ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΛΟΓΙΣΜΙΚΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΓΙΑ ΤΟ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΡΥΘΜΙΣΗ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΣΜΟΥ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΛΟΓΙΣΜΙΚΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΓΙΑ ΤΟ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΡΥΘΜΙΣΗ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΣΜΟΥ"

Κάδμος Γούσιος
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΛΟΓΙΣΜΙΚΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΓΙΑ ΤΟ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΡΥΘΜΙΣΗ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΣΜΟΥ Μ. Βασιλειάδου, Α. Κράλλης, Κ. Κωτούλας, Α. Μπάλτσας, Ε. Παπαδόπουλος, Π. Πλαδής, Χ. Χατζηδούκας και Κ. Κυπαρισσίδης Τµήµα Χηµικών Μηχανικών και Ινστιτούτο Τεχνικής Χηµικών ιεργασιών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, Τ.Θ. 472, Θεσσαλονίκη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η ανάπτυξη της βιοµηχανίας των πολυµερών σε παγκόσµια κλίµακα και οι έντονες ανταγωνιστικές πιέσεις, καθιστούν επιτακτική την ανάγκη ύπαρξης ενός προσοµοιωτή γενικής χρήσης για τις διεργασίες παραγωγής πολυµερών. Καλύπτοντας την ανάγκη αυτή στα πλαίσια ενός ερευνητικού προγράµµατος, έχει αναπτυχθεί ένας καινοτόµος προσοµοιωτής για διεργασίες πολυµερισµού. Ο προσοµοιωτής polyproms αποτελεί ένα πρωτότυπο λογισµικό για την προσοµοίωση, το σχεδιασµό, την εκτίµηση των παραµέτρων των µαθηµατικών µοντέλων, τη βελτιστοποίηση και τον έλεγχο των διεργασιών πολυµερισµού. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ανάπτυξη λογισµικών εργαλείων για τη µαθηµατική προσοµοίωση και το σχεδιασµό χηµικών διεργασιών µε τη βοήθεια υπολογιστή, έχει εξελιχθεί σηµαντικά τα τελευταία είκοσι χρόνια και οι προοπτικές για το προσεχές µέλλον είναι ακόµα πιο ευοίωνες. Η δηµιουργία ενός προσοµοιωτή γενικής χρήσης προϋποθέτει τη συνδροµή αρκετών επιστηµονικών περιοχών, όπως της αριθµητικής ανάλυσης για την επίλυση διαφορικών και αλγεβρικών εξισώσεων, του µαθηµατικού προγραµµατισµού για την επίλυση των προβληµάτων βελτιστοποίησης και αξιοποίηση των τελευταίων εξελίξεων στο χώρο των υπολογιστικών συστηµάτων (hardware) και του λογισµικού (software). Εποµένως για την ανάπτυξη ενός λογισµικού εργαλείου είναι απαραίτητη η επιλογή: (i) λειτουργικού συστήµατος, (ii) γλώσσας προγραµµατισµού, (iii) προγραµµατιστικής προσέγγισης του προβλήµατος (αυστηρά µαθηµατική, προσέγγιση µε βάση «έµπειρα συστήµατα», τεχνητή νοηµοσύνη) και (iv) λογισµικού προτύπου ανάπτυξης, όπως δοµηµένη προσέγγιση (modular approach), προσέγγιση µε βάση εξισώσεις (equation based approach) και αντικειµενοστραφής προγραµµατισµός (object oriented programming). Ο µηχανικόs που ασχολείται µε το σχεδιασµό και τη λειτουργία διεργασιών πολυµερισµού, έχει βρει ελάχιστη βοήθεια από το υπάρχον λογισµικό, είτε λόγω έλλειψης κατάλληλων µαθηµατικών µοντέλων, είτε εξαιτίας της υπερβολικής απλότητάς των εφαρµογών [1]. Oι εµπορικοί προσοµοιωτές για τη βιοµηχανία πολυµερών είναι ελάχιστοι, κυρίως λόγω του γεγονότος ότι οι εταιρείες λογισµικού ασχολούνται µε την ανάπτυξη µαθηµατικών µοντέλων για τις παραδοσιακά διαδεδοµένες φυσικές και χηµικές διεργασίες, αδυνατώντας να παρακολουθήσουν και να συµπορευτούν µε τα µεταγενέστερα βήµατα της χηµικής βιοµηχανίας στο τοµέα των πολυµερών. Κατά συνέπεια, η παρούσα κατάσταση δεν µπορεί να εξυπηρετήσει τη ραγδαία αναπτυσσόµενη επιστήµη της µαθηµατικής µοντελοποίησης των διεργασιών πολυµερισµού. Παράλληλα, το υπάρχον επιστηµονικό δυναµικό, που ειδικεύεται στη µαθηµατική µοντελοποίηση διεργασιών πολυµερισµού, δεν έχει το απαραίτητο υπόβαθρο και την εµπειρία για την αξιοποίηση των υπαρχόντων λογισµικών

