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硕士论文面向节能减排的锻造生产调度方法研究 摘要 i t i if1 l ll llii ii i iiiii y 2 0 6 17 4 5 节能减排是当今社会的一个研究热点，制造企业作为能源最大的消费者和排放 的最大产生者，更是要承担节能减排的重任。生产加工过程是制造企业实现节能减 排时主要考虑的环节，节能减排的实现有多种途径，但是关于通过调度的手段来实 现节能减排的研究目前还比较少。本文以锻造行业的自由锻生产为研究对象，研究 其调度方法，保证了生产的高效率，并且考虑了节能与减排的目标，顺应了我国的 可持续发展战略。 首先提出了面向节能减排的生产调度问题及其系统描述。结合对传统调度理论 的研究，分析其定义以及相关的描述，提出了面向节能减排的生产调度的问题，在 此基础上提出了面向节能减排的生产调度体系。 接着建立了面向节能减排的锻造生产调度的总体模型。通过建立自由锻造生产 的资源环境过程模型，并对其中资源消耗和环境影响进行具体分析，结合传统调度 理论，建立了面向节能减排的锻造生产调度的总体模型，并且对总体模型中的调度 目标集、资源环境系数矩阵和调度模型的构成进行了分析。 然后实现了面向节能减排的锻造生产的调度过程。在总体模型研究的基础上， 选定了调度目标与调度流程，建立了调度的予模型，并且结合具体数据实现了面向 节能减排的锻造生产调度，其中重点研究了能耗与排放系数矩阵的建立方法、各个 子模型的算法及求解流程。 最后结合前面研究的调度方法设计并开发了面向节能减排的锻造生产调度系 统。给出了系统的总体设计，对各功能模块以及数据库表单进行了设计，展示了系 统开发完善后的功能以及运行流程。 关键词：锻造，生产调度，节能，减排 硕士论文 面向节能减排的锻造生产调度方法研究 a b s t r a c t n o w a d a y s ，e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o ni sar e s e a r c hf o c u s a st h eb i g g e s t c x ) n s u m e ro fe n e r g ya n dt h eb i g g e s tp r o d u c e ro fe m i s s i o n ，m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa r e u n d e r t a k i n gm o r er e s p o n s i b i l i t i e so fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n t or e a l i z e e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o no fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，t h ep r o c e s s o f p r o d u c t i o na n dm a n u f a c t u r i n gi sa ni m p o r t a n tl i n kt oc o n s i d e r , a n dt h e r ea r ek i n d so f m e t h o d st or e a l i z ei t h o w e v e r , t h er e s e a r c ho ne n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n t h r o u g ht h ew a yo fs c h e d u l i n gi sr a r e l ys t u d i e d t a k i n gf r e ef o r g i n gp r o c e s s i n go ff o r g i n g i n d u s t r ya st h er e s e a r c ho b j e c t , t h i sp a p e rs t u d i e st h es c h e d u l i n gm e t h o do fi tt oe n s u e t h eh i g he f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n 、柑t l lt h ec o n s i d e r a t i o no fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o nt a r g e tc o n f o r m i n gt ot h es t r a t e g yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y f i r s t l y , t h es c h e d u l i n gp