机械制造系统碳排放动态特性建模方法

机械制造系统碳排放动态特性建模方法

摘要:基于工厂、车间、制造、生产设备层级机械制造系统的碳排放源与碳流率,构建碳排放动态特性模型,以碳流特性与碳排放在生产扰动的动态响应为基础,提出机械制造系统碳排放动态特性表征方式,面向各个层级机械制造系统空间与时域差异性,构建碳效率评估指标。以齿轮制造车间碳排放为例对动态特性参考模型进行了实践验证,结果表明此方法具备一定有效性与可靠性,值得机械制造系统广泛应用。

关键词:机械制造系统;碳排放;动态特性;建模方法

在全球气球变暖趋势下,能源资源问题开始备受关注。就人类进入工业时代以来,便开始大量释放二氧化碳,造成了严重的温室效应。所以,工业机械生产制造过程中,进一步优化碳效率势在必行。机械制造具有一定的动态性与开放性,过于繁杂,既涉猎能源与物资输入输出,又包含生产物料产生。在生产时,极易发生碳排放,其驱动力在于生产任务,主要受生产计划与调度安排所影响,是可控的。为动态化管控机械制造的碳排放,据此引进了碳效率,即机械制造时碳排放达到既定数量时,需实现的生产目标。碳效率引进切实反映出来机械制造碳排放的动态化流程,所以为保障企业健康稳定发展,必须优化碳效率。

1机械制造层级结构与碳排放特性

机械制造具备多工艺与多设备特性,且运行高度非线性,碳排放过于繁杂,导致辨别难度较大,以此直接阻碍了碳排放量化分析。所以,需基于机械制造层级结构与能源资源流、信息流分析,详细探究碳排放动态特性。

2碳流动态特性

2.1输入输出特性

2.1.1设备级层

机械制造加工设备为系统最小物理单元,直接消费物流与能源,贡献碳排放。设备级层碳流率主要是有不同碳源耦合所得。并且机床设备运行时,碳流率与其运行状态密切关联,主要是由于机床包含各种能耗构件,在运行状态不同条件下,会产生相应类型与数量机床能耗构件势能,以造成碳流率备受状态转移局限。

2.1.2制造单元级层

制造单元级层包括大量加工设备与构件装卸设备,基于自上而下顺序,分层优化上级给定生产任务,高效应用加工设备与其他资源,动态化调整实际作业与资源,所以,碳流主要来源设备完成任务所产生的能源资源消耗,其碳源是设备碳源的集合。

2.1.3车间级层

机械制造车间级层包含大量制造单元,运行时包含管理与技术纵向主线、原料输入输出横向生产主线。基于自上而下视角,车间级层管理根据作业计划划分生产任务,转变为可落实工序计划,在实施时,一旦执行情况偏离计划,则及时采取有效管控策略最大程度上缩小偏差,其碳源为单元级层碳源集合。

2.1.4工厂级层

工厂级层生产涉及各式各样构件制造车间与产品装配等生产车间,针对企业全面的战略规划,着眼于自上而下视角,工厂级层碳源为车间碳源集合,并且不同的时刻,碳排放源输入率也存在一定差异[3]。

2.2交叉重合特性

不同层级碳排放的动态特性存在既定差异,即时间域与空间域,所以碳排放较差重合特性即基于自上而上角度,碳排放时间域分解特性;基于自下而上角度,碳排放空间域集成特性。其中低层级碳流率在时间域内通过既定时期之后积累而成高层级碳流率,以碳排放的时间域特性进一步划分成不同层级碳排放动态化流程,基于对其仿真模拟为后续建模奠定基础依据。碳排放交叉重合特性同时体现于基于自下而上的空间域集成特性,其上层级碳排放为下层级碳源集成[4]。

2.3碳流边界与物能平衡

机械制造系统运行时,碳流动态特性表征于时间演变,引发的物料输入输出、能源消耗、废弃物排放处理等动态化流程,以此生成碳排放。基于物料流与能量流深层探析,构建碳硫系统边界,通过边界对机械制造系统生产结构与运行方式、物能平衡方程进行探究,以获得碳排放计算模型与碳效率评估指标,进而为碳流动态模型构建提供数量分析依据[5]。

3碳排放计算模型构建

碳源主要是物料与能源消耗。物料消耗即原料与工艺物料消耗,其中原料消耗就是材料去除量受设计与原料属性影响,无关于加工,所以着重于工艺物料消耗碳排放;能源消耗即电能等能源消耗。据此碳排放计算模型需基于一次能源、二次能源、电能、工艺物料等碳排放。

