В настоящее время сильно возрос спрос на программы для моделирования различных технологических процессов. Моделирование динамических систем сейчас используются в аэрокосмической промышленности, ядреной энергетике, и других отраслях промышленности. Частным случаем таких процессов являются химические процессы.

Большинство существующих ныне моделирующих систем жестко специализированы и ориентированы на решение одной единственной проблемы. С помощью среды моделирования DIVA можно выполнять различные работы по моделированию процессов во множестве областей химической промышленности, причем она помогает принимать решения при выборе варианта реализации как технологического процесса так и построения технологического аппарата в целом. При моделировании можно учитывать энергозатраты процессов, материалоемкости и их воздействия на окружающую среду.

 

Система моделирования DIVA была разработана в 1987-1990 гг. в институте системной динамики и управления Штутгартского университета на базе ранее проводившихся в институте исследовательских работ в области разработки моделирующих систем сложных химических процессов и  моделирования отдельных технологических аппаратов и установок. Одно из первых применений системы было реализация в 1989 году тренажера для учебного центра фирмы BASF, занимающей третье место в мире по объемам химического производства.

Система DIVA была написана на языке программирования FORTRAN для операционной системы UNIX. В исходном варианте она представлена в виде исходных текстов программных модулей, предназначенных для компиляции.

С помощью среды моделирования DIVA можно выполнять различные работы по моделированию процессов во множестве областей химической промышленности, причем она помогает принимать решения при выборе варианта реализации как технологического процесса так и построения технологического аппарата в целом. При моделировании можно учитывать энергозатраты процессов, материалоемкости и их воздействия на окружающую среду.

DIVA позволяет:

·  Проводить моделирование параметров процессов, которые не могут быть измерены непосредственно;

·  Определять причины отклонения текущих параметров процесса от заданных;

·  Обеспечить оптимальные условия реализации технологических процессов по критериям безопасности и производительности;

·  Использовать модели различных производственных процессов в учебном процессе при подготовке специалистов соответствующего профиля;

·  Подготавливать и контролировать производственный персонал.

 

Моделирование в системе DIVA является блочно-ориентированным. Т.е. модель в DIVA задается в виде совокупности автономных блоков, имеющих свои входные и выходные параметры. В модели можно использовать или стандартные блоки (базовые элементы) из довольно обширной библиотеки элементов, или специфические элементы параметры и принципы работы которых задаются пользователем. Математическая модель блока, предназначенная для реализации в DIVA, представляется системами алгебраических или обыкновенных дифференциальных уравнений, а так же системами уравнений в частных производных с заданными начальными и граничными условиями. В среде DIVA каждому блоку соответствует откомпилированный FORTRAN-модуль, процесс создания которого автоматизирован специальной программой кодо-генератором.

Для реализации модели большинства химических процессов в основном хватает базовых элементов из библиотеки:

·  Химические и биологические реакторы;

·  Дистиляционные колонны, конденсаторы, испарители;

·  Теплообменники, насосы, мешалки;

·  Вентили, накопители, сепараторы;

·  Регуляторы различных типов.

И множество специальных элементов:

·  Вход, как источник входных потоков;

·  Выход, как приемник и анализатор выходных потоков;

·  Умножитель;

·  Делитель.

 

Моделирующая среда DIVA состоит из следующих компонентов (рис.2.1):

1. Интерпретатора команд

Эта часть принимает от пользователя команды управляющие структурой текущей модели, параметрами ее, параметрами моделирования и используемыми библиотеками численных методов.

2. Библиотек численных методов

Данные библиотеки используются для обеспечения низкоуровневого решения задач. Они содержат методы, такие как интеграторы, поиск решения, анализаторы, динамические оптимизаторы и другие.

3. Библиотеки корреляции физических параметров модели.

4. Библиотеки блоков моделей

5. Кодогенератора (Codegenerator)

Эта часть предназначена для первичного преобразования описания блока модели с языка LISP (файлы с расширением cg - собственно LISP подпрограммы использующиеLISP пакет CG), понятного для че-ловека, до состояния FORTRAN-подпрограмм (расширения f и inc) и файлов параметров этого блока модели (расширение dat).

6. Отображения результатов (Visualisation module)

Эта часть системы служит для визуализации результатов моделирования. Наиболее часто применяется в научных исследованиях система DivaGraphics, которая представляет собой набор правил для коммерческой системы MatLab.

