CN103150634A - 一种面向机械车间加工任务的能耗仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向机械车间加工任务的能耗仿真方法，该方法首先设定机械车间加工任务能耗过程逻辑，包括能耗过程模块、能耗实体模块和能耗触发模块，用于模拟机械车间加工任务的能耗过程；然后初始化设置能耗过程逻辑中的加工任务方案信息，以及加工任务的基础能耗信息；最后运行仿真过程，即可获得机械车间执行加工任务中的加工能耗和空闲时段的待机能耗、执行加工任务的完成总时间以及执行加工任务机床的运行状态等丰富信息。该方法可用于机械车间动态多变的生产运行过程能耗的系统分析以及实施精细化的机械车间能耗评估，特别针对多任务的柔性机械车间，可为多种生产加工方案提供节能优化决策支持。

Description

一种面向机械车间加工任务的能耗仿真方法

技术领域

本发明涉及机械制造业能耗、计算机仿真技术等领域，尤其涉及一种面向机械车间加工任务的能耗仿真方法。

 

背景技术

全球气候变暖和碳排放法规在全球范围实施，都是迫使制造业节能的重要因素。电能作为机械车间生产过程的必要资源，减少其消耗不仅是为了降低生产运行成本，同时也是为了减少CO₂的排放。量大面广的机械车间能耗总量巨大，因而其能耗问题也日益受重视，并被视为机械制造领域实现可持续发展必须解决的重要问题之一。

机械车间生产过程是通过生产设备消耗能量完成对生产任务的加工过程。CN201110095627.6公开的《机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法》，提供了一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法，用于求取主轴电机输入功率、损耗功率、机械传动系统损耗功率、切削功率等主传动系统能耗信息的实时数据。CN 201210240326.2公开的《一种数控车床主传动系统非切削能耗获取方法》，为根据建立的机床主轴空转和主轴加速功率和能耗模型，以及通过实验获取模型中的系数，求得机床数控车床主传动系统非切削能耗，主要用于机床使用环境影响评估等方面。CN 201210131766.4公开的《一种数控机床服役过程的能量消耗预测方法》，为对数控机床服役过程能量消耗特点分析的基础上，建立了以启动、空载和加工三类子过程能耗预测为基础的数控机床服役过程能耗预测模型，用于机床运行使用过程的能耗分析。CN 201210127826.5公开的《数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的方法》，为依据机床加工过程机电主传动系统能量效率数学模型、机床空载功率与转速的关系函数、以及附加载荷损耗系表格函数，就可从数学模型中算出机床加工过程机电主传动系统的能量效率。上述现有技术重点解决车间生产设备的能耗分析和评估问题。

但实际上，机械车间生产过程的能耗不仅取决于生产设备，还与加工任务紧密相关，能耗过程是随加工任务变化而发生的十分复杂的动态变化过程。如不同生产周期的加工任务会产生不同的车间能耗；同一加工任务的不同加工方案也会产生不同的加工能耗；同时不同加工方案还会影响生产设备等待任务的空闲时段，从而导致机械车间生产设备的待机能耗也不同。因此，如何系统分析和评估机械车间动态变化环境中的加工任务能耗是实现车间能耗过程优化的重要问题。目前，现有技术并未涉及由加工任务动态驱动的能耗过程，特别是在柔性制造车间多任务、多加工方案可选的状况下，如何分析和评估机械车间加工任务能耗，从而支持车间能耗过程优化决策，是本领域技术人员有待解决的问题。

 

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明面向机械车间，解决对多任务、多加工任务的能耗分析和评估问题，提供一种面向机械车间加工任务的能耗仿真方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术手段：

一种面向机械车间加工任务的能耗仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）设定机械车间加工任务能耗过程逻辑，包括能耗过程模块、能耗实体模块和能耗触发模块，用于模拟机械车间加工任务的能耗过程；

