CN110889639A - 一种多机生产线的能量服务化系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多机生产线的能量服务化系统及控制方法，该系统是由驱动系统、执行装置、能量供应总线和控制中组成，是将能量作为一种服务高能效地提供给生产线中需求能量的任务；将生产线中各机器重新组织形成驱动系统、能量供应总线以及执行装置三类可控实体，并为其配备控制中心，工作过程中执行装置开始加工对应任务阶段时，提出能量需求，控制系统响应需求，选择处于空闲状态并且能够高能效完成工作阶段的子驱动系统通过能量供应总线，为对应的执行装置提供能量服务，提高多机生产线的能量效率。

Description

一种多机生产线的能量服务化系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及多机生产线加工领域，具体的说是一种多机生产线的能量服务化系统及其方法。

背景技术

生产线具有生产效率高、能完成一个零件多道工序甚至全部工序等优点，广泛应用于制造业中。生产线上的执行装置一个接一个地完成生产任务，实现多道不同工序的连续加工。但每台执行装置在一个工作周期中，不同阶段的能量需求差异性较大，实际加工过程的能量需求较其他辅助阶段的能量需求更大，导致了能量供应和负载需求之间匹配程度较低，造成生产线大量能量损失。

此外，对于每个加工过程，其零件轮廓取决于前一个过程，并且影响下一个过程的轮廓，因此通过改变加工流程实现降低能耗是十分困难的。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种多机生产线的能量服务化系统及其控制方法，以期能通过能量供应总线，高能效不冲突地供应给生产线上需求能量的任务，从而提升生产线的能量效率，减少生产线一个工作周期中的能量损失。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种多机生产线的能量服务化系统的特点包括：驱动系统、执行装置、能量供应总线和控制中心；

所述驱动系统是由m个驱动单元AG＝{AG₁,AG₂,…,AG_i,…,AG_m}组成，并用于为所述执行装置提供能量，其中，AG_i表示第i个驱动单元，i∈{1,2,...,m}；记第i个驱动单元AG_i的额定功率为PR_i；

所述执行装置是由n个执行单元CL＝{CL₁,CL₂,…,CL_j,…,CL_n}组成，并用于完成生产线的加工任务，其中，CL_j表示第j个执行单元，j∈{1,2,...,n}；

所述控制中心用于监测和控制各个驱动单元以及所述能量供应总线的开关状态；

所述能量供应总线是由m个独立单元组成，并用于将第i个驱动单元AG_i的输出能量形式转换为第j个执行单元所需的能量形式；令每个独立单元由入口A端和出口B端构成，其中，与第i个驱动单元AG_i相连的入口A端，记为IN_i；且第i个入口A端IN_i所对应的出口B端有n个出口，并依次与第1个执行单元CL₁至第n个执行单元CL_n相连，其中，与第j个执行单元CL_j相连的出口记为OU_ij；并在出口OU_ij上设置有开关SW_ij，当开关SW_ij关闭时，第i个入口A端IN_i与出口OU_ij接通，第i个驱动单元AG_i能为第j个执行单元CL_j提供能量；

令加工任务是由n个子任务TA＝{TA₁,TA₂,…,TA_j,…,TA_n}组成，其中，TA_j表示第j个子任务；第j个子任务TA_j在第j个执行单元CL上完成加工；所述第j个子任务TA是由k_j个不同工艺过程中功率需求近似的加工阶段组成，其中，利用式(1)得到任意第a个加工阶段的功率相似度

且满足式(2)：

式(1)中，

为所述第a个加工阶段的结束时间和开始时间，

为所述第a个加工阶段所需求的势，

为所述第a加工阶段需求的流，a∈{1,2,...,k_j}；

式(2)中，Sy_j为第j个给定的功率相似度范围，且处在[0，1]之间；

所述工艺过程是由D个工序{PRO₁,PRO₂,…,PRO_d,…,PRO_D}组成，其中，PRO_d表示第d个工序，令第d个工序PRO_d包含k_d个加工阶段，且满足式(3)：

