Мультифизическое моделирование технологических схем. Наш опыт

Коротко о статье

Статья описывает опыт разработки технологии автоматического синтеза математических моделей для тренажёров и моделирования технологических схем. Приведены созданные модули, поддержка стандартов и интеграции, а также примеры реализованных моделей оборудования и установок.

Главное

• Математическая модель технологической схемы — система соотношений, имитирующих объект или процесс с требуемой точностью.
• Разработана запатентованная технология автоматического синтеза математических моделей, работающих в реальном времени.
• Созданы модули технического, математического, программного, информационного, лингвистического, методического и организационного обеспечения.
• Поддерживаются однофазные и многофазные режимы течения, доступны различные термодинамические модели для жидкостей и газов.
• Реализованы универсальные математические модели оборудования: насосы, компрессоры, теплообменники, сепараторы, колонны и другие.
• Выполнена интеграция со стандартами OPC, IEEE1516, xAPI, а также с OpenModelica и SPICE.

Термины и технологии

• математическая модель
• тренажер
• АСУ ТП
• OPC
• IEEE1516
• xAPI
• OpenModelica
• SPICE
• LBM

Кому полезно: Инженеры АСУ ТП, разработчики тренажёров и специалисты по моделированию технологических процессов.

Первоисточник: habr.com

Выжимка составлена редакцией сайта с помощью ИИ по тексту статьи.

Математическая модель технологической схемы – система математических соотношений, описывающих с требуемой точностью имитируемый объект или процесс (реакцию системы на действия пользователя или инструктора).

Высокая адекватность и универсальность модели тренажера определяет соответствие поведения реальной системы и поведения модели в штатном и аварийном режимах.

Под адекватностью понимается способность модели отражать заданные свойства объекта с приемлемой точностью. Универсальность модели определяется количеством параметров, учитываемых в процессе имитации. Наша компания имеет собственную запатентованную технологию синтеза высокоточных математических моделей, работающих в режиме реального времени.

Мы используем математические модели для моделирования системы в тренажерах для подготовки персонала. Для тренажеров особенное значение имеет идентичность моделируемой среды. Идентичная реальной система – это система, обеспечивающая генерацию модели реальной в соответствии с математической моделью этой реальной системы при помощи программных или аппаратных средств. Идентичность имитируемой системы … это идентичность подачи на основные каналы восприятия пользователя программно- или аппаратно- управляемых воздействий и реалистичной реакции моделируемой среды на производимые пользователями действия.

Итак, что мы сделали….

Разработана технология автоматического синтеза математической модели объекта. Технология повышает качество и технико-экономический уровень создаваемых математических моделей. Поддержка однофазных и многофазных режимов течения жидкости и газа. Точный контроль фазовых состояний веществ во всех элементах модели технологической схемы.

Были созданы следующие модули следующие модули – техническое обеспечение, математическое обеспечение, программное обеспечение, информационное обеспечение, лингвистическое обеспечение, методическое обеспечение, организационное обеспечение, интеграция с другими системами:

математическое обеспечение — совокупность математических методов, моделей и алгоритмов для выполнения проектирования ЦОР (цифровые образовательные ресурсы);

• Моделирование и симуляция АСУиТП;
• Мультифизическое моделирование технологических схем;
• Моделирование и симуляция физических процессов по направлениям
• Гидродинамика и теплопередача (модифицированная сетчатая модель Больцмана)
• Электродинамика и оптика
• Механика (Классическая, Релятивистская, Механика сплошных сред (Гидродинамика, Пневматика, Гидростатика)
• Химия
• Механика твёрдого тела
• Термодинамика жидкостей и газов. Доступные термодинамические модели: Идеального газа; Пенга-Робинсона; Пенга-Робинсона (с модификацией Тву); Соаве-Редлиха-Квонга; Соаве-Редлиха-Квонга (с модификацией Граборски-Дауберта). Для смесей жидкостей доступны следующие термодинамические модели: Чао-Сидера (с модификацией Грейсона-Стрида); Уилсона; NRTL; UNIFAC VLE; UNIQUAC; Регулярного раствора; Расширенная модель регулярного раствора; Идеального раствора.

программное обеспечение — компьютерные программы, реализующие проектирование и предоставление ЦОР;

• встраиваемый мультипарадигменный язык LUA, интеграция / имплементация
• стандартов и спецификаций OPC, IEEE1516, XAPI
• интеграция с OpenModelica

информационное обеспечение — базы данных, содержащие информацию, необходимую для проектирования ЦОР;

• База данных фазовых состояний веществ
• База данных плотности, теплоемкости, молекулярной массы веществ и т.д.

