存在的问题和不足,展望以后 的研究方向。

2    文献综述

约束理论聚焦五步法和DBR生产计划控制系统是约束理论的核心,本章将 对其进行阐述。通过相关文献的研究,对约束理论的应用及企业产能提升的现状 进行分析和评述。约束理论提出的时间虽然并不长,但随着关注度的提高,其理 论研究及应用得到了发展。约束理论早期仅在制造业中应用,现已被推广应用到 如成本管理、项目管理及供应链等其他行业的管理领域。

2.1    约束理论概述

2.1.1   约束理论发展背景及原理

约束理论是以色列物理学家、管理大师高德拉特博士为了寻找和消除系统中 约束,在最优技术(Optimized Produciton Technology,OPT)基础上提出的一种全新 管理方法[6]。 OPT 认为对于整个生产系统能产生的重大影响只有少数几个,对于 阻碍企业实现目标的因素却非常多;而 TOC 理论认为要打破只关注局部的传统 理念,需要从整体出发找出系统中主要的影响因素并进行改善。 TOC 理论最初 主要被用于解决制造中的瓶颈问题。随着《The Goa 1》和《The Race》企业管理 小说的出版,约束理论也得到了详尽地介绍,激发了学者对TOC理论的兴趣和 实施的热情[7]。TOC理论通过不断地改进并提出以有效产出、库存和运营成本为 基础的衡量指标体系,逐渐形成以提高产销率、使企业利润最大化为目标的管理 方法,并最终应用到企业各管理部门[8]。 1994年约束理论再一次得到了演变,提 出了处理制约企业系统问题的“思维过程”[9]。

约束理论就是一套关于在生产管理活动中改进和实施改善方法的管理理论。 约束理论的管理精髓就是要解决关键中的关键,处理系统中最主要的瓶颈。 TOC 理论的原理是找出系统中制约流程的瓶颈,通过对瓶颈问题进行分析和优化,非 瓶颈因素尽可能服从瓶颈因素,从而整体提升系统流程的整体能力[10]。实践证 明, TOC 理论可以在企业不增加资源的情况下,通过优化系统流程能有效提升 资源的利用率。在一个企业中至少有一个瓶颈因素制约着企业整个系统的有效产 出, TOC 理论可以最大程度地对此瓶颈因素进行优化,从而促进系统能最大输 出,但对于非瓶颈资源即使最大程度的利用也不会增加系统的有效产出[11]。

约束理论指出,企业就是为了赚钱。净利润、投资收益率和现金流量是传统的财务主要三个评价指标,由于这 3 个评价指标存在着决策滞后和关注部分最优 的特点,从而使其不能直接指导生产。约束理论认为生产问题产生的根源是成本 会计。运营费用、有效产出及库存是约束理论提出的三个新测量指标。TOC理 论认为,企业在增加产品销售率时,要降低不必要的库存及运行费用,这样才能 真正获得利润最大化。

2.1.2 约束理论聚焦五步法

企业的目标都是为了产生利润,而瓶颈障碍了企业目标的实现。约束可以定 义为在实现更高更大利润的过程中存在的一切事物[12]。企业为了满足客户不断 变化的需求,就需要对过程进行持续地分析和改进[13]。约束理论是一种管理哲 学,它是作为一种持续改进理论发展起来的[14],其目的是为践行者提供关于“改 变什么”以及“如何改变”问题的答案[15]。约束理论认识到系统中瓶颈的位置 是动态变化的,消除或减少瓶颈对系统的影响也会导致约束在其他地方出现。约 束理论的工具之一是聚焦五步法[16],它由图 2.1 所示步骤组成进行循环改善[17]。

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图 2.1 TOC 聚焦五步法 

第 1 步,识别系统瓶颈。系统约束决定了系统的性能,只有通过识别系统约 束在哪里才能实现最大的系统性能。因此,必须将约束确定为第 1 步。要提高生 产系统的产能,首先是找出生产中的瓶颈工序,因为增加系统非瓶颈工序的能力 不会提高整个系统的产出。企业为了实现最大利润,一般从从政策、原料、产能 及市场等方面进行瓶颈识别提出应对措施。

第 2 步,挖掘瓶颈。充分利用系统瓶颈的潜在能力,即增加瓶颈的效率。传 统的管理方法就是立即摆脱系统约束,向约束投入资金;然而,这不是约束理论 管理中当前要处理的事情,因为系统中一个约束一旦被打破,就会出现一个新的 约束。作为第二步,在不投入资金的情况下,充分利用现有资源,试图通过最佳方式利用系统约束的限制,不要浪费任何约束稀缺的能力[18]。这个步骤只能处 理物理约束,这个问题将在五个聚焦步骤中被提议的决策点所克服。

第 3 步,服从瓶颈。其他工序就非瓶颈工序。使其他工序尽最大能力地支持 瓶颈工序。使瓶颈工序的资源获得满足,从而确保瓶颈工序的能力,实现系统产 能的提升。此步骤主要是支持约束的所有工作,但不做更多非约束的事情。对于 非约束,虽然比约束有更多的能力,但做更多的事情只会产生约束不能处理正在 进行的工作。许多企业在解决生产系统瓶颈时,没有意识到其他资源的利用程度 是由瓶颈决定的,而是一味地追求非瓶颈环节的利用率和生产平衡率,导致约束 环节需要更多地等待,给企业增加的是在制品而不是利润。因此,整个系统要服 从瓶颈进行协同生产。

