轮胎硫化车间节能概念性打算Word格式.docx

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因此，本文以减少产品制造进程能源消耗为目标，将能耗本钱和交货期等作为优化调度的性能指标，融入高能耗制造企业的生产调度中，最终通过在产品生产进程中运用优化调度手腕达到减少能源消耗、降低生产本钱的目标。

1.目的分析

当前，学术界普遍将制造业节能技术分为结构节能、技术节能和治理节能三个层次。

结构节能一样指国家或行业范围内调整产业结构和生产规模等实现节能；

技术节能那么是从提高制造企业生产设备性能、工艺水平和操作技术等手腕达到提高能源的利用率实现节能；

治理节能那么是通过组织生产、分派机械、操纵生产节拍等方法达到节能降耗。

治理角度的节能理论源于对低碳制造理论和技术研究。

很多国内外学者从不同角度对制造业能耗情形进行研究。

初期，学者们要紧关注制造进程中能源的散布和去向，Kordonowy通过大量调研说明，在产品加工进程中因机械机、停机、等待、等待和辅助系统而消耗了大部份能源，如机床、磨床、铣床和注塑机等约有30%能源被辅助系统所消耗。

Giitowski等人对汽车制造企业能源消耗情形的研究发觉，真正用于产品的零件加工的能耗不足15%。

Drake等人也证明机床或组件、停状态及空闲状态需要消耗大邊的能源消耗。

HauschildM等从“产品”的观点考虑制造单位产品的能源消耗情形，将加工产品的能源消耗作为产品生命周期评估的一部份，用于评判单位产品所需的能耗。

可是产品生命周期考虑的因素多，数据量大，而在整个产品生命周期进程中难以取得较为精准的能耗数据，因此釆用产品生命周期进程评判制造进程能耗通常要采纳大量的假设和简化，其准确性大大折扣。

以为原料、生产过能源效率、原料利用率等几个方面与制造进程能耗相关，指出降低制造企业的能耗可从减少机床及其辅助设备的能耗，工艺进程能耗，机械空闲、等待停、开机等进程引发的能源浪费入手，另外，生产材料、供给链及库存等也是实现节能降耗的要紧方面。

目前有关于车间调度的研究大多以完工时刻、交货期、生产本钱或利润为目标，缺少以减少能源消耗为目标的车间生产调度研究。

轮胎硫化车间调度问题属于一类带特殊约束的非一样并行机调度问题，目前在国内外没有发觉对此问题研究的文献报导。

轮胎硫化车间调度问题是考虑拖期本钱的能耗优化调度问题，其中能耗本钱包括机械正常运行能耗本钱、待性能耗本钱和机械“关一开”机预热能耗本钱。

轮胎生产企业要紧生产工艺流程、用能设备、供能系统和能源散布情形可由图1表示。

企业要紧利用电力、水蒸气、紧缩空气、氮气和动力水五种能源工质，每种能源工质均由专门的供给系统，将其供给到各车间层，形成了一个庞大的供能网络系统，由图1可知，能源供给系统可分为水蒸气供给系统、电力供给系统、氮气供给系统、紧缩空气供给系统和动力水供给系统，其中水蒸气来自锅炉房，紧缩空气由空压机产生，氮气是经空压机后的紧缩空气经制氮机产生。

通过该系统能够很清楚地看到各车间的用能设备、用能情形和各类能耗工质的利用比例等情形。

图1轮胎生产企业能源散布图

下面介绍各能源介质产生途径和作用。

（1）水蒸气

水蒸气是轮胎企业优质的二次能源，由无烟煤燃烧热加热锅炉中的水，取得压力为2.5Mpa、温度为300℃左右的饱和水蒸气，通过减温阀和减压阀将温度和压力下降到符合车间工艺要求后供给到各用汽车间，水蒸气要紧用于轮胎硫化车间，纤维压延和制品车间、炼胶车间、锭子房、压延压出空调房等。