Расчет и визуализация физической модели при помощи метода решетчатых уравнений Больцмана (LBM)

1. Создан графический редактор, позволяющий создавать точную модуль технологической схемы объекта.

Создан модуль экспорта из технологической схемы в математическую модель с последующим выполнением пошаговых или непрерывных расчетов

• Полностью автоматический расчет всех вариантов потоков жидкости и газа.
• Разработаны универсальные математические модели оборудования, в т.ч.
• Запорнорегулирующая арматура, гидро-пневмо- трубопровод
• Пласты-Скважины
• Печи
• Обратные клапаны
• Динамические насосы и компрессоры
• Объемные насосы и компрессоры
• Теплообменники
• Подогреватели
• СППК
• Измерительные приборы (манометры, термометры, расходомеры)

1. Создан и тестируется экспериментальный модуль на основе модифицированного метода решетчатых уравнений Больцмана (LBM)

1. Создан и используется последовательная схема расчетов- на базе решения линейных уравнений для нахождения начальных условий с последующим решением с использованием прямых численных итерационных методов на основе найденного приближенного решения и величины шага.

1. Создана точная модель > 10 полномасштабных установок для различных заказчиков (УПППНГ, УПН, УПХГК и т.д.) с точным соответствием данных по хайсису и юнисиму (отклонения не более 5-7%)

Создано значительное количество математических моделей:

• Колонны
• Ребойлеры
• Турбодетандеры
• Двухфазные и трехфазные сепараторы и т.д.

1. Создана расширяемая библиотека для предоставления компонентного состава. Высокая точность предоставления компонентного состава нефти и попутного газа:

• Фракционный состав нефти от C1 до С40+
• Метан CH4
• Этан C2H6
• Пропан C3H8
• И-Бутан iC4H10
• Бутан C4H10
• И-Пентаны iC5H12
• Пентан C5H12
• И-Гексаны
• Гексан C6H14
• И-Гептаны
• Бензол C6H6
• Гептан C7H16
• И-Октаны iC8H18
• Толуол C7H8
• Октан C8H18
• И-Нонаны iC9H20
• Нонан C9H20
• И-Деканы iC10H22
• Декан C10H22
• Углекислый газ CO2
• Азот N2
• Сероводород H2S

1. Разработаны средства высокоточной имитации автоматики (АСУ ТП нижний и верхний уровень)

• Имитация управляющих устройств
• Имитация датчиков
• Имитация алгоритмов контроллеров (ПИД-регуляторы и т.д.)
• Имитация системы верхнего уровня (SCADA)

1. Разработан модуль создания сценариев событий

• Линейная и нелинейная структура
• Развитые механизмы ветвления сценария
• Развитые механизмы задания последствий действий или условий
• Простой графический редактор
• Связь с математическим описанием объекта

1. Выполнена поддержка стандартов IEEE1516e, OPC UA, xAPI для взаимодействия с другими системами.

Выполнена интеграция с алгоритмом моделирования процессов, протекающих в электронных схемах SPICE. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Благодаря полной поддержке данного алгоритма наши тренажеры позволяют выполнять высокоточную симуляцию электрических схем, в том числе:

• AC анализ (анализ по переменному току)
• DC анализ (анализ по постоянному току) для слабых сигналов
• анализ DC transfer curve
• анализ шумов
• анализ передаточной функции (входное и выходное усиление малых сигналов и вычисление импеданса)
• анализ переходных процессов

1. Выполнена интеграция со свободным открытым программным обеспечением для моделирования, симуляции, оптимизации и анализа сложных динамических систем – OpenModelica, основанным на языке Modelica. Modelica — объектно-ориентированный, декларативный, мультидоменный язык моделирования для компонентно-ориентированного моделирования сложных систем, в частности, систем, содержащих механические, электрические, электронные, гидравлические, тепловые, энергетические компоненты, а также компоненты управления и компоненты, ориентированные на отдельные процессы. По своим возможностям приближается к таким вычислительным средам как Matlab Simulink, Scilab xCos, имея при этом значительно более удобное представление системы уравнений исследуемого блока. Включает блоки:

• механики
• электрики
• электроники
• электродвигатели
• гидравлики
• термодинамики
• элементы управления и т. д.

https://rutube.ru/video/1e6c68a2bd5ac53f4ce24df3ee52c756/

Источник:https://habr.com/ru/articles/863316/

Источник: статья в сообществе ВКонтакте