第 4步,改善瓶颈。如果通过利用和服从的方式无法使现有瓶颈的能力满足 当前需求,这就需要改善瓶颈的能力,即通过增加投资来提高限制的处理能力。 如果约束可能被打破,使当前瓶颈工序改善为非瓶颈工序,就需要转到第五步, 即寻找下一个影响生产系统性能的新瓶颈。

第5步,持续改进。本步骤需要检查前面任何一个步骤中瓶颈是否被打破, 如果为真,则需要返回到第一步去寻找新的瓶颈,这是一个持续改进的过程。如 果系统约束没有被打破,就需要继续进行第二、三步利用和服从瓶颈。根据物理 学惯性的定义,指的是不想改变方向或速度,即继续做某事,就像约束没有被打 破一样。因此,第五步需要将原来系统视为一个新系统,所有旧的规则和政策都 需要被质疑。第一步中确定的新约束需要将新规则用于新约束(以前是无约束的), 并需要新规则用于不同的非约束集(现在将包括旧约束)。生产系统是一个动态的 过程,旧瓶颈被改善后,新瓶颈必会同时出现;聚焦五步法就是需要对系统循环 改善[19]。

2.1.3 DBR生产计划控制系统

随着TOC理论的发展,1986年高德拉特博士提出了 DBR生产计划控制系 统和缓冲管理(Buffer Management,BM) [20]。DBR生产计划控制系统是一种基 于约束理论的生产制造执行管理方法,这是一种全球性的管理方法,帮助管理者 专注于最关键的问题。该理论包括生产调度和控制两部分,生产调度由DBR调 度确定,生产控制由BM监控。

DBR 生产计划控制系统如图 2.2 所示,由“鼓”、“缓冲”和“绳子”组成, “鼓”就是瓶颈,控制着是整个系统的节奏[21]。传统生产管理方法一般认为生 产系统的控制点在第一道工序或最后一道工序,并始终保持其一直工作,这样会 使生产现场在制中间体堆积还打乱原来的生产计划,最终导致不能按时生产任务。 “缓冲”是指在系统瓶颈前设置的缓冲库存,其目的是为了保护瓶颈工序进行稳 定运行并得到最大化程度地利用,同时也避免了瓶颈受系统波动的干扰。约束理 论与精益生产一样,反对过度的中间库存,但约束理论要求在系统瓶颈前增加适 当的缓冲库存并进行实时监控。瓶颈设置的是物料缓冲,而为承诺客户交货期在 实际生产周期前加的是时间缓冲。“绳子”是指将系统中瓶颈工序生产情况传递 给上下游信息的控制器,其控制着整个系统的生产节拍。 “绳子”的目的是为了避 免库存不必要的增加,同时使瓶颈得到最大化的利用、保证整个系统有效产出。

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图 2.2 DBR 生产计划控制系统示意图

DBR 生产计划控制系统就是 TOC 聚焦五步法的 1~3 步骤的实际应用体现。 DBR 生产计划控制系统就是控制通瓶颈,使其余非瓶颈配合与瓶颈,实现系统 最大有效产出。 DBR+BM 生产管理法最大的优点是缓冲可以进行动态调整,不 论系统在生产过程中出现任何异常,整个生产计划都不会受影响,可以确保生产 计划一直有效。

DBR 生产计划控制系统作为 TOC 理论的实践管理方法,其在实际管理运用 中取得了许多显著的改善成果。 Telles 等人[22]通过研究发现:西班牙航空制造商 在实施 DBR 生产计划控制系统后,公司的生产系统得到了改善,计算机生产线 的生产效率提高了 19%,显示器的生产效率增加了 16%;另外,DBR生产计划 控制系统可以帮助企业确定生产任务的优先等级、提高生产部门之间的沟通、缩短交货周期。Puche等人[23]在基于代理视角对供应链财务绩效影响的研究中指出, 供应链净利润的增加受益于DBR系统的应用,采用DBR系统的供应链净利润 为 33,062.00美元,而应用精益看板系统的供应链净利润却为 30,374.90美元,这 意味着整体净利润增加了 2,687,10美元;并建议决策者使用DBR系统,以增加 供应链在具有挑战性情况下运营的整体净利润。 John 等人[24]对英国车辆面板制 造制造商的生产系统进行了研究,指出精益制造忽略了现实世界中共享资源的问 题,而该工厂具有是广泛共享资源的特点,由于其涉及许多批处理生产过程,认 为最合适DBR生产计划控制系统来管理生产;通过采用DBR生产计划控制系 统后,工厂在制品的数量减少了 60%,这相当于生产周期减少了 56%(相当于 18 ,同时库存周转率从 9.1%增加到 21.2%,经过独立审计折合成年财务效益为 获得了 85万美元o Lizarralde等人[25]通过对西班牙知名高精度机械订制企业的研 究,成功地验证了 DBR系统过程,该研究回答了关于如何系统地选择和利用瓶 颈来提升竞争优势和企业绩效的研究问题;实施DBR系统后,使企业服务水平 从 50%提高到 70%,交货时间缩短了 10%,库存水平降低了 20%

