基于系統(tǒng)理論形式化的綠色集成制造系統(tǒng)能源消耗模型*

王賢琳，李 飛

(武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430081)

0 引言

自從“十一五”以來(lái)，我國(guó)在政治建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、文化建設(shè)方面都取得了舉世矚目的成就。尤其是經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站公布數(shù)據(jù)，“十一五”期間中國(guó)GDP 年均實(shí)際增長(zhǎng)11.2%。但是在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，我們也應(yīng)該注意到我國(guó)是粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，尤其是機(jī)械制造行業(yè)更是高能耗行業(yè)，即非可持續(xù)發(fā)展方式。為此，有必要建立綠色制造系統(tǒng)的能源消耗檢測(cè)模型，為能源消耗的檢測(cè)提供理論依據(jù)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)國(guó)務(wù)院通過(guò)的節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃——全國(guó)能耗降16%的目標(biāo)提供參考。

針對(duì)能耗的分析及其模型的研究，國(guó)內(nèi)外已有很多專家做了大量工作?？突仿〈髮W(xué)綠色設(shè)計(jì)研究所依據(jù)原材料輸入到產(chǎn)品直接環(huán)境排放的信息對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈的能源消耗和環(huán)境排放進(jìn)行研究，并提出了EIO-LCA(Economic Input Output-Life Cycle Analysis)方法，文獻(xiàn)［1］應(yīng)用LCA 方法對(duì)電子產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的能耗進(jìn)行分析評(píng)估，但是該方法對(duì)能源的回收分析較少。麻省理工大學(xué)T. Gutowski 教授在文獻(xiàn)［2］中對(duì)切削、鑄造、電火花加工等工藝過(guò)程進(jìn)行研究，運(yùn)用熱動(dòng)力學(xué)的方法建立了制造系統(tǒng)能量模型，同樣對(duì)能源的回收分析較少。同濟(jì)大學(xué)王堅(jiān)教授詳細(xì)闡述了面向企業(yè)能源消耗過(guò)程建模方法研究［3］和模糊高級(jí)Petri 網(wǎng)模型的定義和運(yùn)行規(guī)則［4］，基于高級(jí)Petri 網(wǎng)的企業(yè)能源消耗過(guò)程建模方法的仿真研究［5］，但這些方法是在分析整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮能源消耗過(guò)程的建模方法，這些方法實(shí)現(xiàn)了能耗過(guò)程結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為方面信息的描述，適用于獨(dú)立企業(yè)的能效評(píng)估。重慶大學(xué)李彩貞針對(duì)機(jī)械制造企業(yè)建立了以投入產(chǎn)出方法為基礎(chǔ)的能源消耗模型，取得了一定成果，但該建模方法缺少對(duì)時(shí)間因素的考慮［6］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)宮運(yùn)啟博士建立了能耗知識(shí)的語(yǔ)義模型，提出了基于知識(shí)的能耗預(yù)測(cè)方法［7］。重慶大學(xué)劉飛教授以機(jī)械加工系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了機(jī)床加工系統(tǒng)的能量流模型，從單臺(tái)設(shè)備的主傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助傳動(dòng)系統(tǒng)及他們的綜合角度對(duì)其能源消耗進(jìn)行了建模分析［8］，并針對(duì)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)建立了時(shí)段能量模型［9］，并研究了其能量效率獲取方法［10］，等等。這些方法很難實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代大型復(fù)雜制造系統(tǒng)(CIMS、FMS 及現(xiàn)代綠色集成制造系統(tǒng)等)能源消耗的系統(tǒng)性分析，對(duì)于能源的回收、重用分析也有一定的局限性。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文依據(jù)綠色制造理論知識(shí)，以具體制造過(guò)程的能量流子系統(tǒng)為研究對(duì)象，一方面系統(tǒng)性分析能量流動(dòng)過(guò)程;另一方面考慮能源(一次、二次能源和耗能工質(zhì)等)的消耗、檢測(cè)、回收、重用等問(wèn)題，故采用基于系統(tǒng)理論形式化的建模方法——DEVS(Discrete Event System Specification)，結(jié)合綠色集成制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其能耗的特點(diǎn)和輸入輸出法，以能量流子系統(tǒng)為主線，提出了基于系統(tǒng)理論形式化的綠色集成制造系統(tǒng)能源消耗模型概念，并建立了獨(dú)立綠色制造單元能量流子模型。該模型以節(jié)能減排為目標(biāo)，分析了伴隨加工過(guò)程的能源消耗過(guò)程，豐富了我國(guó)綠色制造學(xué)科在綠色集成制造系統(tǒng)方面的研究。