2）初始化设置能耗过程逻辑中的加工任务方案信息，以及加工任务的基础能耗信息；

3）运行仿真过程，获得机械车间执行加工任务中的加工能耗和空闲时段的待机能耗、执行加工任务的完成总时间以及执行加工任务机床的运行状态等丰富信息。

进一步的特征在于，步骤1）中所述能耗过程模块，用于模拟机械车间加工任务能耗过程中的三个主要步骤，包括下达加工任务、分配加工任务到指定机床等待加工、机床执行加工任务。加工任务在指定机床上完成后，根据加工任务方案信息分配到下一指定机床执行加工；机床在未分配加工任务的空闲时段则等待加工任务的分配。上述过程交替进行，直到所有加工任务结束。

进一步的特征在于，步骤1）中所述能耗实体模块，用于建立能耗过程模块主要步骤的三个实体，并模拟其在加工任务能耗过程中的各种状态。所述的三个实体包括下达任务实体，用于感知加工任务的下达，所述下达任务实体的状态包括初始状态、下达任务状态和结束任务状态；分配任务实体，用于模拟根据加工任务方案信息分配加工任务到指定机床，不设实体状态；执行任务实体，用于模拟机床执行加工任务的过程，所述执行任务实体的状态包括机床关机状态、机床开机状态和机床使用结束状态，其中机床开机状态又分为加工状态和非切削辅助状态。

进一步的特征在于，步骤1）中所述能耗触发模块，用于模拟能耗实体模块中各种状态的触发转换关系。下达任务实体通过下达任务事件激活分配任务实体，模拟加工任务的机床分配；分配任务实体通过到达机床事件激活执行任务实体，模拟指定机床执行加工任务。

进一步的特征在于，步骤2）中所述加工任务方案信息，包括根据加工任务工艺和生产计划调度方案获取的分配到指定机床的加工流程、加工时间和工艺参数；加工任务的基础能耗信息包括各个指定机床的加工能耗信息和机床空闲待机能耗信息。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提出了一种机械车间加工任务能耗仿真方法，模拟机械车间加工任务能耗过程，并可计算获得机械车间执行加工任务的能量消耗，为机械车间动态变化的生产运行过程能耗提供系统分析和评估的工具。

2、本发明方法在不改变现有生产设备、生产工艺等生产条件下，不增加生产成本的前提下，支持采用生产运行管理手段，实现车间生产运行过程的节能优化，特别是在柔性制造车间，具有多任务、多种加工方案复杂生产过程中，实施过程简单，成本小，不影响生产。

3、本发明方法仿真机械车间能量消耗不仅涉及机床对任务进行加工的能耗，还包括机床等待下一加工任务空闲时段的待机能耗，这一过程能够有效地支持机械车间对非生产时段设备产生的无附加价值的能量浪费实施节能优化。

4、本发明方法还可应用于车间生产过程的能耗管理中，为生产运行过程的节能决策提供有效依据，降低生产过程能量消耗成本，在实施精细化的车间能耗管理方面具有广阔的应用前景。

 

附图说明

图1 是本发明方法的流程框图；

图2 是本发明中机械车间加工任务能耗过程模块步骤流程图；

图3是下达任务实体ORDER触发关系图；

图4 是分配任务实体ASSINGING触发关系图；

图5 是执行任务实体MACHINING触发关系图；

图6 是Simulink平台中仿真方法实施图； 

图7 是加工任务能耗仿真结果图。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明提供一种面向机械车间加工任务能耗仿真方法，该方法分为三大步骤：

第一步：设定机械车间加工任务能耗过程逻辑，用于模拟机械车间加工任务的能耗过程；

第二步：初始化设置能耗过程逻辑中的加工任务方案信息，以及执行加工任务的基础能耗信息；

第三步：运行仿真过程，即可获得机械车间执行加工任务中的加工能耗和空闲时段的待机能耗、执行加工任务的完成总时间以及执行加工任务机床的运行状态等丰富信息。

上述步骤采用Matlab仿真工具中的Simulink平台进行实施，具体步骤叙述如下：

1、设定机械车间加工任务能耗过程逻辑：

设定机械车间加工任务能耗过程逻辑，包括能耗过程模块、能耗实体模块和能耗触发模块的设定。

1.1  设定能耗过程模块：

能耗过程模块用于拟机械车间加工任务能耗过程。由于所述能耗过程是伴随着按照加工任务工艺方案和生产计划调度方案，分配加工任务到指定机床上完成加工这一过程而产生，因而依据上述过程可设定机械车间加工任务能耗过程模块步骤流程如图2所示，具体流程如下：