所述第d个工艺PRO_d的加工阶段顺次连完成，且满足式(4)：

令

表示所述第d个工序PRO_d中的第r个加工阶段为第j个子任务TA_j中的第a个加工阶段；

所述第j个执行单元CL_j的输出功率Pn_j与对应加工任务的需求功率满足式(5)：

本发明所述的能量服务化系统的控制方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1：启动所述驱动系统中m个驱动单元AG₁,AG₂,…,AG_i,…,AG_m；并打开能量供应总线的所有开关{SW_ij|i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n}，使得各驱动单元处于空闲状态，并将当前的空闲状态发送给所述控制中心；

步骤2：定义并初始化循环变量x＝2；

步骤3：初始化d＝1；

步骤4：初始化r＝1；

步骤5：判断r+d是否等于x,若成立，则执行步骤6-步骤9，否则，执行步骤10；

步骤6：利用式(6)计算第d个工序PRO_d中的第r个加工阶段

的平均功率

步骤7：根据所述平均功率

第j个执行单元CL_j向所述控制中心发出能量服务请求，所述控制中心根据平均功率

利用式(7)选出当前驱动系统中处于空闲状态驱动效率最高的驱动单元AG_ζ为第j个执行单元CL_j提供能量，其中，AG_ζ∈AG：

步骤8：所述驱动系统响应所述能量服务请求，并关闭能量供应总线中最小的驱动单元AG_ζ驱动第j个执行装置CL_j的开关SW_ζj，从而开始执行加工阶段

并在所述控制中心将最小的驱动单元AG_ζ的状态标记为忙碌；

步骤9：当加工阶段

完成后，打开相应的开关SW_ζj，并将所述最小的驱动单元AG_ζ的状态标记为空闲；

步骤10：将r+1赋值给r后，判断r>k_d是否成立，若成立，则执行步骤11，否则，执行步骤5；

步骤11：将d+1赋值给d后，判断d>D是否成立，若成立，则执行步骤12，否则，执行步骤4：

步骤12：将x+1赋值给x后,判断x>(max{k_d}+D)，若成立，则执行步骤13，否则，执行步骤3；

步骤13：关闭所述驱动系统中m个驱动单元AG₁,AG₂,…,AG_i,…,AGm；关闭能量供应总线的所有开关。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过驱动系统集中供应能量服务，响应任务中各工作阶段能量请求，高能效的完成加工任务的各个阶段，提高了生产线的能量效率；

2、本发明通过按功率需求相似度将多个阶段组合成一个任务，选择与对应任务功率需求相匹配的执行单元，并选择能为对应任务中所有阶段提供高能效能量服务的驱动单元，提高了驱动系统与任务的匹配程度，减少了生产线能量消耗；

3、本发明通过请求能量服务与应答能量服务结合的方式，实现了生产过程中能量供应的的动态调度，达到了制造过程中能量的进一步匹配，提高了多机生产线的柔性。

附图说明

图1为本发明驱动系统、执行装置与能量供应总线；

图2为本发明能量服务化系统控制方法。

具体实施方式

本实施例中，一种多机生产线的能量服务化系统包括：驱动系统、执行装置、能量供应总线和控制中心；

驱动系统是由m个驱动单元AG＝{AG₁,AG₂,…,AG_i,…,AG_m}组成，并用于为执行装置提供能量，其中，AG_i表示第i个驱动单元，i∈{1,2,...,m}；记第i个驱动单元AG_i的额定功率为PR_i；驱动单元的构成根据执行装置需求的能量形式进行配置，输出的能量形式可以为液压能、机械能，实现形式分别是电动机-泵、电动机。

执行装置是由n个执行单元CL＝{CL₁,CL₂,…,CL_j,…,CL_n}组成，并用于完成生产线的加工任务，其中，CL_j表示第j个执行单元，j∈{1,2,...,n}；执行单元为机床的机械结构部分。

控制中心用于监测和控制各个驱动单元以及能量供应总线的开关状态；通过对系统各部件的实时监测和控制实现。

能量供应总线是由m个独立单元组成，并用于将第i个驱动单元AG_i的输出能量形式转换为第j个执行单元所需的能量形式；令每个独立单元由入口A端和出口B端构成，其中，与第i个驱动单元AG_i相连的入口A端，记为IN_i；且第i个入口A端IN_i所对应的出口B端有n个出口，并依次与第1个执行单元CL₁至第n个执行单元CL_n相连，其中，与第j个执行单元CL_j相连的出口记为OU_ij；并在出口OU_ij上设置有开关SW_ij，当开关SW_ij关闭时，第i个入口A端IN_i与出口OU_ij接通，第i个驱动单元AG_i能为第j个执行单元CL_j提供能量；如图1所示。