1 綠色集成制造系統(tǒng)及系統(tǒng)理論形式化建模方法簡(jiǎn)介

1.1 綠色集成制造系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 GIMS 的功能視圖

綠色集成制造系統(tǒng)(Green Integrated Manufacturing Systems，GIMS)是一種可持續(xù)發(fā)展的企業(yè)組織、管理和運(yùn)行的新模式。它綜合運(yùn)用現(xiàn)代制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、管理技術(shù)和環(huán)境技術(shù)，將企業(yè)各項(xiàng)活動(dòng)中的人、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理、物能資源和生態(tài)環(huán)境，以及信息流、物料流、能量流和資金流有機(jī)集成，并實(shí)現(xiàn)企業(yè)和生態(tài)環(huán)境整體優(yōu)化，從而達(dá)到產(chǎn)品上市快、質(zhì)量高、成本低、服務(wù)好、環(huán)境影響小，使企業(yè)贏得競(jìng)爭(zhēng)，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［11］。

由于GIMS 的多變性和復(fù)雜性，可以從多視角去觀察和認(rèn)識(shí)。其中包括功能視圖(如圖1)，可以看出GIMS 由多個(gè)功能模塊構(gòu)成，各個(gè)模塊相互作用保證了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行;資源視圖(如圖2)說(shuō)明了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的信息流、物料流、能量流和資金流相互影響、相互耦合，其中以能量流為例，能量流中又包括能源的供應(yīng)、消耗、浪費(fèi)、回收、重用等內(nèi)容。

從圖1 和2 可以看出GIMS 是一個(gè)層次化、模塊化的系統(tǒng)。本文把GIMS 按照功能分為獨(dú)立綠色制造單元(Independent Green Manufacturing Cells，IGMC)和耦合綠色制造單元(Coupled Green Manufacturing Cells，CGMC)。其中，IGMC 是指能實(shí)現(xiàn)特定加工功能的機(jī)械制造單元;CGMC 是指能實(shí)現(xiàn)多種加工功能的機(jī)械制造單元。本文以IGMC 為對(duì)象，主要研究IGMC 模型，將在另外論文中詳細(xì)介紹CGMC 模型。

圖2 主要制造資源在GIMS 的流動(dòng)過(guò)程

1.2 DEVS 原子模型理論簡(jiǎn)介

基于系統(tǒng)理論形式化的建模方法——DEVS(Discrete Event System Specification)，由亞歷桑那大學(xué)Zeigler 教授等［12-13］1976 年提出。該方法可用于描述離散、連續(xù)以及連續(xù)和離散事件構(gòu)成的混合系統(tǒng)，也可用于描述連續(xù)過(guò)程的離散事件仿真。

DEVS 的模型描述分為兩類(lèi):DEVS 原子模型(atomic DEVS)和DEVS 耦合模型(coupled DEVS)。原子模型用于描述離散事件系統(tǒng)的自治行為，耦合模型是由多個(gè)原子模型或原子模型與耦合模型構(gòu)成的［14-15］。本文主要介紹DEVS 原子模型，DEVS 耦合模型將在另外論文中詳細(xì)介紹。

