Energy efficiency in manufacturing systems

Abstract

Objective of the present work is the deep study of the manufacturing systems in terms of energy efficiency. Manufacturing enterprises have to reduce energy consumption for both cost saving and environmental friendliness, finding new ways to produce more with less. As a first step, clear definitions for the energy efficiency are provided, in order to successfully include this significant key performance indicator into the manufacturing decision-making attributes. These definitions are used in order to develop a generalized and holistic approach towards manufacturing energy efficiency. The basic element of the approach is the division of energy efficiency definition and study into four manufacturing levels, namely process, machine, production line, and factory. Process-level definitions are provided for the majority of manufacturing processes. A machine-level study indicates and solves difficulties, generated by the workpiece geometry, and points out the interaction with the process level through factors, such as the process time. Moreover, machine tool peripherals are responsible for a significant portion of the consumed energy. Classification of the machine peripherals, based on the dependence of their consumption on process variables, is required. Studies made on the production line and factory levels show that energy efficiency, at these levels, is heavily dependent on production planning and scheduling and can be improved through the appropriate utilization of machines, with the inclusion of shutdown and eco-modes. All the methods developed for each of the manufacturing levels are verified with appropriate case studies. Moreover, a holistic case study is presented, showing that many of the difficulties towards the optimization of energy efficiency can be dealt with successfully, using the proposed generalized approach. The implementation of the method in a software platform is presented. The tool is industrially evaluated using three case studies from three different industrial sectors (i.e. aeronautics, automotive and household). The evaluation of the presented case studies clearly reveals the usefulness and efficiency of the suggested approach validating its applicability to real industrial environments. This prototype information technology decision support tool can assist the manufacturing sector towards energy and eco-efficiency, within the context of a multi-objective optimization procedure, incorporating traditional metrics (i.e. time, cost, flexibility and quality), interacting with the machine monitoring systems.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της ενεργειακής αποδοτικότητας των συστημάτων παραγωγής. Η αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας, προσφέρει μείωση του κόστους παραγωγής και των βλαβερών επιπτώσεων στο περιβάλλον. Αρχικά, παρέχονται ορισμοί για την ενεργειακή αποδοτικότητα, προκειμένου να συμπεριληφθεί και αυτός o σημαντικός δείκτης στα συνήθη κριτήρια λήψης αποφάσεων (δηλαδή το χρόνο, το κόστος, την ευελιξία και την ποιότητα). Οι ορισμοί αυτοί χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη μιας γενικευμένης και ολιστικής μεθοδολογίας ως προς την αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας στα συστήματα παραγωγής. Το βασικό στοιχείο της μεθόδου είναι ο διαχωρισμός του ορισμού της ενεργειακής απόδοσης και της μελέτης του σε τέσσερα ιεραρχικά επίπεδα, ξεκινώντας από την διεργασία, τη εργαλειομηχανή, τη γραμμή παραγωγής και την μονάδα παραγωγής. Ορισμοί στο επίπεδο της διεργασίας, παρέχονται για την πλειονότητα των κατηγοριών των μηχανουργικών διεργασιών. Στο επίπεδο της εργαλειομηχανής μελετώνται οι διαφορές που προκύπτουν από την γεωμετρία του προϊόντος, και επισημαίνονται οι αλληλεπιδράσεις με το επίπεδο της διεργασίας μέσω παραγόντων, όπως ο χρόνος διεργασίας. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι τα περιφερειακά των εργαλειομηχανών είναι υπεύθυνα για ένα σημαντικό μέρος της καταναλισκόμενης ενέργειας. H ενεργειακή κατάταξη των περιφερειακών των εργαλειομηχανών, με βάση την εξάρτηση της κατανάλωσης τους από παραμέτρους της διεργασίας, είναι απαραίτητη. Μελέτες στα επίπεδο της γραμμής παραγωγής και της μονάδας παραγωγής, δείχνουν ότι η ενεργειακή αποδοτικότητα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον χρονοπρογραμματισμό της παραγωγής και μπορεί να βελτιωθεί με την κατάλληλη αξιοποίηση των εργαλειομηχανών, συμπεριλαβαίνοντας τον τερματισμό της λειτουργιάς αυτών ή τη χρήση οικολογικών λειτουργιών (eco-modes). Όλες οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν για τα επίπεδα παραγωγής επαληθεύονται με μελέτες εφαρμογής. Για την υλοποίηση της μεθόδου αναπτύχθηκε λογισμικό το οποίο αξιολογήθηκε σε τρεις διαφορετικούς βιομηχανικούς τομείς με σημαντικά αποτελέσματα. Αυτό το πρωτότυπο εργαλείο υποστήριξης αποφάσεων μπορεί να βοηθήσει στην μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης χρησιμοποιώντας πολύ-παραγοντική βελτιστοποίηση, λαμβάνοντας υπόψιν την ενεργειακή αποδοτικότητα μαζί με τα συνήθη κριτήρια λήψης αποφάσεων αλληλοεπιδρώντας με τα συστήματα παρακολούθησης των εργαλειομηχανών.