研究制造系统能量效率的基本框架与困境(4)

　　（3） 制造系统能效研究的根本目标是提升制造系统能量效率。提升制造系统能量效率可从提升设备运行能量效率、提升工艺过程能量效率、提升系统综合能量效率以及提升产品比能效率（产品比能效率指的是制造系统生产单位产品时所消耗的能量；产品比能效率指的是制造系统消耗单位能量产业的产品数量（可以为小数）；产品比能效率与产品比能互为倒数关系。）等四个方面来实现；其中，设备运行能量效率、工艺过程能量效率以及系统综合能量效率是制造系统能量效率的组成部分，而产品比能效率是从产品角度来反映制造系统能量效率的另一种表达式。
　　
　　4 离散制造系统能量效率研究的难点问题分析。
　　
　　在制造系统能量效率研究方面，钢铁、石油、化工等流程制造行业的能量效率研究由来已久，已取得大量成果；而离散制造业能量效率问题的研究起步较晚、过去重视不够[53].近年来的研究发现离散制造业节能潜力巨大[54-55],其能效研究在国际上迅速兴起。
　　
　　考虑到离散制造系统能量消耗的复杂特性以及能量效率的研究现状，结合作者们在此领域的多年研究和思考，并根据第三章建立的制造系统能量效率研究内容框架，可以分析和总结出离散制造系统能量效率研究有待深化的几个难点问题。
　　
　　（1） 离散制造系统能量效率的建模问题。
　　
　　制造系统能量效率建模主要是建立输入能量、有效产出以及与各能耗组件的能耗过程之间的静动态模型，是制造系统能量效率研究的基础。
　　
　　离散制造系统相对于流程制造系统，其能耗过程复杂得多；往往存在加工任务多变性、设备以及工艺多样性、产品及其制造能耗的复杂结构树特性、产品能耗与设备（工艺）动态多变的关联特性等一系列复杂特性[52, 56],因此，其能量效率建模问题相对复杂得多。
　　
　　目前，机床等单机制造系统的能量效率建模已有大量的研究，如已建立了机床比能模型[57-59]、机床及其能耗组件的关联能耗模型[60- 61]、机床及其主传动系统的载荷损耗模型[62-63]、机床及其主传动系统的动态能耗模型[64-65]等。对于一般制造系统的能量效率建模，也有一定的研究。如 LI 等针对机械加工车间动态环境下能耗特征建模中的多要素影响和生产环境动态变化等问题，提出了基于着色赋时面向对象 Petri 网（Colored timed object-oriented Petrinet,CTOPN）的多能耗特征建模方法[66];DIETMAIR等[67]采用统计离散事件建模方法对机械加工车间的能耗行为进行建模。
　　
　　以上研究还远远不够。如现有的离散制造系统有效产出模型只能描述能量消耗与有效产出的定量关系，还难以描述有效产出与能耗组件、能耗过程等的关联关系；产品比能效率模型还难以反映产品比能效率与各种各样的设备和工艺的动态关联性；离散制造系统能量效率模型也还难以反映离散制造系统的多能耗源、多层能耗的动态特性。
　　
　　因此，离散制造系统能量效率的建模问题复杂，是一个有待解决的基础性难题。
　　
　　（2） 离散制造系统能量效率的精细评价问题。
　　
　　不同层次的离散制造系统应具有不同的能效评价标准。针对单机系统、生产线以及车间等较低层次的制造系统，其能量效率的精细评价有两个目标：一是能量效率的评价指标和评价参数要细化并深入到设备及其组件的能耗状态，还要能反映产品及工件的制造过程能耗与工艺路线及工艺参数的关联关系；二是要实现设备及其组件的能效在线动态评价。精细评价不仅能评价出能量效率的高低状态，还能为制造设备高能效优化运行、工艺路线和工艺参数高能效优化决策等提供重要支持。
　　
　　目前，离散制造系统能量效率评价主要采用历史能耗分析、专家访问、短时现场测量等方式对关键性能耗设备及其加工过程进行综合性地评估（如IAC Assessment[13]）；常用评价的手段有基于历史数据的能耗统计方法和投入产出分析法。然而，离散制造系统的能量效率具有动态特性，不同时段的能耗过程具有不同的能量效率；现有的方法只能评价设备在历史或现场能耗过程的总体能量效率，远远未达到精细评价的两个目标。专利 CN104808584A能够初步实现机械加工系统中机床的能量效率的在线评价[68],但还难以推广应用于一般制造系统。
　　
　　离散制造系统能量消耗的复杂特性使得离散制造系统能量效率精细评价十分困难。其包括以下几点。
　　
　　1） 离散制造系统加工的产品复杂多样性，使得离散制造系统有效产出的表达困难；同时有效产出与制造系统的能耗过程的关系难于描述，增加了能量效率评价的建模难度。
　　
　　2） 离散制造系统涉及的制造设备、辅助设备、转运设备、装配设备等能耗设备种类繁多且能耗特性各异，加工工艺和加工参数千变万化，这些使得建立完整的设备能耗基础数据库、工艺能耗基础数据库、工步能耗基础数据库等能效评价相关数据库任重而道远[56].
　　
　　3） 离散制造系统能量效率的精细评价还需解决能量效率评价的边界问题以及能量效率评价指标和评价参数体系化的问题。
　　
　　综上所述，离散制造系统能量效率的精细评价问题复杂，是一个有待解决的技术难题。
　　
　　（3） 离散制造系统产品能耗限额的制定问题。