面向節(jié)能的沖壓車間調(diào)度優(yōu)化方法

牟健慧

（煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264000）

0 引言

目前，世界各國(guó)非常重視工業(yè)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，其原因有兩大方面：首先，地球資源不斷被開發(fā)、利用，在不久的未來(lái)勢(shì)必枯竭；其次，現(xiàn)代生活對(duì)能源需求快速增長(zhǎng)，二氧化碳排放量遠(yuǎn)超預(yù)期，環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻。廣泛應(yīng)用節(jié)能技術(shù)可有效保護(hù)環(huán)境，面向節(jié)能的沖壓車間調(diào)度方法研究有其建設(shè)性意義。

1 建立模型

沖壓車間的調(diào)度問(wèn)題在生產(chǎn)過(guò)程中一直沒(méi)有解決。不同的沖壓件在沖壓機(jī)上交替生產(chǎn)，以每道工序的工時(shí)、能耗、每批次的換模時(shí)間和工藝流程、以起始時(shí)間換算完工時(shí)間和最小能耗，這需要簡(jiǎn)化研究過(guò)程，以適當(dāng)假設(shè)來(lái)建立研究模型，在此列舉假設(shè)條件[1]。

（1）沖壓車間測(cè)試沖壓工序時(shí)，至少要有一臺(tái)可以選擇的測(cè)試沖壓機(jī)，并且測(cè)試采用的沖壓件工序要求只用一臺(tái)沖壓機(jī)，這點(diǎn)在研究過(guò)程中非常必要。如果不能保證這一測(cè)試條件，研究會(huì)受到阻礙，輕則滯緩研究過(guò)程，重則產(chǎn)生數(shù)據(jù)失誤，無(wú)法得到準(zhǔn)確的研究結(jié)果。

（2）沖壓機(jī)在研究過(guò)程當(dāng)中有舉足輕重的地位，沖壓車間要保證沖壓機(jī)在安排生產(chǎn)之前是隨時(shí)可調(diào)用的。

（3）研究過(guò)程中，保證所有的沖壓件在零時(shí)刻時(shí)，都可加工操作，且加工過(guò)程唯一且統(tǒng)一。加工過(guò)程不能被打斷[2]。

（4）在研究開始時(shí)，所有沖壓件的加工工藝已經(jīng)確定，所有待加工件沒(méi)有固定的投產(chǎn)順序，但每個(gè)沖壓件有確定的先后工序排序。

（5）需要保證每臺(tái)沖壓機(jī)的工作轉(zhuǎn)速恒定，且在同一時(shí)刻，只能加工某一個(gè)沖壓件的一道工序[3]。

1.1 沖壓車間的能耗分析

沖壓機(jī)工作過(guò)程包含三種狀態(tài)：首先是啟動(dòng)狀態(tài)，其次就是加工狀態(tài)，最后是常見的空載狀態(tài)。加工過(guò)程分5 個(gè)階段，不同階段的能源消耗有一定差異，這5 個(gè)階段是：快下，慢下，壓制，快回和慢回[4]。每次沖壓機(jī)完成換模操作后，都要重新啟動(dòng)，這一過(guò)程中的能源消耗，可以定義為換模操作的能耗。另外，上下料的工作階段中，沖壓機(jī)雖然不進(jìn)行任何操作，但是這一過(guò)程同樣消耗能源，可以將其定義為沖壓機(jī)的空載能耗。除以上幾種能量消耗外，沖壓機(jī)中需要一定的運(yùn)輸設(shè)備，完成沖壓件轉(zhuǎn)移操作，這一操作也會(huì)消耗能量，可以稱其為運(yùn)輸能耗。

不同沖壓車間工廠生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度不同，有些工廠由于自身的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有限，仍選用傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，也就是由人力組成生產(chǎn)線。但是，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高的工廠，在實(shí)際產(chǎn)線中采用機(jī)械手上下料，本文不對(duì)這一能量消耗進(jìn)行研究和探討。

