绿色制造及其关键技术

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重庆大学

机械制造技术基础课程论文

论文题目：现代集成制造系统（CIMS ）与绿色制造的结合（G-CIMS ）发展探究

英文题目

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指导教师姓名:

单位名称: 重庆大学机械工程学院

班级：

学号：

2013年11月

目 录

摘要------------------------------------------------------------------3 关键字----------------------------------------------------------------3 0引言---------------------------------------------------------------3 1 CIMS介绍---------------------------------------------------------3

1.1 CIMS的发展-------------------------------------------------3

1.2 CIMS的构成-------------------------------------------------4

2 绿色制造的含义和体系结构------------------------------------------5

2.1 绿色制造的含义----------------------------------------------5

2.2 绿色制造的关键技术------------------------------------------5

3 G-CIMS的介绍------------------------------------------------------7

3.1 G-CIMS的定义------------------------------------------------7

3.2 G-CIMS的体系结构--------------------------------------------7

3.3 G-CIMS 在我国的实施策略--------------------------------------8

4 结论---------------------------------------------------------------9参考文献----------------------------------------------------------------9

现代集成制造系统（CIMS ）与绿色制造的结合（G-CIMS ）

发展探究

【摘要】CIMS 是基于CIM 理念构成的一种数字化、虚拟化、网络化、智能化、绿色化、集成优化的先进制造系统。本文简单地介绍了绿色制造的概念其研究和实施中涉及的主要问题。然后在分析绿色制造和CIMS 的战略意义的基础上, 提出了绿色 CIMS (G-CIMS)的概念，简单介绍了绿色CIMS 的体系结构，最后还根据我国的具体情况阐明了在我国实施G-CIMS 的策略。

【关键字】现代集成制造系统（CIMS ），绿色制造，绿色 CIMS (G-CIMS)

0 引言

当今世界已进入信息时代, 并迈向了知识经济时代。以信息技术为主导的高技术为制造业的发展提供了极大的支持, 并推动着制造业的变革与发展。现代集成制造系统(Contemporary Integrated Manufacturing Systems, 简称CIMS) 技术的研究、应用及

【1】其产业化是其中最重要的组成部分。CIMS 作为制造企业的先进生产模式之一, 有助于

缩短产品的交货期(T) , 提高产品质量(Q),降低生产成本(C),提供更好的服务(S),对提高企业竞争力具有极其重要的作用。

但是, 现阶段的制造企业大多将重点放在产品设计和制造方面的信息集成上, 很少从产品的寿命循环周期出发考虑问题, 很少考虑技术、经济与生态环境的协调发展, 因而造成了目前严峻的环境问题, 能源问题和资源问题。据有关资料统计, 我国平均能源利用率为28%,而美国和日本分别为50%和57% ,我国产品单位产值耗能l 亿t bm,但国民产值仅为日本的25%,机械工业年耗钢材900万吨左右, 金属利用率仅为60% , 另外, 三废的治理率也相当低, 工业废水治理率仅为20%,工业废气治理率为56%,工业废渣治理率

[2] 50%。这些问题已严重地威胁到人类的生存与发展, 因此, 实施绿色制造战略势在必行!

以“节能减排”为重要内容的绿色制造战略是我党、我国政府在我国经济社会发展的重要历史阶段高瞻远瞩、审时度势，做出的重大战略部署，是推行实施“绿色制造”的具体体现。它的意义体现在：第一，它是缓解我国能源紧张状况的有效途径之一。第二，它是减轻我国环境污染的重要途径之一。第三，它是推动我国经济结构优化的重要方式。第四，它是推动我国产业升级的重要原动力。第五，它是我国经济实现又好又快

【3】 发展的中心工作。

1 CIMS介绍

1．1 CIMS的发展

CIMS 这一概念是由美国的Joseph Harrington博士于1973年首次提出的, 而开始得到重视并大规模实施则是在十年之后。其根源是美国20世纪70年代的产业政策发生偏差, 过分夸大了第三产业的作用, 而将制造业, 特别是传统产业, 贬低为“夕阳工

业”、“生了锈的皮带”。这导致美国制造业优势的衰退, 并在80年代初开始的世界性石油危机中暴露无遗。此时, 美国才开始重视制造业, 并决心用其信息技术的优势夺回制造业的霸主地位, 认为: “CIMS, no longer a choice! ”

1986年3月, 我国高技术研究开发计划(863计划) 中设立了CIMS 主题。十余年来, 在国家科技部(原国家科委) 的直接领导和有关部门的大力支持下, 它以“发展高科技, 实现产业化”为宗旨，围绕两个中心--“提高我国综合国力与企业市场竞争能力”和“科技与经济结合, 科技为经济服务”, 在1万余名专家、技术人员、管理人员的不懈努力下, 立足国情, 创新发展, 从早期的以信息集成为特征的计算机集成制造系统( Computer Integrated Manufacturing System ) 概念开始, 经历了企业信息集成化、过程集成优化、企业间集成优化的发展阶段, 走出了一条具有中国特色的现代集成制造系统之路, 在应用示范工程、产品开发、重大关键技术攻关、应用基础研究等四个层次取得了重大进展和丰硕成果。

