Simulador EMSO: Curso Introdut orio - enq.ufrgs.br · Crescimento cont n uo do interesse industrial...

SimuladorEMSO: CursoIntrodutorio

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Equacoes vsModulares

Introducao

Historico

Modelagem

Introducao

Graus deLiberdade

Exemplo

EMSO

Introducao

Tutorial 1

EML

Plug-ins

SimulacaoEstacionaria

Flash

SimulacaoDinamica

Flash

Destilacao

Simulador EMSO: Curso Introdutorio

Rafael de Pelegrini Soares

Grupo de Integracao, Modelagem, Simulacao, Controle e Otimizacao deProcessos -(GIMSCOP)

Departamento de Engenharia Quımica, Universidade Federal do Rio Grandedo Sul - UFRGS

13 de Outubro de 2006


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Sumula

1 Equacoes vs Modulares

2 Modelagem

3 EMSO

4 Simulacao Estacionaria

5 Simulacao Dinamica


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Necessidade da Simulacao

Contencao de despesas (custo e tempo)

Processos fortemente integrados com diversos reciclos demassa e energia

Necessidade de melhor compreensao de processos cada vezmais complexos

Otimizacao e construcao de processos otimizados

Construcao de prototipos virtuais, verificacao de projetos,etc.


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Experimentos: mais razoes para simulacao

Experimentos podem ser utilizados para extrairinformacoes de um processo, entretanto:

Podem ser muito carosPodem ser muito demoradosPodem ser perigososO sistema pode ainda nao existir


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Interesse Industrial

Crescimento contınuo do interesse industrial em pacotescomputacionais

Interesse impulsionado por:

Reducao da concentracao e volume de emissoesReprodutibilidade de produtos de alta qualidadeAnalises de seguranca e riscoTreinamento de operadores


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Uso na Industria Brasileira

Uso de simuladores na industria brasileira e limitado

Limitacao no uso se da por:

Falta de treinamento dos engenheiros de processoComplexidade na construcao e analise dos modelosAlto custo para renovacao das licencas anuaisMultinacionais mantem seus centros de tecnologia noexteriorHeterogeneidade entre os diferentes pacotes comerciais


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Historico do desenvolvimento

Hoje a capacidade computacional dos PCs comporta asimulacao de processos com modelos de alta fidelidade

Esta disponibilidade tem popularizado cada vez mais o uso

Embora isto tenha acontecido apenas nos ultimos anos ossimuladores de processos tem um historico dedesenvolvimento de mais de 50 anos


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Anos 50

Anos 50:

M. W. Kellog. Corp. apresentou o sistema Flexible Flow

Anos 60:

Estima-se a existencia de 200 ferramentas diferentes(simuladores proprios nas grandes empresas)

Anos 70:

Projeto ASPEN do MIT

Anos 80-90:

Novos conceitos, interfaces graficas amigaveisNovas linguagens de programacaoAlgoritmos numericos mais poderosos


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Simuladores Modulares


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Simuladores Baseados em Equacoes


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Simuladores Baseados em Equacoes: Vantagens

Utilizando um mesmo conjunto de modelos e possıvelexecutar diversas tarefas diferentes:

Simulacoes estacionariasSimulacoes dinamicasEstimacao de parametrosReconciliacao de dadosOtimizacao estacionariaOtimizacao dinamica

Os modelos podem ser visualizados, modificados ouampliados facilmente


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Cenario Atual

Ferramentas de simulacao sao produzidas por empresasespecializadas

Sistemas modulares ainda dominam o mercado

Movimento na direcao de ferramentas orientadas aequacoes

Hoje nos deparamos com problemas altamente acopladosenvolvendo muitas vezes mais do que 100.000 equacoes


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Simulador EMSO

EMSO e a sigla para Environment for Modeling,Simulation and Optimization

Desenvolvimento iniciado em 2001, escrito em C++

Disponıvel para Windows, Linux, Unix, etc.

