CN104303119B

CN104303119B - 用于测定和优化生产系统的能量消耗的方法

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Publication number: CN104303119B
Application number: CN201280073211.7A
Authority: CN
Inventors: 约尔格·哈塞尔; 阿姆贾德·穆赫辛; 约翰内斯·赖因施克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: CN104303119A; US20150120005A1; EP2825923B1; ES2617482T3; EP2825923A1; WO2013170884A1; US10718800B2

Abstract

本发明涉及一种用于确定生产系统(10)的能量消耗的方法，具有步骤：a)用负载计算装置(16)确定所述生产系统(10)的负载分布(18)；b)根据所述生产系统(10)的所确定的负载分布(18)和电机模型(22)，用能量计算装置(20)估测所述生产系统(10)的能量需求；c)根据所估测的能量需求确定所述生产系统(10)的能量模型(36)；并且d)取决于所述能量模型(36)和利用所述生产系统(10)所输送的负载，用所述负载计算装置(16)确定所述生产系统(10)的能量消耗。

Description

用于测定和优化生产系统的能量消耗的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测定生产系统的能量消耗的方法。此外，本发明涉及一种用于运行生产系统的方法。

背景技术

目前，在很早的设计阶段模拟生产系统，以便提高生产率和效率。为了该目的，例如应用如Technomatrix/Siemens的Plant Simulation这样的模拟程序。这种程序开发用于所计划的设备或生产系统的模型，用该模型能够实现快速地模拟和测试各种调节策略。此外，利用模拟的结果，以便在设计生产系统期间找出生产系统和调节策略的布局。

然而，用当前应用的模拟程序不能够测定取决于负载的能量消耗。在设计生产系统期间“手动地”估测能量消耗，这通常导致对能量消耗的显著高估。除此之外，为了降低能量消耗而用前述的程序对生产系统的运行进行优化是不可行的。然而，特别是从环境保护和不断上升的能量价格角度来看，这是重要的一方面。

发表在ZWF,年集105号,2010中的N.Weinert的标题为“Planungenergieeffizienter Produktionssysteme”(高能效的生产系统的规划)的文章中描述了，在生产系统中能够发生如起动、暖机、等待状态的不同运行状态、加工状态或过程状态或者关断过程。具有不同的能量需求的运行状态对应于相应的被模型化和模拟的组块。

发明内容

本发明的目的是，指出如何能够更高能效地规划并且运行生产系统。

所述目的由根据本发明的方法实现。

根据本发明的、用于确定生产系统的能量需求的方法包括下述步骤：

a)用负载计算装置确定生产系统的负载分布，

b)根据生产系统的所确定的负载分布和电机模型，用能量计算装置估测生产系统的能量需求，

c)根据所估测的能量需求确定生产系统的能量模型，并且

d)取决于能量模型和利用生产系统所输送和/或处理的负载，用负载计算装置确定生产系统的能量消耗。

有利地，能够用根据本发明的方法估测生产系统的能量消耗。生产系统的概念应该理解为下面的每一个设备、生产设备或者类似物。特别地，生产系统能够包括输送带，在该输送带上运动或输送负载。首先，用负载计算装置确定生产系统的取决于时间的负载分布。所述负载计算装置能够包括计算装置，如计算机、微处理器或类似物，在此执行生产系统的模拟程序，例如Plant Simulation。在此，以与生产率相关的切合实际的假设为基础。接着，用能量计算装置测定生产系统的能量需求。所述能量计算装置能够包括计算装置，如计算机、微处理器或者类似物，在计算装置上执行一个程序，用该程序能够估测系统的功率。这种程序能够是例如Siemens公司的SIZER程序。

优选地，将生产系统划分为各个区域，并且对区域中的每一个执行所述方法。由此，尤其能够取决于系统的设计方案地精确地确定能量消耗。在此，能够对生产系统的相同的区域仅进行一次计算。由此，能够尤其有效地确定生产系统的能量消耗。

在一个设计方案中，在步骤a)内，取决于生产系统的运行参量，确定负载分布，这些运行参量描述了生产系统的速度、加速度、基础重量和/或负载的重量。在此，特别是对生产系统的每个区域测定负载分布。在此，考虑生产系统或者所述生产系统的一部分的速度或加速度和利用所述生产系统所输送的货物的重量。最后，能够分析负载分布，并且在必要的情况下转写为其他的数据格式。在变换为其他的数据格式时，也能够将包括了关于负载分布的信息的文件划分为多个单个文件。特别有利的是，以较长时间段、例如一天来测定负载分布。