因此，實(shí)際工作過(guò)程的能量消耗主要包含以下幾種：換模調(diào)整能耗、沖壓加工能耗、閑置能耗以及運(yùn)輸能耗和沖壓車間總能耗。

1.2 目標(biāo)函數(shù)的建立

優(yōu)化沖壓車間調(diào)度工作的目的是盡力縮短加工工時(shí)，同時(shí)將車間的總能耗降至最低。因此，開展研究前先要建立目標(biāo)函數(shù)，這能節(jié)省很多后續(xù)時(shí)間，對(duì)于后續(xù)工作有非常大的裨益。在建立目標(biāo)函數(shù)的過(guò)程中，需要注重以下4 個(gè)限制條件。

（1）沖壓機(jī)必須要在前一批加工已完成的情況之下，才能進(jìn)行下一批的加工工作，避免其他因素對(duì)研究過(guò)程造成不利的影響。

（2）進(jìn)行加工的沖壓件必須滿足工序的前后順序，必須在沖壓件達(dá)到之后再進(jìn)行加工。

（3）在實(shí)際加工過(guò)程中，工件的完工時(shí)間十分重要，沖壓車間要進(jìn)行控制工作，使工件的完工時(shí)間不遲于工件的交貨時(shí)間。

（4）沖壓機(jī)直接關(guān)系著工件的加工質(zhì)量，想要得到質(zhì)量?jī)?yōu)秀的工件，同一時(shí)刻只加工一個(gè)沖壓件，并且只進(jìn)行一道工序。

1.3 優(yōu)化結(jié)果分析

在對(duì)求解模型方程的過(guò)程中，為使得到的結(jié)果是準(zhǔn)確、可被參考的，相關(guān)工作人員可以利用MATLAB 編程進(jìn)行求解，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定參數(shù)。

其中一些數(shù)據(jù)如果還沒(méi)有準(zhǔn)確數(shù)值，例如完工時(shí)間和總能耗，這兩種數(shù)據(jù)需要單獨(dú)計(jì)算，在計(jì)算的過(guò)程中，工作人員要根據(jù)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行設(shè)定。另外，在選擇最優(yōu)方案時(shí)，要考慮運(yùn)輸能耗，這能幫助決策者選擇出最優(yōu)且更節(jié)能的調(diào)度方案。

2 面向節(jié)能的沖壓車間調(diào)度優(yōu)化方法

在實(shí)際的研究分析過(guò)程中，將沖壓車間的生產(chǎn)特性作為重要的研究?jī)?nèi)容。面對(duì)沖壓車間節(jié)能要求的限定時(shí)，要準(zhǔn)確設(shè)定優(yōu)化后的兩個(gè)目標(biāo)，首先大幅降低必要工時(shí)，其次是追求最小的車間總能耗。相關(guān)的沖壓車間企業(yè)，要根據(jù)自身的實(shí)際情況以及沖壓車間的生產(chǎn)特性，制定自身的優(yōu)化目標(biāo)，在后續(xù)的研究過(guò)程中采用遺傳模擬退火算法對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，以得到最優(yōu)的調(diào)度方案。

經(jīng)過(guò)計(jì)算并得到最優(yōu)調(diào)度方案后，要與優(yōu)化方案中的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，在進(jìn)行實(shí)際調(diào)查后就能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)果中的完工時(shí)間增加的幅度不是非常大的時(shí)候，沖壓車間的總能耗已經(jīng)得到有效改善。從中得知，我們建立的數(shù)學(xué)模型中，其實(shí)沒(méi)有考慮運(yùn)輸能耗，雖然每一次的運(yùn)輸能耗并不大，但多次運(yùn)輸?shù)哪芎目偤鸵彩潜容^大的，需要在優(yōu)化的過(guò)程中一并考慮。

在實(shí)際的工作中，諸多因素都可能影響沖壓車間的工作，相關(guān)人員要調(diào)查不確定事件對(duì)節(jié)能調(diào)度的影響，其中的不確定事件包含比較多，例如設(shè)備的故障、新舊訂單的變化等，經(jīng)過(guò)這一操作之后，決策者就能夠選擇出更加節(jié)能、優(yōu)秀的方案。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前為止的面向節(jié)能的沖壓車間調(diào)度的優(yōu)化方式，還有很大的進(jìn)步空間，需要相關(guān)人員不斷在后續(xù)工作中優(yōu)化和完善。