Modelos sao escritos em uma linguagem de modelagem

Sistema baseado em equacoes

Computacionalmente eficiente para simulacoesestacionarias e dinamicas

2005 - Inicio do projeto ALSOC para aprimoramento dosistema

www.enq.ufrgs.br/alsoc


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Simulador EMSO


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Modelagem: Conceitos de Modelo e Simulacao

Um modelo e algo que tenta imitar o comportamento deum objeto ou processo ao se executar experimentos

Existem diversos tipos de modelos, alguns sao:

Fısico: um objeto real que imita o comportamento deoutro (normalmente em escalas menores)Matematico: descricao do comportamento do sistemaatraves de relacoes matematicas

Simulacao: um experimento executado em um modelo


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Modelo Matematico

Um modelo matematico e composto por:variaveis:

de estado: determinam o comportamento do sistemaa determinarespecificadas: variaveis conhecidas

parametros: dimensoes geometricas e outras propriedadesdo processo, geralmente conhecidosequacoes: expressoes matematicas que relacionam asvariaveis e parametros do modelo


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Equacoes de um modelo

Equacoes regem o comportamento do modelo:

leis fundamentais da conservacao: massa, energia equantidade de movimentotermodinamica (equilıbrio de fases)equacoes constitutivas e correlacoes

De forma geral considera-se um determinado volume decontrole, onde:O que entra - O que sai + Gerado = Acumula

O acumulo da a caracterıstica dinamica do modelo e sera otermo onde a derivada com relacao ao tempo d

dt aparecera

Modelos estacionarios nao consideram o acumulo


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Equacoes de Igualdade

Em um modelo, as equacoes representam uma igualdade

Em geral, as linguagens de programacao nao suportamequacoes de igualdade

A expressao i = i+1 e valida em todas as linguagens deprogramacao mas e um absurdo em termos de igualdade

Uma boa ferramenta de modelagem deve suportarexpressoes de igualdade sem limitacoes de formato (porexemplo: sem a necessidade de isolar as expressoes)


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Graus de Liberdade

Graus de liberdade: diferenca entre o numero de equacoese o numero de variaveis

Um modelo so pode ser resolvido quando o numero degraus de liberdade e zero

O numero de graus de liberdade pode ser reduzido atravesde especificacoes

Normalmente sao especificadas as entradas do processo


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Graus de Liberdade Dinamicos

Em modelos dinamicos, alem do numero de graus deliberdade existe o numero de graus de liberdade dinamicos

Graus de liberdade dinamicos: sao o numero de estadosindependentes do processo

Estados independentes: conjunto de variaveis quedeterminam completamente o modelo do processo

Na maioria dos casos o numero de graus de liberdadedinamicos e igual ao numero de equacoes diferenciais

Para iniciar uma simulacao dinamica, devem ser fornecidascondicoes iniciais em um numero igual ao de graus deliberdade dinamicos


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Exemplo de Modelagem de um Tanque

Considerando o seguinte equipamento:


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Modelo Matematico do Tanque

Variaveis: Fin, Fout, h

Parametros: A, k

Conservacao de massa: d(hA)dt = Fin − Fout

Equacao da valvula: Fout = k√

h

Graus de Liberdade: 3 variaveis - 2 equacoes = 1

Numero de condicoes iniciais = numero de estados =numero de equacoes diferenciais = 1


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EMSO: Conceitos Basicos

Processo ou diagrama de processo (FlowSheet): arranjode equipamentos ou operacoes unitarias (reatores, colunasde destilacao, trocadores de calor, etc)

Modelo (Model): descricao matematica de uma operacaounitaria ou equipamento


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FlowSheet: Diagrama de Processo


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FlowSheet: Diagrama de Processo

Arquivo tutorial/ThreeTank1.mso

FlowSheet ThreeTankVARIABLESFeed as flow vol;

DEVICESTank1 as tank simplified;Tank2 as tank simplified;Tank3 as tank simplified;

CONNECTIONSFeed to Tank1.Fin;Tank1.Fout to Tank2.Fin;Tank2.Fout to Tank3.Fin;

end


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Model: Modelo de um equipamento

Declaracao de variaveis, parametros e equacoesArquivo eml/stage separators/tank.mso:

Model tank simplifiedPARAMETERSk as Real (Brief="Valve Constant", Unit = "mˆ2.5/h",

Default=4);A as area (Brief="Tank area", Default=2);