DBR生产计划控制系统通常在实施后的3~12个月内可以见效[26]。DBR生 产计划控制系统使生产制造系统提前期和库存得到了显著地减少,消除了交货延 误,增加了净利润等,这个管理技术不需要高额的前期投资,也不需要对工厂当 前的布局或流程进行任何重大的改造,所需要的只是高层管理人员改变工厂管理 思维。

2.2    约束理论应用现状

TOC理论的研究及应用日趋成熟。目前,TOC理论已被宝洁、飞利浦、波 音、通用汽车、3M等大型跨国企业和一些小型民营企业广泛应用,其主要集中 应用在制造业如钢铁、汽车、电子、半导体等工业领域,据研究分析得出 TOC 理论为企业有效产出增加了 68%,制造周期减少了 66%,库存减少了 50%,另外 使客户满意度提高了 60%、企业利润提高了 80%[27]。 Zhao 等人[28]指出 TOC 理 论可以应用于各类型的业务。Wu等人[29]基于TOC理论提出了广义持续改进过 程,通过研究表明约束理论可提高生产制造系统的生产率。Roberto[30]研究了 TOC 理论与欧洲61 家生产制造企业经营绩效之间的关系,结果发现了各工厂之间在 采用 TOC 理论实践方面有许多差异和相似之处但企业的生产效率都得到了提高,采用约束理论的生产制造系统的性能要优于实施其他的制造管理理论, Roberto 建议制造经理应尽量采用 TOC 理论而不是其他方法。然而 Pacheco 认为 TOC 理 论应与其他管理理论、方法结合可以弥补各自的缺点。Wieslaw[31]详细阐明了 TOC 理论在中型制造企业的应用过程,对于每个周期可以同时考虑改进几个生 产约束,通过实施使企业的生产效率得到了提高。 Zhang 等人[32]针对汽车零部件 行业的现状和装配线的特点,采用 TOC 理论开发出寻找汽车零部件企业装配线 的瓶颈、消除或转移瓶颈的优化程序,优化后装配线产量增加了 74.63%,在 资源利用率也有明显地提高,达到了优化资源配置和提高产出率的目的。 Kartik 等人[33]详细描述了 TOC 理论在印度最大锁制造公司的应用,通过 TOC 的思维过 程确定并消除了在生产、分销、供应组和项目等领域限制公司绩效的核心制约因 素, TOC 独特的方法帮助公司在供应链的各个层次上显著减少了成品、原材料 和半成品库存,而且公司的整体销售额增长了近 3 倍。由于目前生产工艺是限制 磁性材料制造整体产量的瓶颈,在目前的研究中很难制定生产计划, Zhang 等人 [34] 提出了一种基于 DBR 生产计划控制系统与磁性材料生产过程相结合的计划 框架;通过实际应用表明,与企业原有的计划方法相比,大大减少了在制品数量、 缩短了订单制造周期,提高了烧结炉的交货率。 Kevin 等人[35]TOC 理论与精 益制造相结合的生产模型应用于厄瓜多尔一家大型鞋类公司,通过研究结果表明 该模型在鞋业的应用成功非常应用,生产周期和库存分别减少了 40%78%

Bai 等人[36]提出了一种基于 TOC 理论的 OEE 改进方法,通过建立瓶颈识别和缓 冲模型可以显著提高瓶颈设备的可靠性和系统的生产效率,该方法的有效性在半 导体封装过程中也得到了验证。Saleh等人[37]将TOC理论聚焦五步法应用于一家 印刷公司,发现覆膜机导致该公司仅生产总需求的 72.06%,提出三种优化瓶颈 系统的选择,优化后公司的利润增长了 22.33%。。陈兆璋等人[38]通过运用 TOC 理论对轴部件生产线的识别瓶颈工位进行识别,通过优化生产工艺使生产效率及 整个产能得到了提升。Lucas等人[39]通过对1984〜2019年1009篇与约束理论有 关的期刊论文进行了研究分析,得出了约束理论主要在生产领域中应用,同时提 出了约束理论在六个知识领域的未来研究途径和发展趋势。约束理论的研究日趋 成熟,在各行业和领域被不断应用,在国外特别是美国对约束理论的研究上升了 一个新的台阶。同时,约束理论不断地被应用,也在不断地发展其和完善。

