نقش شبیه سازی در مهندسی فرآیند – Simulation in Process Engineering

مجموعه: مقالات مهندسي > مهندسي مكانيك | کلمات کلیدی : نقش+شبیه+سازی+در+مهندسی+فرآیند+–+Simulation+in+Process+Engineering+

نقش شبیه سازی در مهندسی فرآیند – Simulation in Process Engineering

نقش شبیه سازی در مهندسی فرآیند – Simulation in Process Engineering

امروزه سیستمهای كامپیوتری نقش عمده ای در تسریع و ارتقای كیفیت فعالیت های مهندسی از جمله طراحی و ساخت كارخانجات واحدهای تولیدی و راهبری آنها دارند. بطوری كه اكنون ارایه خدمات مهندسی خواه در دفاتر طراحی و دفاتر كارفرمایان، و خواه از شركتی به شركت دیگر بدون دخالت كامپیوتر در مراحل مختلف برآورد و انجام محاسبات، نقشه كشی، تولید و انتقال مدارك و مدیریت اطلاعات و اسناد، خارج از عرف و تقریباً بی معناست.

از آنجا كه این روش موجبات صرفه جویی در وقت و هزینه ها را فراهم می آورد، بطور طبیعی مورد استقبال عمومی مدیران بخش صنعت قرار گرفته است. با روشنتر شدن مزایای بكارگیری كامپیوتر در این امور، و پیدایش كاربردهای جدید برای آن، هر روز افراد بیشتری به استفاده از آن بجای ادامه روشهای سنتی تمایل نشان می دهند.

یكی از كاربردهای موثر كامپیوتر در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، شبیه سازی واحدهای تولیدی بوسیله نرم افزارهای خاص است. این زمینه با توجه به جو رقابتی بازارهای جهانی و نیز حركت هایی كه در زمینه افزایش بهره وری تولید، استفاده هرچه بهتر از منابع، و كاهش هزینه ها مشاهده میشود، طی سالهای اخیر رشد چشمگیری یافته، اما هنوز بسیاری از مزایای این كار شناخته نشده است. در این نوشتار، برخی زمینه های كاربرد نرم افزارهای شبیه سازی با هدف بازخوانی مهمترین مزایای این نرم افزارها بطور خلاصه توضیح داده شده است.

1- مدلسازی و شبیه سازی
منظور از مدلسازی فرایند، توصیف ماهیت سیستم تولید (یعنی موازنه های جرم و انرژی) در قالب معادلات ریاضی است. خصوصیت های اصلی مدلهای خوب، دقیق بودن، كمی بودن و مختصر بودن است. البته مدلهای كم دقت، كیفی، یا مفصل نیز كاربردهای ویژه ای دارند كه از بحث عمومی این نوشتار خارج است. این معادلات عموماً غیرخطی و به شكل معادلات جبری، دیفرانسیل یا مخلوطی از این دو هستند. در نرم افزارهای امروزی شبیه سازی، اینگونه مدلها در قالب عملیات مختلف در كتابخانه ای ذخیره شده اند كه از كنار هم قرار دادن آنها، مدلی از فرایند ساخته می شود.

شبیه سازی، یعنی بدست آوردن اطلاعات خروجی (بطور مثال مشخصات محصول) از طریق حل مدلهای فوق براساس اطلاعات ورودی (به طور مثال مشخصات خوراك)، در این میان، اطلاعات مربوط به مشخصات دستگاه ها جزیی از مدل بشمار میروند و قسمتی از آنها توسط كاربر به نرم افزار داده می شود.

2- كاربردهای شبیه سازی :
به رغم تعریف ساده بالا، كاربردهای شبیه سازی بسیار متنوع و گوناگون است. در اینجا، این كاربردها در سه قسمت مرور میشوند:
پژوهش و توسعه فرایندها، طراحی فرایند، و راهبری كارخانجات .

