Универсальный способ имитационного моделирования

Системы имитационного моделирования: выбираем подходящую

Современные химико-технологические процессы столь сложны, что для их изменения приходится использовать не только аналитику, но и результаты имитационного моделирования. В данном случае необходимо работать с моделью физического объекта и именно на модели исследовать его свойства и поведение в любых ситуациях. Для этого существует много программных комплексов. Чтобы понять специфику такого программного обеспечения я собрал аналитическую информацию о системах, наиболее распространённых в мире и популярных по запросам в интернет-поисковиках. Результаты исследования – в этом обзоре. Он будет полезен проектировщикам, технологам и автоматчикам – всем тем, кто анализирует технологические процессы, строит системы управления ими, выполняет инженерные расчеты технологических аппаратов.

Эксперимент vs имитация

Работа с имитационной моделью помогает, во-первых, более полно изучить объекты, чем во время реального эксперимента (на практике мы в принципе не сможем создать все ситуации, чтобы исследовать свойства и поведение объекта).

А во-вторых, имитационное моделирование даёт возможность более эффективно выполнить исследование, проектирование и оптимизацию технологического процесса: поскольку работа с моделью учитывает влияние множества различных параметров на химико-технологический процесс (ХТП), технолог сможет найти те качественные и количественные характеристики, которые сэкономят время и деньги на изменение ХТП, а также снизят вероятность ошибок.

Например, в топливной промышленности программные продукты для имитационного моделирования используют для переработки тяжелой сернистой нефти, нефтеподготовки. Применение в фармацевтической промышленности предназначено для моделирования реакционных и периодических дистилляций углеводородов.

Ведущие системы для моделирования ХТП

В рамках построения системы автоматического управления теплоснабжением предприятия (одного из его сложных процессов) специалистам нашей компании “Первый инженер” потребовалось исследовать технологический процесс: проанализировать переходные процессы и выявить критические технологические участки, а также проанализировать возможности применения программного продукта в системе управления (для выработки оптимальных режимов работы системы теплоснабжения в автоматическом режиме). Так мне и пришлось изучать рынок в поиске готового программного инструмента. Результатами анализа ПО делюсь с вами. Ниже будет много таблиц.

При подготовке статьи для Хабра я пытался связаться со всеми производителями указанного ПО и уточнить данные, ведь за прошедшее время они могли усовершенствовать свои продукты. Но ответ пришел только от GIBBS. Поэтому буду рад вашим уточнениям в комментариях.

Краткие описания решений

Программное обеспечение Hysys предназначено для моделирования ХТП для оптимизации проектирования схемотехнических решений технологического процесса. Помимо статического моделирования технологических схем программа позволяет в той же среде производить динамическое моделирование отдельных процессов и всей технологической цепочки, а также разрабатывать и отлаживать схемы регулирования процессов. Есть возможность выполнять расчеты основных конструктивных характеристик оборудования.

В 2002 году компанию Hyprotech Ltd приобрела Aspen Technologies. Hysys вошел состав пакета инженерного модуля AspenONE Engineering пакета AspenONE под наименованием Aspen Hysys.

Программный пакет Aspen Plus (разработка Aspen Technologies) предназначен для моделирования в стационарном режиме, проектирования химико-технологических производств, контроля производительности оборудования, оптимизации и бизнес-планирования в области добычи и переработки углеводородов и нефтехимии.

gPROMS ModelBuilder является средой моделирования для стационарных и динамических систем, которая ориентирована на применение в перерабатывающей промышленности.

Программный комплекс CHEMCAD ориентирован на моделирование ХТП. Пакет включает средства статического моделирования основных процессов, основанных на фазовых и химических превращениях, а также средства для расчета геометрических размеров и конструктивных характеристик основных аппаратов.

Design II – программный продукт компании WinSim Inc. – имеет все инструменты для полноценного моделирования в газонефтепереработке и включает набор из 880 различных компонентов.

Программное обеспечение для моделирования технологических процессов PRO/II – это симулятор стационарного режима, улучшающий процессы проектирования и операционного анализа. Симулятор PRO/II разработан для точных расчетов массового и энергетического баланса для широкого спектра производственных процессов. Отрасли применения: нефтепереработка, газопереработка, нефтехимия, химия.

ProMax представляет собой мощный и универсальный пакет программного обеспечения для проектирования и оптимизации газоперерабатывающих, нефтеперерабатывающих и химических производств.

Программный продукт GIBBS обладает средствами для моделирования процессов промысловой подготовки природных газов, включая обычные установки низкотемпературной сепарации, низкотемпературные детандерные установки с частичным или полным фракционированием жидких углеводородов, процессы выделения этана и СУГ, процессы обработки газа с впрыском, сбором и регенерацией ингибиторов гидратообразования, промысловой и заводской подготовки и переработки газоконденсата и нефти, в том числе деэтанизацию, стабилизацию и фракционирование по топливному варианту, газофракционирование, установки сжижения природного газа, выделения и очистки гелия.