1）加工任务下达车间后，依据相应的工艺方案和生产计划调度方案，分配到指定的机床上加工；

2）判断指定机床的空闲状态，如果空闲，则执行加工任务；否则该任务需排队等待机床加工；

3）机床执行加工任务时，产生加工能耗；

4）执行加工任务完成后，判断任务是否还需在车间内安排下一工序加工，若有则继续分配到指定机床上加工；否则，则该任务加工完成；

5）同时，还需判断机床是否需要等待后续加工任务，若需要则该机床进入待机状态等待下一加工任务，产生待机能耗；否则，则该机床停机；

6）上述流程循环进行，直到下达的本批次所有加工任务结束。

1.2 设定能耗实体模块：

能耗实体模块用于建立能耗过程模块步骤流程中的实体，并模拟其在加工任务能耗过程中的各种状态。根据所述能耗过程模块的步骤流程，设定三个主要步骤流程的实体分别为：下达任务实体ORDER，用于感知加工任务的下达；分配任务实体ASSIGNING，用于模拟根据加工任务方案信息分配加工任务到指定机床；执行任务实体MACHINING，用于模拟机床执行加工任务的过程。三个实体在仿真平台的仿真时钟的推进下同时运行，并相互关联。

模拟能耗过程的所述实体必须确定实体具有哪些状态，并以状态间的切换来表示实体的动态变化过程。根据所述能耗过程流程，设定任务下达实体ORDER的状态包括任务初始状态Initial，下达任务状态Start，加工结束状态Over；分配任务实体ASSINGING没有状态变化，不设定实体状态；执行任务实体MACHINING设定为机床关机状态Off、机床开机状态On、机床等待任务待机状态WaitJob和机床使用结束状态End等三种状态，其中机床开机状态On又进一步设定为加工状态Cutting和辅助非切削状态NonCuting，如表1。

表1 设定所述实体状态：

1.3 设定能耗触发模块：

能耗触发模块用于模拟所述能耗实体模块中各种状态的触发转换关系。下面结合Simulink仿真平台的Stateflow工具，具体阐述设定能耗触发模块方法如下：

设定能耗触发模块的触发关系为：下达任务实体ORDER通过下达任务事件Job激活分配任务实体ASSINGING，模拟加工任务的机床分配；分配任务实体ASSINGING通过到达机床事件Am激活执行任务实体MACHINING，模拟指定机床执行加工任务。

1）设定下达任务实体ORDER触发关系：

设定下达任务实体ORDER的触发关系参见图3。仿真始终产生CLC事件，首先激活任务下达实体ORDER的初始状态Initial，该状态被激活时设置任务到达时间Fat，并执行设定的读取批量待加工任务函数read()，获取加工任务数量。经过时间Fat后，从初始状态Initial转移到下达任务状态Start，激活状态Start时将会发生下达任务事件Job的受限事件广播，从而触发激活分配任务实体ASSINGING。当所有加工任务都结束时（即条件mp1+mp2+…+=0），条件转移动作将待机能耗统计到总能耗EY，并且激活Over状态，执行stop=1，此时整个加工任务加工完成，仿真停止。

2）设定分配任务实体ASSINGING触发关系：

分配任务实体ASSINGING收到下达任务事件Job的受限事件广播后即可被激活。参见图4，表示任务1的任务下达事件job1发生时，执行方法oper_num()判断任务1当前加工任务是否为结束任务，若是则将mp1=0；否则调用方法arrange() 将任务1安排到指定机床。其中方法arrange() 的具体流程为：首先读取任务1的指定加工机床p1[mp1-1]，然后判断该机床是否空闲（Nm1==0），若空闲则把该加工任务信息给机床，并通过向执行任务实体MACHINING发送到达机床事件Am受限事件广播；否则，则将加工任务信息存入该机床的任务排队数组sq[]，等待执行加工。