1.2CIMS 的构成

1.2.1 传统CIMS

众所周知, 传统CIMS 包括管理信息系统 (MIS)、质量信息系统(QIS)、技术信息系统(TIS)、制造自动化系统(MAS ) 四个应用分系统和网络通讯系统(NES)、工程数据库系统(DBS)两个支撑分系统, 其中MIS 存储并管理着企业的各种管理信息,QIS 管理着各

种与产品质量有关的信息, TIS 则进行产品设计、分析和工艺设计,MAS 通过消耗能源将原材料转化为最终产品。这四个应用分系统在NES 和DBS 的支持下实现信息共享, 充分发挥CIMS 的集成效益。但从上面可看出, 传统CIMS 并未考虑环境因素的影响, 未从产品的整个寿命循环角度出发组织生产, 因而还需要不断完善。【4】

1.2.2 CIMS技术【1】

1、CIMS 总体技术

(1)系统总体模式--包括柔性制造、集成制造、敏捷制造、智能制造及绿色制造等模式;

(2)系统集成方法论--包括信息集成、过程集成、企业间集成及知识集成等方法论;

(3)系统集成技术--包括设计、生产、管理及后勤等子系统间的集成技术, 企业三要素及物流、信息流、价值流的集成技术等;

(4)标准化技术--包括产品信息标准、过程信息标准、数据交换与格式标准、 图形标准及零件库标准等技术;

(5)企业建模和仿真技术--包括企业功能、信息、工作流、资源及组织模型等的建立、 确认及其仿真技术;

(6)CIMS系统开发与实施技术。

2、CIMS 支撑技术

包括网络、数据库、 集成平台/框架、计算机辅助软件工程、 产品数据管理 ( P D M ) 、

计算机支持协同工作及人/机接口等技术。

3、设计自动化技术

包括 CAD、CAPP 、CAM 、CAE 、DFX( 面向下游工作的设计) 及虚拟样机(VP)等。

4、加工生产自动化技术

包括DNC 、CNC 、FMC 、FMS 、虚拟制造(VM)及快速成型制造(RPM)技术等。

5、经营管理与决策系统技术

包括MIS 、OA 、MRPÒ、CAQ 、供应链、BPR 及ERP 等技术。

6、生产过程控制技术

包括过程检测、先进控制、故障诊断和面向生产目标的建模、优化集成控制技术等。

2绿色制造的含义和体系结构

绿色制造(Green Manufacturing), 又称环境意识制造(Environmentally Conscious Manufacturing) 、面向环境的制造(MFE)等, 近年来的研究非常活跃。1996年, 美国制造工程师学会(SME)发表了关于绿色制造的专门蓝皮书《Green Manufacturing》, 提出绿色制造的概念, 并对其内涵和作用等问题进行了较系统介绍;1998年,SME 又在国际互联网上发表了“绿色制造的发展趋势”的网上主题报告; 国际生产工程学会(CIRP)近年发表了不少关于环境意识制造和多生命周期工程的研究论文; 美国AT&T和许多企业也以企业行为投入大量研究。特别是近年来, 国际标准化组织(ISO)提出了关于环境管理的14000系列标准]后, 推动着绿色制造研究的发展。可以毫不夸张地说, 绿色制造研究的强大绿色浪潮, 正在全球兴起。【5】

2.1 绿色制造的含义

由于绿色制造提出和研究历史很短，对它的定义有很多说法。本文对它的定义为：绿色制造是一种综合考虑环境问题和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境影响最小、资源利用率最高。该定义中涉及三个领域的问题：一是制造问题，它包括产品生命周期全过程；二是环境保护问题；三是资源优化问题。绿色制造就是它们的交叉口，如图所示。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式, 其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中, 对环境的负面影响最小, 资源效率最高, 并使企业经济效益和社会效益协调优化。而真正促使绿色制造走向市场, 却是多种因素共同作用的结果, 如图2所示。从当前社会积极实行可持续发展战略的氛围来看, 绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。【9】

2.2 绿色制造的关键技术

从大制造的概念来讲, 制造的全过程一般包括: 产品设计、工艺规划、材料选择、生产制造、包装运输、使用和报废处理等阶段。如果在每个阶段都考虑到有关绿色的因素, 就会产生相应的绿色制造技术。

