王賢琳，李 飛

(武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院，武漢 430081)

0 引言

自從“十一五”以來，我國在政治建設(shè)、經(jīng)濟建設(shè)、文化建設(shè)方面都取得了舉世矚目的成就。尤其是經(jīng)濟建設(shè)領(lǐng)域，根據(jù)國家統(tǒng)計局網(wǎng)站公布數(shù)據(jù)，“十一五”期間中國GDP 年均實際增長11.2%。但是在經(jīng)濟發(fā)展的同時，我們也應(yīng)該注意到我國是粗放型經(jīng)濟增長方式，尤其是機械制造行業(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)的能源消耗檢測模型，為能源消耗的檢測提供理論依據(jù)，同時為實現(xiàn)國務(wù)院通過的節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃——全國能耗降16%的目標(biāo)提供參考。

針對能耗的分析及其模型的研究，國內(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)境排放的信息對整個供應(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 方法對電子產(chǎn)品整個生命周期中的能耗進(jìn)行分析評估，但是該方法對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］中對切削、鑄造、電火花加工等工藝過程進(jìn)行研究，運用熱動力學(xué)的方法建立了制造系統(tǒng)能量模型，同樣對能源的回收分析較少。同濟大學(xué)王堅教授詳細(xì)闡述了面向企業(yè)能源消耗過程建模方法研究［3］和模糊高級Petri 網(wǎng)模型的定義和運行規(guī)則［4］，基于高級Petri 網(wǎng)的企業(yè)能源消耗過程建模方法的仿真研究［5］，但這些方法是在分析整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，重點考慮能源消耗過程的建模方法，這些方法實現(xiàn)了能耗過程結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為方面信息的描述，適用于獨立企業(yè)的能效評估。重慶大學(xué)李彩貞針對機械制造企業(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時間因素的考慮［6］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)宮運啟博士建立了能耗知識的語義模型，提出了基于知識的能耗預(yù)測方法［7］。重慶大學(xué)劉飛教授以機械加工系統(tǒng)為研究對象，建立了機床加工系統(tǒng)的能量流模型，從單臺設(shè)備的主傳動系統(tǒng)、輔助傳動系統(tǒng)及他們的綜合角度對其能源消耗進(jìn)行了建模分析［8］，并針對機床主傳動系統(tǒng)建立了時段能量模型［9］，并研究了其能量效率獲取方法［10］，等等。這些方法很難實現(xiàn)對現(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，對于能源的回收、重用分析也有一定的局限性。

針對上述問題，本文依據(jù)綠色制造理論知識，以具體制造過程的能量流子系統(tǒng)為研究對象，一方面系統(tǒng)性分析能量流動過程;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、回收、重用等問題，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)，分析了伴隨加工過程的能源消耗過程，豐富了我國綠色制造學(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介

1.1 綠色集成制造系統(tǒng)簡介

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、管理和運行的新模式。它綜合運用現(xiàn)代制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、管理技術(shù)和環(huán)境技術(shù)，將企業(yè)各項活動中的人、技術(shù)、經(jīng)營管理、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集成，并實現(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)贏得競爭，取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益［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。其中包括功能視圖(如圖1)，可以看出GIMS 由多個功能模塊構(gòu)成，各個模塊相互作用保證了整個系統(tǒng)的正常運行;資源視圖(如圖2)說明了系統(tǒng)運行過程中的信息流、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、回收、重用等內(nèi)容。

從圖1 和2 可以看出GIMS 是一個層次化、模塊化的系統(tǒng)。本文把GIMS 按照功能分為獨立綠色制造單元(Independent Green Manufacturing Cells，IGMC)和耦合綠色制造單元(Coupled Green Manufacturing Cells，CGMC)。其中，IGMC 是指能實現(xiàn)特定加工功能的機械制造單元;CGMC 是指能實現(xiàn)多種加工功能的機械制造單元。本文以IGMC 為對象，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 的流動過程

