Введение

С целью выявления резервов повышения эффективности функционирования производственной системы в качестве примера выбран мелкосортный цех металлургического предприятия, который отражает совокупность взаимосвязанных технических, технологических, материальных, кадровых и финансовых ресурсов, необходимых для своевременного выпуска и реализации готовой продукции [1 – 3]. Мелкосортные цехи характеризуются высоким уровнем механизации и автоматизации прокатного оборудования, однако некоторые участки (пакетировки) недостаточно механизированы [4 – 6]. Стремление к повышению пропускной способности мелкосортных цехов и улучшению технико-экономических показателей требует разработки организационно-технических мероприятий [7 – 10].

Проведенные комплексные исследования в мелкосортном цехе выявили, что на участках нагрева, прокатки, термического упрочнения, охлаждения и резки функционирует высокоавтоматизированное и механизированное оборудование (за исключением участка пакетировки). Технологические процессы протекают непрерывно, участки связаны между собой единым горячим потоком металла, когда любые задержки, остановки в его движении снижают производительность цеха, производительность труда, выпуск и рентабельность продукции [11 – 14]. По характеру участия рабочего персонала в производственном цикле технологические процессы относятся к аппаратурным, где основными функциями персонала являются контроль и регулирование хода процесса (посадчики и нагревальщики металла, вальцовщики). К машинным относятся процессы, выполняемые на оборудовании при непосредственном управлении персоналом (операторы постов управления, резчики металла), к ручным – процессы, выполняемые работниками вручную на участке пакетировки (обвязка проката, маркировка, клеймение, навешивание бирок).

Анализ организации производственных процессов

Анализ организации технологических и трудовых процессов в мелкосортном цехе показал, что наименее автоматизированным и наиболее трудоемким участком с использованием ручного труда является участок пакетировки металлопродукции, на котором задействовано следующее количество работающего персонала: 28 упаковщиков и 16 маркировщиков готового проката. Обвязка проката на участке пакетировки осуществляется в стационарных карманах (четыре по правой стороне стана и три по левой). Упаковка в карманах и навешивание грузовых колец производится вручную уборщиками готового проката. Бирки изготавливаются на отдельных машинах и также навешиваются вручную клеймовщиками готового проката. Такая работа связана с большими затратами физических усилий и протекает в условиях повышенной температуры из-за излучаемого горячим металлом тепла.

Основными недостатками существующей организации труда на участке пакетировки являются:

– значительная численность рабочих из-за большого количества ручных операций, связанных с упаковкой, клеймением, маркировкой и уборкой металлопроката; низкая производительность труда, особенно при упаковке малотоннажных пачек готового проката;

– жесткая связь работы участков пакетировки и прокатки приводит к сдерживанию процесса производства продукции, так как на увязку, маркировку и уборку пачки затрачивается больше времени, чем на прокатку;

– низкое качество упаковки металлопроката, не удовлетворяющее запросам современных потребителей; существующий процесс не позволяет получать плотную увязку пачек металлопроката и прочный узел на вязке, что приводит к потере части вязок на пачках металлопроката при транспортировке их потребителям;

– невозможность подсчета количества штанг металлопроката в пачке, так как отсутствует автоматизированный их учет.

Для рационализации и повышения технического уровня рабочих мест на этом участке необходимо провести организационно-технические мероприятия [15 – 17] по следующим направлениям:

– внедрение прогрессивных технологических процессов;

– модернизация оборудования, внедрение средств механизации и автоматизированного слежения, учета, контроля за подготовкой и пакетировкой готовой продукции;

– сокращение применения ручного и тяжелого физического труда рабочих.

Моделирование согласованной работы участков мелкосортного цеха

Для обоснования степени влияния участка пакетировки на согласованную работу цеха, функционирующего как непрерывно-поточная человеко-техническая система, были определены нормативные такты работы производственных участков. На рис. 1 схематично показана связь производственных участков мелкосортного цеха.

Такты системы (цеха), подсистемы (участков), элементов (оборудования), микроэлементов (механизмов и действий рабочих) имеют свою внутреннюю структуру, которая соответствует структуре технологических и трудовых операций. Такт следует рассматривать как важную временную характеристику, влияющую на производительность системы, которая является одним из главных расчетных элементов при планировании объема производства, а значит, производительности труда и многих других технико-экономических показателей [18].

