聞 帆，何院生，閆紀(jì)紅

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;

2．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間控制與慣性技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

我國“十二五”期間節(jié)能目標(biāo)為單位GDP 能耗下降16%，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源6．7 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤［1］，節(jié)能形勢非常嚴(yán)峻。隨著全球能源問題的日益突出，面向節(jié)能的柔性制造系統(tǒng)(FMS)逐漸成為了當(dāng)今先進(jìn)制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。尋求降低制造企業(yè)的能源消耗，即提高生產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率的呼聲越來越高，因此進(jìn)行面向節(jié)能的柔性制造系統(tǒng)仿真及優(yōu)化研究就顯得尤為迫切。

本文以一個(gè)實(shí)際的柔性制造系統(tǒng)為參考背景，對柔性制造系統(tǒng)中的設(shè)備能耗進(jìn)行了建模，完成了基于LabVIEW 的考慮設(shè)備能耗的柔性制造系統(tǒng)的仿真開發(fā)，并通過平衡生產(chǎn)線的節(jié)拍以及運(yùn)用遺傳智能算法優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度等兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)了對柔性制造系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化，從而可以進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行合理的節(jié)能生產(chǎn)。

1 面向節(jié)能的FMS 仿真模型開發(fā)

1．1 柔性制造系統(tǒng)概況

本文選取的柔性制造系統(tǒng)由數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)等組成［2］，主要包括四臺(tái)數(shù)控機(jī)床和一條柔性裝配線。該系統(tǒng)以多品種小批量流水加工車間為例，主要解決流水車間的生產(chǎn)作業(yè)的調(diào)度問題，主要的任務(wù)是把加工的零件進(jìn)行排序，確定工件加工的先后順序。

1．2 FMS 設(shè)備能耗建模

本文的FMS 系統(tǒng)設(shè)備能耗是指在柔性制造系統(tǒng)運(yùn)行過程中各設(shè)備所消耗的電能的總和。通過對相關(guān)文獻(xiàn)的查閱［3－4］和總結(jié)，本文提出了一種簡易的FMS 系統(tǒng)能耗模型用來表達(dá)FMS 系統(tǒng)的設(shè)備能耗變化情況。

通過對數(shù)控銑床進(jìn)行加工時(shí)的實(shí)際功率變化曲線的研究，定義其能耗主要有:加工能耗、等待能耗、峰值能耗和輔助能耗，如圖1 所示。

圖1 數(shù)控銑床運(yùn)行能耗分析結(jié)果圖

加工能耗(Machining Energy，簡稱ME)是指在機(jī)床上用于工件加工所消耗的能量，加工過程中所必須進(jìn)行的空轉(zhuǎn)能耗也包含在內(nèi)。等待能耗(Waiting Energy，簡稱WE)是指機(jī)床運(yùn)行過程中由于上一工件已經(jīng)加工完成但下一工件尚未達(dá)到而呈現(xiàn)待機(jī)狀態(tài)所消耗的能量。峰值能耗(Peak Energy，簡稱PE)是指機(jī)床在運(yùn)行過程中其狀態(tài)發(fā)生突然改變所引起的功率大幅度變化所產(chǎn)生的能耗，如機(jī)床啟動(dòng)、停止能耗等。因其持續(xù)時(shí)間一般很短，故雖然功率比較大，但所消耗的能量仍是比較小。輔助能耗(Assisting Energy，簡稱AE)是指機(jī)床為完成工件加工除以上三種能耗之外其他能耗，主要是機(jī)床在運(yùn)行期間照明、數(shù)控機(jī)床電子控制面板等的能耗。

數(shù)控銑床加工中心的總能耗計(jì)算公式為

式中 UMEij——表示第i 個(gè)工件在第j 個(gè)機(jī)床上的單位時(shí)間加工能耗;

UMEj、UAEj、PEj——分別表示第j 個(gè)機(jī)床的單位等待能耗、單位輔助能耗、峰值能耗;

WTj、CTj——分別表示第j 個(gè)機(jī)床總的等待時(shí)間、總運(yùn)行時(shí)間;

Tij——表示第i 個(gè)工件在第j 個(gè)機(jī)床上的加工時(shí)間;

n——表示工件數(shù);

m——表示數(shù)控機(jī)床數(shù)。

柔性線裝配能耗(Flexible Assembling Energy，簡稱FAE)主要是指在完成工件裝配期間裝配線上各工位所消耗的能量，包括傳送帶、電子看板和工位照明等消耗的能量。與完工時(shí)間成正比。其計(jì)算公式為