优选地，在步骤b)内，取决于生产系统的驱动装置的特征参量和生产系统的尺寸，确定电机模型。该电机模型能够包括这样的参量，即，用这些参量能够充分地描述生产系统的电机系统。所述电机模型能够包括用于所应用的电动机械、起动器、转换器、输入/输出元件或者类似物的型号的信息。此外，所述电机模型能够包括关于生产系统的各个区域的长度和宽度的信息。

在另一个设计方案中，在步骤c)内，取决于生产系统的运行参量，确定能量模型。对此优选地建立数学方程，用该方程能够将生产系统或者生产系统的区域的必需的功率或能量模型化。附加地，能够发展数学模型，在该数学模型内为数学方程中的每一个变量确定占总消耗的功率的比例。一般形式下，能量模型能够用下述方程表示：

P_{i} = K_{1} \cdot V_{i 1}^{j 1} + K_{2} \cdot V_{i 2}^{j 2} + ... + K_{n} \cdot V_{i n}^{j n}

在此，变量V_i1至V_in描述了生产系统的各个区域的速度或加速度和利用生产系统的相应的区域输送的负载。这些变量描述了物理系统内的能量消耗。j是实数，利用其说明各个变量的顺序。在变量、例如速度和加速度之间能够存在关联。常量K₁至K_n描述所谓的功率常数。

用负载计算装置确定的负载分布能够被划分为m个单个文件。能够按照顺序把单个文件传送给能量计算装置。与关于电机系统的信息一起，能够用能量计算装置为生产系统的每一个区域估测所必需的能量或功率。根据功率的估测值，能够建立下述矩阵方程：

[\begin{matrix} P_{1} \\ P_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{m} \end{matrix}] = [\begin{matrix} V_{11}^{j 1} V_{12}^{j 2} ... V_{1 n}^{j n} \\ V_{21}^{j 1} V_{22}^{j 2} ... V_{2 n}^{j n} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ V_{m 1}^{j 1} V_{m 2}^{j 2} ... V_{m n}^{j n} \end{matrix}] * [\begin{matrix} K_{1} \\ K_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ K_{n} \end{matrix}]

能够按照功率系数K₁至K_n分解矩阵方程，用以将其求解。

优选地，在步骤c)内，将运行参量中的至少一个设为恒定的，并且取决于未设为恒定的运行参量，确定功率表格。如果在确定的持续时间内用于生产系统的速度是恒定的，那么就将生产系统的加速度设为零。由此，能够用能量计算装置，仅还取决于生产系统和/或运动的负载的重量来测定能量模型。如果在确定的时间段内将能量模型的方程内的变量设为恒定的，那么就能够取决于一个变量地把方程转写为：

P_{1} = C_{1} \cdot V_{i m}^{j m} + C_{2}

在此，C1和C2是能够用能量计算装置测定的常数。为此，能够为变量的每一个可能值估测常数。估测的结果能够存储在生产系统的每一个区域的一个或者多个功率表格内。

在一个实施方式中，根据测量测定生产系统的运行参量中的至少一个。为了该目的，能够在运行中的生产系统上执行物理上的测量。用测量的数据能够特别准确地测定运行参量。在这些测量的基础上，能够精确地确定生产系统的能量消耗。

优选地，在步骤d)内，取决于能量模型或功率表格，确定生产系统的能量消耗。把功率表格和能量模型传送给负载计算装置。作为能量模型的替代，也能够把功率常数传送给负载计算装置。利用功率表格和/或能量模型，能够用负载计算装置动态取决于利用系统所输运的随时间变化的负载地，来测定生产系统的能量消耗。由此能够实现计算瞬时功率、平均功率和能量。能够在给定的时间区间、例如一秒内计算平均功率：

P_{a v g} = \frac{Σ_{i = n_{0}}^{n_{1}} P_{i} \cdot T_{i}}{Σ_{i = n_{0}}^{n} T_{i}}