Система моделирования “Комфорт” – это инструмент для поверочных и проектных расчетов материально-тепловых балансов различных химических производств. “Комфорт” состоит из управляющей программы и модулей расчета аппаратов. Управляющая программа с конкретным набором технологических модулей образует предметно-ориентированную моделирующую программу, позволяющую выполнять расчеты для конкретного класса химико-технологических схем. Программа имеет средства для расчета всех основных процессов фракционирования для газопереработки.

* Программные комплексы в таблице имеют различные формы лицензирования: локальные, сетевые и бесплатные. Локальная лицензия предусматривает установку программы на конкретный компьютер, авторизуется и работает только на нем. Сетевая лицензия предназначена на установку продукта на несколько компьютеров, но при этом количество одновременных пользователей не должно превышать количество купленных лицензий. Бесплатная лицензия распространяется для «ознакомления» с возможностями ПО, которые имеют временные или функциональные ограничения.

Системные требования

Каждый из представленных программных продуктов предполагает минимальные системные требования для его полноценной работы – наличие ОС Microsoft и лицензии.

Характеристики программных комплексов

На российском и зарубежном рынке немало средств имитационного моделирования ХТП с различным функционалом и назначением. Для оценки потенциала программного продукта было выделено несколько ключевых характеристик. Сразу стали очевидны ограничения возможностей ПО: небольшой функционал интерактивных отладчиков, небольшое количество типовых моделей, отсутствие структурного моделирования, большая погрешность при расчетах и другие.

Эти ограничения требуют от пользователя ПО специальных знаний в области математического описания процессов и в программировании.

Невозможность моделирования в реальном времени и невозможность оптимизации ПО с учетом различных факторов – это серьезный сдерживающий момент для применения его в системах автоматического управления сложными и быстро протекающими процессами.

Малоперспективны те программные продукты, которые не дают точную и оперативную информацию, что особенно важно в условиях жесткой конкуренции по цене/качеству/количеству, энергозатратам и эффективности работы производственного оборудования.

Модули в составе программного комплекса

В состав программных продуктов входят готовые модули, описывающие технологические аппараты, физико-химические свойства компонентов, позволяющие упростить построение технических решений технологического процесса для их расчетов.

Если число модулей ограничено, ПО не позволит моделировать сложные технические решения, поскольку это требует постоянного совершенствования программ.

Интерфейс программных комплексов

Ключевая особенность любого программного обеспечения – удобный графический интерфейс, который уменьшает трудозатраты на выполнение определенных функций и предоставляет результат в интуитивно понятном для пользователя виде. Наличие в программе таких возможностей, как графическое построение, интерактивный отладчик, документирование, позволяет сократить время на разработку схем.

Проведенный анализ позволил выявить лидеров в рамках поставленной задачи: в этих продуктах совмещены функции моделирования технологического процесса и оптимизация протекания процессов в режиме реального времени.

Поставленная задача пока решена не полностью. Программный продукт позволил найти некоторые оптимальные условия для текущих процессов и определить основные критические участки в технологическом процессе. Чтобы более глубоко исследовать протекание технологических процессов в системе теплоснабжения, нужно разработать математическое описание процессов в отдельных участках технологического решения, а также найти возможность для интеграции программного продукта в систему автоматического управления.

Какое бы решение вы ни выбрали, исходя из своих задач и возможностей, в заключение отмечу: любое ПО призвано минимизировать финансовые и временные затраты на построение ХТП, но ни один программный инструмент не даст гарантированных результатов без специалистов, обладающих знаниями в области технологии, математики, физики и химии.

Источник

Имитационное моделирование: создание терминов

История создания терминов

При создании методики по имитационному моделированию мне понадобилось разобраться с терминами. Проблема была в том, что общепринятые термины не годились для описания статистических данных, собранных в процессе имитации. Термины: процесс и экземпляры процесса были неприемлемы, потому что я не мог работать в парадигме Аристотеля. Парадигма Аристотеля не стыкуется с примененным мной матаппаратом. При этом практическое применение данной методики было простое – моделирование и имитация бизнес-объектов с целью принятия управленческих решений. В программе создавался виртуальный объект, описание которого состояло из описания сценариев и их взаимодействия. Сценарии прогонялись внутри программы, а также моделировались ресурсы и их взаимодействия.

Напомню, что:

Имитационное моделирование — метод исследования объектов, основанный на том, что изучаемый объект заменяется имитирующим объектом. С имитирующим объектом проводят эксперименты (не прибегая к экспериментам на реальном объекте) и в результате получают информацию об изучаемом объекте. Имитирующий объект при этом являет из себя информационный объект.