式中 UFAE——表示FMS 系統(tǒng)柔性裝配線單位時(shí)

間的能耗;

FT——表示柔性裝配線完成所有產(chǎn)品裝配總的完成時(shí)間。

其他設(shè)備的能源消耗還有計(jì)算機(jī)能耗、分揀機(jī)能耗、運(yùn)輸能耗(包括AGV 和輸送機(jī))、碼垛機(jī)能耗、機(jī)械手能耗以及公共能耗等六類能耗。為簡化計(jì)算，可假定這六類能耗與完成的產(chǎn)品(從分揀到最終出庫整個(gè)運(yùn)作周期)的數(shù)量成正比，總記為聯(lián)合能耗UE(Union Energy)，故本文暫不將其列入節(jié)能考慮范疇。

綜上可知FMS 系統(tǒng)設(shè)備總能耗(SumFMS)是數(shù)控加工中心能耗(SumCNC)、柔性裝配線能耗(FAE)及聯(lián)合能耗(UE)之和，其計(jì)算公式為

SumFMS=SumCNC+FAE+UE

在之后面向節(jié)能的FMS 系統(tǒng)優(yōu)化方面措施有二:(1)柔性線裝配線能耗可以通過平衡生產(chǎn)線合理制定生產(chǎn)節(jié)拍以降低最大完成時(shí)間達(dá)到降低該部分設(shè)備能耗的目的;

(2)可以通過調(diào)整四臺(tái)數(shù)控加工中心的生產(chǎn)調(diào)度順序以達(dá)到優(yōu)化該部分設(shè)備能耗的目的。

1．3 面向節(jié)能的FMS 仿真模型開發(fā)

運(yùn)用LabVIEW 對FMS 系統(tǒng)建模仿真［5］:(1)設(shè)計(jì)可視化界面

將該仿真系統(tǒng)劃分為八個(gè)模塊:指令框模塊和分揀機(jī)模塊、下訂單模塊、數(shù)控加工模塊、柔性裝配線模塊、質(zhì)檢模塊、入庫模塊和出庫模塊。

(2)建立設(shè)備模型

依據(jù)設(shè)備的基本工作流程和模式，結(jié)合Lab-VIEW 的各個(gè)控件的特點(diǎn)，建立一個(gè)能夠顯示出設(shè)備工作情況及邏輯的模型，用來代表FMS 系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備。

(3)建立設(shè)備之間的連接

在工序與工序、設(shè)備與設(shè)備之間，通過對加工工藝分析，建立設(shè)備之間連接的邏輯關(guān)系。本文通過添加Buffer(工位緩存區(qū))實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的相互連接，從而實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的連通。

(4)設(shè)定相關(guān)參數(shù)并運(yùn)行程序

設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，以合理的表達(dá)加工單元和柔性裝配線等單元的生產(chǎn)制造過程，并通過延時(shí)控件的延時(shí)時(shí)間參數(shù)設(shè)定，調(diào)節(jié)仿真運(yùn)行的時(shí)間和速率。

2 面向節(jié)能的柔性生產(chǎn)線平衡

2．1 柔性裝配線生產(chǎn)問題

平衡生產(chǎn)線即是對生產(chǎn)的全部工序進(jìn)行平均化，調(diào)整作業(yè)負(fù)荷，以使各作業(yè)時(shí)間盡可能相近的技術(shù)手段與方法。本FMS 柔性裝配線可以完成WPA/WPO 兩種減速器的裝配生產(chǎn)任務(wù)，現(xiàn)僅對WPA 減速器(以裝配10 個(gè)為例)進(jìn)行生產(chǎn)線的平衡，其組裝工藝流程及加工時(shí)間具體見表1，WPO同此理。

表1 WPA 組裝工藝流程及加工時(shí)間

設(shè)定柔性裝配線每個(gè)工位的單位時(shí)間能耗為UFAE= 0． 2 kJ/s。將工序8 拆分為時(shí)間分別是20 s、17 s 的兩個(gè)工序，將工序9 拆分為時(shí)間分別是40 s、60 s 的兩個(gè)工序，并且設(shè)定WPA 的生產(chǎn)節(jié)拍為c=60 s/unit。則最小工作站數(shù)

