基于系统理论形式化的绿色集成制造系统能源消耗模型*

2014-06-29 09:58王贤琳
组合机床与自动化加工技术 2014年3期
关键词:能源消耗能耗建模

王贤琳,李 飞

(武汉科技大学 机械自动化学院,武汉 430081)

0 引言

自从“十一五”以来,我国在政治建设、经济建设、文化建设方面都取得了举世瞩目的成就。尤其是经济建设领域,根据国家统计局网站公布数据,“十一五”期间中国GDP 年均实际增长11.2%。但是在经济发展的同时,我们也应该注意到我国是粗放型经济增长方式,尤其是机械制造行业更是高能耗行业,即非可持续发展方式。为此,有必要建立绿色制造系统的能源消耗检测模型,为能源消耗的检测提供理论依据,同时为实现国务院通过的节能减排“十二五”规划——全国能耗降16%的目标提供参考。

针对能耗的分析及其模型的研究,国内外已有很多专家做了大量工作。卡耐基梅隆大学绿色设计研究所依据原材料输入到产品直接环境排放的信息对整个供应链的能源消耗和环境排放进行研究,并提出了EIO-LCA(Economic Input Output-Life Cycle Analysis)方法,文献[1]应用LCA 方法对电子产品整个生命周期中的能耗进行分析评估,但是该方法对能源的回收分析较少。麻省理工大学T. Gutowski 教授在文献[2]中对切削、铸造、电火花加工等工艺过程进行研究,运用热动力学的方法建立了制造系统能量模型,同样对能源的回收分析较少。同济大学王坚教授详细阐述了面向企业能源消耗过程建模方法研究[3]和模糊高级Petri 网模型的定义和运行规则[4],基于高级Petri 网的企业能源消耗过程建模方法的仿真研究[5],但这些方法是在分析整个系统运行状态的基础上,重点考虑能源消耗过程的建模方法,这些方法实现了能耗过程结构和动态行为方面信息的描述,适用于独立企业的能效评估。重庆大学李彩贞针对机械制造企业建立了以投入产出方法为基础的能源消耗模型,取得了一定成果,但该建模方法缺少对时间因素的考虑[6]。哈尔滨工业大学宫运启博士建立了能耗知识的语义模型,提出了基于知识的能耗预测方法[7]。重庆大学刘飞教授以机械加工系统为研究对象,建立了机床加工系统的能量流模型,从单台设备的主传动系统、辅助传动系统及他们的综合角度对其能源消耗进行了建模分析[8],并针对机床主传动系统建立了时段能量模型[9],并研究了其能量效率获取方法[10],等等。这些方法很难实现对现代大型复杂制造系统(CIMS、FMS 及现代绿色集成制造系统等)能源消耗的系统性分析,对于能源的回收、重用分析也有一定的局限性。

针对上述问题,本文依据绿色制造理论知识,以具体制造过程的能量流子系统为研究对象,一方面系统性分析能量流动过程;另一方面考虑能源(一次、二次能源和耗能工质等)的消耗、检测、回收、重用等问题,故采用基于系统理论形式化的建模方法——DEVS(Discrete Event System Specification),结合绿色集成制造系统结构及其能耗的特点和输入输出法,以能量流子系统为主线,提出了基于系统理论形式化的绿色集成制造系统能源消耗模型概念,并建立了独立绿色制造单元能量流子模型。该模型以节能减排为目标,分析了伴随加工过程的能源消耗过程,丰富了我国绿色制造学科在绿色集成制造系统方面的研究。

1 绿色集成制造系统及系统理论形式化建模方法简介

1.1 绿色集成制造系统简介

图1 GIMS 的功能视图

绿色集成制造系统(Green Integrated Manufacturing Systems,GIMS)是一种可持续发展的企业组织、管理和运行的新模式。它综合运用现代制造技术、信息技术、自动化技术、管理技术和环境技术,将企业各项活动中的人、技术、经营管理、物能资源和生态环境,以及信息流、物料流、能量流和资金流有机集成,并实现企业和生态环境整体优化,从而达到产品上市快、质量高、成本低、服务好、环境影响小,使企业赢得竞争,取得良好的经济效益和社会效益[11]。

由于GIMS 的多变性和复杂性,可以从多视角去观察和认识。其中包括功能视图(如图1),可以看出GIMS 由多个功能模块构成,各个模块相互作用保证了整个系统的正常运行;资源视图(如图2)说明了系统运行过程中的信息流、物料流、能量流和资金流相互影响、相互耦合,其中以能量流为例,能量流中又包括能源的供应、消耗、浪费、回收、重用等内容。

