基于能量有效的可持續制造報告單位：武漢理工大學提綱我國制造業面臨的挑戰可持續制造簡介國內外研究和應用現狀基于能量有效的可持續制造應用前景1.我國制造業面臨的挑戰我國制造業面臨的挑戰我國仍處于工業化進程中，與先進國家相比還有較大差距，體現在：制造業大而不強，自主創新能力弱；產品檔次不高，缺乏世界知名品牌；資源能源利用效率低，環境污染問題較為突出；產業結構不合理，高端裝備制造業和生產性服務業發展滯后；信息化水平不高，與工業化融合深度不夠；產業國際化程度不高，企業全球化經營能力不足。推進制造強國建設，必須著力解決以上問題。——《中國制造2025》制造業綠色改造升級的迫切需求制造業占據了90%的工業能耗；我國的制造業整體一直未能擺脫高損耗和低效率的困局,這制約著我國制造業競爭力的提高。我國傳統制造業已成為能源消耗大戶，并且能源利用率是33%,比發達國家低約10個百分點。我國每年因環境污染造成的損失約占GDP的10%左右；目前，我國所有造成環境污染的排放物中70%來源于制造業。2008年,我國CO2排量占世界總量的21.8%，已成為世界上排放CO2最多的國家。環境和能源問題已成為全球制造業所關注的焦點！傳統制造業的困局：高耗能、高污染、高排放制造業綠色改造升級的迫切需求產品制造過程中存在的不足：制造過程中的物耗、能耗和廢棄物排放嚴重，機電產品制造工藝與裝備水平不高。制造業生產車間粉塵、油煙、水霧、噪聲及廢棄物排放等對生產人員身體健康和自然環境危害嚴重。通用性機電產品通常表現為設備效率低、物耗、材耗普遍偏高，在節能產品開發和產品無害化方面差距很大。國家戰略“中國制造2025”指導思想創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本任務重點提高國家制造業創新能力推進信息化與工業化深度融合強化工業基礎能力加強質量品牌建設全面推行綠色制造國家戰略“中國制造2025”綠色制造工程專欄組織實施傳統制造業能效提升、清潔生產、節水治污、循環利用等專項技術改造。開展重大節能環保、資源綜合利用、再制造、低碳技術產業化示范。實施重點區域、流域、行業清潔生產水平提升計劃，扎實推進大氣、水、土壤污染源頭防治專項。制定綠色產品、綠色工廠、綠色園區、綠色企業標準體系，開展綠色評價。到2020年，建成千家綠色示范工廠和百家綠色示范園區，部分重化工行業能源資源消耗出現拐點，重點行業主要污染物排放強度下降20%。到2025年，制造業綠色發展和主要產品單耗達到世界先進水平，綠色制造體系基本建立。我國汽車制造業綠色化轉型升級的迫切需求與發達國家相比，我國汽車裝備制造實力還有較大差距，主要體現在：汽車生產線用成套裝備能力弱；汽車裝備共性技術與工藝、基礎零部件、基礎設備等仍是制約汽車裝備制造業發展的關鍵因素；生產過程中資源能源消耗大、廢棄物排放多。與國外先進汽車制造公司的生產能效對比舉例：為全產業鏈注入更多的綠色，是當前我國汽車產業實現轉型升級的有效途徑我國汽車制造業綠色化轉型升級的迫切需求全面推進汽車制造業綠色化轉型升級策略：將汽車生態設計理念化為實際行動，貫穿于全產業鏈；加大先進節能環保技術、工藝和裝備的研發力度，提高制造業資源利用效率；強化產品全生命周期綠色管理，構建高效、清潔、低碳、循環的綠色制造體系；從產品設計階段到報廢回收的全生命周期，充分考慮優化各個環節資源環境問題，最大限度實現資源節約，從源頭減少環境污染綠色生產，清潔、資源利用率高的可持續發展我國汽車制造業綠色化轉型升級的迫切需求汽車制造業可以從整車設計、材料選擇、技術進步和生產管理等各環節入手，提高產品質量和性能，降低汽車生產過程能耗和全生命周期碳排放，符合政府日趨嚴格的監管要求，最終提高環境、社會和經濟的多重效益，實現整個產業的可持續發展。提高汽車企業能量有效性，能夠提高企業生產效率，降低單位產品的成本，從而提高企業的競爭力。西門子公司通過統計數據分析，預測對于汽車制造中廣泛使用的工業機器人，有約10%的能耗降低空間，汽車制造企業在產品制造過程中總體有30%的能耗降低潛能。我國汽車制造業綠色化轉型升級的迫切需求2.可持續制造簡介可持續制造概念綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效益的現代化制造模式，其目標是使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環境的影響（負作用）最小，資源利用率最高，并使企業經濟效益和社會效益協調優化，是人類可持續發展戰略在現代制造業中的體現。