3）设定执行任务实体MACHINING触发关系：

执行任务实体MACHINING收到到达机床事件Am受限事件广播后即可激活，如图5所示表示执行任务实体m1的触发关系，具体流程叙述如下：m1的初始状态为停机状态Off（s1=0）。当发生到达机床事件Am时，执行任务实体m1将会激活运行状态On下的默认装卸工件辅助非切削状态NonCuting（s1=0.5）。若满足当前待加工任务数量Nm1>0，激活加工状态Cutting（s1=1），经过该任务的加工时间t[jm-1][0]后结束加工状态Cutting，并触发装卸工件的辅助非切削状态NonCuting，同时计算加工能耗。辅助非切削状态NonCuting和加工状态Cutting之间持续循环，直到当前种类的工件整批在该机床上全部加工完成，即Nm1为0。此时，将通过next()方法安排加工任务到下一指定机床上执行加工，其流程为：判断该任务，并向分配任务实体ASSINGING下达相应事件Job的受限事件广播。同时，机床激活等待下一任务状态WaitJob，如果机床m1的任务量a1为0，表示机床任务量完成，仿真系统将不再使用该机床，机床将进入终止状态End。否则，机床m1将会不停的调用查找等待下一任务方法wait()，其流程为：从机床1的排队数组（sq1[]）中查找是否有需要加工的任务，若有向执行任务实体MACHINING发出到达机床事件Am的受限事件广播。

2、初始化设置能耗过程逻辑中的加工任务方案信息和执行加工任务的基础能耗信息：

所述加工任务方案信息包括根据加工任务工艺和生产计划调度方案获取的分配到指定机床的加工流程、加工时间和工艺参数。其中，所述的加工流程和工艺参数来源于加工任务的工艺规划，根据加工任务的详细工艺卡片和工序卡片，获取加工工艺流程和工艺参数，并结合生产计划调度方案获取加工机床；所述加工时间为机床执行加工任务所需的切削时间，可以根据工艺参数计算或通过CAM软件仿真获得。

所述执行加工任务的基础能耗信息，包括各个指定机床的加工能耗信息和空闲待机能耗信息。其中，所述机床待机能耗信息可通过机床空载试验获取，步骤为：在机床电源输入端接入功率传感器后，接通机床电源并使机床处于待机状态，读取机床输入功率的稳定值，并将其设置为机床待机功率，相应的待机能耗信息可由待机功率和待机时间乘积计算获得。所述加工能耗信息可通过工件加工试验直接测量或由切削加工经验公式计算获得。

3、在所述机械车间加工任务能耗过程逻辑设定和初始化设置后，启动运行仿真过程，获得机械车间执行加工任务中的加工能耗和空闲时段的待机能耗、执行加工任务的完成总时间以及执行加工任务机床的运行状态等丰富信息。

实施例：

采用本发明方法对柔性机械车间的三组加工任务进行能耗仿真。三组加工任务分别记为工件A、工件B和工件C；工件A批量为20件，工件B批量为40件，工件C批量为30件。车间中有7台机床可用于执行所述加工任务，编号记为：机床1(M1)、机床2(M2)、机床3(M3)、机床4(M4)、机床5(M5)、机床6(M6)和机床7(M7)。

参见本方法的具体实施步骤，首先在Matlab仿真工具中的Simulink平台上实施了所述加工任务能耗过程仿真逻辑，如图6所示。

然后，初始化设置能耗过程逻辑中的加工任务方案信息和执行加工任务的基础能耗信息。根据三组加工任务的加工工艺要求和设备的加工能力，工件A有初始化设置的三种可选加工方案，分别为：