依照其工艺特点，水蒸气供到硫化车间时，其对温度和压力要求超级严格，因有多台硫化机械同时关停或启动、正常硫化时也要在水蒸气和氮气向切换，常造成水蒸气供给系统的强烈震荡，造成温度和压力转变大，达不到工艺要求。

（2）电

轮胎生产各工艺进程都用到电能，对电力需求大，轮胎企业的电力资源全数来自于外购，企业大功率用电设备较多，如炼胶车间的密炼机，压延车间滚压压延线和压出机生产线、空压机组、制氮机组等大功率机组对供电质量要求较高，因此要尽可能幸免大功率机械开停时产生冲击性负荷和高次谐波，对生产设备和供电系统稳固带来较大阻碍。

（3）紧缩空气

紧缩空气是轮胎企业必不可少的动力介质，用于驱动各类气动设备和充入轮胎内定型便于加工。

紧缩空气由空气紧缩机产生，通过减压后输送到缓冲罐备用，各车间工序要历时可随时利用，紧缩空气要紧用于成形车间、部件车间和密炼车间。

（4）氮气

在轮胎企业中氮气是作为爱惜气体用于硫化工艺，在硫化是胎囊内先充入高温高压蒸汽加热轮胎，当达到必然温度后停止供如蒸汽换成氮气，以保温保压，待硫化完成后再将氮气外排，利用氮气主若是为了减少水蒸气的消耗，节约能源。

（5）水

轮胎生产进程用水较多，遍及每一个车间，水的作用要紧有：

产品或设备的加热、冷却或洗涤。

如在硫化工序在定型后要通入过热水加热，待硫化终止后，轮胎需要通入冷水冷却。

综上所述，轮胎企业利用的能源介质较多，能源介质产消链与生产进程存在重叠与交叉，形成了多个功能系统网络，多种能源介质同时作用于同一工序，一种能源介质也能够用于多个工序，增加了能源治理的复杂性。

目前轮胎企业的生产本钱增幅已超过40%，原材料、能源、劳动力三大因素推高了企业的生产本钱，使轮胎行业进入了一个高本钱时期。

随着低碳经济的进展，必然会给国内轮胎制造业带来压力和转变。

低碳经济将引发轮胎行业以“节能、环保、平安、智能、高效”的产品主导轮胎消费市场，迫使轮胎企业加速调整产品结构和优化升级，实施以低消耗、低污染、低排放为特点的绿色进展模式。

在行业内推行以用户为导向的低碳产品采购和低碳产品消费模式，对轮胎企业来讲确实是要打造好轮胎产业新的生产力，实现由高碳向低碳转变，变压力为动力，进展节能、环保、平安、绿色的低碳产品确实是轮胎企业要寻觅的“蓝海”。

进展低碳经济、开发低碳产品对轮胎行业来讲既是挑战，更是机缘。

谁调整得早，转向得快，谁就会占据市场的制高点，取得主动。

以硫化工序为例构建起能耗输入输出模型，轮胎硫化需要能源工质种类多，包括水蒸气、过热水、电能、氮气、紧缩空气和动力水等，这些能源工质彼此作用，彼此制约，各类能耗介质在硫化工艺进程的输入输出流程。

水蒸气和过热水经硫化工序后进行回收，取得温度较高的冷凝水，有部份参入杂质的直接排放，变成废水，紧缩空气和氮气那么直接排放；

动力水经回收可在此利用。

针对同时利用多种能源工质的情形，通经常使用综合能耗来衡量产品的能效情形，经常使用的4种综合能耗别离是综合能耗、单位产值综合能耗、产品单位产量综合能耗、产品单位产量可比综合能耗。

℃℃℃。

目前我国制造业的能耗占用了全国一次能耗的63%，单位产品的能耗高出国际水平20%至30%，单位GDP的能耗值也远远高于发达国家的水平，若是以日本单位GDP能耗为1，那么欧盟为1.8，美国为2，中国那么高达8.6。

因此我国政府早在2006年的《中华人民共和国国民经济和社会进展第十一个五年计划纲要》中就明确提出我国在“十一五”期间单位GDP能耗要降低20%，要紧污染物排放总量减少10%的约束指标。