r o b l e mf o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o na n dt h e s c h e m a t i cd e s c r i p t i o no ft h i sp r o b l e mh a v e b e e np r o p o s e d w i t ht h er e s e a r c ho f t r a d i t i o n a ls c h e d u l i n gt h e o r y , a n a l y z i n gi t sd e f i n i t i o na n dt h e r e l a t e dd e s c r i p t i o n , t h e s c h e d u l i n gp m b l e mf o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nh a sb e e np r e s e n t e d a st h e b a s i so ft h ep r o b l e m ，t h es y s t e mo fs c h e d u l i n gf o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n h a sb e e np r e s e n t e d s e c o n d l y , t h eh o l i s t i em o d e lo ff o r g i n gs c h e d u l i n gf o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d w i t ht h ee s t a b l i s h m e n to fr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t p r o c e s sm o d e l ，a n dt h es p e c i f i ca n a l y s i so fr e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a l i m p a c t so ff r e ef o r 妇, a n dt r a d i t i o n a ls c h e d u l i n gt h e o r y , t h eh o l i s t i em o d e lo ff o r g i n g s c h e d u l i n gf o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nh a sb e e np r e s e n t e d a n dt h e s c h e d u l i n go b j e c t i v es e t sa n dt h ec o e f f i c i e n tm a t r i xa b o u tr e s o u r e ea n de n v i r o n m e n ta n d t h ec o m p o s i t i o no ft h es c h e d u l i n gm o d e lh a v eb e e na n a l y z e d t h i r d l y , t h ep r o c e s so ff o r g i n gs c h e d u l i n gf o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n h a sb e e nr e a l i z e d w i t ht h eb a s i so ft h er e s e a r c ho ft h eh o l i s t i cm o d e l ，t h es c h e d u l i n g o b j e c t i v ea n dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s sh a v eb e e ns e l e c t e d ，a n dt h es u bm o d e l so fs c h e d u l i n g h a v eb e e ne s t a b l i s h e d n l ef o r g i n gs c h e d u l i n gf o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n h a sb e e nr e a l i z e db yu s i n ga c t u a ld a t a , i nw h i c h ，t h ee s t a b l i s h i n gm e t h o do ft h e c o e f f i c i e n tm a t r i xa b o u te