Такты работы цеха по сортаменту прокатной продукции определялись моделированием следующих процессов: нагрева в печах (такт работы участка нагрева, Tу1 ), прокатки в клетях (такт работы участка прокатки, Tу2 ), термического упрочнения в устройстве (такт работы участка термоупрочнения, Tу3 ), охлаждения на холодильнике (такт работы участка охлаждения, Tу4 ), порезки на ножницах (такт работы участка резки, Tу5 ), пакетирования (такт работы участка пакетировки, Tу6 ).

Единый технически возможный (нормативный) такт работы мелкосортного цеха как производственной системы при последовательном соединении участков определялся по критерию максимальных затрат времени на основании разработанной методики [18; 19]:

\[\begin{array}{c}T_{\rm{c}}^{{\rm{тв(н)}}} = \max \left\{ {T_{{\rm{у1}}}^{{\rm{тв(н)}}},{\rm{ }}T_{{\rm{у2}}}^{{\rm{тв(н)}}},{\rm{ }}..,{\rm{ }}T_{{\rm{у6}}}^{{\rm{тв(н)}}}} \right\};\\T_{\rm{у}}^{{\rm{тв(н)}}} = \frac{{T_{\rm{о}}^{{\rm{тв(н)}}}}}{{{z_{\rm{o}}}}};{\rm{ }}T_{\rm{o}}^{\rm{н}} = \frac{{T_{\rm{o}}^{{\rm{тв}}}}}{{K_{\rm{и}}^{\rm{н}}}},\end{array}\]

где \(T_{{\rm{у1}}}^{{\rm{тв(н)}}},{\rm{ }}..,{\rm{ }}T_{{\rm{у6}}}^{{\rm{тв(н)}}}\) – технически возможный (нормативный) такт работы участка, с; \(T_{\rm{o}}^{{\rm{тв}}}\) – технически возможный (нормативный) такт работы одного типового оборудования на участке, с; zo – количество параллельно работающего типового оборудования на участке, шт., \(K_{\rm{и}}^{\rm{н}}\) – нормативный коэффициент использования оборудования (рекомендуется в пределах 0,85 – 0,95).

Для технически возможных тактов работы каждой единицы оборудования по участкам цеха учитывались технические, технологические параметры и режимы работы оборудования, уточнялась номенклатура выпускаемой продукции, определялась расчетная единица продукции (штука, пакет или партия) и ее характеристики (масса, количество, длина, объем и т. п.); декомпозировались операции и элементы на машинные, машинно-ручные и ручные; строились циклические графики автономной работы оборудования для всех профилеразмеров. Формирование технически возможных тактов работы каждого участка осуществлялось с учетом пространственного размещения оборудования, его количества и характера взаимодействия.

Процедура выбора технически возможных тактов работы системы (цеха) для каждого профилеразмера осуществлялась путем моделирования согласованной работы основного и вспомогательного оборудования по всем участкам цеха. При этом формировалось множество оценочных тактов, рассматривались возможные варианты возникновения производственных ситуаций в зависимости от изменения внешних и внутренних условий функционирования человеко-технической системы.

Для определения нормативных тактов работы участков устанавливались нормативные коэффициенты использования каждого вида оборудования, которые определялись с учетом степени механизации, автоматизации оборудования, вспомогательных механизмов и приспособлений, а также уровня квалификации обслуживающего персонала: \(K_{\rm{и}}^{\rm{н}} = \left( {1 - q_{{\rm{ск}}j}^{\rm{н}}} \right)\) (где \(q_{{\rm{ск}}j}^{\rm{н}}\) – нормативная доля скрытых простоев в работе j-го оборудования). Нормативный такт работы j-го оборудования можно представить как \(T_{{\rm{о}}j}^{\rm{н}} = T_{{\rm{о}}j}^{{\rm{тв}}} + \tau _{{\rm{ск}}j}^{\rm{н}}\) (где \(\tau _{{\rm{ск}}j}^{\rm{н}}\) – нормативное значение скрытых простоев, возникающих в процессе обработки металла на j-м оборудовании, с).

Необходимо учесть, что часть скрытых простоев (пауз) являются технически и технологически неизбежными, зависящими от конструкции оборудования и вспомогательных механизмов, а также от используемых технологических режимов. Продолжительность таких пауз определяется расчетным путем и включается в состав технически возможного такта работы оборудования. Кроме этого, если процесс на участке не полностью механизирован и имеются ручные операции, не перекрываемые машинным временем, то минимальная их длительность тоже входит в состав технически возможного такта.