2 δυνατοτήτων και την ανάπτυξη ενός σωστά δοµηµένου πρωτοποριακού εργαλείου, που θα συνδυάζει τα συστήµατα υψηλής τεχνολογίας που διαθέτουν οι µεγάλες εταιρείες λογισµικού. Η λύση στο παραπάνω πρόβληµα, είναι η καθιέρωση ενός ευέλικτου αντικειµενοστραφούς λογισµικού περιβάλλοντος, το οποίο επιτρέπει τη χρήση µαθηµατικών µοντέλων, αλγορίθµων και σχεδιαστικών µεθόδων από διαφορετικές πηγές [2], µε στόχο την ανάπτυξη ενός «παραµετροποιηµένου» (customized) σχεδιαστικού εργαλείου. Σήµερα, υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες για την ανεξάρτητη ανάπτυξη, τόσο των µαθηµατικών µοντέλων των διεργασιών, των απαιτούµενων υπολογιστικών µεθόδων, αλλά και των τελικών εφαρµογών (π.χ. προσοµοίωση, σχεδιασµός, ρύθµιση, βελτιστοποίηση, κλπ). Εποµένως, η υιοθέτηση µιας ανοιχτής αρχιτεκτονικής (open architecture), κατά την ανάπτυξη των επιµέρους δοµικών µονάδων του γενικευµένου λογισµικού εργαλείου, σύµφωνα µε αυστηρούς κανόνες προγραµµατισµού και µαθηµατικής µοντελοποίησης, ώστε να εξασφαλίζεται η επικοινωνία µε άλλα λογισµικά προϊόντα, είναι ένα σηµαντικό βήµα προς την ανάπτυξη ενός µαθηµατικού προσοµοιωτή για τη βιοµηχανία πολυµερών [3]. ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ Ο προσοµοιωτής polyproms αποτελεί ένα πρωτότυπο λογισµικό για την προσοµοίωση, το σχεδιασµό, την εκτίµηση των παραµέτρων των µαθηµατικών µοντέλων, τη βελτιστοποίηση και τον έλεγχο των διεργασιών πολυµερισµού. Συγκεκριµένα ο προσοµοιωτής έχει αναπτυχθεί για τη µαθηµατική µοντελοποίηση ενός µεγάλου αριθµού µηχανισµών πολυµερισµού σε διαφορετικούς τύπους αντιδραστήρων, όπως οµοπολυµερισµός και συµπολυµερισµός µάζας, διαλύµατος, αιωρήµατος και γαλακτώµατος σε συνεχείς αναδευόµενους και ασυνεχείς αντιδραστήρες, πολυµερισµός Ziegler-Natta και συµπολυµερισµός ιλύος (slurry) σε συνεχείς αντιδραστήρες και αντιδραστήρες ανακύκλωσης, καταλυτικός συµπολυµερισµός αέριας φάσης ολεφινών σε συνεχείς αναδευόµενους αντιδραστήρες και αντιδραστήρες σταθερής κλίνης, κλπ. Στο ερευνητικό πρόγραµµα της ανάπτυξης του προσοµοιωτή, συµµετέχουν ακαδηµαϊκές και ερευνητικές οµάδες µε εµπειρία στις διεργασίες πολυµερισµού και στην ανάπτυξη µαθηµατικών µοντέλων, εταιρείες ανάπτυξης λογισµικού, αλλά και βιοµηχανίες παραγωγής πολυµερών. Η ανάπτυξη του προσοµοιωτή polyproms βασίζεται στο περιβάλλον ανοιχτής αρχιτεκτονικής του προσοµοιωτής gproms [4]. Το περιβάλλον gproms επιτρέπει την ιεραρχική σύνθεση µαθηµατικών µοντέλων για διεργασίες χηµικής µηχανικής, µε την κατασκευή απλών υποµοντέλων και την τελική σύνδεση τόσο µεταξύ τους, όσο και µε διαθέσιµες βιβλιοθήκες µοντέλων για φυσικές και χηµικές διεργασίες, αλλά και µε διαδικασίες λειτουργίας των εγκαταστάσεων (Σχήµα 1). Επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης των δυναµικών µοντέλων µε εξωτερικά µοντέλα, τα οποία έχουν αναπτυχθεί µε άλλες εφαρµογές (π.χ. προγράµµατα υπολογισµού θερµοδυναµικών ιδιοτήτων και ισορροπίας φάσεων). Σχήµα 1. Η αρχιτεκτονική του προσοµοιωτή gproms