2.2.1绿色设计

传统的产品设计, 通常主要考虑的是产品的基本属性, 如功能、质量、寿命、成本等, 很少考虑环境属性。按这种方式生产出来的产品, 在其使用寿命结束后, 回收利用率低, 资源浪费严重, 毒性物质严重污染生态环境, 形成一个从摇篮到坟墓的过程。绿色设计的基本思想就是要在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中, 将环境性能作为产品的设计目标和出发点, 力求使产品对环境的影响达到最小从这一点来说, 绿色设计是从可持续发展的高度审视产品的整个生命周期, 强调在产品开发阶段按照全生命周期的观点进行系统性的分析与评价, 消除潜在的、对环境的负面影响, 力求形成从摇篮到再现的过程。其与传统设计的主要区别如表1所示。绿色设计主要可以通过生命周期设计、并行设计、模块化设计等几种方法来实现。【6】

2.2.2 绿色材料选择

研究材料无毒、无害化技术，针对高分子材料，研究废旧高分子材料回收的绿色技术，高分子过滤材料－－功能膜材料，玻璃纤维毡增强热塑性复合材料等。对现有材料的环境性能改进技术等。下述图表实质上是面向环境的产品材料选择所应考虑的材料的基

【】 本特性。7

表２ 绿色材料理解框图

2.2.3 清洁生产

改进工艺, 提高产品合格率; 采用合理工艺, 简化产品加工流程, 减少加工工序, 谋求生产过程的废料最少化, 避免不安全因素; 减少产品生产过程中的污染物排放, 如减少切削液的使用等。目前多通过干式切削技术来实现这一目标。

2.2.4绿色包装

绿色包装是指采用对环境和人体无污染, 可回收重用或可再生的包装材料及其制品的包装。首先必须尽可能简化产品包装, 避免过度包装; 使包装可以多次重复使用或便于回收, 且不会产生二次污染。如在摩托罗拉的标准包装盒项目方面, 其做法是缩小包装盒尺寸, 提高包装盒利用率, 并采用再生纸浆内包装取代原木浆, 进而提高经济效益。

2.2.5 绿色处理技术

如果将废弃的产品中有用的部分再合理地利用起来, 既能节约资源, 又可有效的保护环境, 这也正是有些文献中所提到的绿色产品的可回收性及可拆卸性设计问题。【8】如此一来, 整个制造过程也会形成一个闭环的系统, 最能有效减轻对环境的危害, 这也正是与传统制造过程开环特性最不同的一点, 见图3。上海交通大学就针对汽车开展了可回收

性绿色设计技术的研究, 与Ford 公司合作, 研究中国轿车的回收工程问题。

3 G-CIMS的介绍

3.1 G-CIMS的定义

由于绿色制造思想和CIMS 的提出和研究的历史并不长, 其内涵和概念尚处于探索阶段, 将绿色制造和CIMS 相结合的思想尚未见到报道。本文给G- CIMS下的定义为:

G-CIMS 是将绿色制造的概念和思想引入CIMS, 在CIMS 规划、设计和实施过程中处处贯彻绿色制造的思想, 通过采用绿色生产的技术和方法, 向市场提供具有竞争力的 “绿色产品”, 同时给企业带来尽可能高的经济效益。它是一种可持续发展的企业组织、管理和运行的新模式。它综合运用现代制造技术、信息技术、自动化技术、管理技术和环境技术, 将企业各项活动中的人、技术、经营管理、物能资源和生态环境, 以及信息流、物料流、能量流和资金流有机集成, 并实现企业和生态环境整体优化, 从而达到产品上市快、质量高、成本低、服务好、环境影响小, 使企业赢得竞争, 取得良好经济效益和社会效益。

3.2 G-CIMS的体系结构

G-CIMS 是可持续发展战略和 CIMS的有机结合, 它强调在产品寿命循环过程中采取清洁化生产技术, 是传统CIMS 概念的新发展。如下表所示

G-CIMS 包括5个应用分系统和两个支撑分系统, 与传统CIMS 不同, 上表将质量信息 分系统(QIS)和清洁化生产信息分系统(CPS) 独立出来是由其重要性决定的。因为G-CIMS 中的MIS 、TIS 、MAS 都涉及到质量信息分系统中的内容, 而且质量信息关系到企业成败, 对提高员工的质量意识, 保证产品的质量, 增强企业的市场竞争力具有极大的意义。独立的质量信息分系统避免将质量管理作为MIS 的一个组成部分, 从而增加了它的重要性。与质量信息一样,G-CIMS 中的清洁化生产信息也涉及到企业经营管理的各个方面和产品寿命循环的各个阶段, 它与CIMS 其它分系统的关系也很密切。它是实现可持续发展战略的技术手段, 将其独立作为一个分阶段, 便于实现所有清洁化生产信息的综合管理。【2】