E = Σ_{i = n_{0}}^{n_{1}} P_{i} \cdot T_{i}

在模拟生产系统时，负载计算装置根据运行参量计算生产系统的能量消耗。在n个时间区间内计算平均功率和能量。

由此，能够实现生产系统的能量消耗的简单计算，其中，需要很少的资源，以便把能量模型存储在负载计算装置的存储器内。能量消耗的附加的计算关于计算能力相关并不负面地影响负载计算装置。此外，能够快速地并且可靠地测定生产系统的能量消耗。

此外有利的是，在步骤d)内，在至少两个连续的时间点检查运行参量中的至少一个以用于确定能量消耗。用负载计算装置，能够例如考虑两个连续的时间点上的生产系统的速度，用以确定生产系统的能量消耗。如果在至少两个连续的时间点上速度不改变，则能够引入来自生产系统的相应的区域的功率表格的负载的值，用以确定能量消耗。如果在至少两个连续的时间点上速度改变，则能够利用能量模型以用于计算能量消耗。因此，能够提供一种混合的方法来测定生产系统的能量消耗。大体上能够以此出发，即在70％的情况下，引入功率表格以用于计算能量消耗。因此，以对由存储功率表格所占用的资源的附加需求为基础。此外，能够更可靠地确定能量消耗。

对于这样的情况，即对计划的生产系统或者其区域来说，不能够用负载计算装置确定能量消耗时，停止该方法或模拟，并且给出相应的消息。此外，能够通过操作员访问能量计算装置，由此，能够用能量计算装置测定能量模型或者功率表格中缺少的变量或参数。

在根据本发明的、用于运行生产系统的方法中，取决于由前述方法所确定的能量消耗来运行生产系统。在此，用负载计算装置来驱控生产系统。因此，能够特别高能效地运行生产系统。在生产系统的模拟中，负载计算装置根据运行参量来计算生产系统的能量消耗。在n个时间区间内计算平均功率和能量。

附图说明

现在，根据附图进一步阐述本发明。为此附图示出：

图1是一个生产系统的示意图；

图2是用于阐明用来确定生产系统的能量消耗的方法的示意图；并且

图3是用于阐明用来确定另一个实施方式中的生产系统的能量消耗的方法的示意图；

具体实施方式

下面进一步描述的实施例阐述了本发明的优选的实施方式。

图1示出了生产系统10的示意图。在这里所示的实施例中，生产系统10是机场的行李输送设备。为了能够计算生产系统10的生产率而应用负载计算装置16。能够通过相应的模拟程序提供负载计算装置16，该模拟程序在计算机、微处理器、ASIC或者类似物上执行。例如能够将Plant Simulation程序用作模拟程序。

为了能够计算或模拟生产系统10，把生产系统10划分为多个区域12或部段。在此，各个区域12能够具有不同的几何尺寸。生产系统10的区域12的每一个区域能对应有行李输送设备的传送带的速度或加速度。此外，每个区域12能对应有长度、宽度和几何造形。

用负载计算装置16能够测定生产系统10的负载分布18。取决于生产系统10的运行参量地确定负载分布18，这些运行参量包括生产系统的速度v、加速度a、基础重量m₀和/或随生产系统运动的负载的重量m_L。

图3示出了另一个示图14，其阐明了用于确定生产系统10的能量消耗的方法。为了执行该方法，需要前述负载计算装置16，用其测定生产系统10的负载分布18。能够测定例如一天(86400秒)内的负载分布18。在此，能够在给定的时间区间、例如一秒内分别测定生产系统10的各个区域12的运行参量。

除此之外，为了执行方法，需要能量计算装置20。能够通过相应的程序提供能量计算装置20，该程序在计算机、微处理器、ASIC或者类似物上执行。例如能够将SIZER程序应用为该程序。

为生产系统10存放电机模型22。为此优选地，对生产系统10的每一个区域12来说，把关于生产系统10的部件的信息存储在表格内。电机模型22能够包括电驱动装置、变频器、启动器或者类似物的技术的、电的和/或几何的特征参量。能够通过物理上的测量来测定这些信息。此外，电机模型22能够包括关于生产系统10的各个区域12的尺寸的信息。因此能够存储行李输送带的长度、宽度和可能的空间布局。将电机模型22用作参考。一方面，把电机模型22的数据传送给负载计算装置16，另一方面，把电机模型22的数据传送给数据计算装置24。