 

Общая схема работы моделирующей среды DIVA

1. Подготовка модели в форме описания блоков и их соединений (anl)

2. Подготовка начальных параметров блоков (dat).

 

 

 

 

 

Рис. 2.1 – Структура моделирующей среды DIVA

 

3. При необходимости подготовка блока при помощи кодогенератора.

4. Подготовка командного файла с указанием временных параметров моделирования (например model.do)

5. Запуск моделирования:

drun < model.do > model.out

6. Анализ хода моделирования на основе сообщений в файле model.out

7. Визуализация данных из файлов model.dsf/model.ddf при помощи MatLab/DivaGraphics.

 

Система моделирования DIVA была разработана для операционной системы UNIX и использует интерфейс командной строки. Однако использование DIVA на родной платформе UNIX накладывает множество ограничений:

·  необходимость пользователя иметь знания об операционной системе UNIX;

·  необходимость предприятия, использующего эту систему иметь в штате администратора UNIX.

В следствии этих причин, а так же учитывая широкое распространение и доступность современных браузеров с поддержкой Java для различных операционных систем и различных архитектур, целесообразно будет использовать виртуальную машину Java в качестве среды для средств графической визуализации системы DIVA.

Так как в настоящее время существует необходимость использования систем моделирования в сетевой среде, целесообразной является разработка средств графической визуализации системы DIVA с использованием клиент-серверной архитектуры. Использование клиент-серверной архитектуры предполагает наличие программной части, расположенной на сервере и непосредственно взаимодействующей с системой DIVA через команды и файлы, получаемые от клиента, и наличие клиентской части, доступной пользователю через браузер и предоставляющей расширенный графический интерфейс. При такой организации системы DIVA отпадает необходимость установки на каждый компьютер пользователя всего пакета DIVA, занимающего около 400 мегабайт, так как Java-апплет, предоставляющий пользователю графический интерфейс имеет малый размер и загружается через сеть непосредственно при запуске. Так же, при моделировании сложных технологических процессов, DIVA предполагает наличие у компьютера большой вычислительной мощности, а при клиент-серверной архитектуре отпадает необходимость в мощной рабочей станции, потому что сам процесс моделирования выполняется на сервере, в качестве которого может использоваться целый вычислительный комплекс.

Серверную часть средств графической визуализации системы DIVA также имеет смысл реализовать на Java для упрощения взаимодействия между клиентом и сервером через сетевую среду. Серверная часть получает через сетевую среду данные от клиентской части и сохраняет их в файле описания блоков и их соединений (anl), файле начальных параметров блоков (dat), командном файле с указанием временных параметров моделирования (do). Передаваемые по сетевой среде данные архивируются в клиентской части и разархивируются в серверной части. Далее серверная часть выполняет запуск системы моделирования DIVA. Результаты моделирования выдаются в виде набора двух файлов

model.dsf – описание порядка следования переменных друг за другом

model.ddf – файл цифровых значений переменных на каждом шаге моделирования

 

Файл dsf состоит из двух основных уровней описаний.

1. Уровень блоков ключей. Обычно один блок ключей соответствует одному блоку модели.

2. Блоков пар значений.

Файл ddf представляет собой линейный массив значений переменных на каждом шаге моделирования, описанных в файле dsf. Далее серверная часть через сетевую среду информирует клиентскую часть о получении результатов моделирования и высылает содержимое файла dsf. Далее, по запросу клиентской части, происходит передача только той части файла ddf, которая в данный момент необходима клиенту. Таким образом, в серверной части выполняется кэширование результатов, что способствует уменьшению трафика через сетевую среду и уменьшает объем памяти, занимаемой клиентом. Схематически данный процесс представлен на рис. 3.1.

Дальнейшим усовершенствованием системы DIVA является обеспечение параллельного моделирования для нескольких вариаций входных параметров модели. Для организации этого режима целесообразно использовать архитектуру CORBA. Данная архитектура позволяет совершенно прозрачным для клиентской и серверной части образом организовать распараллеливание. Для взаимодействия на базе архитектуры CORBA в обе эти части встраиваются классы с интерфейсом, аналогичным таковым для классов обмена с помощью сетевой среды. Архитектура CORBA обеспечивает распараллеливание различных заданий на моделирование по нескольким серверам системы DIVA, самостоятельно осуществляя поиск и выбор свободного и подходящего сервера. Схематически данный процесс представлен на рис. 3.2.