可持續制造是采用對環境影響小、能量和資源節約、安全、經濟可行的生產工藝來加工產品的制造模式，滿足環境、經濟、社會的均衡發展。體系框架網絡層經濟環境社會有效性充分性一致性公司層車間層工藝層可持續制造維度可持續制造層級可持續制造策略主要內容可持續制造包括廢棄物排放最小化、提高材料有效性、提高資源有效性、提高生態有效性等四個方面。可持續制造環境友好制造成本人員健康操作安全能量消耗廢棄物管理支撐可持續制造的相關技術體系主要包括：能耗監測、面向環境可持續的產品設計、產品全生命周期閉環供應鏈設計（正向供應鏈和逆向供應鏈）、可持續生產規劃和調度等。可持續產品設計生產調度和工藝規劃能耗監測生產加工檢測與拆解正向供應鏈產品回收逆向供應鏈產品獲取和使用技術體系能量有效的制造是可持續制造的一個重要方向，它重點關注制造系統的資源輸入到制造過程的實施全過程中，更加有效地提高能量利用效率、降低CO2排放。研究內容主要包括：制造系統能耗數據的獲取、生產制造過程能耗建模、評估與優化、生產調度方法等方面。能量有效的制造(Energy-EfficientManufacturing)3.國內外研究和應用現狀歐盟FP7項目

—基于云架構的企業可持續制造自適應服務SustainableManufacturingAdaptiveServiceswithCloudArchitecturesforEnterprises(SMARTER)為提高制造企業可持續競爭力，對各生產環節進行能耗優化，提高制造過程能量有效性，并通過智能云服務，克服產品設計和制造階段存在的動態性和復雜性。主要內容：制造過程動態監測服務有效的可持續設計評價服務自適應生產規劃服務可持續的社會網絡服務云制造服務平臺歐盟FP7項目—基于創新知識的中小企業計算機輔助自適應規劃Innovativeknowledge-basedComputerAidedProcessPlanningforSMEs(CAPP-4-SMEs)為了幫助中小企業應對客戶對產品質量和交付速度越來越高以及產品可持續性要求，采用創新知識的計算機輔助自適應規劃方法，提高制造過程的自適應性、響應速度、魯棒性和可持續性。主要內容：創新和自適應的工藝規劃服務基于知識的產品全生命周期評估服務基于功能模塊的自適應過程控制服務裝備能力和使用的實時監控服務基于云和面向服務的可持續制造方法歐盟Horizon2020項目—基于云的快速靈活制造Cloud-basedRapidElasticMAnufacturing(CREMA)使工業4.0企業能夠對市場需求做出柔性響應，并快速的提供相應制造能力，實現制造資源服務的按需高效使用，包括：1)根據需求和實用性實現制造資源的發布和租用；2)通過對租賃的制造資源根據需求進行可持續制造規劃，并實現制造服務的快速靈活性；3)通過評估度量服務實現制造資源使用按需付費。主要內容：制造虛擬化和互操作云制造過程和優化框架云制造協作、知識和用戶交互中美(NSFC-NSF)環境可持續性合作研究項目AdvancingEnvironmentalSustainabilitythroughInnovativeDesignandOperationofDigitalManufacturingEquipment面向環境可持續性的數字化制造裝備設計、制造與運行的基礎理論研究面向設計、制造、運行、維護到再制造的產品全生命周期，構建提高數字制造裝備資源利用率和能量有效性的創新設計和運行知識框架，提升數字制造裝備的環境可持續性。主要內容：機床級的能量流建模、分析和優化數控機床的可持續性設計面向數字化車間的能量有效性生產調度數控加工機床的改裝和再制造B.Data