能够通过计算装置提供数据计算装置24，在该计算装置上运行程序如Matlab或者C。用数据计算装置24生成能够由能量计算装置20处理的参数文件26。由数据计算装置24根据电机模型22来确定参量文件26。在此，对生产系统10的每一个区域12来说都存在参量文件26。此外，数据计算装置24接收负载分布18的数据，并且将其划分为多个单个文件28，其中，每个单个文件28对应生产系统10的一个区域12。

图2示出的是，参量文件26对应于生产系统10的区域12。参数文件26包括多个行或填写内容。在此，填写内容38对应于生产系统10在区域12内的驱动辊40的直径。

为了确定生产系统10的各个区域2的能量需求，重复地调用能量计算装置20。在此应用相同的参量文件26，但是在每次程序调用时都要提供新的单个文件28，直至用能量计算装置20处理所有的单个文件28。为了能够用数据计算装置24实现对能量计算装置20的程序调用，设置接口30。

在每次程序调用后，用能量计算装置20生成输出文件32。输出文件32包括关于取决于电机模型22和负载分布18的功率消耗或能量消耗的信息。将输出文件32在数据计算装置24处、在此在组块34内进行分析和优化，并且作为能量模型36存储。对生产系统10的所有区域12重复该过程。

接着，为生产系统10的每一个区域12测定能量模型36。为此，首先根据下述方程，详细说明影响生产系统10的能量消耗的运行参量：

\begin{matrix} P_{1} = η_{1} \cdot (m_{0} + m_{L i}) \cdot a_{i} \cdot v_{i} + η_{2} \cdot (m_{0} + m_{L i}) \cdot v_{i}^{2} \\ = η_{1} \cdot m_{0} \cdot a_{i} \cdot v_{i} + η_{1} \cdot m_{L i} \cdot a_{i} \cdot v_{i} + η_{2} \cdot m_{0} \cdot v_{i}^{2} + η_{2} \cdot m_{L i} \cdot v_{i}^{2} \\ = K_{1} \cdot a_{1} \cdot v_{1} + K_{2} \cdot m_{L i}^{*} \cdot a_{1} \cdot v_{1} + K_{3} + v_{i}^{2} + K_{4} \cdot m_{L i} \cdot v_{i}^{2} \end{matrix}

在此，常数K₁至K₄表示了生产系统10的每一个区域12的所谓的功率常数。为了计算功率常数K₁至K₄，也能将数学模型表示为矩阵方程:

[\begin{matrix} \overset{&OverBar;}{P_{1}} \\ \overset{&OverBar;}{P_{2}} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ \overset{&OverBar;}{P_{N}} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \overset{&OverBar;}{α_{1} \cdot v_{1}} & \overset{&OverBar;}{m_{L 1} \cdot α_{1} \cdot v_{1}} & \overset{&OverBar;}{v_{1}^{2}} & \overset{&OverBar;}{m_{L 1} \cdot v_{1}^{2}} \\ \overset{&OverBar;}{α_{2} \cdot v_{2}} & \overset{&OverBar;}{m_{L 2} \cdot α_{2} \cdot v_{2}} & \overset{&OverBar;}{v_{2}^{2}} & \overset{&OverBar;}{m_{L 2} \cdot v_{2}^{2}} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \overset{&OverBar;}{α_{N} \cdot v_{N}} & \overset{&OverBar;}{m_{L n} \cdot α_{n} \cdot v_{n}} & \overset{&OverBar;}{v_{N}^{2}} & \overset{&OverBar;}{m_{L N} \cdot v_{N}^{2}} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} K_{1} \\ K_{2} \\ K_{3} \\ K_{4} \end{matrix}]

在此，上述方程中的脚注N代表传送给能量计算装置20的单个文件28的数量。为了计算功率常数K₁至K₄，为此应用能量需求的、用能量计算装置20测定出的N个估测值来求解矩阵方程。

附加地，为生产系统10的每一个区域12测定一个功率表格。为了该目的，将运行参量中的一个设为恒定的。例如，将速度v设为恒定的，并且确定负载的重量m_L。代替功率表格，能够提供简化的方程：

p_i＝C₁·(m₀+m_L)+C₂

在最后一个步骤中扩展负载计算装置16，从而能够用其测定时变的负载生产系统10的能量消耗或功率消耗。当开始计算或模拟时，负载计算装置16为生产系统10的每一个区域12计算当前的能量消耗或功率消耗。为了该目的，应用生产系统10的运行参量。在此，把生产系统10的一个区域12的速度v在连续的时间点上相互进行比较。如果速度v没有改变，则根据功率表格或者简化方程，取决于时变的负载的重量m_L地测定系统10的能量消耗。如果速度v改变，则根据数学方程或者矩阵方程测定能量消耗。

