论文研究-基于广义模糊Petri网的陶瓷生产过程能量碳流模型.pdf

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论文研究-基于广义模糊Petri网的陶瓷生产过程能量碳流模型.pdf,  针对陶瓷企业低碳制造过程建模的需求, 依据模糊Petri网的基本原理, 抓住其运行状态的连续性及离散状态对连续过程的影响, 将其用于陶瓷企业低碳制造过程建模这一领域. 首先对陶瓷企业能量碳流模型进行分析, 然后给出模型的形式化定义及规则说明, 建立了基于广义模糊Petri网的陶瓷生产过程能量碳流模型, 最后以典型的烧成
第4期 尹久,等:基于广义模糊 Petri网的陶瓷生产过程能量碳流模型 1037 Ⅰ是(Pⅹr)→R上的一个带标识的模糊关系,表示模糊库所到变迁的连接情况和连接线上的额定 输入量W、连接强度αk以及相应的输入强度计算函数0≤5(Wk,αk)≤Wk,在能量碳流模型中.函数 S(Wk:αk)和αk可根据具体情况采用不同的定义,如连接强度ak表示传输效率时,可令S(Wk,αk)=Wkⅹ Qk,即能源的实际传输量.当连接强度ak表示“最大传输率”之类含义时,可令5(Wk,ak)=mnin{Wk,αk} Ω是('×P)→R上的一个带标识的模糊关系,表示模制变迁到库所的迕接情况和连接线上的额定 输出量W、连接强度A以及相应的输出强度计算函数0≤R(W1,3)≤W,在能量碳流桢型中,函数 R(W;,Ak)和可根据具体情况采用不同的定义,其定义形式同上 巧;是定义在T上的一个取值为R∪{0}的函数,表示变迁T的点火阈限,实际意义为能量碳流模型 生产过程所需的最少原料数或能耗活动所需的最少能源量. ∫是定义在'上的一个映象,为模湖变迁写的状态转移控制函数,当≥7时,模糊变迁1具有点 火的能力 G={G1,G2,……Gk}是有限的非空门集,与模糊变迁的控制相联系,代表传输管网的分支汇聚及散出 悯门,控制消息令脾和物质流的输入或输出 d是与模糊厍所和变迁相关联的时延,d对于模糊库所P具有时间依赖性,对于离散的模糊变迁7 表示开关阀、电机、风机等操作进行时的持续时间,而对于连续型的r,则可定义模制变迁13的最大激发速 度V,,可为时间的函数或常数或为变迁输入库所内标识的线性组合 h;P∪T→(D,C),指明模糊库所或模糊变迁结点是离散的还是连续的 kP→R+是模糊库所P的容量函数,表示库所里资源的最大容量值 0,指明模糊变迁T;的状态,即处于正常状态使能状态激发状态和失效状态通过62的标识,可以清 楚地知道写状态根据具体情况可定义状态的具体含义,如激发状态可表示为生产活动单元的运行,失效状 态表示生产活动单元处于停机或出现了故障需要进行维修,具体的转换过程,如图2所示 正常 使能 激发 失效 图2状态转换示意图 M是定义模糊Peti网库所在开始运行时的初始标记状态,用于代表初始的资源分配,离散库所为N+U {0},连续库所为f+U{0},这里的N与R分别为自然数和实数集随着变迁的激发,库所内标识也在发生 变化,记M(+)为模糊库所P在时刻t的标识,它反映随着时间t的变化,模糊库所內的资源数量也在变化, 且满足三σ=T1,T2…,T,则M(>M1(t)2 23ECF-GFPN模型的变迁使能和激发语义 1)离散变迁使能与激发 定义2在上 CF-GFPN模型屮,若∈工使能,则“;的任一库所P满足①M(P)≥l(P:1}):② 对于有时延的P∈+,与模库所P相联系的时延到时,即P内的令牌为有效时;④方≥T 定义3在 ECF-GFPN模型中.若T∈T激活,当且仅当T满足下列条件:①7使能;②T所引发 的时延到时.fing-tine(t)= enabling-time(t1)+5其中,5为T所引发的时延 (2)连续变迁使能与激发 定义4在EC上-GFPN模型中,若1’∈c为使能、则*l的任一库所P满足:③"的任一离散库 所P满足M(P)≥I(P,T);②*T的任一连绒库所P,满足M(P)>0或P是被供给的(也就是说 日r∈P,使得vk>0);③对于有时延的ⅤP∈T;与模糊库所P相关的时延到时,也就是P内的令牌为 有效时:④≥行 连续型的模糊变迁使能有强弱之分,若P∈7,满足M(P(t)>0.则模糊变迁T在时刻t为强使 能,杳则为弱使能 定义5在 ECF-GFPN模型中,一个连续型的模糊变迁T,被激活,当且仅当写满足下列条件:①7 使能;②"的激发速度>0 l0.38 系统工程理论与实践 第33卷 24ECF-GFPN模型库所标识的更新规则 从上述定义可以看岀,在FCF-GFPN模型是由离散事件驱动的离散系统和连续事件驱动的连续系统相 互混合交替而成的.