將過程控制系統和辦公環境下的數據處理系統有機結合，能夠完成能源使用及能源費用的采集、計算及分析，以實現對能源監控、能源報表、能源趨勢、物料平衡、能耗設備管理、成本中心管理、能源預測、能源采購、能源績效等的管理功能。西門子B.Data能源管理系統在德國雷根斯堡寶馬汽車廠的應用主要內容能源和物料平衡全廠平衡（綜合考慮熱和電平衡）獲得典型數據（公司的基準數據）內部能耗費用分配和統計耗能分析和估算監控當前和歷史的能量流能量控制（目標/實際消耗）效益基于西門子B.Data系統，2012年，雷根斯堡該工廠將耗能量在2004年的基礎上削減了30%，相當于每年節省1.68億度電。德國雷根斯堡寶馬汽車用B.Data實現的能源管理系統ABBcpmPlusEnergyManager能源管理系統由數據庫、能量管理服務器、用戶端組成，能耗數據來自自動化采集和監控系統；系統的功能包括能耗監測、報告，以及根據能耗目標降低生產能耗等。ABBcpmPlusEnergyManager系統在瑞士鋼鐵廠的應用能源管理系統幫助瑞士鋼鐵廠每隔15分鐘顯示當前電能消耗情況，并根據生產計劃預測能耗需求，減少電能過載使用而遭受的處罰，降低電能的使用費用。該系統包括現場設備層、網絡通訊層、站控管理層。實現了車間能源消耗數據的智能化、自動化、可視化、可量化，發現可能存在的用能不經濟問題，提出改進措施并推動整改，持續優化車間用能，是一個循環改進逐步提升車間能效水平的綜合能源管理系統。Acrel-5000能源管理系統在上海通用汽車金橋南廠油漆車間應用廣州黃埔船廠能源管理系統包括分布式實時數據采集、能源信息網絡和能源管理應用平臺三層，用于主變配電站、空壓站、液氧汽化站和液二氧化碳汽化站等的管理。系統的建設有效提高了船廠能源管理水平，較系統實施前能源單耗降低了5%，節能效果顯著。廣州黃埔船廠能源管理系統現狀分析與對策當前國內外可持續制造相關研究工作涉及到了從產品設計、加工、維護到回收、再制造等全生命周期的多個環節，其中降低制造過程中的能量消耗是最為有效、關注度最高的研究方向。當前已經有研究工作通過將可持續制造與制造服務等新型制造模式相結合，基于服務優化的方法達到生產過程能效提升的目的；智能制造策略和技術的引入，將使得優化手段更加豐富，性能提升潛力更大。現有工程應用還主要停留在能耗監測層面，通過制造過程的管控優化主動實現能效性能提升還不多見。針對汽車制造生產過程領域的可持續制造工程應用，實現生產能耗和效率多目標均衡優化的工作還比較缺乏。當前針對數控機床這類制造裝備降低能耗的研究工作較多，對于汽車制造業中的工業機器人這類核心制造裝備的相關研究工作還較少。現狀分析與對策制造業新模式——智能制造智能制造將專家的知識和經驗融入感知、決策、執行等制造活動中，賦予產品制造在線學習和知識進化的能力，涉及到產品全生命周期中的設計、生產、管理和服務等制造活動。智能制造涵蓋智能制造技術、智能制造裝備、智能制造系統和智能制造服務等，衍生各種各樣的智能制造產品。智能制造人工智能腦科學生物智能認知科學仿生學材料科學物聯網智能設計智能軟件知識庫模型庫科學內涵技術核心現狀分析與對策制造業新模式——云制造

“云制造”是一種面向服務的智能化、敏捷化、綠色化、網絡化制造新模式：融合與發展了現有信息化制造技術及云計算、物聯網、面向服務等新興信息技術；將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務化，進行統一的、集中的管理和經營；隨時按需獲取制造資源與能力服務，以完成其制造全生命周期的各類活動。推進制造能力的高度共享、按需使用、動態協同；實現制造任務動態優化排產、生產過程實時管控。現狀分析與對策以數字制造為基礎，可持續制造與多種制造業新模式有機結合、相互促進、協同發展，形成合力共同推動中國制造由大變強的戰略轉化，實現我國制造業的可持續發展。數字制造智能制造可持續制造云制造形成合力中國制造由大變強的戰略轉化解決方案面向服務和基于能量有效的可持續智能制造以服務為方法，以智能為核心，基于能量有效制造，實現企業可持續發展4.基于能量有效的可持續制造整體架構建立自用戶至車間裝備的制造信息物理系統，實現車間裝備能耗狀態信息的智能采集和處理及其控制；采用制造服務技術作為車間執行系統實現的基本方法，將車間能耗監測與生產管理服務化；智能制造的理念貫穿于車間能耗管理和生產管控的始終，制造智能依托制造服務形式實現；最終通過基于能量有效和面向服務的可持續智能制造模式，實現企業可持續發展。以服務為方法，以智能為核心，基于能量有效制造，實現企業可持續發展車間裝備能效狀態智能感知與數據動態采集數據匯聚網關智能電表分布式數據存儲系統視頻監控多傳感器能耗狀態&生產狀態適配接入節點開發車間裝備能效狀態智能感知網絡和大數據采集存儲系統基于智能電表、視頻監控和