摘 要

随着工业化进程的加快推进，我国已成为世界上公认的制造业大国。制造业作为能量消耗和温室气体排放的大户，其节能减排意义重大，绿色制造与节能制造越来越受到国家的重视。离散制造业作为制造业中的一个大类，相比于流程制造业，其量大面广得多，能量消耗巨大且能量效率极低。关于离散制造业的能耗问题，过去总以为其能耗主体——机电设备的单机能耗很小，尤其是与化工、钢铁这样的流程制造业设备来说较小，从而对其重视程度严重不足，导致研究水平滞后。而双机器单缓冲区系统作为离散制造系统的基本组成单元，对其的节能运行进行研究可以帮助我们更好地理解整个离散制造系统的运行节能情况，从而制定出相应的节能运行策略实现节能减排。

本文在综述当前研究现状基础上，首先利用马尔科夫链建立了双机器单缓冲区制造系统的工作模型，并确定了双机器单缓冲区系统在机器阻塞或饥渴条件下不同机器停机节能时间窗口及其表达式；然后利用MATLAB求解出了不同情况下的停机节能时间；最后将所求时间运用至PlantSimulation模型中进行仿真并进行了数据处理从而得到了相关的结论。仿真结果表明，在接受一定的产量损失下，系统采用最优的控制策略时其节能量可以达到10%以上。

关键词：制造系统；节能；建模仿真；马尔科夫链

Abstract

With the accelerated industrialization, China has become a world-acknowledged manufacturing powerhouse. Manufacturing contributes a lot when it comes to energy consumption and greenhouse gas emissions, so it is of great significance of energy-saving and emission-reduction on manufacturing. Therefore, the government has been placing more and more emphasis on green manufacturing and energy-saving manufacturing. Compared to flow manufacturing, discrete manufacturing which is a major category of manufacturing industry, has the characteristics of enormous quantity and large range, along with low energy efficiency and huge energy consumption. As for the issue of energy consumption of discrete manufacturing, it had always been thought that the mechanical-electrical devices which are the main body of it, consumes small energy each single unit, especially compared to the equipment of flow manufacturing such as chemical and steel. As a result, it has not got sufficient attention and its level of research is backward. As the basic unit of discrete manufacturing system, the study of energy saving operation of the two-machines-one-buffer system can help us better understand energy saving operation of the whole discrete manufacturing system and then people are able to formulate corresponding operation strategies to realize energy saving and emission reduction.

In this paper, based on the analysis of present research of the domestic and foreign, firstly, a Markov chain operation model of two-machines-one-buffer system is developed. And then the opportunity windows of stoppage for energy saving of different machines are formulated when there are machines in blockage or starvation in the two-machines-one-buffer system. Furthermore, the time of stoppage for energy saving of different strategies which are gained by MATLAB are applied to the PlantSimulation models to simulate. And through data processing, the relevant conclusions of it are obtained. The simulation results show that the proportion of energy-saving can reach over 10% by implementing the optimal control strategy within a certain throughput loss.

Key Words：manufacturing system；energy saving；modeling and simulation；Markov chain目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 制造系统节能研究 2

1.2.2 多机器多缓冲区制造系统研究 4

1.3 论文主要研究内容 4

1.4 论文结构 5

第2章 马尔科夫链与制造系统建模仿真基本原理 7

2.1 马尔科夫链基本原理 7

2.1.1 马尔科夫链的定义 7

2.1.2 马尔科夫链的基本性质 8

2.2 制造系统建模仿真基本原理 9

2.2.1 系统建模仿真基本知识 9

2.2.2 系统建模仿真步骤 9

2.2.3 离散事件系统模型仿真机制 11

2.3 离散事件系统仿真软件plantsimulation介绍 12

2.4 本章小结 13

第3章 双机器单缓冲区制造系统数学建模 14

3.1 问题提出 14

3.2 系统假设 14

3.3 符号定义 15

3.4 数学模型 15

3.5 本章小结 18

第4章 模型求解与仿真分析 19

4.1 机器阻塞停机节能 19

4.2 机器饥渴停机节能 21

4.3 分析总结 22

4.4 本章小结 23

第5章 模型与仿真的改进完善 24

5.1 模型修正 24

5.2 机器阻塞休眠节能 24

5.3 机器饥渴休眠节能 28

5.4 本章小结 32

第6章 总结与展望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

为了应对日益严峻的全球气候变化，联合国在法国巴黎于2015年11月30日至12月11日举行第21届气候变化大会，《联合国气候变化框架公约》的近200个缔约方在会后一致同意通过了《巴黎协定》，其将为2020年后全球应对气候变化的相关行动作出安排和制定准则。《巴黎协定》的目标为确保温升较工业前保持在2度以内，并做出努力使其控制在1.5度之内。主要的相关国家都表明了各自节能减排的态度与立场。其中欧盟的目标与联合国一致，也即将气候变暖的范围控制在不超过工业化前相应水平2摄氏度；而美国的减排目标则为到2025年的温室气体排放较2005年减少28%；而我国作为最大的碳排放国之一，减排压力同样巨大，2015年6月，中国提交了“国家自主决定贡献”，该文件承诺一方面争取在2030年左右使二氧化碳排放达到峰值，另一方面2030年与2005年相比，单位国内生产总值的二氧化碳排放将减少60%－65%。可以看出，节能减排和发展低碳经济已成为全球共识。随着工业化进程的加快推进，我国已成为世界上公认的制造业大国，制造业作为能量消耗与温室气体排放大户，其节能减排意义重大。根据《中国能源统计年鉴2014》的相关数据^[1]，可得出如图1.1所示为2013年不同行业占全国总能耗的百分比饼图。从中可以看出工业能耗占到了全国总能耗的69.83%，而制造业的能耗又占到了工业能耗的82.11%。从这些数据可以看出，我国节能减排的重点行业为工业，进一步地，工业节能减排的重点为制造业。因此，对制造系统进行节能方面的研究不仅有助于我国完成节能减排目标，实现对国际社会的承诺，提升在国际舞台上的公信力，同时还能减少国家的能源负担，进一步提升我国的综合国力。

能源消耗作为企业的生产成本的重要组成部分，其是否能够得到有效利用将会对企业的生存与发展产生深远的影响，特别是对广大的制造企业来说更是如此。一方面，不断增加的产品需求和消费者越来越强的绿色消费意识都促使制造企业不得不降低制造能耗以提高竞争力。另一方面，目前企业所用的制造执行系统（MES）由于理论方面的研究不足，还没有能源管理等方面的功能。因此，对制造系统节能方面的研究不仅可以改善企业的能源管理与生产控制水平，帮助其节能进而提高其综合竞争力，也可以为MES系统的能源管理提供理论基础，有助于相关系统的开发工作。