διαφορετικές πηγές [2], µε στόχο την ανάπτυξη ενός «παραµετροποιηµένου» (customized) σχεδιαστικού εργαλείου.

3 .... Off-line polyproms Real-time polyproms Numerical Algorithms NSI gproms Engineer Simplified FPI gserver Plant Model(s) gproms Modelling & Solution Kernel FOI Plant Data Polymerisation Polymers Polymerisation Equipment Physical Kinetics Model Library Properties Library Package ISID INCA Rα PID Laboratory Automation System Distributed Control System Σχήµα 2. Οργάνωση των δοµικών µονάδων και λειτουργία του προσοµοιωτή polyproms. ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΙΑΣΥΝ ΕΣΗΣ ΤΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ POLYPROMS Ο πυρήνας του προσοµοιωτή είναι ένα γενικευµένο περιβάλλον ανάπτυξης µαθηµατικών µοντέλων για διεργασίες πολυµερισµού, που µπορεί να είναι είτε απλοί αντιδραστήρες, είτε ακόµη και ολόκληρες βιοµηχανικές εγκαταστάσεις. Στα πλαίσια ενός περιβάλλοντος ανοιχτής αρχιτεκτονικής, ο προσοµοιωτής εξασφαλίζει τη συνεργασία και επικοινωνία υποµοντέλων (από διάφορες πηγές-βιβλιοθήκες), που περιγράφουν τις φυσικοχηµικές ιδιότητες των υλικών, την κινητική των αντιδράσεων και τη δυναµική των µονάδων της διεργασίας (material, chemistry, equipment objects), µε τρόπο φιλικό και διαφανή προς το χρήστη (Σχήµα 2). Επιπλέον, ο προσοµοιωτής διαθέτει ένα περιβάλλον για τη δηµιουργία διαγραµµάτων ροής (Σχήµα 3), µε τη σύνδεση των υποµοντέλων-συστατικών και την εισαγωγή των διαφόρων στοιχείων, που απαιτούνται για τις λειτουργίες του (παράµετροι µαθηµατικών µοντέλων, αρχικές συνθήκες στην περίπτωση δυναµικών µοντέλων, κλπ) (Σχήµα 4). Σχήµα 3. Το περιβάλλον του προσοµοιωτή polyproms. Σχήµα 4. Εισαγωγή παραµέτρων κινητικού µοντέλου για πολυµερισµό στυρενίου.

Οργάνωση των δοµικών µονάδων και λειτουργία του προσοµοιωτή polyproms.

