特集級事例研究-59年春季研究発表会より一一

多品種多段階工程生産工場の操業計画システムー継目無鋼管熱間工場の例一家長吉行・茨木俊秀・徳山博子・竹安数博111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111I群につき各段の生産設備群への振り当てと作業順

はじめに序を稼働率最大となるように決定する問題である

受注生産を原則とする鉄鋼業において，その生産管理上の重要課題が大きくわけて 2 つある.といえる.ただし，この結果は，設備ごとの運用計画(稼働可能期間の設定)に大きく影響を受け

第 l に，需要家からの種々の注文について，製るところから，この設備運用計画の調整などを対鋼から圧延・精整の各工程で、製造仕様の同ーのも話処理としており込んだ 2 段階のヒューリスティのを，生産設備に適合させてロット編成を行なう

ック解法を採用した.以下その概要を報告する.

ことである.その第 2 は，これらのロットについて納期や設備条件のもとで作業順序の最適化(た2. 継目無鋼管熱間工場の操業計画問題

とえば段取替時間最少化)をはかるスケジュール

2.
1 製造工程の概要問題である.

継目無鋼管熱間工場は，主に石油井戸用やボイところで，近年は鉄鋼製品注文の小ロット化，ラー熱交換器用など，特に高い性能を要求される多品種化が進展している状況にあり，上記の問題

鋼管の製造を行なっており，その製造工程は製管はいっそう大規模化して適正な操業計画の立案を庄延工程と精整工程とからなっている.製管圧延むずかしくしている.

工程では，加熱された丸鋼を穿孔機にてくり抜い

本稿で紹介する継目無鋼管熱間工場もその例外たあと，これを熱間圧延して所定の寸法(外径・ではなく，その中でも特に多段ジョブショップ型肉厚)の素管を製造する.次に精整工程では注文の生産形態をもっ精整工程では，より効率的操業の製品規格に対応して，継手接続のための管端厚確保のため，従来手作業であった作業順序(操業)肉化(アプセット)やネジ切の加工処理，また強スケジュールのシステム化を進めてきた.

度などの性能確保のための熱処理を行なって製品

このスケジュールは，納期や仕掛置場制約のも出荷を行なっている.とで，製造仕様や通過工程の異なる多品種の注文

他の鉄鋼製品と同様に，継目無鋼管も需要家かいえながよしゆき住友金属工業紛制御技術センタらの多種多様な注文を受け，寸法や加工法の異な制御 OR 部

る月間約 150種以上の品種を生産する必要があり，いばらきとしひで豊橋技術科学大学
とくやまひろゆき

住友金属工業側制御技術センタ

制御 OR 部
たけやすかずひろ

598 (32)

住友金属工業側海南鋼管製造所

典型的な多品種多段階生産形態となっている.
本報では，物流が複雑に錯綜し，しばしば工程ネックをひきおこす精整工程での操業計画をとり© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

オベレーションズ・リ骨ーチ

注文

CD 数(月間子数s ロット)
②品検事サイズ数 (150 以上〕③口 y トサイズパラツキ大きい設f椅~牛段収容条件①ご日呈ごとに綾委主技術(工程 11司に条件室長)②ま空機関に能主事主主

牛長え・肉淳・グレード変更

d,③ま空機ごとの主思惑可後品種サイズ
市j約または優先n!lj!V:→工具変更

仕掛言霊場能力グレード変更オーパーフ四ーすると芸軍機ロス

吋程変変更

ヱ程表選移動持 j海

外1~ ~グレード・ネジタイプ

同一変質

運搬所要時間/作業i整備→工具変箆

霊~ 1 継筏無鋼管熱間工場の工程ブローと操業制約条件(3) 仕掛置場能力
各工程{または設備)はそれぞあっかう.通常はこの計踏にもとづき，所要悪材料

れ所定格農の仕掛農場を有しているが，これを越請求と製管庄延計繭が行なわれる.