从模型的运行情况来看,在某个模糊变迁的点火过程中, ECF-GFPN随着时间的推移发 生量变.此时, Fuzzy petri网各库所中的标识数目(宏观状态)不变,仅此连续子系统的连续状态及其中某些 标识的分布发生了变化;在模糊变迁的点火结束时,E(FPN发生了质变,此时不仅连续变迁的状态以及 标识的有效分布情况随标识的产生或消失而发生了变化,各模糊库所的标识数目也发生了变化.模糊库所标 识数目的更新规则如下 (1)当模糊变迁T为烹散时,即G∈T,巧在t+△t激发后, ⅤP∈*11,M(t+△t)=M(t)-I(,T); VP∈1y,M1(+△)=M1(+)+!2(1,P (2)当模涮变迁1为连续时,即写;∈。在t+△以速度激发后, PE(t-t)n Pa, M(t+dt)=Mi(t)+o(T;: Pi; P2∈(*t-t*)∩Pt,M1(t+dt)=M:(t)-I(P,T); vP∈(t*-+t)nPe,M(t+dt)=M()+r:;:2(7,P)△t vP∈(*t-t)nPe,M(t+dt)=M(t)-r,f(P,7)·Δt; 其中Vmn<<Vmax 2.5ECF-GFPN模型的冲突解决策略 个良好的模型,应该具备解决冲突的能力,这样得到的网系统,才能进行所谓的模型动态行为分析有 关冲突的定义,请参考文献2,当发生冲突时,由于模糊Pti网的时序不定,因此具体哪个模糊变迁得以发 生是不确定的,实际应用屮,应选择恰当的方苿策略.具体可分为两种情形:①两连续变迁的冲突(共用一连 续或离散库所);③连续变迁与离散变迁的冲突如图3所示 P P2 P P VI-IT V73 2i'I2 图3(a)共用一连续库所的冲突;(b)共用一离散库所的冲突;(c)连续变迁与离散变迁的冲突 在3(a)图中,P为空,若v1=0或≥V2+V,则不存在冲突;若u<V2+,则T2、T3为弱使能, 存在资源兖争现象,且所有解都满足v1=v2+3 解决策略为:i)优先权沄:若1优于13,则v2=min(1:vz),U=0;i)最大速度比例分配法:v 在3(b)图中,P作为一公共资源(如辅助工具)同时被两操作单元共享若P1.P为空且以瞬时激发 速度1;2被供给满是+≤1,则不存在冲突若B1,P2内含资源,则存在冲突,当P被3使用时 3=V,v4=0,当P被l4使用时,v=V4,03=0,即满足:苦+计=1 解决策略为:iP内嵌入两公共资源;i)优先权法. 在图3()中,当离散变迁与连续变迁存在冲突时:我们规定离散变迁的优先权高于连续变迁.当P内 的托肯被预使能变迁2时也可同时使能1(但不能使能其他离散变迁,如令m1=2.6,V1=2,d1=1,则 0≤t<1时,n=V1=2,t=1时,T点火 3模型运用 从图1可以看出,陶瓷生产过程较为复杂,作者采用分块建模的思想,即对每个操作单元分别建模,最后 用组合在一起.烧成阶段是陶瓷生产过程屮能耗最大的典型工艺过程,因此以隧道窑对模型的动态过程进行 第4期 尹久,等:基于广义模糊 Petri网的陶瓷生产过程能量碳流模型 10:39 分析描述隧道窑是目前陶瓷烧纬用得最多的窑炉,与铁路山泂的隧道相似将隧道窑划分为三带:预热带、 烧成带、冷却带.卡燥玊一定水分的坯体入窑,首先经过预热带,受来自烧成带的燃烧产物(烟气)预热,然 后进入烧成带,燃料燃烧的火焰及生成的燃烧产物加热坯体至一定的温度而烧成·燃烧产物自预热带的排烟 口、支烟道、主烟道经烟囱排出窑外.烧成的产品最后进入冷却带,将热量传绐入窑的冷空气,产品本身冷却 后出窑被加热的空气作为助燃空气送去烧成带12 另外,为了便于描述整个动态过程和方便计算,需做定的假设:①以一辆窑车(装有千燥后的坯体)为 硏究对象,⑧坯体在整个烧成传输过程中无损耗,即窑车平稳移动,无料垛倒塌等现象,③由于生产过程能耗 的连续性;以触发系统稳定状态的宏事件为摧述节点.所以计算碳排放时,也以该硏究对象为计算目标,但这 并不影响模型的应用. 基亍上节所给岀的定义和演化规则,可得干燥后的坯体在隧道窑的烧制过程广义模糊 Petri网能量碳流 模型图4 P AN.:(aD) l h wI P. CE- Pi Pia P Pi&T6(d,)p P .cE P Material flow Energy flow Information flow Energy Carbon-flow 图4隧道窑广义模糊 Petri网能量碳流模型 在图4中,P1,P分别表示坯体、天然气的输入库所;P;,P12分别反应风机供入空气的库所和供入冷空 气的库所;P,P1,P15分别代表预热、烧制、冷却过程中的坯体库所;P6,P13,Ps分别代表预热、烧制、冷却 后的坯体库所;P2,P,P16分别表示伴随预热、烧制、冷却时坯体的状态库所;乃表示烧成时产生的烟气,为 预热带提供热量的库所,P,P1,Pr表示烧制和冷却过程中的碳排放库所:PA为被加热后的空气库所,通 过模糊变迁'作为助燃空气.