故S 應(yīng)取5。調(diào)整后的WPA 共設(shè)有5 個(gè)工作站，合并相鄰工序，使總時(shí)間接近但又不大于60 s即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的平衡。

2．2 生產(chǎn)線平衡結(jié)果與節(jié)能分析

裝配n 個(gè)WPA 減速器所需時(shí)間T、裝配線效率η 和柔性線設(shè)備能耗FAE 的計(jì)算公式如下

對WPA 減速器進(jìn)行生產(chǎn)線平衡前后的T、η 和FAE 進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果整理如表2 所示。

表2 柔性裝配線生產(chǎn)平衡前后對比分析

3 面向節(jié)能的優(yōu)化調(diào)度

考慮FMS 設(shè)備能耗的調(diào)度問題是求n 個(gè)工件的最優(yōu)加工順序，使相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)化。我們的調(diào)度問題為:有6 個(gè)工件的4 道工序在4 臺(tái)數(shù)控機(jī)床依次進(jìn)行加工。

在本文案例中使用遺傳算法［6］設(shè)置的一些參數(shù)如下。種群規(guī)模取10，隨機(jī)產(chǎn)生初始化種群，進(jìn)化代數(shù)取200 代，交叉率取0．8，并采用順序交叉方法，變異率取0．02，選擇采取精英保留和輪盤賭混合策略?？傻迷O(shè)備能耗最小的目標(biāo)函數(shù)隨迭代次數(shù)的變化曲線和生產(chǎn)任務(wù)甘特圖如圖2 所示。

由于該FMS 系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度規(guī)模較小，因此目標(biāo)函數(shù)在10 代時(shí)基本已經(jīng)收斂到最小值。從生產(chǎn)任務(wù)甘特圖中可以看出，此時(shí)的調(diào)度方案為［6 5 3 4 1 2］，完工時(shí)間為84 s。

以節(jié)能為目標(biāo)函數(shù)(方案A)和以最短完工時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)(方案B)的詳細(xì)數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果見表3 所示。

表3 方案A、B 詳細(xì)數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果

從上表中可以發(fā)現(xiàn)，對該生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度問題進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，只考慮設(shè)備能耗(方案A)與只考慮完工

圖2 以設(shè)備能耗最小為目標(biāo)的調(diào)度結(jié)果

綜上所述，生產(chǎn)線平衡過后，裝配同樣數(shù)量WPA 減速器，總裝配時(shí)間大大減小，裝配線效率顯著提升，柔性線的設(shè)備能耗也有了很大改善。時(shí)間(方案B)相比，總完工時(shí)間多了4 s，但總能耗則下降了130 kJ，這主要體現(xiàn)總等待時(shí)間上下降了46 s，進(jìn)而也使得等待能耗下降了74 kJ，由于設(shè)備的利用率提高了，所以設(shè)備的輔助能耗也下降了46 kJ。

4 結(jié)論

本文針對面向節(jié)能的柔性制造系統(tǒng)進(jìn)行了仿真優(yōu)化研究，主要的研究成果如下:

(1)利用LabVIEW 軟件，通過可視化編程方法進(jìn)行了面向節(jié)能的FMS 系統(tǒng)仿真模型的建立;

(2)通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)算例，對面向節(jié)能的FMS 系統(tǒng)進(jìn)行了平衡柔性生產(chǎn)線及優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度的節(jié)能研究，以更好的指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，從而提高實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中的設(shè)備能源利用率。

［1］中華人民共和國國務(wù)院．國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃的通知［R］． 中華人民共和國國務(wù)院公報(bào)，2012(25):5 －21．

［2］王笛，金湘，張星．柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展［J］．新技術(shù)新工藝，2013(8):24 －26．

［3］Timothy G． Gutowski，Jeffrey B． Dahmus，Alex Thiriez． Electrical Energy Requirements for Manufacturing Processes［C］．13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering，Leuven，2006．

［4］Oliver loan Avram，Paul Xirouchakis． Evaluating the use phase energy requirements of a machine tool system［J］．Journal of Cleaner Production，2010:1 －13．

［5］閆紀(jì)紅，張奮揚(yáng)． 虛擬可重組制造系統(tǒng)仿真優(yōu)化模塊開發(fā)［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013(7):81 －86．

［6］方水良，姚嫣菲，趙詩奎．基于遺傳算法的柔性車間多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度［J］．機(jī)電工程，2011(3):269 －274．