锻造生产多源能耗特征建模评估及系统节能优化方法研究

Based on the high energy consumption of forging production, the research first analysis the dominance and recessiveness energy consumption characteristics for the forge production process. By analysis the interdependence relationship between these characteristics, a multilevel energy consumption modeling will be developed.And another theoretical method is established to refine and weight the characteristics. Based on the modeling, an energy conservation method for forging process planning is researched, and the cluster analysis method is utilized to analysis the similarity of the energy consumption characteristics for different process stage, and the intelligence algorithm is used to overplanning the forging tasks. According the coexist of the discrete and continuous energy consumption feature for the forging production,several energy-saving optimization problems are proposed and solved. For the minimize continuous energy intake, the forge batch sequence problem is proposed. For the minimize continuous energy consumption, the energy-saving buffer capacity planning problem is proposed.For the minimize discrete energy consumption, the energy-saving machining scheduling problem is proposed. For the minimize discrete and continuous energy consumption, the stride phase energy-saving sequencing problem is proposed. At last, relate experimental verification researches will be carry out, and the energy scheduling theory may be improved and completed by the experimental results. Then a overall forging production energy scheduling system can be established.

本项目从锻造生产的高能耗特点出发，在充分分析锻造生产过程中的各类显性及隐性的能耗特征的基础上，分别开展多层次能量流建模、能耗特征约简、能耗特征关重性评估等研究，形成面向不同工艺阶段的能耗特征可配置模型。基于该模型，开展面向节能的工艺路线规划研究，并利用聚类分析策略对各工艺阶段的能耗进行相似度分析，结合相关的智能算法，对锻造任务进行总体节能规划。针对锻造生产连续能耗与离散能耗并存的特点，分别开展面向连续能量摄入的锻造装炉批量组合技术研究；面向连续能量耗散的缓冲区容量规划研究；面向离散能量消耗的加工过程节能调度优化研究；面向连续与离散能量消耗并存的跨阶段节能排序研究等。同时，开发相应的算法对上述问题进行求解及仿真，并结合相关企业开展实验验证研究。最后，开发相应的节能工艺规划及调度优化管理模块，从而形成一套完整的锻造生产节能优化方案及软件系统平台。

本项目从锻造生产的高能耗特点出发，在充分分析锻造生产过程中的各类显性及隐性的能耗特征的基础上，研究各个工艺环节之间的物质流与能量流，从而分析出锻造生产过程中的微观高能耗环节。通过对这些高能耗环节的分析，开展了锻件加热和锻打成形进行数字化仿真模拟，从而反映出热量、温度分布、应力场状态等的变化情况，给出节能工艺改进方案，为节能调度提供必要的工艺优化依据。. 基于上述研究，分析锻造生产中的能耗数据，抽取关键节能因素，研究关键节能数据在生产作业计划与节能调度中的影响，分别从加热环节、锻造环节、热处理环节开展节能优化调度研究。在锻件装炉环节，结合锻件的始端温度和终端温度，锻件的排放方式等，给出了最小容差率等优化目标，在对锻件进行聚类的基础上，采用了改进遗传算法给出了装炉节能调度优化方案。在锻打环节，则充分考虑了换作时间、闲置时间、工时、回炉次数等因素，分别给出了调度优化目标及最优调度方案。在热处理环节，给出了容差率、单位产出能耗、等待时差等优化目标，并开发了基于NSGA-II的多目标优化算法进行了求解。通过对这三个环节的节能调度研究，很好了实现了锻造生产环节的整体节能。最后，基于数据模型、算法理论与业务流程，开发了锻造节能型MES系统，通过运行实例验证系统的可行性和有效性。. 总的来说，本项目达到了既定的研究目标，建立了完整的锻造生产的节能调度优化体系。从锻造能耗模型的构建，到面向节能的工艺优化研究，到具体的节能调度优化，再到具体的面向节能的生产管理系统的实现，完成了一系列的研究，取得了较好的研究成果。同时本项目还实现了在企业的应用验证，达到了较好的应用效果。