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1、基于能量有效的可持续制造,报告单位：武汉理工大学,提纲,我国制造业面临的挑战可持续制造简介国内外研究和应用现状基于能量有效的可持续制造应用前景,1.我国制造业面临的挑战,我国制造业面临的挑战,我国仍处于工业化进程中，与先进国家相比还有较大差距，体现在：制造业大而不强，自主创新能力弱；产品档次不高，缺乏世界知名品牌；资源能源利用效率低，环境污染问题较为突出；产业结构不合理，高端装备制造业和生产性服务业发展滞后；信息化水平不高，与工业化融合深度不够；产业国际化程度不高，企业全球化经营能力不足。,推进制造强国建设，必须着力解决以上问题。中国制造2025,制造业绿色改造升级的迫切需求,制造业占据了90
2、%的工业能耗；我国的制造业整体一直未能摆脱高损耗和低效率的困局,这制约着我国制造业竞争力的提高。我国传统制造业已成为能源消耗大户，并且能源利用率是33%,比发达国家低约10个百分点。我国每年因环境污染造成的损失约占GDP 的10%左右；目前，我国所有造成环境污染的排放物中70%来源于制造业。2008 年,我国CO2排量占世界总量的21.8%，已成为世界上排放CO2最多的国家。,环境和能源问题已成为全球制造业所关注的焦点！,传统制造业的困局：高耗能、高污染、高排放,国家战略“中国制造2025”,绿色制造工程专栏组织实施传统制造业能效提升、清洁生产、节水治污、循环利用等专项技术改造。开展重大节能环
3、保、资源综合利用、再制造、低碳技术产业化示范。实施重点区域、流域、行业清洁生产水平提升计划，扎实推进大气、水、土壤污染源头防治专项。制定绿色产品、绿色工厂、绿色园区、绿色企业标准体系，开展绿色评价。,到2020年，建成千家绿色示范工厂和百家绿色示范园区，部分重化工行业能源资源消耗出现拐点，重点行业主要污染物排放强度下降20%。到2025年，制造业绿色发展和主要产品单耗达到世界先进水平，绿色制造体系基本建立。,我国汽车制造业绿色化转型升级的迫切需求,与发达国家相比，我国汽车装备制造实力还有较大差距，主要体现在：汽车生产线用成套装备能力弱；汽车装备共性技术与工艺、基础零部件、基础设备等仍是制约汽车
4、装备制造业发展的关键因素；生产过程中资源能源消耗大、废弃物排放多。,与国外先进汽车制造公司的生产能效对比举例：,为全产业链注入更多的绿色，是当前我国汽车产业实现转型升级的有效途径,我国汽车制造业绿色化转型升级的迫切需求,全面推进汽车制造业绿色化转型升级策略：将汽车生态设计理念化为实际行动，贯穿于全产业链；加大先进节能环保技术、工艺和装备的研发力度，提高制造业资源利用效率；强化产品全生命周期绿色管理，构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系；从产品设计阶段到报废回收的全生命周期，充分考虑优化各个环节资源环境问题，最大限度实现资源节约，从源头减少环境污染,绿色生产，清洁、资源利用率高的可持续发展,
5、我国汽车制造业绿色化转型升级的迫切需求,汽车制造业可以从整车设计、材料选择、技术进步和生产管理等各环节入手，提高产品质量和性能，降低汽车生产过程能耗和全生命周期碳排放，符合政府日趋严格的监管要求，最终提高环境、社会和经济的多重效益，实现整个产业的可持续发展。,提高汽车企业能量有效性，能够提高企业生产效率，降低单位产品的成本，从而提高企业的竞争力。西门子公司通过统计数据分析，预测对于汽车制造中广泛使用的工业机器人，有约10%的能耗降低空间，汽车制造企业在产品制造过程中总体有30%的能耗降低潜能。,我国汽车制造业绿色化转型升级的迫切需求,2.可持续制造简介,可持续制造概念,绿色制造是一个综合考虑环
6、境影响和资源效益的现代化制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。,可持续制造是采用对环境影响小、能量和资源节约、安全、经济可行的生产工艺来加工产品的制造模式，满足环境、经济、社会的均衡发展。,体系框架,网络层,经济 环境 社会,有效性充分性一致性,公司层,车间层,工艺层,可持续制造维度,可持续制造层级,可持续制造策略,主要内容,可持续制造包括废弃物排放最小化、提高材料有效性、提高资源有效性、提高生态有效性等四个方面。,支撑可持续