DEVS 原子模型M 可以描述為一個(gè)七元組集合結(jié)構(gòu)，如式(1)。

其中:X為輸入值集合;Y為輸出值集合;S為系統(tǒng)狀態(tài)集。

ta是時(shí)間推進(jìn)函數(shù);ta(s)表示在沒(méi)有外部事件到達(dá)時(shí)狀態(tài)保持不變的時(shí)間，ta(s)= +∞的狀態(tài)稱為靜止的，無(wú)外部事件到達(dá)，系統(tǒng)將一直保持此狀態(tài);ta(s)=0 表示系統(tǒng)的瞬時(shí)狀態(tài)，即不消耗時(shí)間的即時(shí)運(yùn)算。

δint是內(nèi)部轉(zhuǎn)移函數(shù);無(wú)外部事件到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)ta(s)后，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的函數(shù)。

δout是外部轉(zhuǎn)移函數(shù);有外部事件到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)狀態(tài)發(fā)生變化的函數(shù)。

λ:S→Y是輸出函數(shù)，輸出事件在系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生。

2 IGMC 能量流的DEVS 原子模型描述

2.1 IGMC 的IDEF0 模型

本文選取功能完善的IGMC 作為分析對(duì)象，以“三流理論”——信息流、物料流和能量流作為主線，結(jié)合工件加工過(guò)程，建立了IGMC 的IDEF0 模型(如圖3)。該模型中反映了工件加工過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行情況、能源的供應(yīng)和回收以及“三流”的傳遞過(guò)程。

2.2 能量流模型描述

在IGMC 的IDEF0 模型基礎(chǔ)上，選擇模型的能量流為研究對(duì)象。并且對(duì)IGMC 的能量流進(jìn)行了如下三方面的考慮:①I(mǎi)GMC 中能源消耗分為有用能耗、無(wú)用能耗、浪費(fèi)的能源、回收再利用能源和總能耗;②能量流的分析要注意“三要素”，即能源種類(lèi)、能源消耗量和對(duì)應(yīng)的時(shí)間;③結(jié)合投入產(chǎn)出模型法，從宏觀和全局角度對(duì)制造系統(tǒng)的能耗分析，描述原子模型的變量，完成能量流原子模型的描述。

針對(duì)上述分析，本文建立了獨(dú)立綠色制造單元能量流模型(Energy Model for Independent Green Manufacturing Cells，EAM-IGMC)，對(duì)EAM-IGMC 做如下描述，如式(2)。

圖3 IGMC 的IDEF0 模型

其中，X ={EN，MN，EI(t)}表示輸入能源，EN ={en1，en2…enm}是指m種能源及其名字的編號(hào);MN ={mn1，mn2…mnn}是指n臺(tái)設(shè)備及其名字的編號(hào);是指系統(tǒng)能源總輸入量，eiij表示第i種能源在第j臺(tái)設(shè)備上的能源輸入函數(shù)。同理可得輸出，Y ={EN，MN，EO(t)}表示輸出能源，即回收能源，EO(t)= RE(t)是指n臺(tái)設(shè)備的總回收能源量。

S ={EN，IL(t)，UE(t)，NE(t)，WE(t)，TE(t)}表示系統(tǒng)能源狀態(tài)，從不同能源的角度反映了IMC 的能源流總狀態(tài)，EN ={en1，en2…enm}是指m種能源及其名字的編號(hào);IL(t)={il1(t)，il2(t)…ilm(t)}是指m種能源在t時(shí)刻的庫(kù)存水平;UE(t)=∫ue(t)dt =是指n臺(tái)設(shè)備的總有用 能 耗 量;是指n臺(tái)設(shè)備的總無(wú)用能耗量;是指n臺(tái)設(shè)備的浪費(fèi)總能源量;TE(t)= UE(t)+NE(t)+ WE(t)是指IGMC 的總能耗量。