2.3    产能提升研究现状

产能是制造系统重要的性能指标之一,因为其直接关系到企业的盈利能力, 如何提高系统产能是企业经常面临的问题;因此,产能提升和优化是工业界和学 术界一个感兴趣的话题,国内外学者通过采用不同的方法对生产系统的产能优化 进行了广泛的研究。Zhang等人[40]开发了混合整数线性规划模型,通过减少生产 中多段串行线路的停机时间和改进停机瓶颈的问题来提高系统的产能,基于验证 结果表明了该方法有效。 Setiyawan 等人[41]通过运用精益生产理念,结合价值流 图及仿真模型,改进琼脂粉生产过程中的原材料不一致、工作人员不响应、辅助 操作工具缺乏、工艺瓶颈、非计划性工艺等原因造成的浪费,基于已完成的模拟 显示,使生产效率增加了 22.81%。Wannawiset等人[42]通过应用FMEA对泰国大 型纸浆和造纸厂生产中设备故障的问题进行了研究,提出了对关键机电设备预防 性维护以及检查的改进方案,实施后设备的可用性提高到 89.41%、 OEE 提高到 了 80.77%、设备平均故障间隔时间提高了 50%,从而优化了生产成本,使产能 得到有效地提高。 Tarigan 等人[43]采用精益制造和计算机关联布局规划算法相结 合的方法,简化混凝土生产企业的工艺流程,减少了生产中不增加价值的活动和 改进厂房设施的布局,使流程循环效率从79.6%提高到 90%,每天的生产能力也 提高了 37.1%。 Ishak 等人[44]利基于精益价值流方法识别印尼一家棕榈油生产企 业过程中的浪费即非增值活动,利用鱼骨图找出造成浪费的原因并提出改善方案, 实施后生产过程循环效率提高了 9.2%,产能得到了优化并满足了市场需求。王 波[45]为了解决在多品种小批量生产企业中实施精益管理的困难,提出了精益单 元化生产路径的管理方法;该精益单元化管理就是通过建立精益管理团队,运用 价值流分析生产线中的断点、慢点和盲点并提出改善目标,对生产工艺进行标准 化、电子化,对装备进行精益优化管理,对生产节拍和作业过程进行分解实现整 体的布局设计,对生产中的物料配送、线边物流及补料进行物流设计,同时进行 统一的生产均衡化、合理排产管理并建立快速处理和持续改善的机制;在产品装 配生产线中实施该U型精益单元化管理,使产品的装配合格率提高到99%,同 时也提高了生产线的产能。 Guillen 等人[46]成功地将设施状态评估法与精益制造 管理进行集成,通过在生产系统的实践应用,使整个生产线的年生产能力提升了 约33%。He等人[47]推导了整体设备效能和生产效能方法,并建立了一般生产系 统的通用模型,在此模型的基础上分析了整条啤酒灌装生产线的效率损失,利用鱼骨图识别设备损耗的原因,并提出了对策;用约束理论找出生产瓶颈进行了分 析,并提出了了相应的改进措施,从而帮助啤酒企业实现设备效率和生产能力的 持续提升。Pei等人[48]研究了工业工程方法在T公司管加工车间的应用,对工作 流程和公司布局进行了重组和优化,减少了在制品的数量,生产线的平衡率提高 到 97.86%,同时生产线的产能提高了 34.2%。综上所述,国内外学者大多采用 精益管理、工业工程、数据规划模拟等方法从多个角度对各领域制造业的产能进 行了深入地研究,为企业生产管理人员解决产能问题带来了许多启发和实践方法, 但涉及约束理论对化工制造产能提升的研究并不多。

2.4 文献评述

通过上述文献研究,国内外学者认为 TOC 理论是一种高效、简单、易采用 的先进管理方法,它可以帮管理者识别出系统中的瓶颈因素、提出优化措施并解 决系统的瓶颈约束,从而有效地实现企业的发展目标。随着国内外学者对 DBR 生产计划控制系统的研究和应用,其已成为一套实用、有效的工具。 TOC 理论 经过 30 多年的发展,已被国内外学者广泛应用于机械、电子、汽车制造等离散 型制造业,通过运用 TOC 理论可以使企业的生产效率得到了提高,也增加了系 统的有效产出,同时也减少库存,缩短生产周期;但 TOC 理论在流程型制造业 如化工生产中的应用并不多,特别在精细化工细分领域农药制造行业方面的应用 研究鲜有报道;以往针对化工制造领域的产能提升,企业偏爱于采用技术改进的 方式进行,认为化工生产是技术密集型行业需要通过这种解决方式比较直接、有 效,但采用技术改进方法与先进的产能提升管理方法相比,前者涉及投入的时间 和资金成本相对较多;另外, S 除草剂生产线总体上虽属于流程型,但并不是绝 对的流程型,在实际生产中采用流程型与离散型相结合的方式进行的;因此,广 泛应用于离散制造的约束理论也同样适用于 S 除草剂的生产管理,通过应用使技 术改善和先进管理得到有机地相结合,能够有效地解决 S 除草剂生产线产能提升 的问题。另外,通过文献研究发现 TOC 理论并不能快速、有效地识别复杂系统 中的瓶颈,目前还没有一套行之有效成熟的方法,只能根据一些指导性的原则进 行逐个排查,在实际应用中有一定的难度;根据 S 除草剂生产线特点,本研究通 过运用约束理论与设备综合效率(Overall Equipment Effectiveness,简称OEE)指 标相结合的方式进行瓶颈识别,从而解决了生产瓶颈识别难的问题。通过约束理论对于 DBR 生产计划控制系统的应用大多停留在模拟阶段,实际应用的案例并 不多。因此,充分利用 TOC 理论和生产计划控制系统的优势,根据化工生产的 特点,通过把 TOC 理论和 DBR 生产计划控制系统运用到 J 公司的生产管理中, 识别 S 除草剂生产系统中的约束因素,对关键瓶颈进行改善实现产能提升的目标, 具有一定实践意义。通过缩短瓶颈工序的生产时间,实现了对 S 除草剂产能提升 满足市场需求的目标。通过约束理论在 J 公司的实践应用,对于国内化工企业、 尤其是精细化工相关企业的产能提升研究及应用具有一定参考价值,对于农药原 料制造行业在产能提升和生产优化方面的探索和实践,更是具有直接的借鉴意义。

2.5 本章小结

本章主要介绍了 TOC 理论的发展背景、 TOC 理论原理、 TOC 理论的研究和 应用现状、以及产能提升研究现状。根据 TOC 理论的优点,提出将通过约束理 论应用于 J 公司 S 除草剂生产线,实现提升产能。