4碳效率评估指标体系构建

相同机械制造系统依旧需采取针对性评估指标,以此评估优化前后具体差异,以科学评估并了解系统优劣[7]。

4.1时间指标

基于单位时间,有机联系系统碳排放量与时间,以表明既定单位时间碳排放量越小,系统排放综合效益越好。

4.2产值指标

基于单位产值,有机联系系统碳排放量与产值,以表明系统生产环节碳排放产值效率,即产品附带碳排放量;既定单位产值碳排放量越小,效益越好。

4.3产品指标

基于单位产品,有机联系系统碳排放量与产品数量,以表明系统生产环节碳排放产量效益,即产品附带碳排放量;既定单位产品碳排放量越小,效益越好。

5动态特性建模模块

基于自下而上顺序与Petri网建模理念,构建机械制造系统碳流动态特性建模模块,其核心理念在于划分为合并与分解两大环节。合并就是根据相关规则整合全部子模块为整体的可描述实际系统的模型;分解则根据系统生产特性,通过Petri网建模理念,划分为相联子模块,即供应商、制造、装配、分解、运输、控制等不同模块。其中,制造、装配与分解属于典型模块,由于系统运行动态流程中,在不同因素与信息影响下,工作组会实时转变生产控制策略,确保与实际生产需要相符。而这些模块的模型构建原理相似,因此选择制造模块为例,分析碳流动态特性建模方法。多零件加工的柔性制造单元碳流动态建模模块包含离散与连续两部分,根据使能与激发原则,批量生产多类型零件。离散部分包含代表执行流程的控制器,以控制零件加工生产,主要是由离散库所、变迁、连接弧构成,其中离散库所表征控制信息具体状态,变迁表征状态实时变化。连续部分代表生产运行流程,主要包含连续库所、变迁、连接弧,其中连续库所负责详细描述资源实效性,变迁表征工作组生产运行过程[8]。

6实践应用

以某齿轮生产车间为例探究碳排放动态特性,车间包含a1与a2生产线,以生产不同类型产品。基于设备电能、切削液、切削、废品碳排放,其中设备电能消耗可就生产状态功率与时间加以估算。为简化生产线碳源,并未考虑设备传输过程中的碳排放,只基于电能消耗、切削、辅助物料三类碳源,通过车间、生产线、设备运行时碳排放动态耦合集成关系,了解碳排放主要来源。其中,车间碳排放曲线斜率最大,a2生产线最小,所以a2碳效率最优,而系统具备学习效应,使得生产效率提升,在产量增大趋势下,碳排放曲线斜率逐步缩小,也就是相同数量产品加工碳排放在慢慢变少,但是系统性能稳定性与可靠性较好,所以曲线斜率并未发生明显变化。

7结语

综上所述,作为新型机械制造模式,低碳制造基于能源资源高效应用,促使碳排放强度下降,因此备受工业与学术行业积极关注。随着制造行业的发展,能源需求量加大,深入探究制造行业碳流动态特性,有助于推动制造行业实现产业化转型。据此,文章基于混合状态空间理论,以Petri网构建并实现了机械制造系统碳排放动态特性建模,基于系统边界,详细分析碳流动态特性,通过Petri网面向碳流特性建模,最后以齿轮制造车间碳排放为例对动态特性参考模型进行了实践验证,结果表明此方法具备一定有效性与可靠性,值得机械制造系统广泛应用。

参考文献

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[2]尹久.基于一阶混合Petri网的机械制造系统碳流动态模型及应用[D].重庆:重庆大学,2012.

[3]刘彩虹.机械制造系统碳排放动态特性及其碳效率评估优化方法研究[J].科技展望,2015,25(04):68.

[4]李先广,李聪波,刘飞,等.基于Petri网的机床制造过程碳排放建模与量化方法[J].计算机集成制造系统(12):147-159.

[5]尹久,曹华军,杜彦斌.基于扩展一阶混合Petri网的机械制造系统碳流动态建模方法[J].机械工程学报,2011,47(23):152-160.

[6]徐兴硕.基于碳排放的机加工工艺方案评估与参数优化[D].山东:山东大学,2017.

[7]李洪丞.机械制造系统碳排放动态特性及其碳效率评估优化方法研究[D].重庆:重庆大学,2014.

[8]黄芳,江可申.我国居民生活消费碳排放的动态特征及影响因素分析[J].系统工程,2013(1):52-60.

[9]朱硕,张华,江志刚,等.基于DEVS的机械加工过程碳排放多粒度动态模型构建及仿真[J].机械工程学报,2018,54(19):158-169.

作者:王婷 单位:西安航空职业技术学院