n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o na n dt h ea l g o r i t h ma n ds o l u t i o n p r o c e s so ft h es u bm o d e l sh a v eb e e nf o c u s e do n u l t i m a t e l y , t h es y s t e mo ff o r g i n gs c h e d u l i n g f o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n i i i 硕士论文 r e d u c t i o nh a sb e e nd e s i g n e da n db e e nd e v e l o p e dw i t l lt h es c h e d u l i n gm e t h o dr e s e a r c h e d b e f o r e t h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e mh a sb e e np r o p o s e d ，a n dt h ef u n c t i o nm o d u l e s a n dt h ed a t a b a s ef o r m sh a v eb e e nd e s i g n e d t h ef u n c t i o na n dt h eo p e r a t i o np r o c e s so ft h e d e v e l o p e ds y s t e mh a v e b e e nd i s p l a y e d k e yw o r d s ：f o r g i n g ，s c h e d u l i n g ，e n e r g ys a v i n g ，e m i s s i o nr e d u c t i o n 1 v 硕士论文面向节能减排的锻造生产调度方法研究 1 绪论 1 1 论文选题背景 随着科技的进步和社会的发展，人们意识到制造业不能只是一味地追求产量和 效益，还要考虑生产活动对自然环境带来的影响，这一理念也致使制造模式发生了 改变。最初的制造活动，其目的是批量生产，从而满足人们生活的必须，所以，那 时的制造模式是以产品为中心；随着时间的推移，市场竞争逐渐激烈，卖方市场向 着买房市场发展，制造模式变成了以市场为中心；但是，再生产过程中，一方面， 消耗了巨大的能源，一方面，对环境造成了严重的污染，环境受到影响，对人类生 存也带来考验，所以，必须寻求一种新的制造模式：环境友好型生产模式 1 】。 环境友好型生产模式考虑到了制造业的可持续发展，而这一模式的核心内容就 是节能减排。在企业制造过程中，从研发、生产到报废的整个周期，提高对资源的 利用效率，降低排放和污染，既树立了良好的企业形象，又保证了尽可能地减少对 环境造成的负面影响。 最近三十多年，我国的工业生产规模取得了前所未有的发展，但与此同时，与之 前西方发达国家类似的因无休止发展而遭受的资源环境问题，也在中国工业发展的十 几年里突显出来。这种以牺牲人类赖以生存的资源和环境为代价的发展道路，使我国 的资源、环境和生态面临严峻挑战。表1 1 为近几年世界和我国主要能源的消费量1 2 1 。 可以看出，无论是我国、还是世界，主要能源消费量是逐年递增的，目前使用的主要 能源都是不可再生能源，在保证生产高效完成的情况下提高能源利用率刻不容缓。 表1 1 近几年我国及世界主要能源消费量 石油消费量煤炭消费量天然气消费量 年份 ( 百万吨)( 百万吨油当量)( 1 0 亿立方米) 中国世界中国世界中国世界 2 0 0 63 5 1 23 9 4 5 31 3 4 3 93 1 6 4 55 6 12 8 4 2 4 2 0 0 73 6 9 34 0 0 7 31 4 3 8 43 3 0 5 67 0 52 9 4 7 4 2 0 0 83 7 63 9 9 6 51 4 7 9 33 3 4 1 7 8 1 3 3 0 2 6 4 2 0 0 93 8 8 23 9 0 8 71 5 5 6 83 3 0 5 68 9 52 9 5 0 2 2 0 l o4 2 8 64 0 2 8 1】7 1 3 53 5 5 5 81 0 9 03 1 6 9 0 全世界的工业生产规模越来越大，也带来了越来越多的各种废弃排放物，排放 物的处理是一项艰巨的任务，需要在各个行业和各个企业中具体落实。表1 2 给出 了前几年我国工业废气的排放和处理情况【3 。】。可以看出，废气的总量虽然是呈增加 的趋势，但是，随着科技的进步和人们环保意识的提高，越来越多的排放物被处理 l 绪论硕士论文 和回收，所以，排放量呈逐年减少的趋势。尽管如此，减少排放还是人类艰巨的任 务，要可持续发展，就要大力加强这方面的意识和技术，尽可能地向着“零排放 的目标努力。 