δint是內(nèi)部轉(zhuǎn)移函數(shù)，在無(wú)外部事件到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)時(shí)間ta(S)后，狀態(tài)將轉(zhuǎn)移到S→δint(S)。如果系統(tǒng)是靜態(tài)系統(tǒng)，則內(nèi)部轉(zhuǎn)移函數(shù)為1，即系統(tǒng)內(nèi)部不發(fā)生任何變化;如果系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，則內(nèi)部轉(zhuǎn)移函數(shù)可以采用集合、矩陣、函數(shù)等形式描述。

δout={ue(t)，ne(t)，we(t)}表示外部轉(zhuǎn)移函數(shù)，描述了從不同設(shè)備的角度來(lái)分析系統(tǒng)中能源的轉(zhuǎn)化過(guò)程。其中(m表示第j臺(tái)設(shè)備消耗的能源種類(lèi))是指不同設(shè)備消耗的不同種類(lèi)能源的有用能耗函數(shù);同理可得ne(t)=是指不同設(shè)備消耗的不同種類(lèi)能源的無(wú)用能耗函數(shù)和是指不同設(shè)備能耗的不同種類(lèi)能源的浪費(fèi)能源函數(shù)。

λ= re(t) 表示輸出函數(shù)(m表示第i臺(tái)設(shè)備回收的能源種類(lèi))是指不同設(shè)備回收的不同種類(lèi)能源量。指時(shí)間推進(jìn)函數(shù);ta(S) 表示在沒(méi)有外部事件到達(dá)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)保持為S的時(shí)間。

2.3 設(shè)備功率或功率函數(shù)的確定

模型中，設(shè)備功率及其功率函數(shù)的確定，可通過(guò)《機(jī)械加工工藝師手冊(cè)》提供的經(jīng)驗(yàn)公式［16］，或者利用三相功率表通過(guò)實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)量，或者參考劉飛教授提供的機(jī)床功率推導(dǎo)方法［8］等，進(jìn)行確定。實(shí)例中將會(huì)利用三相功率表通過(guò)實(shí)驗(yàn)法對(duì)設(shè)備不同功率進(jìn)行測(cè)量。

3 實(shí)例

某機(jī)械制造企業(yè)，主要生產(chǎn)汽車(chē)傳動(dòng)軸、等速萬(wàn)向節(jié)等汽車(chē)零配件，其制造部包括機(jī)加工、鑄造、鍛造、熱處理及焊接車(chē)間等，能耗主要包括電力、天然氣、蒸汽等，試分析內(nèi)球籠外輪加工工藝一天的總能耗。選取一個(gè)工作日(三班，每班八小時(shí))生產(chǎn)型號(hào)為驅(qū)動(dòng)軸的內(nèi)球籠外輪加工為分析對(duì)象，在制造車(chē)間中選取機(jī)加工車(chē)間為建模對(duì)象，該車(chē)間主要消耗的能源是電力，單位可取為kW。在車(chē)間收集的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 BR-3091 內(nèi)球籠外輪加工工藝

3.1 假設(shè)規(guī)則

規(guī)則一:此模型屬于EAM-IGMC，選取一個(gè)簡(jiǎn)單模型為例。

規(guī)則二:此模型中有用、無(wú)用、浪費(fèi)能源函數(shù)中的功率來(lái)源于對(duì)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)(針對(duì)特定材料、特定加工要素、特定轉(zhuǎn)速、特定設(shè)備的功率平均值)。

規(guī)則三:該模型能源統(tǒng)計(jì)單位為電力單位(kW)，在此例子中可以假設(shè)庫(kù)存為無(wú)窮大(∞)，內(nèi)部轉(zhuǎn)移函數(shù)在本例中指的是加工合格產(chǎn)品過(guò)程中設(shè)備空載運(yùn)行功率函數(shù)，有用能耗指的是與工件生產(chǎn)直接相關(guān)的能源消耗(本例中指設(shè)備加工合格產(chǎn)品的能耗)，無(wú)用能耗指的是與生產(chǎn)無(wú)直接關(guān)系的能源消耗(本例中指輔助設(shè)備加工全部產(chǎn)品的能耗)，浪費(fèi)的能源指的是非合格產(chǎn)品在生產(chǎn)設(shè)備上的能源消耗，回收能源為回收產(chǎn)品的加工和再加工兩個(gè)階段的能耗。

