面向节能的冲压车间调度优化方法

牟健慧

（烟台大学机电汽车工程学院，山东烟台 264000）

0 引言

目前，世界各国非常重视工业节能技术的发展，其原因有两大方面：首先，地球资源不断被开发、利用，在不久的未来势必枯竭；其次，现代生活对能源需求快速增长，二氧化碳排放量远超预期，环境问题愈发严峻。广泛应用节能技术可有效保护环境，面向节能的冲压车间调度方法研究有其建设性意义。

1 建立模型

冲压车间的调度问题在生产过程中一直没有解决。不同的冲压件在冲压机上交替生产，以每道工序的工时、能耗、每批次的换模时间和工艺流程、以起始时间换算完工时间和最小能耗，这需要简化研究过程，以适当假设来建立研究模型，在此列举假设条件[1]。

（1）冲压车间测试冲压工序时，至少要有一台可以选择的测试冲压机，并且测试采用的冲压件工序要求只用一台冲压机，这点在研究过程中非常必要。如果不能保证这一测试条件，研究会受到阻碍，轻则滞缓研究过程，重则产生数据失误，无法得到准确的研究结果。

（2）冲压机在研究过程当中有举足轻重的地位，冲压车间要保证冲压机在安排生产之前是随时可调用的。

（3）研究过程中，保证所有的冲压件在零时刻时，都可加工操作，且加工过程唯一且统一。加工过程不能被打断[2]。

（4）在研究开始时，所有冲压件的加工工艺已经确定，所有待加工件没有固定的投产顺序，但每个冲压件有确定的先后工序排序。

（5）需要保证每台冲压机的工作转速恒定，且在同一时刻，只能加工某一个冲压件的一道工序[3]。

1.1 冲压车间的能耗分析

冲压机工作过程包含三种状态：首先是启动状态，其次就是加工状态，最后是常见的空载状态。加工过程分5 个阶段，不同阶段的能源消耗有一定差异，这5 个阶段是：快下，慢下，压制，快回和慢回[4]。每次冲压机完成换模操作后，都要重新启动，这一过程中的能源消耗，可以定义为换模操作的能耗。另外，上下料的工作阶段中，冲压机虽然不进行任何操作，但是这一过程同样消耗能源，可以将其定义为冲压机的空载能耗。除以上几种能量消耗外，冲压机中需要一定的运输设备，完成冲压件转移操作，这一操作也会消耗能量，可以称其为运输能耗。

不同冲压车间工厂生产线的自动化程度不同，有些工厂由于自身的经济发展水平有限，仍选用传统的人工作业方式，也就是由人力组成生产线。但是，一些经济发展水平高的工厂，在实际产线中采用机械手上下料，本文不对这一能量消耗进行研究和探讨。

因此，实际工作过程的能量消耗主要包含以下几种：换模调整能耗、冲压加工能耗、闲置能耗以及运输能耗和冲压车间总能耗。

1.2 目标函数的建立

优化冲压车间调度工作的目的是尽力缩短加工工时，同时将车间的总能耗降至最低。因此，开展研究前先要建立目标函数，这能节省很多后续时间，对于后续工作有非常大的裨益。在建立目标函数的过程中，需要注重以下4 个限制条件。

（1）冲压机必须要在前一批加工已完成的情况之下，才能进行下一批的加工工作，避免其他因素对研究过程造成不利的影响。

（2）进行加工的冲压件必须满足工序的前后顺序，必须在冲压件达到之后再进行加工。

（3）在实际加工过程中，工件的完工时间十分重要，冲压车间要进行控制工作，使工件的完工时间不迟于工件的交货时间。

（4）冲压机直接关系着工件的加工质量，想要得到质量优秀的工件，同一时刻只加工一个冲压件，并且只进行一道工序。

1.3 优化结果分析

在对求解模型方程的过程中，为使得到的结果是准确、可被参考的，相关工作人员可以利用MATLAB 编程进行求解，参照相关标准设定参数。

其中一些数据如果还没有准确数值，例如完工时间和总能耗，这两种数据需要单独计算，在计算的过程中，工作人员要根据企业的实际生产情况进行设定。另外，在选择最优方案时，要考虑运输能耗，这能帮助决策者选择出最优且更节能的调度方案。

2 面向节能的冲压车间调度优化方法

在实际的研究分析过程中，将冲压车间的生产特性作为重要的研究内容。面对冲压车间节能要求的限定时，要准确设定优化后的两个目标，首先大幅降低必要工时，其次是追求最小的车间总能耗。相关的冲压车间企业，要根据自身的实际情况以及冲压车间的生产特性，制定自身的优化目标，在后续的研究过程中采用遗传模拟退火算法对建立的数学模型进行求解，以得到最优的调度方案。

经过计算并得到最优调度方案后，要与优化方案中的优化结果进行比对，在进行实际调查后就能发现，当结果中的完工时间增加的幅度不是非常大的时候，冲压车间的总能耗已经得到有效改善。从中得知，我们建立的数学模型中，其实没有考虑运输能耗，虽然每一次的运输能耗并不大，但多次运输的能耗总和也是比较大的，需要在优化的过程中一并考虑。

在实际的工作中，诸多因素都可能影响冲压车间的工作，相关人员要调查不确定事件对节能调度的影响，其中的不确定事件包含比较多，例如设备的故障、新旧订单的变化等，经过这一操作之后，决策者就能够选择出更加节能、优秀的方案。

3 结语

综上所述，目前为止的面向节能的冲压车间调度的优化方式，还有很大的进步空间，需要相关人员不断在后续工作中优化和完善。