表1 2 近几年我国工业废气排放和处理情况 工业二氧化硫( 万吨)工业烟尘( 万吨)工业粉尘( 7 吨) 年份 总量排放去除总量排放去除总量排放去除 2 0 0 53 0 6 8 31 9 8 0 51 0 8 7 82 1 2 9 8 88 5 4 92 0 4 4 3 97 2 6 7 38 2 8 16 4 3 9 2 2 0 0 63 4 9 2 92 0 4 1 81 4 5 1 12 4 3 3 9 57 7 4 92 3 5 6 4 6 8 0 0 2 1 7 2 2 2 7 2 7 9 9 2 0 0 73 9 1 5 31 9 7 2 21 9 4 3 02 5 8 6 7 56 9 7 22 5 1 7 0 38 3 0 4 76 3 5 57 6 6 9 2 2 0 0 84 1 2 5 61 8 3 9 22 2 8 6 43 1 1 4 7 36 0 4 53 0 5 4 2 89 0 0 5 65 3 4 48 4 7 1 2 2 0 0 94 5 8 3 91 6 9 4 12 8 8 9 93 3 3 9 2 85 4 4 63 2 8 4 8 19 1 9 8 84 7 6 28 7 2 2 6 1 2 研究现状分析 关于生产调度的问题，国内外许多专家学者已经提出了层出不穷的方法和结论， 其中不少的方法和结论已经被验证并应用于各行各业。对于调度的最早研究，要追 溯到上世纪五十年代，j o h n s o n 8 j 将调度的概念带到了制造业领域，并留下了广为人 知的调度问题求解规n - 约翰逊法。尽管，一开始有关于调度的研究都是建立在理 想化和简单化的模型之上的，并且也没有复杂的算法，但这些早期的研究为后人提 供了不可磨灭的贡献、奠定了坚实的基础。 调度发展至今，其研究领域不断地被扩大，方法在不断地被改进和更新。随着 研究的不断加深，调度只关心加工时间、制造成本以及加工质量的这一思路已经发 生改变，如今有了关注更多目标、考虑更多因素的新型调度模式，比如，在调度中 考虑资源消耗和环境影响。有关于这方面的研究，开展最早的起于上世纪八十年代 v i c k s o n l 9 1o j 以及v a nw a s s e n h o v e 和b a k e r vl j 做出的相关研究。 近几年，有关于考虑资源和环境因素的调度方面的研究，列出一些如下： 文献【1 2 】指出现如今，制造业越来越关注环保，然而，企业的这种关注主要集中 在产品设计阶段，却忽视了在计划和调度中对环保的关注。文献介绍了一种新的方 法，将环境因素纳入物料需求计划，对制造过程中的废物流进行定量研究并且纳入 财务范畴之内。这种方法基于制造管理广泛地使用物料需求计划m r p 的处理逻辑。 这一新的方法被称为绿色物料需求计划。为了测试该方法的可行性和有效性，作者 将该研究应用于一家汽车制造商的尾灯装配环节，结果表明这种方法不仅是可行的， 2 硕士论文 面向节能减排的锻造生产调度方法研究 而且具有很大的潜力。 文献【1 3 】提出了一种新的p c b 板生产控制方法，该方法通过对废物流的管理，达 到对环境影响最小化的目标。作者对制造单元过程进行建模，将制造过程链和多目 标评估应用到产品的设计。作者通过任务指派、员工指派和混合方式进行制造计划 和控制策略的实施。建立优化模型并寻求生产能力需求和制造过程排放的平衡，给 出一种四条生产线、两班作业生产的调度案例。 文献【1 4 1 对基于并行机的订单式生产的调度策略进行了研究，该调度策略首先对 工时进行调度，确保生产均衡，在此基础上对废溶剂流的最小化进行调度。作者采 用基于随机数类聚和排序调度规则的多头下降算法进行模型的求解分析，对多个具 体的案例进行了描述，并通过该方法分析处理这些案例最终得到解决方案。 文献【1 5 】探讨了基于串联机的生产过程的调度解决方案，该加工过程的关键点在 于产品在不同机器之间的流转。作者建立了此过程的数学模型，使得车间达到最大 化的吞吐量，并将环境因素作为调度中的一种重要因素，并将每个产品在机器上加 工产生的环境影响设置为一个固定常数，通过非线性优化的方法解决问题，将经典 的质量成本加工延时调度问题进行改进，转而变成了质量- 成本功口工延时- 环境调 度问题。 1 3 论文研究内容的安排 论文研究内容安排如下： 第一章绪论，首先分析了生产模式的演变过程，通过此变化过程，结合近几年 工业领域的主要能源消耗和排放的数据，得出必须在生产中重视资源和环境的结论， 接着列举了一些当前工业领域已经成功应用的考虑能耗和排放的调度方法的案例。 第二章引出面向节能减排的生产调度问题并提出系统描述。首先对传统的生产 调度理论进行研究，分析其定义以及相关的描述，接着引出面向节能减排的生产调 度的问题并且提出了面向节能减排的生产调度体系。 第三章研究面向节能减排的锻造生产调度的总体模型，为调度的具体实现提供 了理论基础。首先对锻造生产资源环境属性进行分析，这其中包括锻造生产的特点， 资源环境过程模型的建立，锻造生产各个环节中的资源消耗和环境影响的具体分析。 然后建立了面向节能减排的锻造生产调度的总体模型，分析总体模型架构，再对总 体模型中的调度目标集、模型梯图、资源环境系数矩阵和调度模型的构成进行分析。 第四章研究面向节能减排的锻造生产调度的实现过程。首先对调度前的内容进 行描述，提出几点假定并建立应用模型的具体调度流程。