4 Κάθε συστατικό-υποµοντέλο µπορεί να αναπτυχθεί ανεξάρτητα, σύµφωνα µε καθορισµένα πρότυπα (standards) και διαθέτει «θύρες» (ports) για την επικοινωνία µε τα άλλα στοιχεία του διαγράµµατος ροής. Τα υποµοντέλα αυτά τοποθετούνται στη δενδρική δοµή της εφαρµογής, ενσωµατώνονται στην υπάρχουσα βιβλιοθήκη και είναι διαθέσιµα αυτόµατα στον τελικό χρήστη. Όταν το διάγραµµα ροής καθοριστεί πλήρως από το χρήστη, µπορούν να επιλυθούν τα διάφορα προβλήµατα σχεδιασµού της διεργασίας, όπως η προσοµοίωση και η βελτιστοποίηση της διεργασίας, η εκτίµηση των παραµέτρων των µοντέλων, κλπ (Σχήµα 5). Ο προσοµοιωτής polyproms είναι µια εφαρµογή των Windows, που καλεί µε ασυνεχή τρόπο την υπολογιστική µηχανή του gproms, επιτρέποντας την επεξεργασία και τη γραφική απεικόνιση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης σε πραγµατικό χρόνο [4]. Ορισµένα από τα χαρακτηριστικά της εφαρµογής είναι: (i) η αποθήκευση, τροποποίηση και ανάκτηση των συνθηκών λειτουργίας, αλλά και των παραµέτρων των µαθηµατικών µοντέλων που αφορούν τη διεργασία, (ii) η δυνατότητα τροποποίησης από το χρήστη των σχέσεων υπολογισµού των κινητικών σταθερών των αντιδράσεων, που ελέχονται από φαινόµενα διάχυσης, (iii) η δυνατότητα επιλογής της καταστατικής εξίσωσης για τους θερµοδυναµικούς υπολογισµούς, (iv) η εισαγωγή των δυναµικών στοιχείων της διεργασίας (π.χ. set point), (iv) η δηµιουργία αρχείων µε τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης, (v) η βελτιστοποίηση και ο έλεγχος των διεργασιών, µε βάση τα µαθηµατικά µοντέλα που αναπτύχθηκαν και (vi) οι εκτεταµένες δυνατότητες διαχείρισης και απεικόνισης των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο προσοµοιωτής polyproms αποτελεί µία τεχνολογία κλειδί για τη βιοµηχανία παραγωγής πολυµερών, στην προσπάθεια µεγιστοποίησης του κέρδους και την απόκτηση τεχνολογικής Σχήµα 5. Προσοµοίωση δυναµικής διεργασίας (πολυµερισµός αιωρήµατος στυρενίου). υπεροχής. Μια σηµαντική καινοτοµία αποτελεί η πλήρως ολοκληρωµένη οµάδα των λογισµικών εργαλείων για την προσοµοίωση, τη βελτιστοποίηση και τη ρύθµιση της διεργασίας πολυµερισµού, κλπ, που µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε όλες τα στάδια ανάλυσης της διεργασίας µε τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή: στην έρευνα και ανάπτυξη, στο σχεδιασµό και στη λειτουργία τόσο της συγκεκριµένης διεργασίας, όσο και ολόκληρης της εγκατάστασης (περιλαµβάνοντας την υποστήριξη λήψης αποφάσεων, την εκπαίδευση των χειριστών, τη βελτιστοποίηση σε σειρά και τον έλεγχο της διεργασίας). ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Kiparissides C, Chem. Engin. Sci., 51:1637 (1998). [2] Evans L.B., Steady-State Simulation: A State-of-the-Art Review. Proceedings of PSE '94, (1994), p.953. [3] Pantelides C.C., AIChE Symp. Series. 31:128 (1995). [4] gproms User Guide, Process Systems Enterprise Ltd, (2002).

Όταν το διάγραµµα ροής καθοριστεί πλήρως από το χρήστη, µπορούν να επιλυθούν τα διάφορα προβλήµατα σχεδιασµού της διεργασίας, όπως η προσοµοίωση και η βελτιστοποίηση της διεργασίας, η εκτίµηση των

Σχετικά έγγραφα

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΙΑΧΥΣΗΣ ΣΕ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΑ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑ. ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΥΧΑΙΩΝ ΠΟΡΩΝ ΚΑΙ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΙΑΣΤΟΛΗΣ

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΙΑΧΥΣΗΣ ΣΕ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΑ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑ. ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΥΧΑΙΩΝ ΠΟΡΩΝ ΚΑΙ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΙΑΣΤΟΛΗΣ Β. Κανελλόπουλος, Γ. οµπάζης, Χ. Γιαννουλάκης και Κ. Κυπαρισσίδης Τµήµα Χηµικών