研究制造系统能量效率的基本框架与困境

　　摘要：制造业量大面广，能耗总量巨大；提升制造系统能量效率已成为各国制造业可持续发展的关键战略，国际上的研究非常活跃。为此，总结了制造系统能量效率（又称能效）的内涵，分析和概述了制造系统能量效率的研究现状；在此基础之上，总结了制造系统能量效率的研究内容，并提出由三类研究对象（能耗行业、能耗系统以及能耗组件）、四类基础理论或技术（能效建模、能效特性、能效评价和能效监控）、两类功能技术（制造系统运行能效优化技术和高能效制造系统建设技术）以及一个根本目标（提高制造系统运行能量效率）组成的制造系统能量效率研究内容体系框架；最后，考虑到离散制造系统能量效率问题的研究起步较晚、过去重视不够以及其复杂性等因素，分析和总结出了离散制造系统能量效率研究有待深化的五个难点问题，即离散制造系统能量效率建模问题、精细评价问题、产品能耗定额问题、高能效多目标优化问题和高能效机床设计问题。
　　
　　关键词：制造系统；能量效率；研究现状；体系结构；离散制造系统。
　　
　　Abstract:Manufacturing industries are in enormous quantity and consume great amount of energy. In recent years, improving energyefficiency in manufacturing systems has become a key strategy and a hot topic for sustainable manufacturing. The connotation ofenergy efficiency of manufacturing systems is summarized, and the statue of energy efficiency research on manufacturing systems isreviewed and analyzed. Based on the research progresses, a content architecture framework about energy efficiency research onmanufacturing systems is developed. The framework encompasses three objects （ industries, systems and components of energyconsumption）， four basic theories or technologies （ the characteristics, modeling, evaluation and monitoring of energy efficiency inmanufacturing systems）， two kinds of functional techniques （the techniques for improving running energy efficiency ofmanufacturing systems and the techniques for developing energy-efficient manufacturing systems） and one basic target （promoteenergy efficiency of manufacturing system）。 Finally, considering the statue of research on energy efficiency of discrete manufacturingsystems （DMS）， which is lack of attention in past time and is studied late, the complexity of research on energy efficiency of DMS isanalyzed. Five difficult problems for the research on energy efficiency of DMS are proposed and discussed, which are modeling forDMS, fine evaluation for DMS, energy allowance developing for products, multi-objective optimization for DMS and design forenergy-efficient machine tools.
　　
　　Key words:manufacturing systems;energy efficiency;state of the art;content architecture;discrete manufacturing systems.
　　
　　0 前言。
　　
　　制造业量大面广，能耗总量巨大。根据国家统计局 2015 年年鉴，我国制造业的能源消耗占工业总能耗的 82%,带来的环境污染问题严重[1];同时，《国家应对气候变化规划（2014-2020 年）》明确指出：到 2020 年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005 年下降 40%~45%,工业、建筑等重点领域节能减碳取得明显成效，工业生产过程等非能源活动温室气体排放得到有效控制[2].因此，制造业是我国工业领域的能源消耗的主体和碳排放的主要源头；如何提高制造系统能量效率，降低制造业的能量消耗和碳排放是我国制造业实现绿色制造迫切需要解决的问题之一[3].
　　
　　提升制造系统能量效率已成为各国制造业可持续发展的重要战略。2009 年 7 月，英国政府发布了《英国低碳转换计划》（The UK Low CarbonTransition Plan）国家战略文件，要求到 2020 年碳排放量在 1990 年基础上减少 34%,其内容涉及能源、工业和交通等多个方面[4].同时，欧盟也发布了《2030 气候和能源框架》（2030 Climate & EnergyFramework），到 2030 年提高能源利用率 27%[5];2014年，欧盟启动了第八科研框架计划-《地平线 2020》（Horizon 2020），指出减少能源消耗和碳足迹排放是解决能源问题的关键途径和研究领域之一[6].2014年 10 月，美国先进制造伙伴计划指导委员会向美国总统科学技术顾问委员会提出建立专门机构关注能源密集型和数字信息密集型制造业的能源使用优化，建立卓越制造中心专注于包括开发节能数字制造工具在内的基础研究[7];不仅如此，2015 年 9 月，美国能源部宣布向清洁能源制造创新研究所（CleanEnergy Manufacturing Innovation Institute）投资 7000万美元用于制造过程能量效率和生产率提升研究，计划至少提升能量效率 15%和生产率 50%[8].我国也在加快推进制造系统能量效率提升的步伐：“中国制造 2025”要求重点行业单位工业增加值能耗到2020 年明显下降，并在 2025 年达到世界先进水平；我国“十三五”规划纲要更是将“绿色”作为必须贯彻落实的五大发展理念之一，并明确指出：实现绿色发展，需要推进传统制造业绿色改造，推动建立绿色低碳循环发展产业体系。
　　
　　综上所述，制造系统能量效率的研究意义重大，已成为各国制造业可持续发展的一个重大战略课题，国际上研究非常活跃；为此本文对国内外现有研究状况进行综述和总结，然后建立制造系统能量效率研究的内容框架体系，并在此基础上提出和论述离散制造系统能量效率研究有待深化的几个难题。
　　
　　1 制造系统能量效率的内涵。
　　
　　制造系统是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员所组成的一个将制造资源转变为产品或半产品的输入输出系统，它涉及产品生命周期（包括市场分析、产品设计、工艺规划、加工过程、装配、运输、产品销售、售后服务及回收处理等）的全过程或部分环节[9].
　　
　　制造系统能量效率研究涉及产品设计、工艺规划、制造加工、装配以及运输等影响制造系统能量效率的各个能耗相关的环节和过程。其中，产品设计方案的不同，将导致产品制造过程的能量消耗大不一样。一般来讲，制造系统的输入能量形式多样，如电能、煤、石油、天然气、压缩空气等；制造系统的有效输出也是多种多样的，如产品、经济产值、经济利润等；对离散制造系统还包括产品部件、零件、工件等；特殊情况下，还包括材料去除率、有效能量输出等。因此，常从热力学、物理-热力学、经济-热力学和经济学等四个角度来定义和研究制造系统的能量效率[10-11].
　　
　　对于一般的制造系统（如车间制造系统、企业制造系统等），常从物理-热力学和经济-热力学的角度来定义其能量效率，如行业或企业的单位产品能耗、单位产值能耗、单位利润能耗等；即制造系统的能量效率为系统消耗能量 EC与系统有效产出 Eo的比值，一般称为比能（Specific energy consumption,SEC）：
　　
　　SEC= Ec/ Eo（1）。
　　
　　式中，用有效物理产出或者有效经济产出来衡量制造系统的有效产出。如常用材料去除体积来衡量切削加工制造系统的有效产出Eo .
　　
　　对于能源形式比较简单的制造系统（如单机加工系统，一般为电能），常从热力学的角度来定义其能量效率，分为瞬时能量效率和过程能量效率两类。
　　
　　其中，瞬时能量效率  h（t）是指制造系统在某一时刻t 的有效能量变化率Po（t）  与输入能量变化率Pin（t）的比值：
　　
　　h（t） =Po（t） Pin（t）  （2）。