接着研究了资源环境属性 分析的重要内容，即能耗系数矩阵和排放系数矩阵的建立。然后分析了应用模型的 子模型建立过程，包括以工时为目标的调度模型、在工时的约束下以排放为目标的 l 绪论硕士论文 调度模型以及在工时和排放的目标下以能耗为目标的调度模型。最后结合具体数据 研究调度模型的求解过程。 第五章为面向节能减排的锻造生产调度系统的设计与开发。首先是总体设计， 包括总体架构、开发技术以及系统运行的软硬件环境。然后研究具体的开发内容， 包括功能模块、数据库设计、系统的界面及运行。 第六章对全文进行总结和展望。 4 硕士论文 面向节能减排的锻造生产调度方法研究 2 面向节能减排的生产调度问题的提出及系统描述 2 1 生产调度定义及描述 2 1 1 生产调度的定义 生产调度是制造行业比较常见的问题，正如第一章绪论中所介绍，国内外许多 专家学者在这方面的研究花费了大量的时间和精力。概括地说，生产调度就是对于 一批需要被加工的工件以及确定的机器，如何安排哪些工件被哪些机器加工、加工 的先后顺序，并且合理地使用生产系统的其它资源，在符合所有约束的同时，达到 优化各项生产加工指标的目标【1 6 1 9 1 。 生产调度是组织执行生产进度和计划的工作。生产计划和作业计划被编制出来， 仅仅表明一段时间内预期完成的生产加工量，而实际的生产过程中会遇到各种不可 预见的变化，有内部的、外部的，有整体的、局部的，也有工艺的、设备的，生产 调度就是要及时准确地掌握这些影响因素，保证生产过程顺利进行。文献【2 0 l 对生产 调度有着更为全面的解释：调度指在给定的生产时间、机器集、工件集以及各种产 品的加工工艺条件下，确定加工对象、执行时间、加工地点以及如何加工的具体决 策过程。加工对象，确定工件的品种以及数量；执行时间，确定生产过程中每一个 工件在什么时间开始加工、什么时间完成加工；加工地点，确定工件被安排在哪一 台或一些机器上加工；如何加工，确定生产批量的大小、工件如何进入生产系统、 根据什么规则决定机器集、加工的优先级顺序以及生产加工过程存储规则等。 2 1 2 生产调度的描述 生产调度的目的是对生产系统中的指标进行优化，主要任务有：建模，包括变 量的设定、约束条件和目标函数的建立；求解，包括算法选择、求解过程及优化程 度等【2 1 , 2 2 1 。 通常这样描述生产调度问题：给定2 个集合，一个为工件集j = j l ，：，。) ， 包含刀个元素，另一个为机器集m = m 。，m 2 ，m 朋 ，包含所个元素，在指定条件 下，通过调度，将工件集中的元素合理地分配给机器集中的元素，从而完成生产并 达到预期的目标瞄2 7 1 。 调度的主要要素包含三点：机器、工件和目标函数。 ( 1 ) 机器 调度可分为单机调度( s i n g l em a c h i n e ) 和多机调度( m u l t i p l em a c h i n e s ) 。 多机调度涉及多台机器，可分为平行机( p a r a l l e lm a c h i n e s ) 和串联机( d e d i c a t e d m a c h i n e s ) 问题。 2 面向节能减排的生产调度问题的提出及系统描述 硕士论文 平行机 该类问题所有机器的功能相同，机器生产制造过程中完成同一种任务。如果机 器加工速度相同，则为同速机( i d e n t i c a lm a c h i n e s ) ；如果每台机器有自己恒定的速 度，但彼此之间速度不同，这类机器称作恒速机( u n i f o r mm a c h i n e s ) ；如果机器速 度根据被加工的工件变化，这类机器称作变速机( u n r e l a t e dm a c h i n e s ) 。 串联机 串联机也称多类型机，指机器的功能各不相同，工件加工过程包括多道工序， 工件需要在不同的机器上加工。如果一批工件需要在多个机器上加工，并且每个工 件加工顺序一样，这种方式称为流水作业( f l o ws h o p ) ；如果一批工件在在各个机 器的加工顺序不同，并且单个工件的加工顺序是既定的，这种方式称为异序作业( j o b s h o p ) ；如果一批工件在各个机器上的加工顺序不定，则称为开放作业( o p e n j o b ) 。 ( 2 ) 工件 工件的相关参数和性质一般用来形成调度模型中约束条件。列举工件的一些参 数如下： 加工时间 加工时间( p r o c e s s i n gt i m e ) ，即在机器m f 上加工工件，所需要的时间，可以 用p 口来表示。对于同速机，p ，= p ，( f = 1 , 2 ，册) ，对于恒速机， p = p ，b ，( 待1 , 2 ，朋) 。其中，p f 是标准加工时间，b i 则是机器的速度因子。 准备时间 准备时间( r e a d yt i m e ) 、或称到达时间( a r r i v a lt i m e ) ，指的是工件j f ，开始加 工的时间，通常用，表示。，是工件开始加工时间与最早开始加工时间之差，若所 有工件的开始加工时间都相同，则，= o ，( _ ，= 1 , 2 ，疗) 。 截止时间 截止时间( d u ed a t e ) ，指对工件，设定的完工时间，即交货期。