えて材料供給を行なうと，仕掛品の掠置や配置替

2.
2 精整工謹の操業縦約条件{図1)による運搬口スが発生し望ましくない. (しかし，(1) 設備条件

これにより上工程が停止することはない)

精繋工穫は，主な J:綴としてアブセッ人熱処(4) 工程時移動時間

理およびネジ切りにより構成され，その工槌フロある桂文ロットが前工患で‘の処理を終えたあとーは図 i に示すとおりである.各工鰹には機数の次工程で処理を開始するまでに選搬などのための設備があり，これらのあいだには能率護がある場

時期が必饗である.また特定の品種については，合が多しまた付帯する検査設備などの昔話約から試験結果の確認やその協の準備作業のために，一処理可能な品種や寸法の麓閉が異なっている.

定時開もしくは注文l".，yト本数に比例する時揮が(2) 段取条件

磯保されていなくてはならない.

索管の加工を行なう工程では，品種・外経・肉厚・グレード(強度)そして加工法のいずれかが異(ラ)注文l"..yト

精整工棋で処理される注文口ット数は月間千数なる鏑管合処理する場合に，工具交換のための段百であるが，各世ットには数量や納期のほかに，取替が必要である.この所要時間は段取額序によ<D議選工麓〈品機ごとに異なる〉と各工程での処り異なっており，外在を変更寸る場合に最も長い理仕様，争各工穂での設備振り当ての優先順位おIJ寺鵠を重きいその他の場合は比較的知:くてすむ.

よび各設備での処理能率，などの情報が与えられ一方，熱処理工艇では，鋼管のグレードに対応ている.

して熱処理誼震を変更する必要があり，このため

2.
3 計曹の識も、所饗時間は謹度差により決まる*

以上の欝条件のもとで，精整工程操業計額とは1984 年 10 月号© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

(33) 胸骨次の項目を決定することである.

‑j(1)各工程各設備の運用計画および段取計画.

'(2)各工程で処理される注文に対する設備の振取

t主り当て，および各設備での作業順序.

ez汁
計画区開設定=分割

ロット集約

そして，この計画の狙いは，次の操業諸元(指(1)'''ロットの区間配分標)を最大限高位に実現することにある.
稼働率の最大化，すなわち段取替時間と，特に下流側工程での材料待ちによる工程停機時間の最少化をはかる.

一ー・ベ，-調___J_整ー、、;」つ、~---.
スケジューリング(2) 仕掛コストの低減および運搬作業の幅槙にともなう操業外乱(計画の乱れ)防止のための仕掛量最少化を実現する.

I 段取計画の瓦j ドヤニケフロ J展扇￨ ネットワークフローへの注文割り当て

IIIIー

|操業計画

(3) 納期確保
さらに，これらの目標の他に，計画に対する評

図 2

操業計画法の構成価として，工場側より次のような要請がある.

(1) 計画立案後に，小ロット短納期注文を処理するさいに，外乱を極力少なくする目的から段取のフローを仕掛期間最短となるように割り当てることで作業順序を決定していく.

順序はサイクリックであることがのぞましい.

この 2 段階解法の狙いは，計画立案作業の中で(2) 熱処理工程では休日の前後に低い温度処理をの設備運用計画の決定を，工程担当者に分担させ行なうような温度変更の計画が省エネルギー上るところにある.たとえば第 1 段の段取計画結果も有利である.

を受けて，工程担当者は次のような設備運用計画，もしくは段取計画そのものの調整を行なう.

3. 操業計画法(1) 工程停機時間抑制のための保全日程の調整.

3.1 操業計薗法の概要(2) 仕掛品の品種構成の時間的推移に対応して稼計画立案においては，前述のごとく考慮すべき働させる設備の計画期間中途での切り換え.

