1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1 课题研究目的及意义 制造业是国民经济的支柱产业，是社会经济发展的重要依托。在过去的20世纪中，制造业给美国、日本以及欧洲一些国家带来了巨大的经济发展和市场繁荣，高度发达的制造业是发达国家拥有今天显赫地位的首要条件。制造业过去是、现在是、在可以预见的将来仍然是经济增长的主要动力。2008年世界金融危机后，各国重新重视以制造业为代表的实体经济，美国等发达国家也提出了“再工业化”口号，全球制造业的竞争更加激烈。 制造业是我国工业的主体，是我国国民经济的重要支柱，也是我国经济增长的主导部门，是我国国民经济的核心和工业发展的原动力。将会为中国全面建设小康社会，实现工业化、信息化的建设提供可靠的物质基础，这就决定了中国制造业的发展保持较高的增长速度，并且作为国家总体战略的基点。因而，制造业在我国经济发展过程中仍然将占有举足轻重的地位。 虽然我国制造业在过去的几十年中取得了巨大的发展与进步。然而，中国制造业仍然面临着过度依赖自然资源、资源利用率低、高能耗、高污染等问题。显然，这种资源密集型产业不仅会危害自然环境，而且是不可持续的。目前，中国制造业处于一个转型的关键时期。中国的环境资源承载能力已无法承受“高能耗、高污染”的传统制造业发展模式，中国的人均资源拥有量很低、单位产值的能耗比发达国家高出数倍，越来越呈现出不可持续性，因此，走可持续制造模式是我国制造业实现可持续发展的最重要的路径。 与此同时，可持续发展已成为时代的强音。联合国《21 世纪议程》曾指出：全球环境连续恶化的主要原因是不可持续的生产方式和消费，尤其是工业化国家，应建立相应国内政策构架，鼓励制造企业转向较可持续的生产方式。而实现可持续制造是可持续发展对制造业的必然要求，也是在国际竞争中占据有利地位的必然要求。 可持续制造是从可持续性的角度构建的新制造系统范式，具有减少资源和能源的过度消耗，提升资源和能源使用效率的特点。在全球得到了高度重视和发展，美国、欧盟均将可持续制造作为了未来制造业发展的关键研究领域。在实现制造业的可持续制造上，能耗的节约和提升其使用效率是其重要方面。在当今社会，能源已成为人类生存和发展所必需的物质基础，能源的合理利用、持续发展己成为全世界共同关心的问题，也是目前中国社会经济发展的重要问题。 我国正处于工业化加速发展的重要阶段，经济的快速增长带来了巨大的物质财富。但同时我国经济的增长表现出的对能源的高消费和较强依赖的特点越来越显著，工业是我国能源消耗最大的部门，能源消费占比近70%，面临的能源需求和能源稀缺性问题越来越严重。能耗监测问题已被提升至战略高度，成功建立工业企业能耗监测系统将有利于促进企业节能环保的发展，提升企业的资源和能源使用效率。 而电能作为一种使用最为广泛的能源，它的应用体现了一个国家的经济发展水平和综合国力，它支持着整个国民经济的发展。所以，对制造业生产过程中消耗电能过程进行有效的监测，将为制造业生产中的减少电能的消耗和提升能源的使用效率提供信息基础，在为如何实现可持续制造上作出一简单探索。 而在电能的监测上，传统的制造业电能监测存在着如下问题： 1、制造业厂区的规模通常较大，例如：占地面积大，监测范围广；能耗点多，监测点数量多。同时，不同厂区规模区别也较大。这就需要能耗监测点组成网络容量较大，同时能够自组织，不存在地理位置上的限制。 2、一些制造业企业在建造之初，没有较好的能耗监测规划，缺乏可以利用的通信线路。如若利用有线网络进行传输，则往往需铺设新的通信管道。但在工业生产车间，由于严格作业要求，铺设新的通信管道难度较大。 3、同时，许多制造企业依赖于手工抄表，抄表周期长，抄表时间波动大，无法掌握精细、有效的能耗实时数据，限制了制造企业能耗数据的精细、准确管理。 针对以上问题，结合现今电能计量技术、无线传感技术、计算机网络等相关技术手段，选择制造业中的制造装备为对象 ，设计能耗信息采集装置，实现对制造装备运行状态整体能耗细致实时的监控，为其减少电能的消耗和提升能源使用效率提供信息基础，更在如何实现可持续制造上作出一简单探索。
1.2 国内外研究现状