加工时，应尽 量保证工件在截止时间之前完成加工。若所有工件有相同的交货期，则称这个交货 期为公共交货期( c o m m o nd u ed a t e ) 。若设定一个绝对不允许耽误的完成时间，则 称之为截止交货期( d e a d l i n e ) 。交货期一般用d ，表示。 权 权( w e i g h t ) ，用w ，表示，指工件，在加工时的重要程度，一般用来决定各个 工件的加工优先级。工件加工时的一个比较重要的性质是，它的加工是否可中断 ( p r e e m p t i v eo rn o n - p r e e m p t i v e ) 。如果工件在加工过程中，有其他工件打断其加工， 待后者加工完，前者再继续加工，这个过程称中断加工。调度可分为可中断和不可 中断调度问题。 ( 3 ) 目标函数 6 硕士论文面向节能减排的锻造生产调度方法研究 调度问题中，要达到的什么样的目标，体现在目标函数上。 最大完工时间 p ，为工件力实际的完工时间。 加权完工时间之和 = m a x 向) e w j c j = w j c ， j = l ( 2 1 ) ( 2 2 ) 最大延迟 k = m a x 以，0 ) ( 2 3 ) 式中，z = c ，一d ，为工件实际完工时间和交货期之差，若为负，表示提前完 成，若为正，则表示未能满足交货期，属于误工。 误工工件数 甜，= l 。1 , ，b z ， o 。 2 2 面向节能减排的生产调度问题的提出及调度体系 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 2 2 1 问题的提出 加工一批轴类锻件，有两种备用方案：第一种为选用7 5 0 k n 空气锤，第二种为 选用9 0 0 k n 空气锤。加工结果为：方案一需时5 小时，方案二需时4 小时。在只考 虑加工时间时，第二种方案更优。 如果考虑到能耗和排放，若方案一单位时间能耗3 k w ，总能耗为1 5 k w h ，方 案二单位时间能耗3 8 k w ，总能耗为1 5 2 k w h ，两种方案噪音分贝数分别为 5 6 2 d b 、6 0 3 d b 。那么在考虑到能耗和排放时，应该选择怎样的调度方案，才能达 到目标函数的要求，目标函数又是什么形式，这就是接下来要研究的问题。 2 2 2 面向节能减排的生产调度体系 面向节能减排的生产调度是传统生产调度的补充，除了生产时间t ( t i m e ) 、成 本c ( c o s t ) 、质量q ( q u a l i t y ) 的目标，面向节能减排的生产调度还要考虑能源的 消耗( r e s o u r c e ) 以及对环境的影响( e n v i r o n m e n t ) 。生产调度过程中，在满足调度 7 哟 。同 = 中式 2 面向节能减排的生产调度问题的提出及系统描述 硕士论文 模型中的各种约束的条件下，尽量满足交货期、降低成本、提升质量、节约能源、 降低排放，各个目标的优先级根据实际情况做出一定的调整。 面向节能减排的生产调度的要素包括4 点： 加工工件集，= _ 。，j ：，j ，j 。) 以及工件相关参数 口= 缸；，口2 ，a ； ； 机器集m = m 。，m ：，朋，m 。 以及机器相关参数j 6 i ，= 卢f l ，卢产，卢? ) ； 目标函数集0 = qif = 1 , 2 ，5 ) = 丁，q ，c ，r ，e ) ； 约束集s = 瓯， ，包含变量约束，某些情况下会包括目标约束。 工件相关参数包括加工时间、加工设计参数以及加工工艺等；机器特性参数包 括机器功能、能耗、排放数据以及辅助设备等方面；目标函数是在考虑时间、成本、 质量的基础上综合考虑能耗和排放，合理选择目标子集；约束集包含调度系统中变 量约束和目标约束，变量约束包括加工方式、加工时间、机器负荷等，目标约束是 由于考虑到了节能和减排因素的复杂性而带来的约束，即在调度过程中，可以将不 是重点关注的目标作为约束条件来考虑【2 9 】。 根据对面向节能减排的生产调度基本要素的描述，给出面向节能减排的生产调 度体系如图2 1 所示。 2 3 本章小结 图2 1 面向节能减排的生产调度体系 本章内容首先对传统的生产调度理论进行研究，分析了传统调度的定义，对其 调度要素进行了描述与分析。然后提出了面向节能减排的生产调度的问题，紧接着 分析了面向节能减排的生产调度要素，并且提出了面向节能减排的生产调度体系。 8 硕士论文 面向节能减排的锻造生产调度方法研究 3 面向节能减排的锻造生产调度的总体模型 3 1 锻造生产资源环境属性分析 3 1 1 锻造生产特点 从节能减排角度看，锻造生产有如下特点： ( 1 ) 高能耗 锻造能耗主要表现在锻锤、压力机、锻前加热以及锻后热处理，这些过程中的 能耗与工艺特点、设备参数以及管理手段等密切相关。锻造设备在工作中的作用力 是很大的，如曲柄压力机、液压机这类锻压设备，其工作部件需要相当大的能量， 如我国已制造和使用了1 2 0 0 0 t 的锻造水压机，锻造加热和锻件热处理使用电或燃 料。在锻造生产环节，平均每生产1 吨锻件，消耗油4 0 1 元、耗煤2 1 5 元、耗天然 气1 4 5 或电1 2 3 元。