例如，行李传送系统起初处于休眠状态并且以0.3m/s的最小速度v运动。当行李件到达时，行李传送系统的速度v加速直至达到例如2m/s的最大速度。在此，行李传送系统的加速度a是能够预先给定的。在加速期间，速度v、加速度a、质量m₀和负载的重量m_L是变量。在这种情况下，应用数学方程来测定行李传送系统或生产系统10的能量消耗。但是，如果行李传送系统达到了最大速度v，则唯一的变量就是总重量(m₀+m_L)。在这种情况下引入功率表格，以便取决于当前总重量地测定能量消耗。

接着，如果不运输行李件并且将总重量设为零，则用负载计算装置16给出信号，由此逐步地减小生产系统10的速度v。直至达到了最小速度，才引入数学方程，用以确定当前的能量消耗。

如果例如行李件的数目并且因此在各个区域12上的总负载改变，情况能够是这样的，即用负载计算装置16不再能够测定能量消耗。在这种情况下，给出对负载分布18的完整的描述。再次调用能量计算装置20，用以更新功率表格。负载计算装置16能够利用所更新的功率表格来运行生产系统。

参考标号表

10 生产系统

12 区域

14 示图

16 负载计算装置

18 负载分布

20 能量计算装置

22 电机模型

24 数据计算装置

26 参数文件

28 单个文件

30 接口

32 输出文件

34 组块

36 能量模型

38 登记

40 驱动辊

a 加速度

m₀ 基础重量

m_L 重量

v 速度。

Claims

1.一种用于确定生产系统(10)的能量消耗的方法，具有步骤：

a)取决于所述生产系统的运行参量地，用负载计算装置(16)确定所述生产系统(10)的负载分布(18)，所述运行参量描述了所述生产系统的速度、加速度、基础重量和/或负载的重量；

b)根据所述生产系统(10)的所确定的所述负载分布(18)和电机模型(22)，用能量计算装置(20)估测所述生产系统(10)的能量需求；

c)根据所估测的所述能量需求，确定所述生产系统(10)的能量模型(36)，其中，将所述运行参量中的至少一个设为恒定的，并且取决于未设为恒定的所述运行参量地确定功率表格；并且

d)取决于所述能量模型(36)和利用所述生产系统(10)所输送和/或处理的负载，用所述负载计算装置(16)确定所述生产系统(10)的所述能量消耗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述生产系统(10)划分为各个区域(12)，并且对所述区域(12)中的每一个执行所述方法。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤a)内，取决于所述生产系统(10)的运行参量，确定所述负载分布(18)，所述运行参量描述了所述生产系统(10)的速度(v)、加速度(a)、基础重量(m₀)和/或所述负载的重量(m_L)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤b)内，取决于所述生产系统(10)的驱动装置的特征参量和所述生产系统(10)的尺寸，确定所述电机模型(22)。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤b)内，取决于所述生产系统(10)的驱动装置的特征参量和所述生产系统(10)的尺寸，确定所述电机模型(22)。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤c)内，取决于所述生产系统(10)的所述运行参量，确定所述能量模型(36)。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤c)内，取决于所述生产系统(10)的所述运行参量，确定所述能量模型(36)。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据测量来测定所述生产系统(10)的所述运行参量中的至少一个。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据测量来测定所述生产系统(10)的所述运行参量中的至少一个。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)内，取决于所述能量模型(36)或所述功率表格，确定所述生产系统(10)的所述能量消耗。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤d)内，在至少两个连续的时间点检查所述运行参量中的至少一个以用于确定所述能量消耗。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤d)内，在至少两个连续的时间点检查所述运行参量中的至少一个以用于确定所述能量消耗。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤d)内，在至少两个连续的时间点检查所述运行参量中的至少一个以用于确定所述能量消耗。

14.一种用于运行生产系统(10)的方法，其特征在于，取决于用根据权利要求1至13中任一项所述的方法所确定的能量消耗，运行所述生产系统(10)。