7、制造的相关技术体系主要包括：能耗监测、面向环境可持续的产品设计、产品全生命周期闭环供应链设计（正向供应链和逆向供应链）、可持续生产规划和调度等。,可持续产品设计,生产调度和工艺规划,能耗监测,生产加工,检测与拆解,正向供应链,产品回收,逆向供应链,产品获取和使用,技术体系,能量有效的制造是可持续制造的一个重要方向，它重点关注制造系统的资源输入到制造过程的实施全过程中，更加有效地提高能量利用效率、降低CO2排放。研究内容主要包括：制造系统能耗数据的获取、生产制造过程能耗建模、评估与优化、生产调度方法等方面。,能量有效的制造(Energy-Efficient Manufacturing),3.国内
8、外研究和应用现状,欧盟FP7项目 基于云架构的企业可持续制造自适应服务,Sustainable Manufacturing Adaptive Services with Cloud Architectures for Enterprises(SMARTER)为提高制造企业可持续竞争力，对各生产环节进行能耗优化，提高制造过程能量有效性，并通过智能云服务，克服产品设计和制造阶段存在的动态性和复杂性。主要内容：制造过程动态监测服务有效的可持续设计评价服务自适应生产规划服务可持续的社会网络服务云制造服务平台,欧盟FP7项目 基于创新知识的中小企业计算机辅助自适应规划,Innovative knowle
9、dge-based Computer Aided Process Planning for SMEs(CAPP-4-SMEs)为了帮助中小企业应对客户对产品质量和交付速度越来越高以及产品可持续性要求，采用创新知识的计算机辅助自适应规划方法，提高制造过程的自适应性、响应速度、鲁棒性和可持续性。主要内容：创新和自适应的工艺规划服务基于知识的产品全生命周期评估服务基于功能模块的自适应过程控制服务装备能力和使用的实时监控服务基于云和面向服务的可持续制造方法,欧盟Horizon 2020项目 基于云的快速灵活制造,Cloud-based Rapid Elastic MAnufacturing(CREMA
10、)使工业4.0企业能够对市场需求做出柔性响应，并快速的提供相应制造能力，实现制造资源服务的按需高效使用，包括：1)根据需求和实用性实现制造资源的发布和租用；2)通过对租赁的制造资源根据需求进行可持续制造规划，并实现制造服务的快速灵活性；3)通过评估度量服务实现制造资源使用按需付费。主要内容：,制造虚拟化和互操作,云制造过程和优化框架,云制造协作、知识和用户交互,中美(NSFC-NSF)环境可持续性合作研究项目,Advancing Environmental Sustainability through Innovative Design and Operation of Digital Man
11、ufacturing Equipment面向环境可持续性的数字化制造装备设计、制造与运行的基础理论研究面向设计、制造、运行、维护到再制造的产品全生命周期，构建提高数字制造装备资源利用率和能量有效性的创新设计和运行知识框架，提升数字制造装备的环境可持续性。主要内容：机床级的能量流建模、分析和优化数控机床的可持续性设计面向数字化车间的能量有效性生产调度数控加工机床的改装和再制造,B.Data 将过程控制系统和办公环境下的数据处理系统有机结合，能够完成能源使用及能源费用的采集、计算及分析，以实现对能源监控、能源报表、能源趋势、物料平衡、能耗设备管理、成本中心管理、能源预测、能源采购、能源绩效等的管理
12、功能。,西门子B.Data 能源管理系统在德国雷根斯堡宝马汽车厂的应用,主要内容能源和物料平衡全厂平衡（综合考虑热和电平衡）获得典型数据（公司的基准数据）内部能耗费用分配和统计耗能分析和估算监控当前和历史的能量流能量控制（目标/实际消耗）效益基于西门子B.Data系统，2012年，雷根斯堡该工厂将耗能量在2004年的基础上削减了30%，相当于每年节省1.68亿度电。,德国雷根斯堡宝马汽车用 B.Data 实现的能源管理系统,ABB cpmPlus Energy Manager 能源管理系统由数据库、能量管理服务器、用户端组成，能耗数据来自自动化采集和监控系统；系统的功能包括能耗监测、报告，以及