可见，锻造生产过程是需要很大能量消耗的【2 8 】。 ( 2 ) 高排放 烟尘，锻造车间的加热炉在燃烧过程中产生的烟尘排入车间的空气中，不但影 响卫生，还降低了车间内的能见度；废气，矿物燃料燃烧后二氧化硫、氮氧化合物 等有害气体，对环境造成严重污染，二氧化碳则引发温室效应；废液、废油、废渣、 废水，锻造生产各个环节产生的这些排放物都会对环境造成不同程度影响；加工振 动和噪声，锻造车间设备在运行中发生的巨大噪声和震动，使工作地点噪音过高， 不堪入耳。 ( 3 ) 对人的影响 锻造过程中的各类排放以及噪声对车间人员和周围居民会带来影响。高温易引发车 间人员灼伤，烟尘和有害气体吸入损害身体健康，高噪声影响人的听觉和神经系统， 分散了注意力，因而增加了人员发生事故的可能性，影响工厂附近居民的正常休息。 3 1 2 锻造生产资源环境过程模型 要对锻造生产进行面向节能减排的调度，就要首先分析锻造生产有着怎样的资 源消耗和环境影响，具体的分析就是资源消耗和环境影响属性分析，建立锻造加工 资源环境过程模型如图3 1 所示。 锻造生产资源环境过程模型，从锻造生产的过程，分析了锻造生产的资源消耗 以及对环境产生的影响。从图中可以看出，工件原料和辅助物料作为锻造生产的输 入，通过能源的消耗，经过下料、加热、锻造、热处理、检验等环节，在生产出合 格零件的同时，也可能有废品的出现，加工过程产生热、振动、噪声、废气废液等， 他们都对环境产生影响，而废品、废液等可以部分被回收。 9 3 面向节能减排的锻造生产调度的总体模型硕士论文 毛坯 其他物料 图3 1 锻造加工资源环境过程模型 3 1 3 锻造生产资源消耗及环境影响属性分析 锻造生产资源消耗分为两类，一类为物料的消耗，一类为能量的消耗，它们都 是锻造生产的输入。物料的消耗首先是原料的消耗，另外，由于某些加工的需要， 可能会需要专门做模具，需要冷却、润滑介质，所以产生了辅助物料的消耗。能量 的消耗有煤、天然气、电的消耗。 锻造生产环境影响因素是伴随着生产资源消耗的过程而产生的，加工过程产生 热、振动、噪声、废气、废液等，其中一部分直接对环境造成影响，一部分可以回 收处理减轻对环境的影响。对环境的影响有两部分：对自然环境造成影响，也包括 对人的安全和健康产生的影响。 ( 1 ) 物料消耗 锻造生产物料的消耗主要为原料的消耗，原料的消耗过程伴随着一定量的损耗， 损耗是零件加工过程中不可避免的。以下，从锻造生产各个阶段分析原料的损耗： 下料 下料是锻造生产前的准备环节，下料设备属于锻造辅助设备。根据下料设备的 不同，常用下料方法有：锯切下料、剪切下料、冷折下料以及阳极切割下料等。锯 切下料通用性强但效率较低，剪切下料效率高但切口端面不平整，冷折下料主要用 于直径或厚度尺寸较小的钢料原料，阳极切割下料主要用于大直径高温合金棒料。 对于下料环节，应该合理计算、选择原材料以及其下料方法，采用多零件的集 中和综合下料，将大料的料头用来锻造小锻件或制成小尺寸钢料备用，这样，就可 以充分利用原材料，增加原料在下料阶段的利用率。 1 0 硕士论文面向节能减排的锻造生产调度方法研究 加热 毛坯的加热也是锻造工艺必不可少一个工序，加热一般采用的是燃料加热、电 加热两种方法。加热改变了毛坯的机械性能和物理性质( 如毛坯极限强度的变化和 导热性以及尺寸的变化) ，同时在加热的过程当中，往往伴随着氧化皮、表面脱碳、 过热和过烧等，所以加热同样会带来原料的损耗。 锻造 锻造阶段的原料损耗通常有冲孔芯料损失、端部切头损失，用钢锭锻造时，还 应考虑切除冒口部分质量和锭底部分质量。 锻件修正和清理 锻件修正发生在锻件检验阶段，当检验过程发现锻件尺寸不符合要求时，需重 新加热进行锻压，或者由于热处理而引起弯曲，也必须进行矫正。 清理主要是清除锻件表面的氧化、斑疤、折叠、毛刺等，以防这些因素在继续 加工时扩展，影响后续加工。 根据上面的分析，若用肼和r o 分别表示原料加工前和加工后的质量，形表示 原料损耗，u 和分别表示原料的利用率和损失率，m 下科、m 加热、m 锻压、m 清理分 别表示下料、加热、锻压、清理阶段原料的损耗，则有： w = r i r o = m 下科4 - m 加热4 - m 锻压+ ，卯清理 ( 3 1 ) u = r 0 脚 ( 3 2 ) 三= w 彤( 3 3 ) 辅助物料的消耗主要为冷却液和润滑介质的损耗，用m 辅、m 液、m 润分别表示 辅助物料消耗质量、冷却液消耗量、润滑介质损耗量，系数啊a 、b 分别为两种消耗 的转换系数，可以将不同种类的辅助消耗转换为标准消耗，则有： m 辅= 口m 液+ 6 ，”润 ( 3 4 ) ( 2 ) 能量消耗 加热能量消耗 无论是锻前加热还是锻后热处理，热量的消耗总是满足热平衡。对于热消耗的 分析，有如下思路： 热收入：即加热的所有热量来源，包括燃料化学能q l ( 对于燃料加热炉) 、预 热空气带入的物理热q 、预热燃料带入的物理热g 、金属氧化热q 4 。 热支出：加热金属的有效热q o 、加热辅助件的热量鳊、各类因素带来的热量 的损失q 损。 根据热平衡，有： g + q 2 + q 3 + q 4 = q o + 编+ 线 ( 3 5 ) 锻造能耗 3 面向节能减排的锻造生产调度的总体模型 硕士论文 锻造的实质是通过锤头击打工件使其产生塑性变形，其打击过程分为加载和卸 载两部分。