الف – كاربردهای شبیه سازی در پژوهش و توسعه فرایندها:
بطور سنتی، پژوهش درباره روشها یا سیستمهای جدید تولید به كمك واحدهای پیشتاز انجام می شده است. اما نظر به هزینه زیاد ساخت و نگهداری این واحدها، از چندین سال پیش، فكر استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی برای كاستن از این هزینه ها مطرح شده است. با بكارگیری این نرم افزارها میتوان گزینه های مختلف خط تولید را بررسی كرد، افزایش ظرفیت واحد را مورد مطالعه قرار داد و در نهایت، واحد پیشتاز را بهینه طراحی كرده و ساخت. از طرف دیگر، بخشهایی از فرآیند را كه با شبیه سازی آنها اطلاعات كافی برای طراحی واحد بدست می آید، می توان از واحد پیشتاز حذف کرد.همچنین ازاشتباهات پرخرج در طراحی و ساخت واحدهای پیشتاز پیشگیری كرد.

ب – كاربردهای شبیه سازی در طراحی فرایند:
امروزه به نحو گسترده ای از نرم افزارهای شبیه سازی در طراحی فرایند استفاده میشود. كاربردهای این نرم افزارها در این حوزه از حیث گستردگی كار از محاسبه ساده خصوصیات ترموفیزیكی جریانها یا حتی مواد خالص شروع شده و به طراحی كارخانجات كامل با در نظر گرفتن تاسیسات جانبی، خطوط لوله تامین خوراك، یا انتقال محصول، و بررسی سیستمهای كنترل میرسد. از آنجا كه این روش از محاسبات دستی ساده تر، سریعتر و دقیقتر است، با تكرار آن در شرایط مختلف به سهولت و با صرف زمان بسیار كمتری میتوان مجموعه كاملی از عملكرد فرآیند در حالت های مختلف را پیش بینی كرده و از این طریق، ضمن كاهش هزینه های اضافی سرمایه گذاری ثابت (دستگاههای اضافی) و كاستن از هزینه های عملیاتی (مصرف آب، انرژی و …)، قابلیت انعطاف بیشتری را در طرح فرایند بوجود آورده و نقطه بهینه از لحاظ هزینه ها، روانی عملیات، ایمنی، محیط زیست و غیره را بدست آورد.

افزون بر این، از آنجا كه طراحی فرایند از طراحی دستگاه ها و تجهیزات مكانیكی، پایپینگ، ابزار دقیق، سیستم های برقی و سازه و ساختمان جدا نیست، از اطلاعات حاصل از شبیه سازی در حالتهای مختلف میتوان برای كمك به طراحی این سیستمها نیز بهره گرفت. نرم افزارهای جدید شبیه سازی از قابلیت اتصال به نرم افزارهای طراحی این سیستم ها و انتقال اطلاعات به آنها بهره مندند.

پ – كاربردهای شبیه سازی در بهره برداری مطلوب از تاسیسات موجود :
در كارخانجات موجود با كمك نرم افزارهای شبیه سازی می توان فرایند تولید را مورد بررسی و ارزیابی موشكافانه قرار داده و از این طریق، بطور كلی عملیات را بهبود بخشید. در صورتی كه از نرم افزارهای پیشرفته تر استفاده شود، امكان بهینه سازی در جا براساس شرایط تولید (مانند دمای خوراك و شرایط اقلیمی) نیز وجود دارد.

كاستن از مواد و انرژی مصرفی نیز از جمله مطالعاتی است كه میتوان به كمك این نرم افزارها انجام داد. اما یكی از كاربردهای بسیار مهم استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی كشف حداكثر ظرفیتهای تولیدی موجود و قابل استفاده در خط تولید است كه گاه بهره گیری از آنها هزینه ای بسیار كم و درآمدی قابل توجه دارد. در همین زمینه میتوان تنگناهای فرایند را نیز شناسایی كرد و به رفع آنها همت گماشت.