操業制約が多く，また狙いも多目的であることから，そのシステム化に当っては，工程担当者との対話処理を前提においた検討を行なった.その結果，図 2 に示す 2 段階の逐次決定に問題を展開し，(以上は第 1 段を再起動するもの)(3) 加工工程の各設備で準備する工具数の削減や，熱処理工程で高い温度で処理する段取を減らして省エネルギーをはかることを狙った特定設備への段取の集約.

ヒューリスティックに解く方法を採用した.

すなわち第 1 段では，注文データと仮の精整設(段取計画の強制変更)

このように，工程担当者が第 1 段，第 2 段の計備運用計画案を入力として，マグロ的に稼働率最画結果に介入しながら再計画をくりかえし，いわ大化を狙った段取計画を立案する.ここで言う段

ゆる満足のいく操業計画作成を可能にすることを取計画とは，各設備の稼働休止も含めて狙っているわけである.このため各段で、の求解を

2 つの加工工程では外径変更について，また熱処理工程
では温度変更のタイミングを与えるものである.

短時間で行なうことが重要となってくる.

3.
2 段取計画法

第 2 段では，この段取計画を時間軸のはいったネ

多段工程において設備の稼働率向上をはかるたヅトワーグフローに展開し，これに注文 l 件ごと

めには，段取替時間の削減のほかに，上下工程間

800 (34)© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

オベレーションズ・リサーチ

計額英語織の分割j

官、ソト集約給条工程アフ。

セット‑‑<=熱処理

ネジ切設備

ロット 1ロット 2

1 四X

2ロ.
.

コ~

1 ロ

2 回..,

ロロ

四2.,

ロ y ト3

出同..'・

約ji
Jjig 関ごとのヱ糧問問パラシス凝然 i-区間順のロット配分をi義次決定,,」一-..-----"'-ー可--<J'-山崎明一一一--y一一一--''-ー一一一ゅー「一司初期仕掛品負草寺¥

1 第 2 !K間処理能カ②アンバランス善寺:バランス題復させる
ヱ穏をもっ納期最王手の口ット選択

第 l 区間処理能力(時間換算)

図書号〉パランス善寺:約綴章受主事ロットを滋ぷ

・各口、y トの設備振当仮決定

ロットの区鶴箆分の処理麓(負荷)をパランスさせて下工程側の材ットを選んで配分する.それぞれの場合に，振り料待時間{工程停機)の摺減がより重饗で、ある.

当てる設鋳を，ロットの第 i 饗先設備より j際にチ

このため計画期間を区間分割したうえで，注文ロェッグして仮決定する.ただし決定不可能の場合ットの区間配分(山崩し)を行ない，この条件下は，そのロットを次区間以降の対象とし，別に次で段取替時爵最少イちをはかる方法をとった.以下

善のロットを選ぶ.

その内容について述べる.

(3) 全工棋に余力がなくなるまで(2)の処理念くり・ステップロずト集約

かえし，その後次区間へ進む.

類鋭校様(経由工程と各工穫の段教が時一)をもち，かつ納期が近接している注文群を集約する.

・ステッブ 3 :中関工程{熱処潔)段取計踊

ロットの区間配分結果を前提にして，段取計画

以下これを単にロずトと呼ぶ.

は各工稜ごとに逐次立案するが，能力的に最もネ・ステッブ 2 :ロヅトの区間艶分{国 3 )ックとなっているのが熱処理工穏とした場合の計段取順序のサイクリック性を考慮して，計画期画手順は以下のとおりである.

(図 4)

題を原燃として遺構単位に分割する，各区箆ごと(1) まず第 l lK関から，各設備ごとに鍛り当てに，次の手順にて各ロットを処理すべき区間およられた口ットを温度の昇J(演にならべる.間…温度び設備な仮に決定する.のロットについては，外径などの仕様が極力同ー(1) 計磁の初期での仕掛ロット含まず配分したあのものがならぶようにする.と，次に第 i 区間より以下の処理をくりかえす.

