一种多时间因素下混合流水锻造车间的节能调度模型制造技术

本发明专利技术公开了一种多时间因素下混合流水锻造车间的节能调度模型，该模型通过以下步骤建立：分析混合流水车间各加工阶段的多种时间影响因素：准备时间、加工时间、调整时间、运输时间、等待时间以及等待平衡时间；分析混合流水锻造车间的中加热炉设备的连续加工和其他加工设备的离散加工工艺；采用运输时间右移排序的规则，建立完工时间模型，分析车间调度中多种时间的关系；利用“关闭/开启”方案分析混合流动锻造车间的能耗调度，建立能耗调度模型。建立混合流水锻造车间节能调度模型的多目标函数。本发明专利技术为混合流水锻造车间建立了完工时间和能耗的多目标模型，通过运用该模型解决具有加热炉连续加工特性的混合流水锻造车间调度问题。

【技术实现步骤摘要】
一种多时间因素下混合流水锻造车间的节能调度模型
本专利技术涉及混合流水车间的调度技术，尤其是针对混合流水锻造车间的一种节能调度模型的建模方法，属于先进制造控制与调度

技术介绍
随着工业的快速发展，能源价格的上涨和当前的可持续发展趋势给制造企业带来了新的压力，节能调度已成为车间调度的重要研究目标之一。与通常机加生产线的特点不同，锻造车间的生产是具有加热炉连续性的加工和其他机加设备的离散性加工混合的生产，生产过程难以控制，能量损失严重。除了加工操作中消耗的离散能量之外，锻造生产的大部分能量消耗来自加热炉等高能设备。因此，对锻造生产过程进行节能研究是非常有价值的。关于加热炉节能的之前研究主要集中在设备优化和改造、废气热回收利用、新材料的开发和应用和热处理工艺的改进。近年来，通过解决炉膛加热的调度问题，对单机能耗进行了一些研究，以降低锻造生产的能耗。然而，对于锻造生产线的能耗调度问题的研究十分有限。关于混合流水车间调度问题的研究很多，如专利CN103309316A中提出带有批处理机的多阶段变异混合流水车间调度方法，专利CN106020142A中提出考虑能耗成本与加权拖期成本的柔性作业车间调度方法，以及专利CN104808636A提出柔性流水车间能耗优化调度方法等，然而，对于有加热炉的混合流水锻造车间的调度问题的研究几乎没有。在实际锻造生产中，加热炉等锻造生产设备的单位能耗高于普通生产设备。由于设备在多种不同时间状态下的能耗仍然很大，无法估算生产中设备的实际浪费能耗。同时，加热炉的后续加工在锻造生产中是连续性的，增加了生产调度的难度。因此，分析锻造生产中的多种制造时间因素，研究具有连续和离散加工的混合流水锻造车间节能调度模型十分重要。
技术实现思路
本专利技术中建立的锻造生产模型不仅考虑了众多不同制造阶段的时间，而且还提出了一种运输时间右移的规则，用于加热炉设备的连续性加工和机加设备的离散加工的生产计划排序，建立混合流水锻造车间调度的完工时间和能耗两个目标的权衡模型。一种多时间因素下混合流水锻造车间的节能调度模型，该模型的建模过程有以下五个步骤：步骤1构建多种时间因素下的混合流水车间模型分析每个加工阶段的具体过程，针对每个过程分析过程中的不同操作状态，确定该状态下的时间因素，在运输阶段有运输时间TT，在上机加工阶段有准备时间eRT，加工时间ePT和调整时间eAT，在等待阶段有等待时间WT，开关机时间ST，等待平衡时间BT和间隔时间GT。通过对多种时间因素的分析，建立考虑多种时间因素的混合流水车间模型。步骤2分析混合流水锻造车间的连续性和离散性在锻造生产车间里，对于前一个阶段工艺是加热炉的工件，必须等到此阶段设备空闲，才能从上一阶段加热炉内取出工件进行此次工艺的加工，加工必须是连续性的。锻造加热工件工艺过程中，加热时间一般设定为固定的值，当满足加热时间后快速转移只保温区进行保温操作，保温时间要求必须满足最小保温时间，能够使锻件晶粒增长到锻造需求，当时不能大于最大保温时间以至锻件晶粒增长过大，内部组织破环，因此在加热炉连续的加工中，时间要求如下所示：Tfurnace＝Theat+Theat-preservation(1)对于前一阶段是非加热炉的机加设备，加工完之后到下一阶段等待时间可以无限延伸，因此前一阶段是机加设备的，此阶段加工可以保持离散状态，利于生产调度调节。