3     J 公司 S 除草剂生产线现状及问题分析

本章将对J公司、S除草剂产品及生产线工艺流程、当前S除草剂生产线产 能情况进行介绍;针对S除草剂产能不足的问题,通过运用约束理论与设备综合 效率指标相结合的方式找出 S 除草剂的生产瓶颈,明确了瓶颈工序的影响因素, 为后续产能提升指明方向。

3.1    J公司概述

3.1.1    J公司简介

J公司是一家国内领先的化工生产企业,主要生产医药和农药等精细化学品。 2006年J公司在江苏省南通市如皋港工业园区投资新建新的生产基地,占地19.5 万平方米,拥有现代化的生产车间及设施。另外,J公司也可满足客户从克级到 公斤级的化学品合成,一直到大批量的商业化定制。目前J公司近80%的产品销 往欧美等国家。2018年J公司获得“中国精细化学制造百强企业”荣誉称号。J 公司目前已通过质量、环境、安全三大管理体系的认证。J公司坚持"以人为本, 科技兴厂"的战略。J公司科技人员占到总数的50%,J公司组织结构如图3.1所 示。

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图 3.1 J 公司组织结构图

3.1.2 S 除草剂简介

S 除草剂中文名称是甲基磺酰甲胺,别名是甲磺草胺、磺酰唑草酮等,其英文名称是sulfentrazone, CAS登记号为122836—35—5,结构式如下图3.2

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图 3.2 S 除草剂结构式

S除草剂是一种新型高效、低毒的除草剂,由美国富美实(FMC)农业植物 保护公司于 1985 年开发,并于 1996 年在巴西首次推出市场,其主要用于播前和 苗前处理,防治甘蔗、大豆以及玉米等农作物田中一年生杂草,同时其对下茬作 物安全[49]。

目前 S 除草剂原药生产企业在国内登记的有江苏瑞邦农化等 8 家企业,其中 3 家公司为美国 FMC 提供代工, J 公司是其中一家生产企业。 FMC 公司是全球 S 除草剂市场的主要供应商之一,目前 FMC 公司供应的原药主要由国内企业生产, 另外小部分由印度企业加工[3]。

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图 3.3 S 除草剂销售额情况

据 Kleffmann 统计, 2017-2019 年 S 除草剂在全球主要靶标作物上销售额情 况如图3.3所示。2019S除草剂在大豆和甘蔗上分别销售了 19780万美元,9201 万美元,折百原药分别为 1603.58吨、 1842.41吨。2017-2019年度3年增长率为 10.17%[2]。从目前来看国际市场对S除草剂的需求量逐年呈上升趋势,其将成为 农药市场上重量级的除草剂单品。另外,在目前大宗除草剂草甘膦禁限用趋势和 用户对酰胺类除草剂相关负面评估的关注下,市场对甲磺草胺的使用将会大于草 甘膦,其将会成为后草甘膦除草剂时代的一个重要的替代除草剂[3]。从产品特性、 应用作物分布、全球市场分布、农药登记的趋势来看,S除草剂在未来市场具有 广泛的发展前景。

3.2    S除草剂生产线产能现状

3.2.1 S 除草剂工艺简述

J公司现有一条S除草剂生产线,其生产工艺采用FMC公司授权的专利技 术,并为其提供定制代工,目前设计产能为1500吨/年。S除草剂生产线包含原 材料系统、生产系统和成品包装系统,其中生产系统是S除草剂生产线的核心部 分,也是本论文研究的主要对象。S除草剂生产线车间现场如图3.4所示。

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图 3.4 S 除草剂生产线现场一角 

S 除草剂生产线采用典型的半连续批次精细化工工艺,涉及化学反应、物理 分离、干燥、蒸馏以及废水废气后处理等操作工序;S除草剂生产工艺流程主要 分为主环、氟化、一氯、二氯、分离、干燥、硝化、加氢、磺化、包装十大工序 如图 3.5 所示。各主要工序简单介绍如下:

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图 3.5 S 除草剂生产流程简图 

ST-01主环工序:本工序的涉及的原材料主要有主原料A、醋酸、次钠、溶 剂 A 等按照一定的配比依次投入主环反应釜中,在常压下通过蒸汽加热反应釜 控制一定的温度进行搅拌反应,反应达到终点后通过蒸馏回收溶剂 A 后,再经 过冷却结晶、离心等步骤得到主环中间体。

ST-02氟化工序:将主环中间体、溶剂B、干燥剂投入氟化反应釜先进行脱 水,然后通入气体 F 进行带压反应。当反应达到终点后取样控制合格后,通过离 心分离干燥剂,再经过蒸馏回收溶剂 B 后得到氟化物中间体。

ST-03 一氯工序:氟化物中间体和溶剂 C 按比例投入反应釜,用蒸汽加热到 规定温度,将氯气站钢瓶中的液氯气化后通入反应釜进行反应,反应产生的尾气 通过废气系统进行吸收处理,反应液经取样合格后蒸馏脱溶回收溶剂C,然后加 入水进行溶解得到一氯化中间体溶液。

ST-04 二氯工序:将一氯化中间体溶液转到二氯反应釜,再按一定比例加入 助剂,然后用蒸汽把反应釜内溶液慢慢加热到规定温度,再通氯气反应。取样合 格后,即得到二氯中间体溶液。