从图1 和2 可以看出GIMS 是一个层次化、模块化的系统。本文把GIMS 按照功能分为独立绿色制造单元(Independent Green Manufacturing Cells,IGMC)和耦合绿色制造单元(Coupled Green Manufacturing Cells,CGMC)。其中,IGMC 是指能实现特定加工功能的机械制造单元;CGMC 是指能实现多种加工功能的机械制造单元。本文以IGMC 为对象,主要研究IGMC 模型,将在另外论文中详细介绍CGMC 模型。

图2 主要制造资源在GIMS 的流动过程

1.2 DEVS 原子模型理论简介

基于系统理论形式化的建模方法——DEVS(Discrete Event System Specification),由亚历桑那大学Zeigler 教授等[12-13]1976 年提出。该方法可用于描述离散、连续以及连续和离散事件构成的混合系统,也可用于描述连续过程的离散事件仿真。

DEVS 的模型描述分为两类:DEVS 原子模型(atomic DEVS)和DEVS 耦合模型(coupled DEVS)。原子模型用于描述离散事件系统的自治行为,耦合模型是由多个原子模型或原子模型与耦合模型构成的[14-15]。本文主要介绍DEVS 原子模型,DEVS 耦合模型将在另外论文中详细介绍。

DEVS 原子模型M 可以描述为一个七元组集合结构,如式(1)。

其中:X为输入值集合;Y为输出值集合;S为系统状态集。

ta是时间推进函数;ta(s)表示在没有外部事件到达时状态保持不变的时间,ta(s)= +∞的状态称为静止的,无外部事件到达,系统将一直保持此状态;ta(s)=0 表示系统的瞬时状态,即不消耗时间的即时运算。

δint是内部转移函数;无外部事件到达时,系统经过ta(s)后,系统状态发生变化的函数。

δout是外部转移函数;有外部事件到达时,系统经过状态发生变化的函数。

λ:S→Y是输出函数,输出事件在系统内部状态转移时产生。

2 IGMC 能量流的DEVS 原子模型描述

2.1 IGMC 的IDEF0 模型

本文选取功能完善的IGMC 作为分析对象,以“三流理论”——信息流、物料流和能量流作为主线,结合工件加工过程,建立了IGMC 的IDEF0 模型(如图3)。该模型中反映了工件加工过程中设备运行情况、能源的供应和回收以及“三流”的传递过程。

2.2 能量流模型描述

在IGMC 的IDEF0 模型基础上,选择模型的能量流为研究对象。并且对IGMC 的能量流进行了如下三方面的考虑:①IGMC 中能源消耗分为有用能耗、无用能耗、浪费的能源、回收再利用能源和总能耗;②能量流的分析要注意“三要素”,即能源种类、能源消耗量和对应的时间;③结合投入产出模型法,从宏观和全局角度对制造系统的能耗分析,描述原子模型的变量,完成能量流原子模型的描述。

针对上述分析,本文建立了独立绿色制造单元能量流模型(Energy Model for Independent Green Manufacturing Cells,EAM-IGMC),对EAM-IGMC 做如下描述,如式(2)。

图3 IGMC 的IDEF0 模型

其中,X ={EN,MN,EI(t)}表示输入能源,EN ={en1,en2…enm}是指m种能源及其名字的编号;MN ={mn1,mn2…mnn}是指n台设备及其名字的编号;是指系统能源总输入量,eiij表示第i种能源在第j台设备上的能源输入函数。同理可得输出,Y ={EN,MN,EO(t)}表示输出能源,即回收能源,EO(t)= RE(t)是指n台设备的总回收能源量。

S ={EN,IL(t),UE(t),NE(t),WE(t),TE(t)}表示系统能源状态,从不同能源的角度反映了IMC 的能源流总状态,EN ={en1,en2…enm}是指m种能源及其名字的编号;IL(t)={il1(t),il2(t)…ilm(t)}是指m种能源在t时刻的库存水平;UE(t)=∫ue(t)dt =是指n台设备的总有用 能 耗 量;是指n台设备的总无用能耗量;是指n台设备的浪费总能源量;TE(t)= UE(t)+NE(t)+ WE(t)是指IGMC 的总能耗量。

δint是内部转移函数,在无外部事件到达时,系统经过时间ta(S)后,状态将转移到S→δint(S)。如果系统是静态系统,则内部转移函数为1,即系统内部不发生任何变化;如果系统是动态系统,则内部转移函数可以采用集合、矩阵、函数等形式描述。