步骤3建立混合流水锻造车间完工时间模型提出了“运输时间右移规则”，即基于先完工先运输的规则，对已完工的工件进行运输顺序排列，将其他同时完成的工件采用可调时间进行排序调整。对于机加工设备，可调时间是运输前等待时间WTt和加工前等待时间WTm。对于前一阶段是加热炉，后一加工阶段的等待时间为零，可调时间是加热炉的保温时间hpT。最后再对排序之后的结果验证保温时间hpt是否满足工艺要求在最小保温时间和最大保温之间。通过分析多种类型的时间分析和运输时间右移规则，构建的混合流水锻造车间调度的完工时间模型如下：步骤4建立混合流水锻造车间能耗模型将混合流水锻造车间的总能耗模型分为三部分：机加设备的工作能耗、机加设备的待机能耗和加热炉设备能耗。机加设备的工作能耗是设备处于准备时间、加工时间和调整时间的能耗。机加设备的待机能耗是设备处于等待状态的能耗，若待机时间过长，消耗的待机能耗大于开关机需要的能耗，采用“关闭/开启”方案来节省能耗。加热炉设备一旦开始需要保持温度恒定，中间没有待机状态，因此加热炉设备能耗是从开始加工第一个工件到完成最后一个工件的所有加热能耗和保温能耗的总和。利用“开启/关闭”方案构建的混合流水锻造车间调度的能耗模型如下：步骤5构建混合流水锻造车间节能调度模型的多目标函数混合流水锻造车间节能调度模型中的完工时间Fmax和总能耗Ea作为优化的两个目标函数，定义如下：基于多目标加权和的方法，考虑多目标归一化构建的多目标优化函数如下：minf(x)＝ω·Fmax+(1-ω)·Ea·Ne(8)各个符号的技术含义如下：Tfurnace：加热炉工艺需要的时间；Theat：加热炉工艺的加热时间；Theat-preservation：加热炉工艺的保温时间；加热炉工艺允许的最小保温时间；加热炉工艺允许的最大保温时间；Fmax：总完工时间；n：工件的数量；i：第i个工件；m：加工阶段的数量；.j：第j加工阶段；第i个工件在第j加工阶段的运输前等待时间；第i个工件在第j加工阶段的加工前等待时间；TTij：第i个工件在第j加工阶段的运输时间；eRTij：第i个工件在第j加工阶段的准备时间；ePTij：第i个工件在第j加工阶段的上机加工时间；eATij：第i个工件在第j加工阶段的调整时间；Ea：所有设备的总能耗；第j加工阶段里设备的开关机能耗kj：第j加工阶段里的机器数量；k：加工阶段里的机器编号；BTj：第j加工阶段设备的间隔时间；eGTij：第i个工件在第j加工阶段的等待平衡时间；eHTjk:第j加工阶段中第k设备的加热时间总和；eKTjk:第j加工阶段中第k设备的保温时间总和；ePPj：在第j加工阶段设备的工作功率即加热炉设备的加热功率；eWPj：在第j加工阶段设备的待机功率；eKPj：在第j加工阶段加热炉的保温功率；αij：是否采用“关闭/开启”方案参数；βj：加热炉与机加设备识别参数；ω：多目标权值参数；Ne：多目标归一化参数。本专利技术通过分析实际生产中多种时间状态因素的影响，对混合流水锻造车间调度问题建立加工时间和能耗的数学模型，并构建了基于加权和的多目标函数，与现有技术相比较，本专利技术具有如下技术效果：(1)提出了多个不同时间因子的节能型混合流水车间调度问题模型，涉及多个不同状态的时间因素，如等待时间，准备时间，处理时间，调整时间，运输时间和运输平衡时间。(2)提出了考虑加热炉加工与生产调度关系的节能型混合锻造流水车间调度规则——“运输时间右移规则”，以解决混合流水锻造车间调度中考虑加热炉连续加工和其他加工设备离散加工的排序。(3)将“关闭/开启”方案用于分析混合流水锻造车间的能耗调度。(4)所构建的模型可以结合优化算法进行生产调度的优化计算。