Для обоснования нормативных значений скрытых простоев были проведены фотохронометражные и мониторинговые наблюдения в мелкосортном цехе: изучались и фиксировались паузы между операциями, элементами и микроэлементами, уточнялись причины их возникновения. Полученные сведения позволили определить фактические длительности скрытых простоев, выявить, проанализировать причины и классифицировать их на группы технического, технологического, организационного характера и независящие от работы данного участка, а также построить модель влияния человеческого фактора при организации и оперативном управлении технологическими и трудовыми процессами.

Рассмотрим подробнее методику нормирования такта работы участка пакетировки, где влияние человеческого фактора особенно выражено. На остальных участках (нагрева, прокатки, термоупрочнения, охлаждения, порезки) методики нормирования тактов были изложены в работах [18 – 20]. На участке пакетировки установлены пакето-сборные карманы (рис. 2, а).

Технически возможный такт работы пакетосборного кармана определяется по формуле:

\[T_{{\rm{пк}}}^{{\rm{тв}}} = \frac{{{\tau _{{\rm{сб}}}}{G_{{\rm{пк}}}}}}{{{q_{{\rm{пг}}}}{l_{\rm{г}}}{Z_{{\rm{ш}}{\rm{.}}{\rm{п.}}}}}} + \frac{{{l_{\rm{г}}}}}{{{V_{{\rm{рг}}}}}}({Z_{\rm{п}}} - 1) + {\tau _{{\rm{обв}}}},\]

где τсб – время сброса одной пачки в карман, с; τобв – время обвязки пакета готового проката проволокой, с; Zп – количество пачек в готовом пакете, шт; Zш.п. – количество штанг в одной пачке, шт; lг – длина готовой пачки, м; qпг – масса погонного метра готового профиля, кг; Gпк – масса пакета готового проката, кг; Vрг – скорость рольганга, м/с.

Время обвязки пакета готового проката определяется по формуле

\[{\tau _{{\rm{обв}}}} = \frac{{\left( {{\tau _{{\rm{об}}1}} + {\tau _{{\rm{об}}2}} + {\tau _{{\rm{об}}3}}} \right){Z_{{\rm{обв}}}}}}{{{Z_{{\rm{чел}}}}}},\]

где τоб1 – время взятия рабочим обвязочной проволоки, с; τоб2 – время подхода рабочего к месту обвязки, с; τоб3 – время собственно обвязки проволокой пакета готового проката вручную рабочим; Zобв – количество обвязок одной пачки готового проката, шт; Zчел – количество рабочих, одновременно производящих обвязку проволокой проката в нескольких местах.

На основе исследований было выявлено, что человеческий фактор существенно влияет на такт работы участка пакетировки за счет выполнения ручных операций, отклонение которых составляет 20 – 30 % от их средней величины. Полученные результаты указывают на необходимость разработки нормативного коэффициента использования оборудования, где должна учитываться (корректирующим коэффициентом) доля влияния ручного труда:

\[K_{\rm{и}}^{\rm{н}} = \frac{{K_{\rm{о}}^{\rm{н}}}}{{k_{\rm{ч}}^{\rm{н}}}};{\rm{ }}K_{\rm{о}}^{\rm{н}} < 1;{\rm{ }}k_{\rm{ч}}^{\rm{н}} \ge 1{\rm{; }}K_{\rm{и}}^{\rm{н}} = \frac{{0,9}}{{1,06}} = 0,85,\]

где \(K_{\rm{и}}^{\rm{н}}\) – нормативный коэффициент использования собственно оборудования; \(k_{\rm{ч}}^{\rm{н}}\) – нормативный коэффициент, учитывающий действия рабочих по обвязке пачек готового проката и их маркировки.

По разработанной нормативной модели сначала рассчитывались технически возможные такты, длительности операций и циклов, устанавливались нормативные значения коэффициентов использования оборудования, затем определялись нормативные такты работы участков с учетом сортамента и производственных ситуаций. Результаты реализации тактовой модели мелкосортного цеха приведены на примере производства арматурного профиля № 16 в табл. 1.

Технически возможный и нормативный такты работы производственной системы (цеха) выбирались из тактов работы каждой подсистемы (участка):

\(T_{\rm{с}}^{{\rm{тв}}}\) = max{15,00; 21,75; 20,90; 16,50; 18,25; 23,80} = 23,80 с;

\(T_{\rm{с}}^{\rm{н}}\) = max{16,70; 23,60; 22,70; 18,10; 19,60; 28,00} = 28,00 с.