并依照《节能减排综合性工作方案》的相关规定从四个方面增强节能减排工作，一是调整产业结构、加速产业升级；

二是通过完善价钱和财税体制增进节能；

三是通过提高科技水平实现节能；

四是通过增强治理增进节能。

关于以后中国而言，专门是关于正在蓬勃进展的中国制造业而言，节能减排、低碳转型不单单是生存之本，更是进展之道；

既是我国加速经济结构调整的缘故，也是调整的方向和终点。

致使目前制造业中治理层忽略能源浪费的要紧缘故是能源本钱仅占产品总本钱的2~3%或5%。

因此为了实现节能，最关键的是企业的商业模式的转变，即从“最低资本的最大收益”转变成“最小能耗的最大价值”。

在这种商业模式下，需要企业通过综合考虑环境规那么、产品质量、顾客中意度，使其达到最优以减少产品的本钱。

企业能耗的减少一方面需要提高全面的节能环保意识，另一方面依托于企业自动化程度的增加，从而能够为车间层提供更好的透明度和效率。

目前从生产治理角度来看制造业的节能技术要紧包括生产进程稳固技术、产品工艺再试探技术、完成无损基础设施建设及企业信息化能源信息建设等四方面。

车间调度问题是一类用于解决车间资源的最优安排，生产打算安排，为打算的执行和操纵提供指导的特殊的调度问题，该问题对应于生产治理系统的短时间打算的安排，即实施层次。

在离散制造业中，生产调度进程中所涉及的资源要紧包括：

人员、设备（加工设备、存储设备、运输设备、维修设备）、资金、能源、和原材料等。

车间调度进程的确实是资源必然的条件下，通过优化生产工艺、加工流程及车间物流途径，使企业所要求的某些性能指标达到最优，这些指标能够是任务的最短完工时刻、企业的生产本钱最低、仓储的库存费最少、产品的生产周期最短、或是设备利用率最高、能源消耗最低等，也能够是多个指标组成的复合指标。

因此车间调度问题是一个多目标多约束的，复杂的NP难问题。

车间调度作为企业生产治理系统的核心组成和关键技术，良好的调度方案关于提高企业的生产效率具有重要意义，它不仅能够有效降低设备的空闲率，缩短产品的生产周期，提高顾客中意度，而且能够有效地降低生产本钱、减少能源消耗和提高企业的经济效益。

2.功能分析

一级机构有能源科，二级机构有能耗治理员。

轮胎生产进程是将橡胶、炭黑、硫磺等多种原料以必然的比例混合，通过密炼、压延、压出、成型、硫化和终检等5大工序步骤，加工成轮胎。

如图2所示。

每一个大工序有包括假设干子工序。

图2轮胎生产流程图

下面介绍每一个工序的具体工艺进程，分析要紧能耗阻碍因素。

（1）炼胶工序

炼胶工序是将橡胶、炭黑、硫磺、生胶等按必然比例进行混合比配，投入到密炼机中，通过搅拌和切割作用产生的热量进行物理和化学反映，混炼诞生胶，通过滚压机压成胶片，通过冷却水池、风扇阵列吹冷，最后将胶片叠堆。