加工方案：指定到机床1执行加工→指定到机床2执行加工→指定到机床4执行加工；

加工方案：指定到机床1执行加工→指定到机床5执行加工；

加工方案

：指定到机床1执行加工→指定到机床2执行加工→指定到机床5执行加工；

工件B初始化设置的两种可选加工方案，分别为：

加工方案

：指定到机床5执行加工→指定到机床7执行加工；

加工方案：指定到机床3执行加工→指定到机床4执行加工→指定到机床7执行加工；

工件C初始化设置的三种可选加工方案，分别为：

加工方案

：指定到机床1执行加工→指定到机床6执行加工→指定到机床3执行加工；

加工方案

：指定到机床2执行加工→指定到机床5执行加工；

加工方案

：指定到机床2执行加工→指定到机床6执行加工→指定到机床4执行加工。

依据所述加工方案，初始化设置的加工时间如表2所示。

表2 初始化设置的加工时间信息表：

使用功率分析仪HIOKI3390对所述指定机床进行空载试验和试切切削试验，测得初始化设置的空闲待机功率信息如表3，以及切削能耗信息如表4。

3 初始化设置的空闲待机功率信息表：

表4 初始化设置的切削能耗信息表：

启动仿真运行过程，所述加工任务能耗仿真结果如图7所示。显然，完成同一批所述加工任务，选择加工方案7（S7：A、B、C工件分别选择方案

、

、

的组合方案）可以获得最小能量消耗，比选择加工方案4（S4：A、B、C工件分别选择方案

、

、

的组合方案）可减少能耗25%；同时加工方案7（S7）也可获得较小的加工任务总完成时间，因而在交货期允许的前提下，可以考虑优选该加工方案。加工方案10（S10：A、B、C工件分别选择方案

、

、

的组合方案）的能耗比加工方案7的能耗更大，但可以获得最小总完成时间，在交货期严格的情况下该方案可获得较高的生产效率。

该方法可用于机械车间动态多变的生产运行过程能耗的系统分析以及实施精细化的机械车间能耗评估，特别针对多任务的柔性机械车间，可为多种生产加工方案提供节能优化决策支持。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳的实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种面向机械车间加工任务的能耗仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）设定机械车间加工任务能耗过程仿真逻辑，即在Matlab仿真工具中的Simulink平台上实施所述机械车间加工任务能耗过程仿真逻辑，包括能耗过程模块、能耗实体模块和能耗触发模块，用于模拟机械车间加工任务的能耗过程； 

2）初始化设置能耗过程逻辑中的加工任务方案信息，以及加工任务的基础能耗信息；

3）运行仿真过程，获得机械车间执行加工任务中的加工能耗和空闲时段的待机能耗、执行加工任务的完成总时间以及执行加工任务机床的运行状态等丰富信息。

2.根据权利要求1所述面向机械车间加工任务的能耗仿真方法，其特征在于：所述步骤1）中能耗过程模块，用于模拟机械车间加工任务能耗过程中的三个主要步骤，包括下达加工任务、分配加工任务到指定机床等待加工、机床执行加工任务；加工任务在指定机床上完成后，根据加工任务方案信息分配到下一指定机床执行加工；机床在未分配加工任务的空闲时段则等待加工任务的分配；上述过程循环进行，直到所有加工任务结束。

3.根据权利要求1所述面向机械车间加工任务的能耗仿真方法，其特征在于：所述步骤1）中能耗实体模块，用于建立能耗过程模块主要步骤的三个实体，并模拟其在加工任务能耗过程中的各种状态；

所述的三个实体包括下达任务实体，用于感知加工任务的下达，所述下达任务实体的状态包括初始状态、下达任务状态和结束任务状态；分配任务实体，用于模拟根据加工任务方案信息分配加工任务到指定机床，不设实体状态；执行任务实体，用于模拟机床执行加工任务的过程，所述执行任务实体的状态包括机床关机状态、机床开机状态和机床使用结束状态，其中机床开机状态又分为加工状态和非切削辅助状态。

4.根据权利要求1所述面向机械车间加工任务的能耗仿真方法，其特征在于：所述步骤1）中能耗触发模块，用于模拟能耗实体模块中各种状态的触发转换关系；所述触发转换关系为下达任务实体通过下达任务事件激活分配任务实体，模拟加工任务的机床分配；分配任务实体通过到达机床事件激活执行任务实体，模拟指定机床执行加工任务。

5.根据权利要求1所述面向机械车间加工任务的能耗仿真方法，其特征在于：所述步骤2）中加工任务方案信息，包括根据加工任务工艺和生产计划调度方案获取的分配到指定机床的加工流程、加工时间和工艺参数；加工任务的基础能耗信息包括各个指定机床的加工能耗信息和机床空闲待机能信息。

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