ST-05 分离工序:将 ST-4 二氯中间体溶液装入结晶釜,用冷却水对反应釜进 行冷却,按降温程序对釜内物料进行结晶析出,并静置一段时间,分离出固体并 加入热碱溶液进行洗涤,再冷却结晶,再进行分离和洗涤,将得到的固体二氯中 间体(固体)进行加热干燥。

ST-06 干燥工序:将固体二氯中间体转入干燥器,通入预先加热好热氮气对 物料按一定维度进行加热,除去物料中的水分,取样分析合格后得到干品二氯中 间体做为 ST-7 的反应原料。

ST-07 硝化工序:将二氯中间体、硫酸、硝酸等按一定比例投入硝化反应釜,通过蒸汽将釜内物料升到规定温度进行反应一段时间,取样合格后将反应液转到 萃取釜,然后加入溶剂 D 和水充分搅拌并升温进行萃取,再将加入碱溶液加到 萃取后的有机相液体中进行洗涤进行中和反应,分离出有机相并加入溶剂E,得 到硝化甲溶液。

ST-08 加氢工序:将干硝化甲溶液、水、固体催化剂按一定比例投入加氢反 应釜,通过蒸汽将釜内物料升到规定温度进行反应一段时间,慢慢通入氢气进行 加氢反应,反应合格后经过过滤器回收固体催化剂,在分离后的反应液中加入碱 溶液进行洗涤,然后回收溶剂E,得到胺基中间体。

ST-09磺化工序:将胺基中间体、溶剂C、原料M按一定比例投入磺化反应 釜,通过蒸汽将釜内物料升到规定温度进行反应,反应合格后加入溶剂 D 进行 萃取,静置一段时间后分离出有机相并加硫酸进行升温洗涤到中性,加入晶种然 后用冷却水慢慢降温进行结晶,静置一段时间后,用离心机分离出固体S除草剂 成品。

ST-10包装工序:将上一步分离出的固体S除草剂成品取样分析,待检测合 格后,按客户要求进行包装。

以上10个工序是S除草剂生产中重要的步骤,各工序之间环环相扣、不能 跨越,上一工序是下一工序的主要原料。基于化工生产操作的特殊性,各工序之 间的设备一般不考虑共用,因为各产品和原料的物化性质不同存在交叉污染和安 全的风险。

3.2.2 S除草剂产能现状

S除草剂生产线自从2012年试车投产到目前为止已运行了将近10年,当初 的设计产能是2000吨/年,近几年J公司对S除草剂生产线虽然进行投资改造, 但是S除草剂实际增加的产能还是达不到设计产能,同时也无法满足当前强劲的 市场需求。因此,提升S除草剂生产线产能是J公司的当务之急。近5年来的S 除草剂实际产能如图 3.6所示。

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由图 3.7 可以发现 S 除草剂月实际产量与计划需求并不同步,而且偏差比较 大,完全不能满足市场的需求;2020 年 7 月份由于受生产线大修的影响产能比 较低,除了9月份外2020年其余月份的实际产出都明显低于当月订单的需求量。 由于 S 除草剂的实际产能与客户的需求不能匹配,导致产品不能按时发货,有时 为了按时交货而不得不改变出口运输方式(将海运改为空运),从而增加了额外 的销售成本。近年来由于 S 除草剂产能不足导致订单发货推迟,从而出现计划好 的销售订单不得不被转移到其他竞争对手那里,对 J 公司以后的订单也会产生了 一定的影响。因此,为了满足客户的需求,解决当前 S 除草剂产能的不足是 J 公 司当前的首要任务。瓶颈限制了整个生产系统的能力(即有效产出)。因此,为 了解决当前 S 除草剂产能不足的问题,就需要基于约束理论找到系统的瓶颈工序。

3.3    S 除草剂生产线瓶颈识别与分析

3.3.1 瓶颈工序识别

通过前一节了解到J公司S除草剂的产能不能满足当前的市场需求,所以目 前S除草剂整个生产系统的产能就是约束理论中的有效产出。由约束理论可知, 一个生产系统的有效产出受瓶颈制约,所以S除草剂生产线中必定存在着制约整 个系统产能的瓶颈工序,而这个最小产能的瓶颈工序决定了 S除草剂生产线整个 系统最大的产能。因此,解决提升J公司S除草剂生产线总体产能问题的关键是 提升现有瓶颈工序的产能,提升现有瓶颈工序的产能。由于S除草剂生产工艺复 杂且涉及的生产工序也较多,为了有效、充分地利用J公司现有的宝贵资源,只 有通过正确地识别当前S除草剂生产线的瓶颈工序,才能快速地提升S除草剂的 产能。因此,准确地识别S除草剂生产系统中的瓶颈工序是解决当前产能问题的 关键。

瓶颈是指实际生产中其能力最小的环节。但由于这种瓶颈定义比较笼统和抽 象,所以很难在实际中得到应用。瓶颈的3种类型分别是资源、市场、政策。其 中,资源瓶颈是生产部门主要关注的对象。系统瓶颈资源的定义[50]是:假设整个 系统中存在着n个资源分别是Sl、2、…Sn,其对应的实际产能分别是Ol、O2、…On, 系统的外部需求分别是也、妊、…必,各资源间存在关系人。假设集合S是Si 有关资源构成的集合,即:

s =                   (Si,S/)}                                    (3-1)