炼胶进程要紧消耗电能、紧缩空气和水。

经分析，阻碍炼胶工序的能耗因素有很多种，分析如下。

a.投料不及时，密炼机和下辅机处于空转等料；

出片卡料，混炼好的胶料无法掉落到出片机，密炼机和上辅机处于空转等待状态。

新人不能熟练操作机械，不能专门好配合上下游工序造成生产等待。

，混炼时刻太短未达到质量要求，需要多次混炼，

每次混炼都需要将胶料冷却静放一段时刻才能进行下一次混炼，所消耗的能源更多。

c.电能质量不稳固，严峻阻碍大功率机械效率，容易造成机械故障，也阻碍产品质量，改换产品规格需要的时刻长，需要清洗机械和开机预热等一样需要消耗能源。

（2）压延和压出工序

压延和压出工序生产的部件包括钢丝帘布、内衬层、三角胶、胎面、胎侧、胎肩垫胶等。

a.钢丝帘布压延是将钢丝和胶料通过压延机压制成覆胶帘布。

将炼胶工序生

产的胶片经工业循环水均勻加热到8（rc—105°

C之间（太高太低会造成压延脱层或帘布线不粘），通过挤出机挤压成胶条状输送至压辊机滚压而成；

钢丝帘线表面镀有一层铜锌合金，在潮湿环境中极易生锈，因此要在钉子房中操纵钢丝的温度、干湿度和张力，如温度要比压延稍高。

纤维帘布和胶料经滚压复合成胶帘布，经冷却辑滚压及缓冲装置后卷取。

帘布压延要紧消耗水蒸气、电和水；

，然后将两层胶片热贴合在一路，压延成有必然厚度、宽度和形状的胶片；

要紧消耗电、工业循环水和蒸汽。

c..三角胶压出是胶料经冷喂料挤出后送入压出机压成三角胶，通过工业循环水喷淋冷却，再用紧缩空气吹干最后卷取寄存；

要紧消耗电、工业循环水和紧缩空气。

（3）成型工序

成型是将压延、压出工序生产的内衬层、胎体帘布、钢丝圈、胎肩塾胶、胎冠、胎侧、带束层等部件在成型机生产线上依照必然组合而成胎还。

如釆用二步法成型那么现将内衬层和胎体在成型鼓中贴合，然后在两边扣上钢丝圈，经反包、压合，接着将胎侧贴合取得一段胎还，在二段胎还中先将带束、冠带和胎面在带束鼓中贴合，然后与一段胎还用卡盘定型和压合取得完整胎还。

在此进程中要紧利用电和紧缩空气。

成形车间对温湿度要求较高，全年要将温度和适度维持在2（rc—27°

C之间，湿度在55%RH—65RH之间，夏日需要中央空调提供冷风，冬季需要蒸汽提供热流。

成型机要紧用电能和紧缩空气驱动，传输线将内衬层、胎侧、胎体等部件输送到成形鼓上，釆用气动装置将这些部件压到成形鼓，成形鼓旋转取得内胎层，同时通过环形气社向内衬层从气等一系列步骤将内衬层、胎体帘布、钢丝圈、子口布、胎肩垫胶、胎冠、胎侧、带束层等各类半成品部件压制成胎还。

因此，阻碍能耗的因素有环境温度、各部件寄存的时刻、成形鼓转速与压力，中心胶囊定位精度，环形气虹冲气时刻。

（4）硫化工序

硫化是将胎还放到硫化机中在必然的温度、压力的饱和水蒸气、紧缩空气及氮气等多种能源介质作用下，使橡胶轮胎发生硫化反映，即将可塑性强、易变形、强度低的“生胎”通过硫化反映时橡胶内的线型高分子发生交联反映，生成网状的必然硬度、有弹性和耐磨的高分子材料，俗称将生胎“煮熟”。