یكی از كاربردهای جدید نرم افزارهای شبیه سازی، بررسی صحت عملكرد سیستمهای كنترل موجود و تنظیم مجدد آنها است. این كار به كمك نرم افزارهای شبیه سازی دینامیك انجام میشود. با ظهور نرم افزارهای پیشرفته تر جدید كه امكاناتی از قبیل توسعه پذیری، شكل پذیری، اتوماسیون، اتصال به نرم افزارهای دیگر و پایگاه های داده ها، گنجاندن مدلهای نزدیك به واقعیت (موسوم به High-fidelity) در آنها و توانایی های ترسیمی و ارزیابی وسیعی را در اختیار قرار داده اند، نه تنها این كاربردها گسترش بیشتری یافته بلكه استفاده از منافع این كار با سرعت و بازدهی بیشتری نیز همراه شده است.

3- كاربردهای نوین شبیه سازی پیشرفته:
باید دانست كه در گذر سالها، با انباشته شدن تجربیات متعدد از شبیه سازی، اعتماد به نتایج شبیه سازی بسیار مستحكمتر شده است بطوری كه امروزه كمتر مدیر مطلعی یافت میشود كه نه تنها در مورد فواید اصل شبیه سازی كه حتی كاربرد آن در موارد حساسی چون كنترل فرآیندها تردید به خود راه دهد. نظر به برخی از كاربردهای پیشرفته نرم افزارهای شبیه سازی این موضوع را بیشتر روشن می كند:

الف – ارتباط با نرم افزارهای دیگر: تبادل اطلاعات با نرم افزارهای دیگر بصورت دوطرفه، توانایی دست ورزی در اطلاعات كتابخانه ای، افزودن مدلهای دلخواه كاربر و اجرای برنامه طبق روش دلخواه كاربر با معماری باز نرم افزارهای امروزی شبیه سازی ممكن شده است. با پدید آمدن فكر CAPE-OPEN این كار شكل جدی تری نیز به خود گرفته و نوید ظهور نرم افزارهایی با قابلیتهای گسترده پذیرش قطعاتی از نرم افزارهای دیگر برای بهینه سازی توانمندیها را میدهد.

ب – استفاده مستقیم در كنترل فرایند: نرم افزارهای نوین از توانایی اتصال مستقیم یا با واسطه به انواع سیستم های كنترل فرایند واقعی برخوردارند و در نتیجه، می توان از آنها برای بهینه سازی لحظه ای عملكرد واحد با تعیین نقاط مقرر بهینه بهره گرفت. معماری باز و توان محاوره با نرم افزارهای دیگر، حتی امكان پیاده سازی الگوریتم های پیشرفته كنترل مانند كنترل مدلی پیشگو (MPC) ، كنترل بهینه، كنترل تطبیقی و نظایر آنها را فراهم میآورد.

پ – آموزش اپراتورها : دقت شبیه سازی دینامیك فرآیندها امروزه چنان است كه میتوان از آن برای خلق موقعیتهای نامطلوب یا اضطراری مجازی و آموزش چگونگی مهار آنها به اپراتورها استفاده كرد. نظیر این كار سالها پیش از این در كارهای حساس مانند ناوبری هواپیما و سیستم های دفاعی انجام می شده است. با كاهش هزینه های پیاده سازی این توانایی در صنایع شیمیایی، زمینه های كاربرد آن در این صنایع نیز فراهم آمده است.

ت – تسریع پروژه ها : طراحی كارخانجات فعالیتی گروهی است كه با توزیع مناسبتر داده ها و اطلاعات، جلوگیری از دوباره كاری و مدیریت شایسته تغییرات، به طرز چشمگیری شتاب میگیرد. توجه به نیاز واحدهای مختلف مهندسی برای تبادل اطلاعات، لزوم حركت از سطح سیستمهای سنتی نقشه – محور (بیشتر متكی به نرم افزارهای ساده نقشه كشی مانند AutoCAD) به سطح سیستمهای نوین «داده – محور» را بطور جدی مطرح میكند. از آنجا كه در این سیستمهای هوشمند، تمام بخشهای مهندسی و مدیریت پروژه ها به پایگاه مركزی داده ها دسترسی دارند، پویایی قابل ملاحظهای در انجام پروژه ها به وجود می آید.