那么,当且仅当Q < min(Mi,min(VSj,j e S))时,系统瓶颈资源为Sio因此, 约束系统实现最大产能所需的资源就是系统的瓶颈。

对于瓶颈可采用定性、定量来辨识。定性识别瓶颈方法的通常原则是:如在 一个周期内,生产设备前的半成品由于来不及处理出现堆积,那么认为该设备可 能是瓶颈。定性瓶颈识别后,往往在发生后采取紧急措施,存在着一定的风险。 自约束理论问世以来,学者通过许多研究寻找如何有效地识别系统中的瓶颈。瓶 颈的定义和概念是识别和预测瓶颈的前提。对于生产瓶颈的辨识主要有系统分析、 建模和实时数据监控3种类型。

第1 类,系统分析方法,通过对生产系统中的设备绩效指标进行分析识别瓶颈。主要采用如下原则进行识别:

1) 通过在线半成品的数量及设备的利用率来确定瓶颈:基于中短期生产系 统的数据分析,如果设备或工序前等候的在制品最多即为系统的瓶颈;基于长期 生的数据分析,如果平均利用率最高即为瓶颈。

2) 系统中生产效率最低的工序或设备就是瓶颈,即单位产品在瓶颈设备或 瓶颈工序上所占用时间为最多。

3)  如果生产线系统中设备或工序导致上游阻塞,而同时下游又出现了饥饿等 待的情况,那这个设备或工序就是系统中的瓶颈。

第 2 类,建模法,即通过建立生产模型来寻找瓶颈。通用汽车公司采用仿真 模型对生产系统中不确定的瓶颈进行模拟和分析来指导实际生产[51]。一般来说, 精准的仿真模型能够指导系统进行正常生产,但仿真模拟也依赖于实际生产系统 和模拟软件的配合程度以及应用工程师对软件的理解程度,仅局限适用于自动化 水平比较好的企业。

第 3 类,实时数据监控,即数据驱动法,通过实时数据监控来识别系统的瓶 颈。Li等人通过对汽车装配生产系统中的瓶颈进行实时在线数据监测来指导实 际生产,获得的效果明显优于传统的方法[52]。有研究表明,通过采用苹果系统的 应用程序进行动态识别生产系统中瓶颈的时间要远远少于传统的 Go&See 法(即 精益手动观察法)[53]。数据驱动法需要在生产系统配备智能设备,对生产系统自 动化水平的要求也更高。

结合 S 除草剂生产线的自动化程度和实际生产情况,本研究采用第 1 类系统 分析法进行识别系统中的瓶颈。通过分析实际生产工序的节拍数据,了解各工序 的实际生产能力与设备的状况,找出 S 除草剂生产系统中的瓶颈工序。

根据 S 除草剂生产工艺和化工批次生产的特点,生产线采用人工与半自动化 控制相结合、按24 小时连续的方式进行生产,目前产能为 140 吨/月。通过表 3.1 的 S 除草剂生产节拍数据可以发现, S 除草剂各工序的节拍并不完全一致。由于 部分时间偏长的生产工序节拍影响了整个 S 除草剂生产系统的生产节拍,也影响 了整个系统的产能即有效产出,从而导致实际生产不能满足销售的需求,但这只是其中的一个原因。由于 S 除草剂生产系统比较复杂,涉及到许多生产工序环节 和设备,存在着如设备故障、维修、中间产品不合格、工序衔接等多种因素都会 对影响实际产能。

表 3.1 S 除草剂生产节拍数据表

工序号

工序名称

设备名称

设备数量

单台节拍

/hr

折算成品量

/kg

每吨成品工 序节拍/hr

ST-01

主环

R101

3

11.02

1430

2.57

ST-02

氟化

R202

3

9.30

1360

2.28

ST-03

一氯

R301

3

11.4

1360

2.79

ST-04

二氯

R401

3

9.60

1360

2.35

ST-05

分离

V501

2

9.78

1360

2.40

ST-06

干燥

D601

2

7.32

1360

2.69

ST-07

硝化

R702

3

8.33

984

2.82

ST-08

加氢

R801

3

6.88

984

2.33

ST-09

磺化

R901

4

9.27

863

2.69

ST-10

包装

D105

2

6.42

1200

2.68

 

考虑到 S 除草剂生产线的实际设备运行及生产情况,通过 OEE 与 S 除草剂 生产工序节拍相结合来衡量和识别当前的生产瓶颈。 OEE 既是一个强有力的指 标,又是一种独立的测量工具,它可以识别生产系统中的瓶颈,并设定新的改进 目标[54]。 OEE 是指系统的实际生产能力与理论最大生产能力的比值,其相应计 算如公式 3-2 所示[55]。

OEE = A x P x Q X 100%                                     (3-2)

式中:

OEE 为设备综合效率;

A 为时间开动率;

P 为性能开动率;

Q 为合格率。

S 除草剂生产线 2020 年各工序 OEE 的具体情况如表 3.2 所示,发现 S 除草 剂生产线的OEE在59.9%〜85.5%之间。当前世界级设备的平均OEE是85%[56]。 通过对比说明 S 除草剂生产线的设备综合利用率与世界级水平还存在着一定的差距,还很大的改进空间。