典型的橡胶轮胎硫化工艺包括装胎、定型、胎胚加热到工艺温度、冷却、卸胎等工序，其中关键工艺进程是定型和加热进程。

某子午线轮胎生产硫化的工艺流程图中，定型即在安装有生胎的硫化机的胶囊中充入高温饱和蒸汽，用以固定胎还的形状和为发生硫化反映提供热源，并维持一段时刻的稳固压力。

加热进程是导入饱和蒸汽和过热的水到胶囊中，生胎的内、外侧别离由胶囊和金属管道通入蒸汽和热水加热或保温；

生胎外侧温和内测温和压力对硫化质量相当重要。

硫化不充分，轮胎钿度不够，温度太高那么橡胶被氧化，有很多厂家釆取的做法是在生胎外部通入必然压力的髙纯度氮气用于阻止空气中的氧气与加热硫化中的生胎接触。

该厂硫化车间需要硫化的轮胎规格多达1000多种，不同规格的轮胎硫化参数不同，其中，内胎和外胎温度、压力，硫化时刻等参数有较大不同；

硫化机4种规格100多台，每台机械加工能力不同，某些规格的轮胎只能在特定规格硫化机；

改换规格时需要改换胎囊和模具；

受到上游工序的限制，工件（生胎）的达到硫化车间的时刻不确信，不同规格的产品要求的交货期不同。

硫化车间调度问题与其他车间调度问题最大不同点是硫化机在停机状态下开机时需要预热一段时刻后方能正常加工，硫化机有3种耗能状态：

机械正常加工、机械空转等待、机械开机预热，其中机械开机预热到正常加工是停机时刻的函数。

因此，如何确信工件在机械上的分派、在同一台机械上工件的加工顺序，机械机数量，机械待机数量等对能耗阻碍超级大。

依照以上特点，将硫化车间调度问题抽象为一类非一样并行性能耗优化调度问题。

3.系统合成

下面，以典型子午线橡胶轮胎生产企业硫化生产工艺的特点和能源利用情形的为例，说明轮胎硫化车间能耗优化调度问题，该厂硫化车间需要硫化的轮胎规格多达1000多种，不同规格的轮胎硫化参数不同，其中，内胎和外胎温度、压力，硫化时刻等参数有较大不同；

因此，如何确信工件在机械上的分派、在同一台机械上工件的加工顺序，机械机数量，机械待机数量等对能耗阻碍超级大。

该类问题有如下特点：

由上述分析可知，硫化工艺的特点是工序步骤多，工艺条件严格，能源消耗大，生产集中，对机械设备性能和操作人员素养要求高，其复杂性可由以下几方面表现：

（1）工序步骤多，工艺复杂，需要的能源工质种类多。

硫化进程包括装胎、定型、生胎加热到工艺温度、冷却、卸胎等多个步骤，其中生胎加热步骤要求高，对温度和压力条件比较苟刻；

为了幸免氧化，要用到氮气等惰性作为爱惜气体，多种能源工质间进行切换利用，相互作用，相互制约，对机械参数设置要求高，对供能系统的稳固性要求高。

（2）多对多的生产模式。

一是轮胎生产设备多，据某大型轮胎生产企业调研资料显示，该硫化车间具有104台硫化机，可分为4大类型，不同的硫化机硫化轮胎的能力不一样，表现了设备的非一样性。

二是产品规格种类多，该企业生产的轮胎有1000多个品种，轮胎接断面宽度不一至，轮胎厚度也不同专门大，并非每种规格的轮胎均能在任意一台硫化机上加工，表现了产品的非一样性，因此，将不同类型的轮胎快速适当分派到100多台硫化机上加工，是一件比较复杂的情形。

（3）时刻短，不确信因素多。

硫化工序受到上一道工序的限制，只能提早几个小时才能取得排产打算，造成机械开-停频繁，致使温度和压力达不到工艺要求，引发短暂停产现象；

另外，生产打算临时变更等情形，不同规格产品交货期不同大等问题，也增加了调度的难度。

（4）硫化机有开机一预热、正常加工和空闲等待三种运行状态。

不同状态单位时刻内所消耗的能源不一样，其中机械开机预热时刻长达数小时，其预热期间单位时刻内消耗能顏比正常加工时大，硫化时改换胶囊、改换规格、机械故障等情形需要停机-开机预热外，机械处于长时刻无加工任务状态也需要停机。