令加工任务是由n个子任务TA＝{TA₁,TA₂,…,TA_j,…,TA_n}组成，其中，TA_j表示第j个子任务；第j个子任务TA_j在第j个执行单元CL上完成加工；第j个子任务TA是由k_j个不同工艺过程中功率需求近似的加工阶段组成，其中，利用式(1)得到任意第a个加工阶段的功率相似度

且满足式(2)：

式(1)中，

为第a个加工阶段的结束时间和开始时间，

为第a个加工阶段所需求的势，

为第a加工阶段需求的流，a∈{1,2,...,k_j}；

式(2)中，Sy_j为第j个给定的功率相似度范围，且处在[0，1]之间；

工艺过程是由D个工序{PRO₁,PRO₂,…,PRO_d,…,PRO_D}组成，其中，PRO_d表示第d个工序，令第d个工序PRO_d包含k_d个加工阶段，且满足式(3)：

第d个工艺PRO_d的加工阶段顺次连完成，且满足式(4)：

令

表示第d个工序PRO_d中的第r个加工阶段为第j个子任务TA_j中的第a个加工阶段；

第j个执行单元CL_j的输出功率Pn_j与对应加工任务的需求功率满足式(5)：

本实施例中，如图2所示，一种能量服务化系统的控制方法是按如下步骤进行：

步骤1：启动驱动系统中m个驱动单元AG₁,AG₂,…,AG_i,…,AG_m；并打开能量供应总线的所有开关{SW_ij|i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n}，使得各驱动单元处于空闲状态，并将当前的空闲状态发送给控制中心；

步骤2：定义并初始化循环变量x＝2；

步骤3：初始化d＝1；

步骤4：初始化r＝1；

步骤5：判断r+d是否等于x,若成立，则执行步骤6-步骤9，否则，执行步骤10；

步骤6：利用式(6)计算第d个工序PRO_d中的第r个加工阶段

的平均功率

步骤7：根据平均功率

第j个执行单元CL_j向控制中心发出能量服务请求，控制中心根据平均功率

利用式(7)选出当前驱动系统中处于空闲状态驱动效率最高的驱动单元AG_ζ为第j个执行单元CL_j提供能量，其中，AG_ζ∈AG：

步骤8：驱动系统响应能量服务请求，并关闭能量供应总线中最小的驱动单元AG_ζ驱动第j个执行装置CL_j的开关SW_ζj，从而开始执行加工阶段

并在控制中心将最小的驱动单元AG_ζ的状态标记为忙碌；

步骤9：当加工阶段

完成后，打开相应的开关SW_ζj，并将最小的驱动单元AG_ζ的状态标记为空闲；

步骤10：将r+1赋值给r后，判断r>k_d是否成立，若成立，则执行步骤11，否则，执行步骤5；

步骤11：将d+1赋值给d后，判断d>D是否成立，若成立，则执行步骤12，否则，执行步骤4：

步骤12：将x+1赋值给x后,判断x>(max{k_d}+D)，若成立，则执行步骤13，否则，执行步骤3；

步骤13：关闭驱动系统中m个驱动单元AG₁,AG₂,…,AG_i,…,AGm；关闭能量供应总线的所有开关。任务结束时各开关的状态，可根据驱动单元的需求，设置为开或者关。

Claims (2)

1.一种多机生产线的能量服务化系统，其特征包括：驱动系统、执行装置、能量供应总线和控制中心；

所述驱动系统是由m个驱动单元AG＝{AG₁,AG₂,…,AG_i,…,AG_m}组成，并用于为所述执行装置提供能量，其中，AG_i表示第i个驱动单元，i∈{1,2,...,m}；记第i个驱动单元AG_i的额定功率为PR_i；