1.2 DEVS 原子模型理論簡介

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)過程的離散事件仿真。

DEVS 的模型描述分為兩類: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是時間推進(jìn)函數(shù);ta(s)表示在沒有外部事件到達(dá)時狀態(tài)保持不變的時間，ta(s)= +∞的狀態(tài)稱為靜止的，無外部事件到達(dá)，系統(tǒng)將一直保持此狀態(tài);ta(s)=0 表示系統(tǒng)的瞬時狀態(tài)，即不消耗時間的即時運算。

δint是內(nèi)部轉(zhuǎn)移函數(shù);無外部事件到達(dá)時，系統(tǒng)經(jīng)過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，系統(tǒng)經(jīng)過狀態(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)合工件加工過程，建立了IGMC 的IDEF0 模型(如圖3)。該模型中反映了工件加工過程中設(shè)備運行情況、能源的供應(yīng)和回收以及“三流”的傳遞過程。

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象。并且對IGMC 的能量流進(jìn)行了如下三方面的考慮:①IGMC 中能源消耗分為有用能耗、無用能耗、浪費的能源、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、能源消耗量和對應(yīng)的時間;③結(jié)合投入產(chǎn)出模型法，從宏觀和全局角度對制造系統(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。

針對上述分析，本文建立了獨立綠色制造單元能量流模型(Energy Model for Independent Green Manufacturing Cells，EAM-IGMC)，對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;MN ={mn1，mn2…mnn}是指n臺設(shè)備及其名字的編號;是指系統(tǒng)能源總輸入量，eiij表示第i種能源在第j臺設(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;IL(t)={il1(t)，il2(t)…ilm(t)}是指m種能源在t時刻的庫存水平;UE(t)=∫ue(t)dt =是指n臺設(shè)備的總有用 能 耗 量;是指n臺設(shè)備的總無用能耗量;是指n臺設(shè)備的浪費總能源量;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)，在無外部事件到達(dá)時，系統(tǒng)經(jīng)過時間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)備的角度來分析系統(tǒng)中能源的轉(zhuǎn)化過程。其中(m表示第j臺設(shè)備消耗的能源種類)是指不同設(shè)備消耗的不同種類能源的有用能耗函數(shù);同理可得ne(t)=是指不同設(shè)備消耗的不同種類能源的無用能耗函數(shù)和是指不同設(shè)備能耗的不同種類能源的浪費能源函數(shù)。

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

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《機械加工工藝師手冊》提供的經(jīng)驗公式［16］，或者利用三相功率表通過實驗法進(jìn)行測量，或者參考劉飛教授提供的機床功率推導(dǎo)方法［8］等，進(jìn)行確定。實例中將會利用三相功率表通過實驗法對設(shè)備不同功率進(jìn)行測量。

3 實例

某機械制造企業(yè)，主要生產(chǎn)汽車傳動軸、等速萬向節(jié)等汽車零配件，其制造部包括機加工、鑄造、鍛造、熱處理及焊接車間等，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。選取一個工作日(三班，每班八小時)生產(chǎn)型號為驅(qū)動軸的內(nèi)球籠外輪加工為分析對象，在制造車間中選取機加工車間為建模對象，該車間主要消耗的能源是電力，單位可取為kW。在車間收集的數(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，選取一個簡單模型為例。

規(guī)則二:此模型中有用、無用、浪費能源函數(shù)中的功率來源于對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(針對特定材料、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)計單位為電力單位(kW)，在此例子中可以假設(shè)庫存為無窮大(∞)，內(nèi)部轉(zhuǎn)移函數(shù)在本例中指的是加工合格產(chǎn)品過程中設(shè)備空載運行功率函數(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)，無用能耗指的是與生產(chǎn)無直接關(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階段的能耗。

規(guī)則四:有用能耗統(tǒng)計過程中，設(shè)備運行包括啟動、空載、加工三個階段。由于啟動階段短暫、頻率低不易統(tǒng)計，故其能耗計入空載階段。功率測量采用三相功率表，時間測量采用秒表統(tǒng)計。