“可持续制造”是从可持续性的角度来构建的新制造系统范式，是与经济社会的可持续发展相联系的概念，目的是让制造业放弃粗放的增长方式，利用新的生产方式和管理理念，减少资源和能源的过度消耗，提升资源和能源使用效率，让制造业获得持续发展的动力。在国际上，可持续制造相关内容的研究可上溯到 20 世纪 80年代，但给出比较细致的概念、内涵及主要内容则是在90年代。近年来，可持续制造及其相关问题的研究则非常活跃，尤其是在美国、加拿大、西欧等一些发达国家。众多学者和研究机构开展了广泛有关可持续制造的研究，如英国的剑桥大学可持续制造研究团队等，对可持续制造及相关问题进行了大量的研究，积累了一定经验。相对的，在国内，学者自20世纪90年代末开始着手研究可持续制造问题，成果分散于敏捷制造、循环制造、再制造、绿色制造等话语体系中。相关的专著主要有：唐德才《基于资源约束的中国制造业可持续发展研究》、中国工程院“中国制造业可持续发展战略研究”，咨询研究项目组(2010)的研究报告，以及数本以“绿色制造”、“再制造”为题的专著。 可持续制造的研究主要分为4个方面：可持续制造理论、可持续制造内部结构、可持续制造外部环境、可持续制造评价。就目前我国的现状来看，可持续制造的基础理论研究则比较薄，未形成比较完整的体系；在内部结构方面的成果则较为丰硕，并且在不断地发展、更新，但对于新方法、新模式应用的实证检验的研究则较为少见；在外部环境上，对相应的制度环境、需求环境的研究则较少，对制度作用机制的缺乏深入探讨；而评价上，则主要集中在评价指标体系的研究、区域及行业的可持续发展能力评价中。 而在电能能耗监测装置的研究及应用上，国外的监测装置较为先进，功能强大且性能优越，但是价格普遍较偏高。其电能的信息监控己经得到了广泛的应用，最早的研究开始于上个世纪七八十年代，发展到现在已经具有较高的技术水平。现在其已经广泛应用于各种大型钢材、汽车生产等高能耗流程企业，通过加强管理与能源审计，提高能源的利用率，以此来增强公司的综合竞争实力，提供公司产品的市场竞争力。 而在国内，电能能耗的监测管理研究则起步较晚，最早开始投入应用的是宝钢集团，该企业在其一期工程的建设中，从日本引进了当时较先进的集中式能源监测管理系统。通过不断的改进与完善经过近几年发展，国内的能耗监测装置也具有显著提升，功能与精度方面也达到了较高的水平。目前，中国市场的电能监测装置普遍由感应式转向电子式，并向多功能、智能化、远程集抄方向发展。电能监管是重要内容，为运行状态分析采集更多综合性的能源质量参数，为能效管理决策提供更有效依据。2. 研究的基本内容与方案
本文以当前比较热门的可持续制造理论为背景，为探究减少制造业生产过程中资源和能源的过度消耗，提升能源（主要是电能）使用效率实现的可能性。以制造装备为对象，设计一个制造装备能耗监测装置。该能耗监测装置能够实时监测并计算各个制造装备的能耗信息并将其发送给pc，这样就能实现对能耗信息的存储和管理，为提高能源使用效率提供数据支撑。其工作原理可以概括为：多个能耗监测节点检测的数据利用wifi技术发送给路由器，然后由路由器通过有线以太网传至pc,在pc上进行数据处理、发布、管理。单个能耗节点主要由ade7878电能计量模块、stm32主控模块、wifi模块以及电源模块构成。可以将其看作整个wifi网络的一个终端节点，其与制造装备某部分供电电源相接，实现实时对该处运行时的电压和电流信息等的采样、计量和运算，对数据的分析、处理、封装以及wifi发送。路由器则实现wifi网络的组建、数据的接收并转发给pc。后由pc实现对数据的存储、发布、管理。能耗监测装置结构框图如图1所示：
单个能耗监测节点的工作原理为：首先，利用电流互感器和电压互感器实现对电流和电压的引入。之后，由adi（亚德诺半导体）公司生产的高精度、三相电能计量集成芯片ade7878组成的电能计量模块完成对引入的电压、电流信息的采样和处理以及电压、电流瞬时值、有效值的计算等。ade7878内置基准电压源电路，多个二阶Σ-Δ型模数转换器(adc)、数字积分器及所有必需的信号处理电路，可实现功率、有效值等的计算。然后由中央控制模块负责对整个能耗监测节点的控制以及对计量模块数据的分析、处理和封装等，是整个能耗监测节点的核心。wifi模块的功能则是将中央控制模块的数据发送给pc进行存储和管理。单个能耗节点的结构框图如图2所示：
3. 研究计划与安排
第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，学习毕业设计研究内容所需理论的基础。
确定毕业设计方案，完成开题报告。
第4－5周：对电能采集电路，滤波电路，wifi通信模块等电路进行设计。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]马芸芸.基于arm和ade7878的多功能电力监测装置[d].南京理工大学.2012
[2]何岚,钟书华.国外“可持续制造”研究述评[j].工业技术经济.2015(02)
[3]张天保.wifi技术的应用与展望[j].产业与科技论坛.2014(03)