假定初始标识,M1(0)=1t,M5(0)=∝,M(0)=∞,M12(0)=∞,其他模 糊库所的标识为0,若是连续模糊库所,其标识表示的含义为资源(包括能源和非能源)数量,若是离散的模 湖厍所,其标识表示的含义为伴随库所的状态根据某企业的生产实际可知,该隧道窑屮坯体的烧成周期为 1516小时.取d1=2h,a2=1h,d3-2h.(注:在下面的公式计算中:h表示小时t表示吨),整个动态运行过 程如表1所示 可得整个烧成周期,单位质量的坯体碳排放量为:CE=CE2+CE3=1640.70+245=164315kgCO2e/t 由此可见,隧道窑碳排放主要集中于烧制阶段,因此,如何设计窑炉结构,缩短烧制时问,减少窑壁热损 失,采用亲型燃烧装置等方法成为减少碳排放的重要途径 4结论 依据本文的建模思想及演化规则说明,建立了一种适应于陶瓷仚业生产过程的能量碳流模型、该模型不 仅考虑了运行状态的连续性:还将离散状态对连续过程的影响用于陶瓷企业低碳制造过程的建模.所建模型 包含生产过程的主要变量、设备、能源的涴动冋收、碳排放等,有助于实现整个过程能耗降低,故障发生卒降 低,以及陶瓷企业的余能得以回收利用,使企业获得经济和社会效益,突出了模型的应用价值,为企业走低碳 制造之路奠定理论基础.然而,关亍所建模型的理论及其应川仍崙做进一步的硏究,如聯时激发速度的通川 求解方法,碳排放灵敏度分析计算等 系统工程理论与实践 第33卷 表1模型的动态运行过程 序号相关约東 碳排放(CE) T1=0,1=(I(B1,1)>0)∧(I(B3s,T1)>0)山丁此阶段的碳排放CE1相关数据收集较困难、而且 (P3,7)=I(P1,7) 所占比例较小,暂不予考虑 (P1) d1 M1(h)=M1(0)+/vds 0,4=((P3."4)>0)A(M2(41)==1), T4点火 72=0,2=(I(P,72)>0)入 再根据天然气和电能的碳排放系数3-14可以计算 ((P6,T2)>0)∧(I(P,T2)>0) 该阶段过程的碳排放 445(-4484MJ/t/h CE. M.EF+S.EF)·d2 M5(h)=M5(0)- h dMs(h ds (448.4J/h×0.06kgCO2e/MJ+ g:O(P,7)=I(P3,72) 5Kwt×1.63kgCO2e/Kwh)×1lh W/t 1640.70xgCO2c/t M7(h)=M7(0) 475=0,5=(I(P10,7)>0)A(M9(d2)==1), T5点火 73-0,/3=(1(12,13)>0)A(A3,73)>0)CF3-出①,Fed O(f1s,T3)=I(13,T3) =0.75Kw/t×1.63kg(O2e/Kwh×2h 98 dM1(h)=0.75Kw =2.415kgCO2e/ M12(h)=M12(0) h dM12(1 ds 0,6=(l(H15,76)>0)(M16(l3)==1) T6点火 参考文献 世界白然基金会(香港).低恢制造计划lowcarbonmanufactureprogramLcmP)eb/olj.http://www.thuee.com page/Default. asp? ID=95. 2010-10-08 2]吴哲辉Peti网导论M.北京:机械工业出版社.206 Wu Z H. Introduction to Pctri ncts[M. Bcijing: China Machinc Prcss, 2006 3 Budde R, Nieters H. Introduction to network theory(Theory of Petri nets)J. Regelungstechnik RT. 1984. 32(3 76-80 4]何新贵模糊 Petri网J.计算机学报,1994.17(12:946950 Hc X G. Fuzzy Pctri ncts J. Chinesc Journal of Computers, 1994. 17(12): 946-950 5 Pedrycz W, Gomide F. A generalized fuzzy Petri net model[J. IEEE Transactions on Fuzzy Systens, 1991, 2(41) 295-301 6 Merlin P M, Farber D J. 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