因此，在工件数量和抵达时刻不能确信情形下，如何选择机械开机台数、确信无加工任务机械处于等待或是停机状态也有必然难度。

设有m台加工能力不一样的机械

，

，…，

组成一个制造系统，每台机械有三种状态（运行、待机和停一开机），其中，机械的初始状态为停机，因此，机械

的能耗别离由三部份组成运行能耗，待性能耗和从停机到运行状态的预热能耗。

这三部份能耗对应的单位时刻能耗本钱别离为：

、

和

。

现有n个彼此独立的工件

，其中

，表示工件i抵达系统的时刻，每一个工件对应着一个交货期

，若是工件在交货期前未能完工，那么会为系统带来必然的处惩，依据拖期的程度用

表示工件i的单位处惩本钱；

每一个工件必需通过该系统中一台机械加工，加工时刻为

；

—台机械同一时刻只能加工一个工件；

工件在加工进程中遵循不可抢占特性，即假设工件在一台机械上加工，必需加工完毕后，该机械才能加工下一个工件；

如何安排工件在该系统的加工顺序，从而确信每台机械状态，使得该系统的生产本钱最少化

用Graham的三元组来描述该类问题

成立轮胎硫化车间能耗优化调度问题数学模型。

针对以能耗优化为目标的非一样并行机调度问题，采纳基于启发式规那么算法

进行求解；

针对优化模型中的拖期本钱目标，采纳三种基于优先启发式规那么的算法进行求解；

针对能耗优化目标，提出基于机械能耗规那么的启发式算法，针对能耗本钱和拖期本钱目标，提出基于组合启发式规那么的算法对模型进行求解。

为验证算法有效性，设计了仿真算例对该模型进行仿真，仿真的结果验证了本模型的合理性和有效性。

针对硫化车间能耗优化调度问题，提出基于启发式规那么的遗传算法进行求解。

为查验不同启发式规那么进行初始化对遗传算法性能的阻碍，采纳了4种基于规那么遗传算法与一般遗传算法进行对照，并依次设计了大量仿真实验。

实验结果证明了利用规那么寻觅初始种群的混合遗传算法相较一般遗传算法的优越性。

另外，还将成立的能耗优化模型应用于硫化车间生产调度进程中，实验结果说明，本文成立的能耗优化调度模型能够有效降低制造进程能耗本钱。

将成立的能耗优化模型应用于硫化车间生产调度进程中,实验结果说明,本文成立的能耗优化调度模型能够有效降低制造进程能耗本钱。

4.系统评判

本文以橡胶轮胎硫化车间为研究背景，对非一样并行性能耗优化调度问题进行了研究，分析了启发式算法和基于规那么的遗传算法在硫化车间非一样并行性能耗优化调度问题中的应用，要紧做了以下几方面的工作：

（1）第一对轮胎硫化生产工艺流程和能耗情形进行详细分析，依照硫化车间能耗量大、产品规格多，机械种类多等特点，将硫化车间生产能耗优化调度问题抽象为一类非一样并行机调度问题，并以此成立基于拖期本钱的硫化车间能耗优化调度模型

（2）基于成立的数学模型，针对拖期本钱目标采纳基于优先规那么（最先交货期m）D、完工时刻与交货期差值ODD、最短加工时刻SPT）的启发式算法进行模型求解；

针对能耗本钱目标，提出基于最小运行能耗（LPP）的启发式算法；

针对机械无加工任务时显现待机和停机两种现象，提出来操纵机械“关-开”状态的算法和基于工件组批加工的BC算法；

依照组合调度规那么性能优于单调度规那么的理论，提出将EDD、ODD、SPT、LPP四种算法别离与BC算法进行组合的4种组合规那么启发式算法；

最后设计仿真算例验证所提出的算法有效性。

（3）针对上述调度数学模型，为把应用背景更切近实际生产情形和研究的进一步深切，结合基于规那么的启发式算法，研究一种基于规那么的遗传算法，采纳多种启发式规那么产生遗传算法初始种群，为验证算法所提出的遗传算法的有效性，设计仿真算例对不同规那么产生初始解的遗传算法进行仿真实验验证。

并上述提出的遗传算法用于优化广州丰力轮胎硫化车间能耗优化调度。

本文从橡胶轮胎硫化车间能耗优化调度入手，做了一些研究工作，但还有以下几个方面值得进行深切研究。

（1）进一步深切分析其他车间生产调度的特点，如炼胶车间，成立相应的生产调度模型；

（2）针对硫化车间生产调度方面，能够考虑增加其他约束条件，如预热时刻和预热本钱的关系模型、多台机械同时停机或开机所消耗的能耗本钱，拖期本钱与能耗本钱的因子如何设定等问题。

（3）在求解方式上，能够选用其他有效方式或改良文中方式进行优化调度，通过量种方式进行比较，