13、根据能耗目标降低生产能耗等。,ABB cpmPlus Energy Manager系统在瑞士钢铁厂的应用,能源管理系统帮助瑞士钢铁厂每隔15分钟显示当前电能消耗情况，并根据生产计划预测能耗需求，减少电能过载使用而遭受的处罚，降低电能的使用费用。,该系统包括现场设备层、网络通讯层、站控管理层。实现了车间能源消耗数据的智能化、自动化、可视化、可量化，发现可能存在的用能不经济问题，提出改进措施并推动整改，持续优化车间用能，是一个循环改进逐步提升车间能效水平的综合能源管理系统。,Acrel-5000能源管理系统在上海通用汽车金桥南厂油漆车间应用,广州黄埔船厂能源管理系统包括分布式实时数据采集、能源信息
14、网络和能源管理应用平台三层，用于主变配电站、空压站、液氧汽化站和液二氧化碳汽化站等的管理。系统的建设有效提高了船厂能源管理水平，较系统实施前能源单耗降低了 5%，节能效果显著。,广州黄埔船厂能源管理系统,现状分析与对策,当前国内外可持续制造相关研究工作涉及到了从产品设计、加工、维护到回收、再制造等全生命周期的多个环节，其中降低制造过程中的能量消耗是最为有效、关注度最高的研究方向。当前已经有研究工作通过将可持续制造与制造服务等新型制造模式相结合，基于服务优化的方法达到生产过程能效提升的目的；智能制造策略和技术的引入，将使得优化手段更加丰富，性能提升潜力更大。现有工程应用还主要停留在能耗监测层面，
15、通过制造过程的管控优化主动实现能效性能提升还不多见。针对汽车制造生产过程领域的可持续制造工程应用，实现生产能耗和效率多目标均衡优化的工作还比较缺乏。当前针对数控机床这类制造装备降低能耗的研究工作较多，对于汽车制造业中的工业机器人这类核心制造装备的相关研究工作还较少。,现状分析与对策,制造业新模式智能制造智能制造将专家的知识和经验融入感知、决策、执行等制造活动中，赋予产品制造在线学习和知识进化的能力，涉及到产品全生命周期中的设计、生产、管理和服务等制造活动。智能制造涵盖智能制造技术、智能制造装备、智能制造系统和智能制造服务等，衍生各种各样的智能制造产品。,智能制造,人工智能,脑科学,生物智能,认
16、知科学,仿生学,材料科学,物联网,智能设计,智能软件,知识库,模型库,科学内涵,技术核心,现状分析与对策,制造业新模式云制造,“云制造”是一种面向服务的智能化、敏捷化、绿色化、网络化制造新模式：融合与发展了现有信息化制造技术及云计算、物联网、面向服务等新兴信息技术；将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化，进行统一的、集中的管理和经营；随时按需获取制造资源与能力服务，以完成其制造全生命周期的各类活动。,推进制造能力的高度共享、按需使用、动态协同；实现制造任务动态优化排产、生产过程实时管控。,现状分析与对策,以数字制造为基础，可持续制造与多种制造业新模式有机结合、相互促进、协同发展，形成合力共同推
17、动中国制造由大变强的战略转化，实现我国制造业的可持续发展。,数字制造,智能制造,可持续制造,云制造,形成合力,中国制造由大变强的战略转化,解决方案面向服务和基于能量有效的可持续智能制造,以服务为方法，以智能为核心，基于能量有效制造，实现企业可持续发展,4.基于能量有效的可持续制造,整体架构,建立自用户至车间装备的制造信息物理系统，实现车间装备能耗状态信息的智能采集和处理及其控制；采用制造服务技术作为车间执行系统实现的基本方法，将车间能耗监测与生产管理服务化；智能制造的理念贯穿于车间能耗管理和生产管控的始终，制造智能依托制造服务形式实现；最终通过基于能量有效和面向服务的可持续智能制造模式，实现企
18、业可持续发展。,以服务为方法，以智能为核心，基于能量有效制造，实现企业可持续发展,车间装备能效状态智能感知与数据动态采集,数据汇聚网关,智能电表,分布式数据存储系统,视频监控,多传感器,能耗状态&生产状态,适配接入节点,开发车间装备能效状态智能感知网络和大数据采集存储系统,基于智能电表、视频监控和多类型传感器的车间装备能效状态智能感知网络，感知大数据的动态采集汇聚和存储。,实现：车间制造装备能耗状态的智能感知；车间生产状态的智能感知，辅助车间能耗优化；自动化的信息采集和汇聚；基于无线传感网络的感知数据传输；感知大数据分布式存储。,车间装备能效状态智能感知与数据动态采集,制造装备电能嵌入式智能采
