TOC(Theory Of Constraints) is a philosophy that can be applied to manage and optimize the activities of the business. TOC exploits the fact that there are only a few active constraints in any system, depending on the manufacturing typologies, the market, the production technology, the cost of raw material and the added value. Constraints of purchase of raw materials, production of products and sales of products in a manufacturing firm constrain its goal to maximize its profit. In this thesis the purpose is to solve this constrained optimization problem by setting up a multiperiod planning model.
As the types of contracts in the process industry are shifting from cost-plus fee contracts to lump-sum fixed price contracts, the competitive pressure is becoming higher than before. Under this competitive environment, the purchase cost of raw materials in the process industry amounts to about 60∼70% of the total costs. To achieve a competitive advantage in the process industry, it is necessary to properly manage purchase and supply contracts. In chapter 2, the types of contracts that will be considered when purchasing raw materials from suppliers and selling products to customers are modeled as follows: (1) fixed price, (2) discount after certain amount, (3) bulk discount, and (4) fixed duration.
In chapter 3, two types of optimization models for a process network are considered: one for the short-term planning problem and the other for the long-term planning problem. In the short-term planning problem we consider the schedule of purchase of raw materials, production from each process with fixed capacity, inventory of each product, and sales of products. In the long-term planning problem we consider the optimal selection and expansion of processes given time varying forecasts of the demands and prices of chemicals over a long time horizon. The advantages of the proposed models are highlighted in two case studies of increasing complexity.
To solve the problem of not having enough information to set up the model to optimize the process network, a solution strategy is required. Otherwise, the solution cannot be obtained until all appropriate information is given in time. Because gathering all pertinent information might be expensive, we need to prioritize the information that affects solving the optimization problem to maximize the profit. In chapter 4, a sequential strategy based on TOC is developed and adopted to identify the system constraints sequentially and to find the solution efficiently.
In conclusion, a new sequential strategy is proposed to solve a typical optimization problem that arises in the production plants. This problem includes the capacity expansion of processes and the selection of contracts in purchasing raw materials and selling products. This optimization problem is formulated as a multiperiod planning problem to maximize the profit of the production plants. TOC is used to find the constraints and debotleneck them efficiently.
제약조건이론(TOC, Theory of Constraints)은 제조 산업의 업무를 경영하고 최적화하는데 적용될 수 있는 이론이다. 이 이론에 따르면 모든 시스템에는 하나 이상의 제약조건이 있는데 이 제약조건은 시스템의 목적에 걸림돌이 된다. 이 제약조건을 해결하는 원리와 방법을 제공하는 이론이 제약조건이론이다. 특히 제조 공장의 목표는 이윤의 극대화인데 원료 구매와 생산, 판매 그리고 운전의 각 단계마다 많은 제약조건들 때문에 목표를 달성하기 어렵다. 이러한 제약조건을 해결하며 다기간 일정계획 모델을 만드는 것이 본 연구의 목적이다.
제 2장에서는 원료의 구매와 생산품의 판매에 대한 계약조건에 대한 모델에 대한 것이다. 제조공장, 특히 석유화학공장에서 전체 운전비의 60∼70%에 해당하는 원료비를 절감하는 것과 안정적인 원료 수급은 제조공장에서 우선 고려해야 할 사항이다. 원료비 절감과 안정적인 원료 수급은 원료 공급자와 계약을 통해 해결할 수 있다. 또한 생산품을 판매하여야만 이윤을 얻기 때문에 안정적인 수요처를 확보하는 것이 제조공장의 이윤 극대화의 목적에 부합한다. 이 장에서는 4가지 계약조건을 모델링하였다.
제 3장에서는 제조 공장에서 각 공정의 용량 확장에 대한 모델링과 2장에서 다루었던 계약조건의 확대 적용에 관한 것이다. 제조 공장에서 생산품의 수요가 많은데 이에 비해 제조 능력이 이를 따라가지 못한다면 이윤을 극대화할 수 없다. 따라서 설비 투자와 용량 확장으로 이를 뒷받침해야한다. 이 장에서는 어느 시기에 어떤 공정을 얼마만큼 용량을 확장해야 하는가를 모델링하였다. 또한 2장에서 다룬 원료 구매와 생산품 판매 계약 모델을 확대 적용하여 다기간 일정계획 모델을 만들었다. 이 일정계획을 예제에 적용한 결과 구매·판매 계약만으로 약 10% 이익을 더 얻을 수 있었으며, 용량 확장 모델을 석유화학공장에 적용하면 약3배의 수익을 낼 수 있다는 결론을 얻었다.
제 4장에서는 제조 공정에 TOC이론을 적용하였다. 원료 구매와 생산품 판매 그리고 각 공정의 용량 확장이 제조공정에서 제약조건이 된다. 각 제약조건에 대한 정보가 부족하고 이런 정보를 얻는데는 비용이 많이 들기 때문에 제약조건들 중에서 어느 제약조건을 우선적으로 찾아내어 해결해야 하는 것은 중요한 문제이다.. Lagrange Multiplier을 이용한 Sequential Strategy 방법은 이러한 문제점을 해결하였으며 이를 이용하여 효율적으로 제약조건들을 순차적으로 찾아낼 뿐만 아니라 효과적인 최적 해법을 찾았다.
본 연구에서는 제약조건이론을 제조공장의 이익을 증대시키는 다기간 일정계획 문제에 적용시켜, 공장의 용량을 증대시키는 것과 원료의 구매계약 및 제품의 판매계약을 결정하는 새로운 방법을 제시하였다. 제조공정에 존재하는 제약조건을 새로운 방법을 이용하여 효율적으로 찾아내어 해결하면 공장의 이익에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