افزون براین، اطلاعات طراحی سرمایه ارزشمندی است كه پس از پایان طراحی نیز در طول عمر كارخانجات باید مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین، وجه دیگر این كاربرد، ایجاد امكان بهره گیری از اطلاعات طراحی در طول عمر كارخانه برای انواع طراحی، برنامه ریزی تعمیرات و نظایر آنهاست.
نرم افزارهای امروزی شبیه سازی از توان قابل ملاحظه ای برای تبادل اطلاعات با پایگاه های داده ها از طریق پروتكلهای استاندارد برخوردارند و در ضمن مدلهای ساخته شده در آنها را با توجه به بندهای ب و پ بالا میتوان در طول زمان بهره برداری از كارخانجات مورد استفاده قرار داد.

ث – اتصال به سیستم مدیریت : در دوران ما، تولید به كمك كامپیوتر (CIM)، تجارت الكترونیكی، بازرگانی الكترونیكی و سیستم های اطلاعات مدیریت به سرعت در حال رشدند. امروزه سیستم های مدیریت، حسابداری، برنامه ریزی، طراحی، كنترل عملیات و راهبری به دلیل نیاز به نظارت و تنظیم روابط میان تولیدكنندگان، مجاری توزیع فرآورده ها، شبكه های حمل و نقل و خریداران به یكدیگر متصل می شوند.

ازاین طریق، امكان پیش بینی و در نظر گرفتن تقاضای بازار، اجرای سفارشها و ایجاد هماهنگی در تامین مواد اولیه، تخصیص ظرفیت های تولید و برنامه ریزی برای آن و زمانبندی تحویل محصول به وجود می آید كه در فضای رقابتی تجارت جهانی امری حساس و فوق العاده مهم ارزیابی می شود. مجدداً، شبیه سازهای امروزی به دلیل توان محاوره با پایگاه های داده ها و معماری باز خود توان مشاركت در این فعالیت مهم را دارند.

بنابراین، شایسته است به جامعه مهندسی شیمی كشور هشدار داده شود كه همزمان با تكامل قابلیت های درونی نرم افزارهای شبیه سازی (نكته ای كه در كشور ما فوق العاده مورد توجه است)، چگونگی ایجاد ارزش افزوده از مدلها نیز در سطح جهانی اهمیت بسیار یافته است تا آن جا كه تحولی اساسی در سنت 50 ساله مهندسی فرایند (آزمایشگاه – افزایش مقیاس – طراحی — بهینه سازی) بوجود آورده و با توسعه دامنه كاربرد شبیه سازی از مرحله تئوری تا بهره برداری عملی، اصولاً روش انجام كارهای مهندسی از مرحله آزمایشگاه تا طراحی و از آنجا تا راهبری كارخانجات را به طرزی بنیادی و چشمگیر دگرگون كرده است. این روند، بدلیل نیاز به كاهش هزینه های مواد اولیه، سرمایه گذاری ثابت، میزان انرژی مصرفی، مقدار ذخیره سازی مواد، مقدار محصولات نامرغوب و مقدار آلاینده های تولید شده شتاب گرفته است. دراین شرایط، بازنگری اساسی در نحوه نگرش به مقوله شبیه سازی بطور اخص و نرم افزارهای مهندسی به معنای عام و باور به تاثیر نرم افزارهای معتبر و قابل اعتماد در افزایش كارآیی سازمان و تحصیل سهم شایسته از بازار جهانی لازم است.

» نویسنده: دکترفرشاد نورایی ( شرکت ترادیس)
» منبع: NIOC

بازنشر:

www.smsm.ir
سایت مرجع مهندسی ایران

نقش شبیه سازی در مهندسی فرآیند – Simulation in Process Engineering

کلمات کلیدی : نقش,شبیه,سازی,در,مهندسی,فرآیند,–,Simulation,in,Process,Engineering,نقش شبیه سازی در مهندسی فرآیند – Simulation in Process Engineering , مقالات مهندسي , مهندسي مكانيك , کامپیوتر، مکانیک، برق، عمران، شیمی، پزشکی نقش+شبیه+سازی+در+مهندسی+فرآیند+–+Simulation+in+Process+Engineering+

آخرین مطالب مشاهده شده توسط کاربران :