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步说明。图1是考虑多个时间因素的混合流水车间调度模型图。图2是加热炉内工件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多时间因素下混合流水锻造车间的节能调度模型，该模型的建模过程有以下五个步骤：步骤1 构建多种时间因素下的混合流水车间模型分析每个加工阶段的具体过程，针对每个过程分析过程中的不同操作状态，确定该状态下的时间因素，在运输阶段有运输时间TT，在上机加工阶段有准备时间eRT，加工时间ePT和调整时间eAT，在等待阶段有等待时间WT，开关机时间ST，等待平衡时间BT和间隔时间GT；通过对多种时间因素的分析，建立考虑多种时间因素的混合流水车间模型；步骤2 分析混合流水锻造车间的连续性和离散性在锻造生产车间里，对于前一个阶段工艺是加热炉的工件，必须等到此阶段设备空闲，才能从上一阶段加热炉内取出工件进行此次工艺的加工，加工必须是连续性的；锻造加热工件工艺过程中，加热时间一般设定为固定的值，当满足加热时间后快速转移只保温区进行保温操作，保温时间要求必须满足最小保温时间，能够使锻件晶粒增长到锻造需求，当时不能大于最大保温时间以至锻件晶粒增长过大，内部组织破环，因此在加热炉连续的加工中，时间要求如下所示：Tfurnace＝Theat+Theat‑preservattion   (1)

【技术特征摘要】
1.一种多时间因素下混合流水锻造车间的节能调度模型，该模型的建模过程有以下五个步骤：步骤1构建多种时间因素下的混合流水车间模型分析每个加工阶段的具体过程，针对每个过程分析过程中的不同操作状态，确定该状态下的时间因素，在运输阶段有运输时间TT，在上机加工阶段有准备时间eRT，加工时间ePT和调整时间eAT，在等待阶段有等待时间WT，开关机时间ST，等待平衡时间BT和间隔时间GT；通过对多种时间因素的分析，建立考虑多种时间因素的混合流水车间模型；步骤2分析混合流水锻造车间的连续性和离散性在锻造生产车间里，对于前一个阶段工艺是加热炉的工件，必须等到此阶段设备空闲，才能从上一阶段加热炉内取出工件进行此次工艺的加工，加工必须是连续性的；锻造加热工件工艺过程中，加热时间一般设定为固定的值，当满足加热时间后快速转移只保温区进行保温操作，保温时间要求必须满足最小保温时间，能够使锻件晶粒增长到锻造需求，当时不能大于最大保温时间以至锻件晶粒增长过大，内部组织破环，因此在加热炉连续的加工中，时间要求如下所示：Tfurnace＝Theat+Theat-preservattion(1)对于前一阶段是非加热炉的机加设备，加工完之后到下一阶段等待时间无限延伸，因此前一阶段是机加设备的，此阶段加工可以保持离散状态，利于生产调度调节；步骤3建立混合流水锻造车间完工时间模型提出了“运输时间右移规则”，即基于先完工先运输的规则，对已完工的工件进行运输顺序排列，将其他同时完成的工件采用可调时间进行排序调整；对于机加工设备，可调时间是运输前等待时间WTt和加工前等待时间WTm；对于前一阶段是加热炉，后一加工阶段的等待时间为零，可调时间是加热炉的保温时间hpT；最后再对排序之后的结果验证保温时间hpt是否满足工艺要求在最小保温时间和最大保温之间；通过分析多种类型的时间分析和运输时间右移规则，构建的混合流水锻造车间调度的完工时间模型如下：步骤4建立混合流水锻造车间能耗模型将混合流水锻造车间的总能耗模型分为三部分：机加设备的工作能耗、机加设备的待机能耗和加热炉设备能耗；机加设备的工作能耗是设备处于准备时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志峰，闫俊，程强，赵永胜，初红艳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11