Сравнительный анализ полученных результатов технически возможных и нормативных значений тактов работы основного участка (прокатки) и вспомогательных участков (нагрева, термоупрочнения, охлаждения, порезки и пакетировки) показал, что «узким местом» в поточной системе является участок пакетировки, который лимитирует работу ведущего участка прокатки.

Как видно из табл. 1, полученные нормативные коэффициенты использования оборудования имеют высокие значения (0,90 – 0,93) на всех участках, кроме участка пакетировки, где значение намного ниже (0,85) за счет нестабильности выполнения ручных операций. Анализ фактических коэффициентов использования оборудования по сравнению с нормативными выявил, что механизированное и автоматизированное технологическое оборудование (прокатные клети) на основном участке недоиспользуется на 27 %, что вызвано неэффективным процессом пакетировки готовой продукции. На остальных участках (нагрева, термоупрочнения, охлаждения, порезки) недоиспользование оборудования составляет 45 – 30 % за счет резервного времени, а также времени ожидания обработки продукции на участке пакетировки. Кроме того, анализ организации трудовых процессов и условий труда рабочих на участке пакетировки выявил такие факторы, как использование ручного труда с тяжелой физической нагрузкой при повышенном уровне шума и тепловом излучении металла.

Рекомендации по совершенствованию работы участка пакетировки

С целью улучшения условий и сокращения ручного труда персонала на участке пакетировки, а также обеспечения ритмичной работы цеха в непрерывном технологическом потоке предложено механизировать и автоматизировать процесс упаковки проката в пакеты, что даст возможность:

– улучшить качество готовых пакетов;

– сократить затраты времени на получение готового пакета и затраты на обвязочные материалы (обвязочная проволока);

– увеличить конкурентоспособность продукции на рынке за счет товарного вида и соответствия прокатной продукции требованиям мировых стандартов;

– сократить количество ручных операций за счет установки вязальных машин, что исключает человеческий фактор в процессе обвязки мотков в пакеты;

– улучшить учет, контроль и слежение за текущей информацией о пакетах за счет установки системы мониторингового слежения;

– расширить возможность поставки пакетов в зависимости от массы, длины и количества штанг.

После проведения модернизации на участке пакетировки существенно изменится организация производственного процесса (рис. 2, б).

Пачки штанг будут сортироваться на участке холодной резки и подаваться на конвейер упаковочной линии, где с помощью передаточного стола будут поступать к счетчику штанг и далее – на накопительную станцию проката, где формируется пакет проката из необходимого количества штанг. Далее пакет проката передается по рольгангу к обвязочному столу и пакетировщику, где при помощи двух вязальных машин будет осуществляться автоматическая обвязка пакета. Затем пакет по рольгангу транспортируется к роликовому конвейеру, где он взвешивается и навешиваются бирки. Готовые пакеты подаются на накопительный конвейер, а с него транспортируются электромостовым краном на склад готовой продукции, где укладываются в штабеля.

В результате ввода в эксплуатацию автоматизированного пакетировочного комплекса изменятся выполняемые функции производственного персонала. Оператор поста управления будет осуществлять контроль за работой механизмов упаковочной линии и управлением механизмами через программируемый контроллер в режиме «Автоматика». Упаковщик готового проката будет производить строповку и уборку пакетов мерной длины с накопительного конвейера с помощью электромостового крана. Маркировщик готового проката будет осуществлять контроль за правильностью маркировки продукции и оформлением первичной документации на продукцию, а также осуществлять ввод информации на ПЭВМ.

До модернизации на участке пакетировки по штатному расписанию (нормативу) численность рабочего персонала составляет 44 чел. (28 упаковщиков и 16 маркировщиков). В связи с внедрением пакетировочных линий произойдет сокращение численности персонала по уборке готового проката с шести до четырех человек в смену (по два упаковщика на линию) и маркировщиков готового проката с четырех до двух человек в смену (по одному на каждую линию), то есть высвобождается 15 чел., из них 9 упаковщиков и 6 маркировщиков.