表 3.2 各工序 OEE 相关数据统计表

工序号

工序名称

设备开动率

性能利用率

合格率

OEE

ST-01

主环

90%

92.0%

99.9%

82.7%

ST-02

氟化

90%

95.0%

99.9%

85.4%

ST-03

一氯

80%

75.0%

99.9%

59.9%

ST-04

二氯

90%

88.0%

99.9%

79.1%

ST-05

分离

90%

95.0%

99.9%

85.4%

ST-06

干燥

90%

80.7%

99.9%

72.6%

ST-07

硝化

90%

95.0%

100.0%

85.5%

ST-08

加氢

90%

95.0%

100.0%

85.5%

ST-09

磺化

90%

95.0%

99.9%

85.4%

ST-10

包装

90%

95.0%

100.0%

85.5%

 

S除草剂生产线按每月28天(其中每月2天为维护保养和异常处理时间), 各工序为 24小时连续进行生产,以目前客户需求数量的最大值180吨/月计,所 以经计算后工序均衡需求节拍为 3.73 小时。采用公式(3-3)对在实际生产中的 各工序的生产节拍进行拟合,经计算后得到如表 3.3 所示。

Bf = Bt/oEE

式中:

Bf为工序拟合节拍;

Bt为工序理论节拍;

OEE为工序的设备综合效率。

由如图3.8所示发现,目前S除草剂生产线的各工序生产节拍并不完全一致, 说明各工序生产不同步,节拍时间长的工序制约了整个生产线的产能。ST-03 一 氯工序的实际拟合节拍是4.66小时,在整个生产线中占用的时间是最长的,这 个生产节拍时间决定了整个生产线的节拍时间,同时这个一氯工序也限制了除草 剂线的最终产量,由约束理论得出S除草剂生产线当前的瓶颈工序就是一氯工序。

3.3 工序拟合节拍


工序号

工序名称

设备数量

r OEE

单位成品工序节拍/hr

工序拟合节拍/hr

ST-01

主环

3

82.7%

2.57

3.11

ST-02

氟化

3

85.4%

2.28

2.67

ST-03

一氯

3

59.9%

2.79

4.66

ST-04

二氯

3

79.1%

2.35

2.97

ST-05

分离

3

85.4%

2.40

2.81

ST-06

干燥

2

72.6%

2.69

3.71

ST-07

硝化

3

85.5%

2.82

3.30

ST-08

加氢

3

85.5%

2.33

2.73

ST-09

磺化

4

85.4%

2.69

3.14

ST-10

包装

2

85.5%

2.68

3.13

ST-01 ST-02 ST-03 ST-04 ST-05 ST-06 ST-07 ST-08 ST-09 ST-10

图 3.8 实际生产工序节拍

根据S除草剂生产各工序的拟合节拍转化为各工序的实际产能如图3.9所示, 可以发现一氯工序的生产能力最低,其影响了整体系统产出的能力。 TOC 理论 指出,整个系统的最大生产能力是由瓶颈工序决定的,通过在减少其他工序的生 产时间是毫无意义的,因为其增加的是库存而不是产出。因此,接下来要运用 TOC 聚焦五步法针对瓶颈工序进行改善,提高系统的生产能力。

3.3.2瓶颈工序的影响因素分析

通过前一节对系统进行分析发现一氯工序是目前 S 除草剂生产系统中的瓶 颈工序。一氯工序目前所有工序中产能最低的工序,直接影响并限制了整个 S 除草剂生产线的产能发挥。同时,一氯工序成为瓶颈也不是孤立形成,必然受到 系统其他因素的影响。造成一氯工序成为 S 除草剂生产系统主瓶颈的原因从设备、 瓶颈工序工艺自身原因、非瓶颈工序的影响等方面进行一步分析。为了寻找瓶颈 一氯工序产生的原因,从人员、设备、工艺等方面对可能影响生产线 OEE 的因 素进行了分析。由图 3.10 得出影响一氯工序 OEE 损失的原因有设备故障维修、 瓶颈工序本身反应时长、上游原料及下游转料等待、上游工序质量影响等因素, 其中前 4个影响因素占到总损失的 85%。

image.png

图3.10 一氯工序OEE损失因素分布图

瓶颈工序制约着整个生产系统的产能,在挖掘系统瓶颈的潜能前,就必须要 准确地找出瓶颈工序的影响因素。因此,后续需要针对瓶颈工序的影响因素进行 详细分析,继续应用 TOC 理论聚焦五步法通过最大限度地挖掘瓶颈工序的能力, 然后打破瓶颈,进一步提高系统产能,从而实现 S 除草剂生产线产能的提高。

3. 4 本章小结

本章节介绍了 J公司的基本情况、S除草剂产品特性与应用现状、生产工艺 流程,同时也对 S 除草剂生产线的产能现状和 J 公司面临的困境进行了分析。通 过约束理论运用实际生产节拍与 OEE 相结合的方法找出了限制整个 S 除草剂生 产系统产能的瓶颈工序,明确了提升一氯工序的产能是解决当前产能不足问题的 关键。通过分析生产历史数据,发现设备故障维修、瓶颈工序本身反应时长、上 游原料及下游转料等待是影响瓶颈工序的主要因素。在接下来的章节,将通过应 用 TOC 理论对这些主要影响因素展开详细讨论,并提出解决 S 除草剂生产线产 能不足的方案。

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