Специфика применения системы DIVA приводит к тому, что для успешного решения задачи разработки интерфейса клиентской части средств графической визуализации, необходимо учитывать следующие требования со стороны пользователей системы:

·  простота обучения работы с системой;

·  автоматизация создания файлов с инициализирующими значениями параметров моделирования(*.anl, *.dat, *.do);

·  легкость изменения некоторых параметров при моделировании химического процесса;

·  наглядность отображения полученных результатов моделирования;

·  возможность анализа процесса, при помощи задания диапазона изменения какого-либо параметра и последующего просмотра состояния системы, в диапазоне изменения параметра;

·  возможность наглядного управления процессом.

В качестве примера клиентской части разрабатывается учебный тренажер для Северодонецкого предприятия «Азот», производящего уксусную кислоту. Данный тренажер может применяться для обучения персонала предприятия управлению процессами, происходящими в химическом реакторе, синтезирующем уксусную кислоту, а также для наглядного представления принципа работы реактора.

В виду сложности процесса, протекающего в реакторе, необходимо предусмотреть удобную и наглядную визуализацию, происходящего процесса. Пользователь системы должен наглядно представлять себе сам реактор и органы его управления и контроля, а так же иметь возможность проследить за состоянием процесса в любой момент времени. В модели замешано множество параметров, отвечающих за поведение системы, поэтому для возможности наглядного представления параметров необходимо выбрать основные из них и представить в виде датчиков и контрольных точек как на реальном реакторе, и в то же время иметь возможность контролировать динамику изменения любого, участвующего в модели параметра.

Таким образом, при создании клиентской части средств графической визуализации системы DIVA, предназначенной для использования ее в качестве учебного тренажера по управлению процессами в химическом реакторе синтеза уксусной кислоты на Северодонецком предприятии «Азот» необходимо обеспечить:

·  наглядность представления и визуализации процессов, происходящих в реакторе;

·  возможность управлять реактором и его параметрами интерактивно, используя привычные органы управления;

·  акцентирование внимания на наиболее важные и управляемые параметры производственного процесса;

·  возможность просмотра изменения любого параметра в любой момент моделируемого отрезка времени;

·  автоматизация подготовки исходных, визуально заданных, данных для использования их при моделировании системой моделирования DIVA;

·  возможность расшифровки и визуализации данных из файлов *.ddf, *.dsf, собственными средствами, без применения MatLaba;

·  возможность проведения экспериментов для определения граничных значений параметров над моделью химического реактора;

·  возможность задания любого временного промежутка исследования;

·  способность стимулирования пользователя к принятию неотложных решений и быстрого их применения для текущего состояния производственного процесса в реакторе, и количества выходного продукта.

Для обеспечения наглядности применения обучающей системы моделирования в качестве базового элемента интерфейса применим схематическое изображение химического реактора по производству уксусной кислоты и окружающих его устройств. Для обеспечения быстрого обучения пользователей работе с программой и способствуя созданию у пользователя впечатления работы с реальным реактором, основные органы управления реактором целесообразно вынести на схематическое изображение.

Для более удобного задания диапазона изменения параметров процесса, в качестве управляющего элемента на панели управления необходимо использовать сдвоенный регулятор. В обычном режиме регулятор движется синхронно, однако в режиме задания диапазона изменения параметров пакета - одним регулятором задаем начальное значение, вторым конечное значение. В зависимости от диапазона изменения для каждого из необходимых параметров и общего количества вариантов изменений, рассчитывается шаг изменения для каждого параметра. С помощью такого механизма можно просмотреть поведение реактора при совокупном изменении сразу нескольких параметров.

Для наглядного отображения данных исследования, графики изменения параметров для каждого набора данных должны отображаться в единых координатных осях. Так же как и при одиночных запросах, пользователь имеет возможность просмотреть изменение любого параметра, описанного ключом в файле DSF.

 

 

Рис. 3.1 – Схема взаимодействия JAVA клиента и системы DIVA

 

Рис. 3.2 – Схема пакетного взаимодействия JAVA клиента и системы DIVA на базе технологии CORBA