規(guī)則五:系統(tǒng)初始狀態(tài)為Sbegin，外部事件到達(dá)時的系統(tǒng)狀態(tài)為Sreach，外部事件處理結(jié)束時系統(tǒng)狀態(tài)為Send。同理可得各加工運行狀態(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)計外部轉(zhuǎn)移函數(shù):有用能耗函數(shù)無用能耗函數(shù)浪費的能源消耗函數(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)計能源的總輸入X =∫δintdt + TE(t)+ RE(t);具體統(tǒng)計過程不再詳述，可依據(jù)對應(yīng)的公式得能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(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，模型對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的分類和總結(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，并且反映了不同類能源消耗的函數(shù);在此基礎(chǔ)上，X、TE(t)、Y對該制造系統(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 機加工車間EAM-IGMC 模型描述

4 總結(jié)

本文在分析IGMC 結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，利用DEVS建模理論的層次化、模塊化和形式化特點，結(jié)合投入產(chǎn)出法，建立了ECM-GIMC-ST 的一個子模型EAM-IGMC，實現(xiàn)了對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程的時間因素，而且在數(shù)據(jù)處理上對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的分類和整理，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。通過實例證明在應(yīng)用上具有很好的擴展性、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。

［1］T. Gutowski，S. Branham，B. Dahmus，J. Alissa，Alexandre Thiriez，Dusan Sekulic. Thermodynamic Analysis of Resources Used in Manufacturing Processes［J］. Environmental Science and Technology，2009(43):1584 -1590.

［2］L. Q. Deng，C. W. Babbitt，E. D. Williams. Economicbalance hybrid LCA extended with uncertainty analysis:case study of a laptop computer［J］. Journal of Cleaner Production，2011，19 (11):1198 -1206.

［3］馬福民，王堅.面向企業(yè)能效評估的能源消耗過程建模方法研究［J］.高技術(shù)通訊.2008，18(1):47 -53.

［4］馬福民，王堅.面向企業(yè)能源消耗過程的模糊Petri 網(wǎng)模型研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng).2007，13(9):1679-1685.

［5］馬福民，王堅.支持企業(yè)能效評估的能源消耗過程仿真方法［J］. 計算機集成制造系統(tǒng).2008，14(12):2361 -2368.

［6］LI Caizhen，LIU Fei，LI Congbo et al. Analysis Model for Energy Consumption in Manufacturing Enterprises Based on Input-output Theory and Its Applications［J］. Applied Mechanics and Materials Vols，2009，16(19):1058 -1063.

［7］宮運啟，呂民，王剛，等.基于知識的產(chǎn)品制造過程能耗的計算與預(yù)測［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2009，37(2):14 -19.

［8］劉飛.機械加工系統(tǒng)能量特性及其應(yīng)用［M］.1 版.北京:機械工業(yè)出版社，1995.

［9］劉飛，劉霜.機床服役過程機電主傳動系統(tǒng)的時段能量模型［J］. 機械工程學(xué)報. 2012，48

(21):132 -140.

［10］劉霜，劉飛，王秋蓮.機床機電主傳動系統(tǒng)服役過程能量效率獲取方法［J］. 機械工程學(xué)報.2012，48(23):111 -117.

［11］劉飛，曹華軍，張華，等. 綠色制造的理論與技術(shù)［M］.1 版.北京:科學(xué)出版社，2005.

［12］Bernard P. Zeigler，H Praehofer，et al. Theory of Modeling and Simulation［M］. 2nd Edition，Academic Press，New York，2000.

［13］Fahad A. Shiginah，Bernard P. Zeigler. A new cell space DEVS specification:Reviewing the parallel DEVS formalism seeking fast cell space simulations［J］. 2011，19(5):1267 -1279.

［14］邱曉剛，段偉.DEVS 研究進(jìn)展及其對建模與仿真學(xué)科建立的作用［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，21(21):6697-6709.

［15］唐俊，張明清，劉建峰. 離散事件系統(tǒng)規(guī)范DEVS 研究［J］.計算機仿真.2004，21(6):62 -64.

［16］楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.2 版. 北京:機械工業(yè)出版社，2011.