(2) 各設備について，このロットのならびの先(2) 対象区間の処理時間余力を工程ごとに算出す

頭(温度の低い口ット)より次臓の処理可否を，る.もし工謹簡の余力がバランスしている場合は以下に訴す条件で検討したうえ，処理期識を決定

納期最早のロットを選んで当該区間に配分する.

する.

余力がアンバランスのときは，これを回復するよ

・上工程からくる口ットについては，熱処理のタ

うな経由工程をもっ]:10/トの tゃから紡鶏綴字のロイミングに間に合わせられること.具体的には，

1984 年 10 月号© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

(35)80120-30 ロット
r一一ー一九一ー一一「区間2ロソト

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工程 l 設備

アプセットて |1 I訂|× l--W)|(LL~l2 1 ム|制..~ム|ム

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図 4は段取決定順N

仮決定

段取計画法(熱処理工程)

上工程のいずれかの設備で最遅作業完了時刻にては次区間の対象としてくりこす.

上記(2)-μ) の手順は，計画済期間の短い設備よ山積みし，処理能力と比較する.
・下工程へ送るロットは，とのロットも含んで仕り逐次選んで行ない各設備の計画が併行して進む掛量が過剰とならないこと.この場合は最早処理ようにしておく.

開始時刻で山積して能力と比較する.
この条件は当該のロットを処理できる上下工程設備につきすべて検討し，これによって設備振り(5) 各設備ごとに，同一温度でつづけて処理されるロット群の作業時間帯をまとめて，段取計画を完成する.

当てを確定する.条件を満たすことができなかっステップ 4: 上工程(アプセット)段取計画た場合には，次のロットを検討する.

この工程での段取計画は，最遅作業完了時が与(3) 最も温度の高い最後のロットまで作業)1頂をえられたロット群(熱処理品)と処理区聞が指定検討したあと，手順(2)で条件を満たすことのできされたロット群(非熱処理品)を対象とし，段取なかったロット群を対象にして，逆に温度の降順

替時間最少化をはかるスケジュ}ル問題となる.に作業順序を検討する.これによって，いわゆるここでは，中間工程を経由せずに下工程に送ら山なりの最適な温度変更順序が期待できる.

れる品種の仕掛負荷を考撮する必要がある.そこ

以上の手順終了後も区間の計画が完了しなで熱処理の場合と同様に各設備併行してロットをい場合は，次区間以降の対象ロットより温度推移逐次選択する作業順序決定と，これを外径変更のに適合するロットを選んで区間計画の完了を期段取計画にまとめる方法を採用した.

付)

す.不成功の場合は工程停機とし，残ったロット

80
2 (36)

ロットの逐次選択(図 5 )では，先行するロッ© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

オベレーションズ・リサーチかしいという問題をかかえてい---処珂時間

Aる.これが，前述のごとく工程担熱処理品

B

段遮処翌日終了 JI ，'iJ<IJlll
4.
3

ロ'JC

D

当者の介入を受けたうえで，改めて詳細なスケジュールを立てる方法をとった理由の大きな一因となE

一ー一一ー→、 ll、PIt-，

2 区間ー一一

図 5非熱処理ロ剛‑19d 司

14‑‑‑
M一m

円Uap‑‑‑‑‑

Fっている.

3.
3 スケジュール
この節では，精整各工程・設備において，時間軸上に既定された段取計画と，注文が与えられたと上工程の段取計画

き，仕掛量を最少化する問題を扱

トに対して，下記条件を満たすロット群の中からうが，いっぽうで工程担当者の介入をうけた段取段取替時間最少のロットを次順の作業として決定計画そのものの実用可能性を検討できるようにすしていく.

ることも大きな課題である.

・当該ロットを処理することで他のロットの中に最遅処理完了時刻に遅れるか，または指定区間内以下は，この問題をネットワークフローとして解く方法について述べる.

で処理ができなくなるものが発生しないこと.