所述执行装置是由n个执行单元CL＝{CL₁,CL₂,…,CL_j,…,CL_n}组成，并用于完成生产线的加工任务，其中，CL_j表示第j个执行单元，j∈{1,2,...,n}；

所述控制中心用于监测和控制各个驱动单元以及所述能量供应总线的开关状态；

所述能量供应总线是由m个独立单元组成，并用于将第i个驱动单元AG_i的输出能量形式转换为第j个执行单元所需的能量形式；令每个独立单元由入口A端和出口B端构成，其中，与第i个驱动单元AG_i相连的入口A端，记为IN_i；且第i个入口A端IN_i所对应的出口B端有n个出口，并依次与第1个执行单元CL₁至第n个执行单元CL_n相连，其中，与第j个执行单元CL_j相连的出口记为OU_ij；并在出口OU_ij上设置有开关SW_ij，当开关SW_ij关闭时，第i个入口A端IN_i与出口OU_ij接通，第i个驱动单元AG_i能为第j个执行单元CL_j提供能量；

令加工任务是由n个子任务TA＝{TA₁,TA₂,…,TA_j,…,TA_n}组成，其中，TA_j表示第j个子任务；第j个子任务TA_j在第j个执行单元CL上完成加工；所述第j个子任务TA是由k_j个不同工艺过程中功率需求近似的加工阶段组成，其中，利用式(1)得到任意第a个加工阶段的功率相似度

且满足式(2)：

式(1)中，

为所述第a个加工阶段的结束时间和开始时间，

为所述第a个加工阶段所需求的势，

为所述第a加工阶段需求的流，a∈{1,2,...,k_j}；

式(2)中，Sy_j为第j个给定的功率相似度范围，且处在[0，1]之间；

所述工艺过程是由D个工序{PRO₁,PRO₂,…,PRO_d,…,PRO_D}组成，其中，PRO_d表示第d个工序，令第d个工序PRO_d包含k_d个加工阶段，且满足式(3)：

所述第d个工艺PRO_d的加工阶段顺次连完成，且满足式(4)：

令

表示所述第d个工序PRO_d中的第r个加工阶段为第j个子任务TA_j中的第a个加工阶段；

所述第j个执行单元CL_j的输出功率Pn_j与对应加工任务的需求功率满足式(5)：

2.根据权利要求1所述的能量服务化系统的控制方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1：启动所述驱动系统中m个驱动单元AG₁,AG₂,…,AG_i,…,AG_m；并打开能量供应总线的所有开关{SW_ij|i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n}，使得各驱动单元处于空闲状态，并将当前的空闲状态发送给所述控制中心；

步骤2：定义并初始化循环变量x＝2；

步骤3：初始化d＝1；

步骤4：初始化r＝1；

步骤5：判断r+d是否等于x,若成立，则执行步骤6-步骤9，否则，执行步骤10；

步骤6：利用式(6)计算第d个工序PRO_d中的第r个加工阶段

的平均功率

步骤7：根据所述平均功率

第j个执行单元CL_j向所述控制中心发出能量服务请求，所述控制中心根据平均功率

利用式(7)选出当前驱动系统中处于空闲状态驱动效率最高的驱动单元AG_ζ为第j个执行单元CL_j提供能量，其中，AG_ζ∈AG：

步骤8：所述驱动系统响应所述能量服务请求，并关闭能量供应总线中最小的驱动单元AG_ζ驱动第j个执行装置CL_j的开关SW_ζj，从而开始执行加工阶段

并在所述控制中心将最小的驱动单元AG_ζ的状态标记为忙碌；

步骤9：当加工阶段

完成后，打开相应的开关SW_ζj，并将所述最小的驱动单元AG_ζ的状态标记为空闲；

步骤10：将r+1赋值给r后，判断r>k_d是否成立，若成立，则执行步骤11，否则，执行步骤5；

步骤11：将d+1赋值给d后，判断d>D是否成立，若成立，则执行步骤12，否则，执行步骤4：

步骤12：将x+1赋值给x后,判断x>(max{k_d}+D)，若成立，则执行步骤13，否则，执行步骤3；

步骤13：关闭所述驱动系统中m个驱动单元AG₁,AG₂,…,AG_i,…,AGm；关闭能量供应总线的所有开关。

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