面向節(jié)能的柔性制造系統(tǒng)仿真及優(yōu)化

聞 帆，何院生，閆紀紅

(1．哈爾濱工業(yè)大學 機電學院，黑龍江 哈爾濱 150001;

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

0 引言

我國“十二五”期間節(jié)能目標為單位GDP 能耗下降16%，實現(xiàn)節(jié)約能源6．7 億t 標準煤［1］，節(jié)能形勢非常嚴峻。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)逐漸成為了當今先進制造領域的研究熱點之一。尋求降低制造企業(yè)的能源消耗，即提高生產系統(tǒng)的能源利用效率的呼聲越來越高，因此進行面向節(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。

本文以一個實際的柔性制造系統(tǒng)為參考背景，對柔性制造系統(tǒng)中的設備能耗進行了建模，完成了基于LabVIEW 的考慮設備能耗的柔性制造系統(tǒng)的仿真開發(fā)，并通過平衡生產線的節(jié)拍以及運用遺傳智能算法優(yōu)化生產調度等兩個途徑實現(xiàn)了對柔性制造系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化，從而可以進一步指導實際的生產系統(tǒng)進行合理的節(jié)能生產。

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)控加工設備、物料運儲裝置和計算機管理系統(tǒng)等組成［2］，主要包括四臺數(shù)控機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作業(yè)的調度問題，主要的任務是把加工的零件進行排序，確定工件加工的先后順序。

1．2 FMS 設備能耗建模

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

通過對數(shù)控銑床進行加工時的實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)控銑床運行能耗分析結果圖

加工能耗(Machining Energy，簡稱ME)是指在機床上用于工件加工所消耗的能量，加工過程中所必須進行的空轉能耗也包含在內。等待能耗(Waiting Energy，簡稱WE)是指機床運行過程中由于上一工件已經加工完成但下一工件尚未達到而呈現(xiàn)待機狀態(tài)所消耗的能量。峰值能耗(Peak Energy，簡稱PE)是指機床在運行過程中其狀態(tài)發(fā)生突然改變所引起的功率大幅度變化所產生的能耗，如機床啟動、停止能耗等。因其持續(xù)時間一般很短，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，主要是機床在運行期間照明、數(shù)控機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算公式為

式中 UMEij——表示第i 個工件在第j 個機床上的單位時間加工能耗;

UMEj、UAEj、PEj——分別表示第j 個機床的單位等待能耗、單位輔助能耗、峰值能耗;

WTj、CTj——分別表示第j 個機床總的等待時間、總運行時間;

Tij——表示第i 個工件在第j 個機床上的加工時間;

n——表示工件數(shù);

m——表示數(shù)控機床數(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。與完工時間成正比。其計算公式為

式中 UFAE——表示FMS 系統(tǒng)柔性裝配線單位時

間的能耗;

FT——表示柔性裝配線完成所有產品裝配總的完成時間。

其他設備的能源消耗還有計算機能耗、分揀機能耗、運輸能耗(包括AGV 和輸送機)、碼垛機能耗、機械手能耗以及公共能耗等六類能耗。為簡化計算，可假定這六類能耗與完成的產品(從分揀到最終出庫整個運作周期)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線合理制定生產節(jié)拍以降低最大完成時間達到降低該部分設備能耗的目的;

(2)可以通過調整四臺數(shù)控加工中心的生產調度順序以達到優(yōu)化該部分設備能耗的目的。

1．3 面向節(jié)能的FMS 仿真模型開發(fā)

運用LabVIEW 對FMS 系統(tǒng)建模仿真［5］:(1)設計可視化界面

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

(2)建立設備模型

依據(jù)設備的基本工作流程和模式，結合Lab-VIEW 的各個控件的特點，建立一個能夠顯示出設備工作情況及邏輯的模型，用來代表FMS 系統(tǒng)的各個設備。

(3)建立設備之間的連接

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

(4)設定相關參數(shù)并運行程序

設置相應的參數(shù)，以合理的表達加工單元和柔性裝配線等單元的生產制造過程，并通過延時控件的延時時間參數(shù)設定，調節(jié)仿真運行的時間和速率。

2 面向節(jié)能的柔性生產線平衡

2．1 柔性裝配線生產問題

平衡生產線即是對生產的全部工序進行平均化，調整作業(yè)負荷，以使各作業(yè)時間盡可能相近的技術手段與方法。本FMS 柔性裝配線可以完成WPA/WPO 兩種減速器的裝配生產任務，現(xiàn)僅對WPA 減速器(以裝配10 個為例)進行生產線的平衡，其組裝工藝流程及加工時間具體見表1，WPO同此理。

表1 WPA 組裝工藝流程及加工時間

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

故S 應取5。調整后的WPA 共設有5 個工作站，合并相鄰工序，使總時間接近但又不大于60 s即可實現(xiàn)生產線的平衡。

2．2 生產線平衡結果與節(jié)能分析

裝配n 個WPA 減速器所需時間T、裝配線效率η 和柔性線設備能耗FAE 的計算公式如下

對WPA 減速器進行生產線平衡前后的T、η 和FAE 進行計算，結果整理如表2 所示。

表2 柔性裝配線生產平衡前后對比分析

3 面向節(jié)能的優(yōu)化調度

考慮FMS 設備能耗的調度問題是求n 個工件的最優(yōu)加工順序，使相關評價指標最優(yōu)化。我們的調度問題為:有6 個工件的4 道工序在4 臺數(shù)控機床依次進行加工。

在本文案例中使用遺傳算法［6］設置的一些參數(shù)如下。種群規(guī)模取10，隨機產生初始化種群，進化代數(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備能耗最小的目標函數(shù)隨迭代次數(shù)的變化曲線和生產任務甘特圖如圖2 所示。

由于該FMS 系統(tǒng)生產調度規(guī)模較小，因此目標函數(shù)在10 代時基本已經收斂到最小值。從生產任務甘特圖中可以看出，此時的調度方案為［6 5 3 4 1 2］，完工時間為84 s。

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

表3 方案A、B 詳細數(shù)據(jù)對比分析結果

從上表中可以發(fā)現(xiàn)，對該生產任務調度問題進行優(yōu)化時，只考慮設備能耗(方案A)與只考慮完工

圖2 以設備能耗最小為目標的調度結果

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

4 結論

本文針對面向節(jié)能的柔性制造系統(tǒng)進行了仿真優(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行了面向節(jié)能的FMS 系統(tǒng)仿真模型的建立;

(2)通過設計實驗算例，對面向節(jié)能的FMS 系統(tǒng)進行了平衡柔性生產線及優(yōu)化生產調度的節(jié)能研究，以更好的指導實際生產系統(tǒng)進行改進，從而提高實際生產系統(tǒng)中的設備能源利用率。

［1］中華人民共和國國務院．國務院關于印發(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院公報，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］閆紀紅，張奮揚． 虛擬可重組制造系統(tǒng)仿真優(yōu)化模塊開發(fā)［J］．實驗室研究與探索，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優(yōu)化調度［J］．機電工程，2011(3):269 －274．