G-CIMS 的体系结构如图 4 所示, 可以看出, G-CMIS由两层组成: 应用系统层和支撑系统层。应用系统层在硬件、软件、管理模式、组织机构和外部环境的支持下工作, 其工作程序如下: 市场信息输入管理信息分系统MIS, 用户质量信息输入QIS , 用户、企业、社会的可持续发展信息输入CPS , 经过MIS 的决策支持系统作出新产品开发的决策, 将有关信息输入技术信息分系统TIS 进行并行产品设计, 通过QIS 控制设计质量, 通过CPS 控制产品的“绿色”特性, 通过MIS 控制产品的其它特性。评审通过的设计方案再经过TIS 中的CAPP 和CAM 模块产生加工制造信息, 这些信息被送入MAS 分系统。根据加工制造信息,MAS 分系统消耗能源将原材料转化成最终产品并投放市场。在此过程中, MAS 分系统必须同QIS 和CPS 两个分系统频繁交换信息, 以控制产品质量和可持续发展特性。在MAS 分系统工作过程中, 会产生大量的废料, 也会对环境造成污染, 废料的管理和环境状况管理以及产品出厂后的有关可持续发展的绿色信息都由CPS 分系统来完成。支撑系统层位于下层, 包括网络和数据库两个支撑分系统, 它们在软件和硬件两个环境的支持下工作, 为5大应用分系统提供信息共享的手段。同时, 支撑系统层也支持G-CIMS 与外部环境的信息交换。【4】

图4 G-CIMS的体系结构

3.3 G - CIMS 在我国的实施策略

G-CIMS 是制造企业的先进生产模式之一, 这一点已取得人们的共识, 但由于G-CIMS 是个全新的概念, 在这方面的研究还很少。下面针对我国的具体情况, 为在我国实施G- CIMS 提出如下几点建议:

(1)为实施G-CIMS 创造一个良好的外部环境G-CIMS 是一个巨大的系统工程, 它的实现将会对企业和人类社会产生很大的影响, 需要从政策法规人的教育和培训、企业文化、社会氛围、基础研究、高新技术应用、企业管理等各个方面着手。

(2)加强基础设施的建设和关键技术的研究

G-CIMS 的基础设施包括企业区域网、国家信息高速公路、数据库系统、适合于清洁化生产的工艺装备等。应首先进行这些基础设施的建设, 使之符合G-CIMS 的要求。另外, 还应集中力量研究G-CIMS 的关键技术, 例如可拆卸性设计、面向环境的设计、寿命循环分析与评估、并行设计技术、清洁化生产管理信息系统、三废处理技术等, 同时还应 加强CPS 分系统与G-CIMS 中其它分系统间的信息集成研究。

(3)改革企业的组织机构和管理

只有高素质的人员和实施G-CIMS 的相关技术是不够的, 还必须在企业的组织机构和管理模式等方面采取措施, 只有这样才有助于G-CIMS 的顺利实施。

(4)加强国际合作与交流

我国是一个发展中国家, 还处于社会主义初级阶段, 无论在相关技术研究, 还是在法律法规的制定上都存在一定的问题和难度, 因此必须加强国际间的合作交流, 利用它们提供的技术、资金等支持来促进G-CIMS 的进一步实施。

4 结论

绿色制造是现代工业企业发展和运行的一种新模式，也是人类社会可持续发展战略的重要组成部分。绿色制造涉及面广，内容丰富。绿色集成制造技术和绿色集成制造系统将可能成为今后绿色制造研究的热点。这里我们希望绿色CIMS 这个概念能够指导工程师们推出更多的绿色制造应用。

参考文献

【1】朱焕立, 刘进宝。CIMS 的发展及其在我国的应用现状，开封大学学报，2003年9月

【2】向东 (昆明理工大学) 张根保，汪永超，徐宗俊 (重庆大学) 。可持续发展CIMS ( S-CIMS )的体系结构及其实施策略研究，机械设计与制造工程，1999年3月

【3】王永靖，刘飞。汽车制造企业绿色制造模式及关键支持系统研究，重庆大学机械工程学院博士学位论文，2008年9月

【4】向东，张根保，汪永超，徐宗俊。可持续发展 CIMS( S -CIMS ) 的基本概念及体系结构研究，国家自然科学基金资助课题，1998年5月

【5】刘飞, 张华, 陈晓慧，绿色制造的集成特性和绿色集成制造系统，重庆大学制造工程研究所, 重庆，1999年8月

【6】胡爱玲。绿色制造及其关键技术，沈阳航空工业学院学报，2006年4月

【7】马鑫。浅谈绿色制造，甘肃畜牧工程职业技术学院机械工程系

【8】唐一平。先进制造技术 [ M ] . 北京: 科学出版社, 2000

【9】宁生科。机械制造基础，西北工业大学出版社，2004年