規(guī)則四:有用能耗統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，設(shè)備運(yùn)行包括啟動(dòng)、空載、加工三個(gè)階段。由于啟動(dòng)階段短暫、頻率低不易統(tǒng)計(jì)，故其能耗計(jì)入空載階段。功率測(cè)量采用三相功率表，時(shí)間測(cè)量采用秒表統(tǒng)計(jì)。

規(guī)則五:系統(tǒng)初始狀態(tài)為Sbegin，外部事件到達(dá)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)為Sreach，外部事件處理結(jié)束時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)為Send。同理可得各加工運(yùn)行狀態(tài)的表示。

3.2 操作步驟

IL(t)=∞;內(nèi)部轉(zhuǎn)移函數(shù)用設(shè)備空載功率表示，即δint=5.6 ;其次統(tǒng)計(jì)外部轉(zhuǎn)移函數(shù):有用能耗函數(shù)無(wú)用能耗函數(shù)浪費(fèi)的能源消耗函數(shù)，回收能源函數(shù)λ=(回收產(chǎn)品包括加工和再加工兩個(gè)階段，回收函數(shù)包括26.2·56 和24.8·56);然后根據(jù)不同能源消耗函數(shù)，計(jì)算出總能耗TE(t)=∫ue(t) dt+∫ne(t) dt +∫we(t) dt，和回收能源RE(t)=∫λ(t) dt;最后統(tǒng)計(jì)能源的總輸入X =∫δintdt + TE(t)+ RE(t);具體統(tǒng)計(jì)過(guò)程不再詳述，可依據(jù)對(duì)應(yīng)的公式得能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2 所示。

由上表可得，該模型同理可得步驟4 到步驟9。由表2 可知，模型對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的分類(lèi)和總結(jié)。其中內(nèi)部轉(zhuǎn)移函數(shù)(δint)、外部轉(zhuǎn)移函數(shù)(δout包括ue(t)、ne(t)、we(t))、輸出函數(shù)(λ)將能源的消耗進(jìn)行了分類(lèi)，并且反映了不同類(lèi)能源消耗的函數(shù);在此基礎(chǔ)上，X、TE(t)、Y對(duì)該制造系統(tǒng)不同加工階段的能源投入量、能源消耗量、能源回收量進(jìn)行了總結(jié)整理。模型中的變量從不同角度反映了系統(tǒng)的能耗狀況。

表2 機(jī)加工車(chē)間EAM-IGMC 模型描述

4 總結(jié)

本文在分析IGMC 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用DEVS建模理論的層次化、模塊化和形式化特點(diǎn)，結(jié)合投入產(chǎn)出法，建立了ECM-GIMC-ST 的一個(gè)子模型EAM-IGMC，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該子模型中能源消耗的系統(tǒng)性分析(包括能源的投入、消耗、回收、重用分析等)。該模型在現(xiàn)有相關(guān)研究基礎(chǔ)上，不僅在建模分析中考慮了能耗過(guò)程的時(shí)間因素，而且在數(shù)據(jù)處理上對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的分類(lèi)和整理，尤其適合CIMS、FMS 及現(xiàn)代綠色集成制造系統(tǒng)等的能耗分析。通過(guò)實(shí)例證明在應(yīng)用上具有很好的擴(kuò)展性、可重用性。本文的下一步工作就是建立綠色集成制造系統(tǒng)的耦合制造單元(CGMC)能量流模型，以及仿真兩種能量流模型。

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