VARIABLESh as length(Brief="Tank level");

in Fin as flow vol(Brief="Input flow");out Fout as flow vol(Brief="Output flow");

EQUATIONS"Mass balance"diff(A∗h) = Fin − Fout;

"Valve equation"Fout = k∗sqrt(h);

end


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Tutorial 1: Modelagem de tanques em serie

Objetivo: construir o modelo para o sistema de 3 tanquesem serie e executar simulacoes


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Tutorial 1: Arquivos e Consistencia

1 Abrir o arquivo ThreeTank1.mso da pasta tutorialEste arquivo contem um FlowSheet, verificar o ExplorerEste arquivo esta livre de problemas, aba Problems

2 Verificar a consistencia do FlowSheet (graus deliberdade):

Selecionar o FlowSheet no Explorer

Clicar no botao ou no menu Tasks e entao em CheckConsistencyObserve no Console que o sistema tem o numero de grausde liberdade diferente de zero


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Tutorial 1: Fechando os Graus de Liberdade

1 Adicionar no final do FlowSheet a especificacao da vazaode entrada para zerar os graus de liberdade:

SPECIFYFeed = 10 ∗ "mˆ3/h";

2 Verificar novamente a consistencia do FlowSheetObserve no Console que o sistema agora tem problemascom o numero de graus de liberdade dinamicos

3 Adicionar no final do FlowSheet as condicoes iniciais:

INITIALTank1.h = 1 ∗ "m";Tank2.h = 2 ∗ "m";Tank3.h = 1 ∗ "m";

4 Verificar novamente a consistencia do FlowSheetNeste ponto o problema esta consistente


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Tutorial 1: Simulacao e Resultados

1 Com o FlowSheet consistente rodar uma simulacao:

Selecionar o FlowSheet no Explorer e clicar no botaoou no menu Tasks e entao em RunSe preferir utilize diretamente o arquivo ThreeTanks2.msopara esta tarefa

2 Grafique os resultados da simulacao:

Na aba Results de um duplo clique em uma das variaveispara criar um grafico com o resultado da simulacaoVarias variaveis podem ser adicionadas no mesmo grafico,sempre com duplo clique


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Tutorial 1: Opcoes de Simulacao

1 Ajustar a escala de tempo da simulacao para visualizartoda a dinamica:

Por padrao o tempo de simulacao e de 100 segundosAjustar o tempo para 2 horas com os seguintes comandosno final do FlowSheet:

OPTIONStime = [0:0.1:2] ∗ "h";

2 Executar novamente a simulacao e verificar os resultados

Se preferir utilize diretamente o arquivo ThreeTanks3.msopara esta tarefa


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Tutorial 1: Modificando Parametros

1 Modificar os parametros dos equipamentos:

Quando nenhum valor e informado para um parametro,este assume seu valor Default (ver a declaracao dosparametros do modelo tank simplified)Ajustar os valores dos parametros dos modelosadicionando, por exemplo:

SETTank2.k = 8 ∗ "mˆ2.5/h";Tank2.A = 4 ∗ "mˆ2";

2 Executar novamente a simulacao e verificar os resultados

Se preferir utilize diretamente o arquivo ThreeTanks3.msopara esta tarefa


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Tutorial 1: Alguns Resultados


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EML - EMSO Model Library

Biblioteca de modelos contendoos principais equipamentos

Aberta para visualizacao e edicaodos modelos

Criacao de novos modelos emuma linguagem de descricao, naorequer conhecimentos deprogramacao

Distribuıda livremente e abertapara contribuicoes


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EML - Porque Uma Biblioteca Aberta?