击打过程中，锤头的动能转化为锻件的塑性变形能、设备的弹性变形能 以及热能，因为锻件的塑性变形远大于弹性变形，所以忽略设备的弹性变形，只考 虑锻件的塑性变形。 锤击过程满足能量守恒定律，为： e = a e = 巨= e d + e h ( 3 6 ) 式中，e 为锤击系统的能量，口为能级，e 为额定击打能量，玩为锤头的动 能，e d 为锻件塑性变形能，毛为热能( 摩擦热和变形热) p o 】。若将锻造系统看作 一个整体( 设备和锻件) ，e 可以看成输入能量，e d 为有效锻打能量，毛为损失 能量。 锤头动能为： 1 e = 1m v 2 ( 3 7 ) 2 式中，m 为锤头质量，y 为锤击时的速度。 锤击时锻件消耗的能量为： 易+ 邑= p a h ( 3 8 ) 式中，p 为锤击载荷，幽为下压量。 锤的打击效率为： ，7 = e d e ： ( 3 9 ) ( 3 ) 废弃排放 这里废弃排放考虑的是加工过程中产生的废弃固体、液体和气体。废弃固体， 包括粉尘、废屑等，用m 。表示；废液用m ，表示；废气，包括二氧化硫、氮氧化合 物等，用m ，表示。根据各种排放对环境的影响程度，给出各自的影响系数分别为卢、 a 、s ，得出对环境的影响程度： e = 。+ a , m + 册(10)pm ) l m z 3i o ) 2 ，+ 册2 l ( 4 ) 加工噪声 加工噪声是机械加工中一个非常重要的环境影响因素，尤其是锻造行业，其产 生的加工噪声更是比一般的机械加工要大。根据有关规定，企业车间噪声不宜超过 8 5 d b ，对于某些特殊条件达不到要求的可以适当放宽到9 0 d b 。因为锻造生产噪音 很大，所以，对噪声的控制不仅仅局限于车间，还要考虑到噪声对车间周围其他区 域的影响以及对厂区外的影响。 一般机械加工噪声是由于机床结构问题产生的，如变速箱齿轮啮合运转时齿轮 间摩擦和冲击，或者轴的不平衡，电机噪声也是主要噪声来源。锻造生产的噪声来 1 2 硕士论文面向节能减排的锻造生产调度方法研究 源于很多方面，但最主要还是来源于锻锤击打锻件的碰撞过程，一般机械加工噪声 的产生是一个连续不断的过程，而锻造噪声则表现为断续。 a t ,：& 3&t 图3 2 锻造噪声在坐标轴上的表示 如图3 2 所示，将锻造噪声看作一系列断续时间内的等值数值， 个时间段里的锻造噪声： d = 皆 则可以得到某 ( 3 1 1 ) 将噪声和前面的排放综合起来看成对环境的影响，并给噪声加上转换系数盯， 环境的影响公示变为： e = p m 5 + 2 m r + g m 譬+ c r d ( 3 1 2 ) ( 5 ) 职业健康安全 锻造职业健康安全包括两个方面：加工安全和职业危害。加工安全是指操作人 员在生产过程中的安全保证，包括人员安全和设备安全；职业危害是指由于长期处 在有害气体、粉尘、高噪声的环境里给操作人员的身体健康带来的负面影响。从时 间的角度看，加工安全是属于当下时间段的，只发生在生产加工过程中，而职业危 害则时间较长，可能当操作者离开岗位后一直伴随着3 1 1 。 锻造企业不仅要重视效益，同时也要重视工作的安全和员工的健康。除了对操 作者、设备以及工件的一些常规安全措施，例如操作者身穿防护服、设备急停按钮 与检测报警系统等，现代企业要做的更好，需要在生产中加入先进技术与管理理念。 比如在车间安装能够检测空气质量和噪声的相关仪器设备，定期采集数据进行分析， 以便及时、准确地掌握车间状况，从而提高生产环境和员工满意度。 3 2 面向节能减排的锻造生产调度的总体模型的建立 3 2 1 总体模型框架 面向节能减排的锻造生产调度的总体模型框架如图3 3 所示，通过总体模型框 3 面向节能减排的锻造生产调度的总体模型 硕士论文 架可以看出，它包括分析、建模、求解三大块。分析阶段需要有相应的数据库支撑， 如图，其中包含了资源环境属性数据库、锻造任务参数数据库、机器设备( 下料机 床、加热炉、空气锤、压力机等) 参数数据库，数据库提供了调度的来源信息，是 调度过程必不可少的准备内容：建模阶段主要根据分析阶段得到的各方面参数确定 约束以及目标，从而建立调度模型；求解阶段则根据调度模型选择算法，求解问题， 得出满意的方案。 图3 3 面向节能减排的锻造生产调度的总体模型框架 下面对总体模型框架做一些说明，重要内容则会在接下来作展开描述。 ( 1 ) 加工任务和机器相关参数 前面在第二章中讲过，加工任务和机器是调度的基本要素。对于调度问题，加 工任务的相关参数主要描述任务优先级、加工时间、交货期等因素；机器相关参数 主要描述机器的加工能力、质量等因素，如自由锻设备的锤重、电机参数等。在传 统调度问题中，这些参数构成了调度的约束体系，从而影响加工时间、质量、成本 等目标。 而在面向节能减排的锻造生产调度中，加入了资源环境的相关参数，这样带来 的约束体系就会增加很多种情况，目标集也会发生改变。并且资源环境相关参数是 和加工任务参数以及机器参数有着一定关系的，资源环境相关参数的一部分是由加 1 4 硕士论文 面向节能减排的锻造生产调度方法研究 工任务参数和机器参数综合决定的