δout={ue(t),ne(t),we(t)}表示外部转移函数,描述了从不同设备的角度来分析系统中能源的转化过程。其中(m表示第j台设备消耗的能源种类)是指不同设备消耗的不同种类能源的有用能耗函数;同理可得ne(t)=是指不同设备消耗的不同种类能源的无用能耗函数和是指不同设备能耗的不同种类能源的浪费能源函数。

λ= re(t) 表示输出函数(m表示第i台设备回收的能源种类)是指不同设备回收的不同种类能源量。指时间推进函数;ta(S) 表示在没有外部事件到达时系统状态保持为S的时间。

2.3 设备功率或功率函数的确定

模型中,设备功率及其功率函数的确定,可通过《机械加工工艺师手册》提供的经验公式[16],或者利用三相功率表通过实验法进行测量,或者参考刘飞教授提供的机床功率推导方法[8]等,进行确定。实例中将会利用三相功率表通过实验法对设备不同功率进行测量。

3 实例

某机械制造企业,主要生产汽车传动轴、等速万向节等汽车零配件,其制造部包括机加工、铸造、锻造、热处理及焊接车间等,能耗主要包括电力、天然气、蒸汽等,试分析内球笼外轮加工工艺一天的总能耗。选取一个工作日(三班,每班八小时)生产型号为驱动轴的内球笼外轮加工为分析对象,在制造车间中选取机加工车间为建模对象,该车间主要消耗的能源是电力,单位可取为kW。在车间收集的数据如表1 所示。

表1 BR-3091 内球笼外轮加工工艺

3.1 假设规则

规则一:此模型属于EAM-IGMC,选取一个简单模型为例。

规则二:此模型中有用、无用、浪费能源函数中的功率来源于对历史数据的统计(针对特定材料、特定加工要素、特定转速、特定设备的功率平均值)。

规则三:该模型能源统计单位为电力单位(kW),在此例子中可以假设库存为无穷大(∞),内部转移函数在本例中指的是加工合格产品过程中设备空载运行功率函数,有用能耗指的是与工件生产直接相关的能源消耗(本例中指设备加工合格产品的能耗),无用能耗指的是与生产无直接关系的能源消耗(本例中指辅助设备加工全部产品的能耗),浪费的能源指的是非合格产品在生产设备上的能源消耗,回收能源为回收产品的加工和再加工两个阶段的能耗。

规则四:有用能耗统计过程中,设备运行包括启动、空载、加工三个阶段。由于启动阶段短暂、频率低不易统计,故其能耗计入空载阶段。功率测量采用三相功率表,时间测量采用秒表统计。

规则五:系统初始状态为Sbegin,外部事件到达时的系统状态为Sreach,外部事件处理结束时系统状态为Send。同理可得各加工运行状态的表示。

3.2 操作步骤

IL(t)=∞;内部转移函数用设备空载功率表示,即δint=5.6 ;其次统计外部转移函数:有用能耗函数无用能耗函数浪费的能源消耗函数,回收能源函数λ=(回收产品包括加工和再加工两个阶段,回收函数包括26.2·56 和24.8·56);然后根据不同能源消耗函数,计算出总能耗TE(t)=∫ue(t) dt+∫ne(t) dt +∫we(t) dt,和回收能源RE(t)=∫λ(t) dt;最后统计能源的总输入X =∫δintdt + TE(t)+ RE(t);具体统计过程不再详述,可依据对应的公式得能源统计数据,统计数据如表2 所示。

由上表可得,该模型同理可得步骤4 到步骤9。由表2 可知,模型对能耗数据进行了很好的分类和总结。其中内部转移函数(δint)、外部转移函数(δout包括ue(t)、ne(t)、we(t))、输出函数(λ)将能源的消耗进行了分类,并且反映了不同类能源消耗的函数;在此基础上,X、TE(t)、Y对该制造系统不同加工阶段的能源投入量、能源消耗量、能源回收量进行了总结整理。模型中的变量从不同角度反映了系统的能耗状况。

表2 机加工车间EAM-IGMC 模型描述

4 总结

本文在分析IGMC 结构特点的基础上,利用DEVS建模理论的层次化、模块化和形式化特点,结合投入产出法,建立了ECM-GIMC-ST 的一个子模型EAM-IGMC,实现了对该子模型中能源消耗的系统性分析(包括能源的投入、消耗、回收、重用分析等)。该模型在现有相关研究基础上,不仅在建模分析中考虑了能耗过程的时间因素,而且在数据处理上对能耗数据进行了很好的分类和整理,尤其适合CIMS、FMS 及现代绿色集成制造系统等的能耗分析。通过实例证明在应用上具有很好的扩展性、可重用性。本文的下一步工作就是建立绿色集成制造系统的耦合制造单元(CGMC)能量流模型,以及仿真两种能量流模型。

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