19、集装置,无线适配接入节点与汇聚网关,柔性生产线能耗监测,大数据存储管理系统,车间大数据集成管理与智能分析,车间感知大数据统一建模和集成管理，可持续制造能力综合指标体系和动态评估分析方法与系统。,实现：基于元数据的车间数据统一建模；建立车间大数据统一视图，便于不同部门之间共享数据；基于数据驱动的可持续制造能力动态评估方法与系统，为可持续制造能力服务优化提供支持。,开发车间装备制造大数据集成管理和可持续制造能力动态评估分析系统,车间大数据集成管理与智能分析,加工质量与成本评估,基于感知数据的制造能力评估结果,制造装备状态统一数据模型,制造装备状态数据分析,数据驱动的车间装备运行控制智能优化,数据驱
20、动的车间制造装备能耗单元级自适应优化和车间级协同优化。,实现：基于能耗模型优化工业机器人轨迹，减小机器人工作能耗；基于车间装备能耗信息，调整装备状态，降低生产线能耗；基于分析获得的车间生产状态，对生产计划进行智能调度，提高设备利用效率和能量效率。,开发数据驱动的车间装备能耗智能优化技术以及生产能耗协同优化系统,数据驱动的车间装备运行控制智能优化,基于蜜蜂算法的制造资源智能调度方法,生产调度过程中基于觅食调整策略的智能优化算法,车间可持续智能制造服务管理云平台,对车间装备可持续制造能力进行数字化和虚拟化，并封装为制造服务，支持企业车间内部和外部用户安全协同使用。,实现：跨车间和跨企业的制造能力高
21、度共享、按需使用；制造资源服务组合与重构动态优化，提升生产效率；能源管理系统服务化、模块化，降低维护成本；企业制造信息安全管理机制。,开发具有服务发布、查询、调用和管理功能的车间可持续智能制造服务平台,车间可持续智能制造服务管理云平台,制造服务管理平台,装备资源本体描述模型,装备资源的虚拟化,制造服务系统角色权限管理,5.应用前景,生产过程状态实时感知与可视化呈现,应用前景：车间级生产状态数据的实时监测 包括：制造装备能耗状态数据、运行状态数据和加工状态数据，生产线任务状态数据，车间供应链和仓储状态数据等。生产信息的实时传递和基于位置的工况信息主动推送生产异常的实时预警和生产能力信息的实时反馈
22、生产信息的多维度可视化呈现和多途径人机交互预期目标：提升生产信息掌控能力和响应变化能力提升生产沟通效率和部门协作沟通满意度降低产品不良品率为生产能耗和生产效率管理水平提升提供数据来源支持,生产数据集成管理与智能分析,应用前景：企业各部门生产数据的有效集成和统一管理感知大数据的统计分析和智能推理面向工位和人员的能力建模和评估以及绩效分析面向生产任务的制造服务能力评估预期目标：提升企业信息共享能力和数据一致率提升企业部门协同能力提升人均产能、降低生产操作产错率建立科学、综合的质量管理和绩效评价体系为生产能耗和生产效率管理水平提升提供决策支持,基于能量有效的制造服务动态优化,应用前景：车间工业机器人
23、等制造装备资源的虚拟化和服务化基于能量有效的工业机器人运行控制动态优化基于能量有效的制造装备服务调度动态优化车间生产能耗和效率的多目标均衡优化预期目标：降低工业机器人单体运行能耗降低车间生产线系统能耗实现生产过程的实时管控提升车间能源利用率和生产效率提升车间可持续制造能力,感知数据驱动,控制、调度动态优化,智能分析与决策,单体机器人,车间生产线,企业可持续智能制造服务管理云平台,应用前景：面向服务的企业制造资源集成管理服务于制造全生命周期、跨阶段的全程可持续智能制造跨域、跨部门的制造任务协同和安全互操作对于市场需求的交互和快速响应预期目标：提升企业制造资源利用率和生产效率提升企业各部门协同能力降低企业运营成本提升市场需求响应能力和满意度,总结,通过建设基于能量有效和面向服务的可持续智能制造模式及系统，实现企业制造产品、生产过程、车间管理等数字化、网络化、智能化水平有效提升，可持续制造标准化体系初步建成。通过工作开展，在运营成本降低、生产效率提高、产品不良品率降低、能源利用率提高等方面取得显著成果。,中国制造业的发展之路：走向可持续制造,谢谢指正！,