図 6 は段取計画のネットワークの一例である.

・下工程に送られるロットについては，熱処理品スケジュ}ルすなわちこのネットワークフロー上も含めて仕掛量が過剰とならないこと.

への注文割り当ては概略次の手順で行なわれる.

ステップ 5 :下工程(ネジ切)段取計画(1) 注文をネットワークフローに割り合てるさ

上工程段取計画とは逆に，最早処理開始時刻がいの優先順位は，①納期JI贋，②通過工程の多少，与えられるロット群と，処理区聞が指定されたネ③注文量(本数)とし，逐次ロットを選択する.

ジ切単独工程処理品を対象としたスケジュール問題となるが，ここでの記述は略す.

(2) 割り合てのさいは，段取計画と閉じく，ネ(Ii:M:)→時間

以上述べてきた段取計
画法は，基本的にはネックとなりやすい中間工程すなわち熱処理の最適段取計画をまず立案し，この条件下で上下工程の段取計画を立案する近似解法である.この方法は，非常に効率がよいという有利さはもっているもの

品( :の，一方で設備聞の段取集約や設備運用計画を適正に決定することがむず
1984 年 10 月号@D関 Sネットワークフロ}© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

(37) 叩Sヅク工程より探索し，段取条件が日本lz

注文仕様と合致してかつ処理時間の残容量がある段取の中で最早のものに割り合てる.

(3) 上下工程については，決定済工程の段取に最も近い段取を仕掛置場容量も考慮して探索し，割り当てる.

仏)

仕掛容量条件にて上下工程の段取を探索できない場合は，ネック工程の段取探索からやりなおす.なお，納期遅れが予想される注文が発生したときには，割り合てのいれかえや，段取の処理時間容量のアローワンスを変更して解を改良する方法もあるが，ここでも工程担当者に警告を出して段取計画の変更をうながす方法をとっている.

(6) 実行可能解が得られた場合には，各段取内

図 7

操業計画出力例パーセントの寄与を果たしたところにある.

5.

おわりに鉄鋼業では，鋼管工場を含めて多品種多段の生での作業順序を決定してスケジュールを終了す

産形態をもっ工場が多い.また，これらの工場はる.

例外なく，近年の注文の多品種少ロット化に対し以上の手順による結果は，注文の割り当て優先て，効率的操業確保のために生産管理システムの順に影響を受けると思われるが，大口の注文を中改善にせまられているのが現状である.この意味

心に仕掛期間を短縮するとし、う意味で，今回採用で今回開発した操業計画法の応用範囲も広い.

した優先順は，比較的良好な結果を与えている.

4.

システムの実用化と効果

本稿の操業計画法は，当社海南鋼管製造所の生産管理システムに導入され，昭和58年 8 月より，残された問題は，さらに大規模な多段プロセスの問題に対し，部分的最適化の積み上げとしての段取計画法の改善である.たとえば，複数の工場にまたがる操業計画問題への適用を念頭において改善をはかつていきたい.

月度精整工程計画用として実用化されている.図

参考文献

7 はその計画出力例である.

計画法の処理時聞は各段約 1 分前後 (ACOS550) であり，計画の比較代案を検討するのに十分な効率をもっている.

[1] 家長，奥野，竹安，岡村:多品種多段階生産工場(継回無鋼管熱問工場)の操業計画、ンステム.日本 O
R 学会 1984年度春季研究発表会アブストラクト集[2] T. Ibaraki , M.Hosono , T.Hasegawa:Netｭ

このシステムの導入効果は，計画立案の所要時間を大幅に短縮したことのほか，各精整設備の運用計画や段取計画の代案検討を十分に実施可能にtiｭ
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京大数理工学レポ

1982したことで，実用化以降の稼働率向 ι 熱処理炉の省エネルギー，仕掛量の削減について，各々数804(38)© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

オベレーショ γ ズ・リサーチ