O conhecimento de modelagem edistribuıdo em livros e artigos

Resultados sao difıceis de reproduzire/ou estender

Uma linguagem de modelagem e umabiblioteca disponıvel podem acelerarconsideravelmente o compartilhamentodo conhecimento


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Plug-in’s: Propriedades Fısicas e Termodinamicas

EMSO: simulador baseado em equacoes

Propriedades Fısicas e Termodinamicas:

Disponıveis na forma de correlacoes ou procedimentos decalculosRequerem a disponibilidade de dados

Em suma, estas propriedades nao sao adequadas paradescricao direta na forma de equacoes de igualdade

Solucao no EMSO: sistema de Plug-in que permite quequalquer rotina de computador possa ser utilizada dentrodos modelos

A interface de Plug-ins e aberta, qualquer pessoa podeimplementar um novo plug-in


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Plug-in’s: Configuracao

Todos os solvers do EMSOtambem sao Plug-ins, ver pastainterface onde foi instalado oEMSO

Para utilizar um plug-in bastaindicar a pasta onde este seencontra: utilizando a janela deconfiguracao, menu Config eentao Libraries

No Windows um plug-in e umarquivo DLL, no Linux umarquivo SO


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Exemplo de Plug-in: VRTherm

Pacote de propriedades fısicas e termodinamicas

Banco de dados com mais de 2000 componentes

Principais modelos termodinamicos: PR, SRK, UNIFAC,etc.

Todas as propriedades de misturas necessarias para asimulacao dinamica: volume, viscosidade, condutividadetermica, etc.

Plugin para os principais softwares: EMSO, Matlab,Scilab e Excel


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Utilizando um Plugin no EMSO

Um Plug-in e declarado na forma de um parametro de umtipo especial, um CalcObject:

FlowSheet FlashSteadyProcessPARAMETERSPP as CalcObject(Brief="Physical Properties",

File="vrpp");

SETPP.Components = ["1,3−butadiene", "isobutene",

"n−pentane", "1−pentene", "1−hexene"];PP.LiquidModel = "PR";PP.VapourModel = "PR";


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Separacao em 1 Estagio de Equilıbrio: Flash

Abrir o arquivo sample flash.mso

Observe que este arquivo utiliza os modelos declarados noarquivo flash, que faz parte da biblioteca de modelosEML

Utilizando o Explorer abra o arquivo flash.mso paravisualizar seus modelos

O arquivo de exemplo sample flash.mso contem doisFlowSheets, para simulacoes estacionarias vamos utilizaro flashSteady Test

Observe que o FlowSheet flashSteady Test utiliza oarquivo vrpp, parte integrante do VRTherm, para oscalculos termodinamicos


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Simulacao Estacionaria

Por padrao o EMSO executa simulacoes dinamicas

Para executar uma simulacao estacionaria utilizar a opcao:

OPTIONSmode = "steady";

Observe que o FlowSheet flashSteady Test do arquivosample flash.mso contem a opcao de simulacaoestacionaria

Para executar a simulacao basta selecionar o FlowSheetno Explorer e entao clicar em ou no menu Tasks eentao em Run

Utilize a aba Results para visualizar os resultados

Para o caso estacionario os resultados nao sao um perfilno tempo, mas apenas um ponto


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Alterando Especificacoes

Especificacoes sao utilizadas para fechar os graus deliberdade dos modelos

No exemplo flashSteady Test do arquivosample flash.mso foram especificadas a temperatura epressao do vaso

Altere a especificacao para pressao e carga termica dovaso:

SPECIFYfl.OutletL.P = 2.5 ∗ "atm";

Q = 0 ∗ "kJ/h";#fl.OutletL.T = 315.06 ∗ "K";

Execute novamente a simulacao e compare os resultados


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Salvando Resultados

Cada simulacao executadaadiciona um novo elemento naaba Results

Um resultado pode ser salvo

utilizando o botao ou nomenu Result e entao em SaveResult

Arquivos de resultados podemser importados no Scilab com oscript emso2sci.sci e noMatlab com o script emso2ml.m(estes scripts encontram-se nodiretorio de instalacao do EMSO)


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Flash: Simulacao Dinamica

Compare os FlowSheets flash Test eflashSteady Test do arquivo sample flash.mso

O caso dinamico requer mais especificacoes:

SPECIFYfl.OutletV.F = 68.5 ∗ "kmol/h";fl.OutletL.F = 400∗sqrt(fl.Level/"m") ∗ "kmol/h";

O caso dinamico contem mais parametros:

SETfl.V = 2000 ∗ "mˆ3";fl.Across = 1 ∗ "mˆ2";

O caso dinamico necessita de condicoes iniciais:

INITIALfl.OutletL.T = 330 ∗"K";fl.Level = 1 ∗ "m";


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Flash: Simulacao Dinamica com Controladores

O FlowSheet flash Test do arquivo sample flash.msoutiliza uma especie de controle:

SPECIFYfl.OutletL.F = 400∗sqrt(fl.Level/"m") ∗ "kmol/h";

Abra o arquivo Sample flash pid da biblioteca deexemplos

Observe que este arquivo utiliza os modelos presentes noarquivo PIDIncr.mso que faz parte da biblioteca decontroladores

using "controllers/PIDIncr";

Utilizando o Explorer abra o arquivo PIDIncr.mso paravisualizar os modelos de controlador

Observe que o FlowSheet com os controladores ja e bemmais complexo


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Flash: Simulacao Dinamica com Controladores

Observe que o FlowSheet do arquivo Sample flash pidapresenta um disturbio artificial

EQUATIONS#Disturbio regulatorioif time<2000 then

s1.T = 338 ∗ "K";s1.F = 496.3 ∗ "kmol/h";

elses1.T = 360 ∗ "K";s1.F = 450 ∗ "kmol/h";

end

Execute a simulacao do problema para visualizar aperformance dos controladores frente aos disturbios


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Sistemas Hıbridos: Contınuo-Discreto

Se a simulacao do exemplo Sample flash pid foiexecutada com o nıvel de detalhamento igual a Normal noConsole, as seguintes mensagens poderao ser observadas:

Advancing the independent variable from 1800 to 1900Advancing the independent variable from 1900 to 2000Event detected at time 2000 restarting the system...NLA solver converged.Advancing the independent variable from 2000 to 2100

Quando uma condicional troca seu estado, por exemplo deverdadeiro para falso, o sistema e equacoes precisa serreinicializado, e isto que esta sendo feito quando o EMSOapresenta a mensagem restarting the system...

Observe as diversas condicionais presentes no arquivo decontroladores PIDIncr.mso


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Flash Dinamico com Controladores


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Colunas de Destilacao

Colunas de destilacao sao umdos equipamentos maiscomplexos da engenharia quımica

A biblioteca de modelos doEMSO contem modelos paradiversas configuracoes diferentesde colunas de destilacao


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Exemplos de Colunas de Destilacao

Abrir o arquivo sample column.mso, encontrado na pastastage separators da biblioteca de exemplos

Verificar a consistencia de todos os FlowSheets doarquivo:

Selecionar o FlowSheet no Explorer

Clicar no botao ou no menu Tasks e entao em CheckConsistencyObserve as informacoes apresentadas no Consoleacompanhando o aumento do numero de variaveisconforme o numero de pratos das colunas


R.P. Soares


Introducao

Historico

Modelagem

Introducao

Graus deLiberdade

Exemplo

EMSO

Introducao

Tutorial 1

EML

Plug-ins


Flash

SimulacaoDinamica

Flash

Destilacao

Executando Simulacoes Dinamicas

Execute a simulacao do FlowSheetDistillation kettle cond Test

Para executar a simulacao basta selecionar o FlowSheet

no Explorer e entao clicar em ou no menu Tasks eentao em Run

Utilize a aba Results para visualizar os resultados

Observe a grande variacao dos perfis de temperatura,vazoes e composicao durante o tempo do experimento


R.P. Soares


Introducao

Historico

Modelagem

Introducao

Graus deLiberdade

Exemplo

EMSO

Introducao

Tutorial 1

EML

Plug-ins


Flash

SimulacaoDinamica

Flash

Destilacao

Dinamica das Vazoes de Lıquido em uma Coluna


R.P. Soares


Introducao

Historico

Modelagem

Introducao

Graus deLiberdade

Exemplo

EMSO

Introducao

Tutorial 1

EML

Plug-ins


Flash

SimulacaoDinamica

Flash

Destilacao

Contato e mais Informacoes

Rafael de Pelegrini Soares - www.rps.eng.br

Projeto ALSOC: www.enq.ufrgs.br/alsoc

Simulador EMSO: Curso Introdut orio - enq.ufrgs.br · Crescimento cont n uo do interesse industrial...

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