После предлагаемого внедрения автоматизированного производственного комплекса рассчитываются технически возможный и нормативный такты работы участка пакетировки. Технически возможный такт работы пакетирующего агрегата определяется по следующим формулам:

\[\begin{array}{c}T_{{\rm{па}}}^{{\rm{тв}}} = {t_{{\rm{ук}}}} + {\tau _{{\rm{обв}}}}{\rm{; }}{t_{{\rm{ук}}}} = {t_{\rm{к}}}{Z_{{\rm{сл}}}} + {t_{{\rm{тр}}{\rm{.у}}}}({Z_{{\rm{сл}}}} - 1);{\rm{ }}{t_{{\rm{тр}}{\rm{.у}}}} = \frac{{{l_{{\rm{р}}{\rm{.у}}}} - {l_{\rm{г}}}}}{{{V_{{\rm{рг}}}}}};\\{\tau _{{\rm{обв}}}} = \left( {\frac{{2{S_{{\rm{пк}}1}}}}{{{V_{{\rm{пк}}1}}}} + \frac{{{d_{{\rm{пк}}}}}}{{{V_{{\rm{вг}}}}}}} \right){Z_{{\rm{обв}}}} + \frac{{{S_{{\rm{пк}}2}}}}{{{V_{{\rm{пк}}2}}}}({Z_{{\rm{обв}}}} - 1),\end{array}\]

где tук – время набора пакета проката машиной-укладчиком, с; τобв – время обвязки пакета пакетовязальной машиной, с; tк – время кантовки слоя проката магнитным кантователем, с; Zсл – количество слоев в готовой пачке, шт; tтр.у – время транспортировки одного слоя к укладчику, с; lр.у – длина рольганга перед магнитным укладчиком, м; lг – длина готовой пачки, м; Sпк1 и Sпк2 – пути поперечного и продольного перемещения пакетовязальной машины, м; Vпк1 и Vпк2 – скорости поперечного и продольного перемещения пакетовязальной машины, м/с; dпк – диаметр обвязываемой пачки проката, м; Vвг – скорость перемещения вязальной головки машины, м/с; Zобв – количество обвязок одной пачки готового проката, шт.

Предлагаемая модернизация реализуется только на участке пакетировки, поэтому значения тактов на данном участке изменятся, на других участках значения тактов останутся неизменными. Это наглядно продемонстрировано в табл. 1 на примере арматурного профиля № 16.

Следует отметить, что нормативный коэффициент использования оборудования на участке пакетировки увеличится до 0,9. Тогда загрузка прокатных клетей увеличится в среднем на 11 %, на других участках уровень загрузки оборудования повысится на 5 – 14 %. На участке пакетировки резервное время составит 20 %, что даст возможность в некоторых производственных ситуациях один агрегат не использовать, при этом сократятся издержки производства.

В процессе моделирования работы основного и вспомогательного оборудования по участкам цеха были определены такты системы (технически возможные и нормативные) для заданного сортамента (круглые, арматурные и угловые профили), на основании которых рассчитаны производительности цеха по сортаменту и средневзвешенные (табл. 2). Обоснован нормативный фонд времени работы оборудования с учетом разработанной классификации текущих простоев по причинам их возникновения (технические, технологические, организационные, независящие), определены объемы производства по сортаменту на плановый (нормативный) период времени, рассчитана производственная мощность.

Также в работе определены проектная производственная себестоимость единицы продукции с учетом влияния роста объема производства, доли условно-постоянных и переменных затрат, ожидаемая экономия и дополнительные расходы, связанные с модернизацией. Реальные инвестиции в основные фонды составят 386,1 млн руб.

Одним из важнейших направлений совершенствования организации производственных процессов является нормирование. Разработанная нормативная модель функционирования мелкосортного цеха позволяет сформировать нормативную базу таких показателей, как длительности операций (технологических, трудовых, контрольных и транспортных), циклы и такты производственных процессов, численность персонала, участвующего непосредственно в технологических процессах, в их управлении и активном наблюдении. Определены нормативы численности рабочего персонала. После проведения модернизации на участке пакетировки выпуск продукции увеличится на 18 % за счет повышения производительности цеха с 91,1 до 107,8 т/ч и увеличения фонда времени его работы при сокращении текущих простоев по организационным причинам. Кроме этого, увеличится объем продаж, прибыль и рентабельность продукции. В табл. 3 показаны нормативные значения основных технико-экономических показателей цеха до и после внедрения проекта.

Выводы

Предложен тактовый подход для оценки производительности оборудования. Рассмотрен пример использования тактового подхода в условиях мелкосортного цеха. Выявлено, что узким местом в непрерывно-поточной человеко-технической системе является участок пакетировки. Разработаны рекомендации по совершенствованию организации материальных потоков и автоматизации пакетировочных линий.

Внедрение проектных решений на участке пакетировки позволит улучшить технико-экономические показатели мелкосортного цеха. Расчетный срок окупаемости инвестиций составляет 1,2 года и подтверждает эффективность использования автоматизированного комплекса.