Цель имитационного моделирования — получение приближенных знаний о некотором параметре объекта, не производя непосредственное измерение его значений. Понятно, что это необходимо тогда и только тогда, когда измерение невозможно, или оно стоит дороже проведения имитации. При этом для изучения этого параметра мы можем пользоваться другими известными параметрами объекта и моделью его конструкции. Допуская, что модель конструкции достаточно точно описывает объект, предполагается, что полученные в ходе имитации статистические распределения значений параметра моделирующего объекта будут в той или иной степени совпадать с распределением значений параметра реального объекта.

Понятно, что матаппарат, который был применен, — это статистическая математика. Понятно, что матстатистика не использует термины экземпляры и типы. Она работает с объектами и множествами. В итоге для написания методики я был вынужден был использовать логическую парадигму на основе которой создан стандарт ИСО 15926. Основой его является наличие объектов, классов и классов классов.

Я хочу поделиться некоторыми определениями, которые мне пришлось ввести для объяснения механизмов моделирования и анализа результатов имитации. Этих примеров будет достаточно, чтобы понять, с чем я имел дело, когда строил модель предметной области.

Примеры определений:

Операция

Моделируемая операция: Реальная или проектируемая операция. Описание ее может содержать следующие атрибуты:

• участвующие в операции объекты и субъекты,
• события, возникающие в процессе выполнения операции.

Пример: операция «Забить гвоздь», которая описывается так:

• участвовали в операции: доска, молоток, гвоздь, исполнитель — Хруничев Геннадий Петрович
• события: начало операции в 9-00, окончание — в 9-01.

Имитирующая операция: Объект, созданный в программе для имитации моделируемой операции. Имитирующая операция описывается следующими имитирующими событиями:

• начало операции,
• завершение операции,
• завершение времени технологического ожидания,
• постановка операции в очередь к ресурсам,
• прерывание выполнения операции,
• возобновление выполнения операции,
• действие с переменной и тд.

Класс моделируемых операций: Множество моделируемых операций, объединенных по какому-то признаку: например, по совпадению наборов типов входных и выходных объектов. Пример: класс операций «Забить гвоздь» — это множество всех операций, объединенных вместе по признаку совпадения типа предмета труда — гвоздя и однотипности воздействия на него.

Класс имитирующих операций: Множество имитирующих операций, имитирующих множество моделируемых операций.

Операция (объект в справочнике:) Объект справочника, хранящий информацию о:

• классе моделируемых операций. Например, закон распределения времени выполнения операции моделируемого класса есть параметр класса.
• любой моделируемой операции класса. Например, нормативно-правовой акт, в соответствии с которым выполняется каждая моделируемая операция.

Операция (как элемент диаграммы:) Графическое обозначение моделируемых операций одного класса на диаграмме.

Операция (как элемент нотации): Условное обозначение в нотации моделирования процессов, шаблон для обозначения моделируемых операций. Имеет разные названия в зависимости от нотации

Событие

Моделируемое событие: Реальное, или проектируемое событие. Пример:

• Для операции: технологическое ожидание в рамках операции по покраске корпуса машины, закончилось в 09-20.
• Для процесса: событие заявка оформлена, произошедшее в 09-30, произошло в рамках процесса «прием заявки».

Имитирующее событие: Объект, созданный для имитации моделируемого события. Этот объект создается в памяти компьютера в ходе выполнения имитации.

Класс моделируемых событий: Множество моделируемых событий, объединенных вместе по какому-то признаку. Пример:

• Для операции: множество всех событий, знаменующих собой начала операций по оформлению заявок.
• Для процесса: множество всех событий, которые привели к стартам процессов приема заявок.

Класс имитирующих событий: Множество имитирующих событий, созданных для имитации множества моделируемых событий. Примеры: Отчет о событиях, имитирующих начало операций исследуемого класса, можно увидеть в отчетах по проведенной имитации, например, в форме «Хронология выполнения процессов».

Событие (как объект в справочнике): Объект справочника «События», хранящий информацию о:

• классе моделируемых событий, например, закон распределения момента возникновения стартового события есть параметр класса,
• объектах класса моделируемых событий, например название события.

Событие (как объект на диаграмме): Графическое обозначение моделируемых событий одного класса. Используется на диаграмме. Данному событию как элементу на диаграмме соответствует хранимый в системе объект справочника «События».

Событие (как элемент нотации): Условное обозначение, используемое в нотации моделирования процессов, для обозначения моделируемых событий. В разных нотациях используются разные условные обозначения для различных классов событий.

На рисунке изображено отношение между сущностями: события собраны в классы событий. Класс событий описан при помощи объекта справочника «События». События одного класса изображены на диаграммах процессов при помощи графических элементов. На основе объекта справочника «События» движок имитации создает имитирующие события.

Источник