نقش شبیه سازی در مهندسی فرآیند - Simulation in Process Engineering

 

امروزه سیستمهای کامپیوتری نقش عمده ای در تسریع و ارتقای کیفیت فعالیت های مهندسی از جمله طراحی و ساخت کارخانجات واحدهای تولیدی و راهبری آنها دارند. بطوری که اکنون ارایه خدمات مهندسی خواه در دفاتر طراحی و دفاتر کارفرمایان، و خواه از شرکتی به شرکت دیگر بدون دخالت کامپیوتر در مراحل مختلف برآورد و انجام محاسبات، نقشه کشی، تولید و انتقال مدارک و مدیریت اطلاعات و اسناد، خارج از عرف و تقریباً بی معناست.

از آنجا که 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 بکارگیری کامپیوتر در این امور، و پیدایش کاربردهای جدید برای آن، هر روز افراد بیشتری به استفاده از آن بجای ادامه روشهای سنتی تمایل نشان می دهند.  

یکی از کاربردهای موثر کامپیوتر 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 حرکت هایی که در زمینه افزایش بهره وری تولید، استفاده هرچه بهتر از منابع، و کاهش هزینه ها مشاهده میشود، طی سالهای اخیر رشد چشمگیری یافته، اما هنوز بسیاری از مزایای این کار شناخته نشده است. در این نوشتار، برخی زمینه های کاربرد 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، کمی بودن و مختصر بودن است. البته مدلهای کم دقت، کیفی، یا مفصل نیز کاربردهای ویژه ای دارند که از بحث عمومی این نوشتار خارج است. این معادلات عموماً غیرخطی و به شکل معادلات جبری، دیفرانسیل یا مخلوطی از این دو هستند. در نرم افزارهای امروزی شبیه سازی، اینگونه مدلها در قالب عملیات مختلف در کتابخانه ای ذخیره شده اند که از کنار 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 خوراک)، در این میان، اطلاعات مربوط به مشخصات دستگاه ها جزیی از مدل بشمار میروند و قسمتی از آنها توسط کاربر به نرم افزار داده می شود.

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

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

ب – کاربردهای شبیه سازی در طراحی فرایند:
امروزه به نحو گسترده ای از نرم افزارهای شبیه سازی در طراحی فرایند استفاده میشود. کاربردهای این نرم افزارها در این حوزه از حیث گستردگی کار از محاسبه ساده خصوصیات ترموفیزیکی جریانها یا حتی مواد خالص شروع شده و به طراحی کارخانجات کامل با در نظر گرفتن تاسیسات جانبی، خطوط لوله تامین خوراک، یا انتقال محصول، و بررسی سیستمهای کنترل میرسد. از آنجا که این روش از محاسبات دستی ساده تر، سریعتر و دقیقتر است، با تکرار آن در شرایط مختلف به سهولت و با صرف زمان بسیار کمتری میتوان مجموعه کاملی از عملکرد فرآیند در حالت های مختلف را پیش بینی کرده و از این طریق، ضمن کاهش هزینه های اضافی سرمایه گذاری ثابت (دستگاههای اضافی) و کاستن 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 که طراحی فرایند از طراحی دستگاه ها و تجهیزات مکانیکی، پایپینگ، ابزار دقیق، سیستم های برقی و سازه و ساختمان جدا نیست، از اطلاعات حاصل از شبیه سازی در حالتهای مختلف میتوان برای کمک 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 – کاربردهای شبیه سازی در بهره برداری مطلوب از تاسیسات موجود :
در کارخانجات موجود با کمک نرم افزارهای شبیه سازی می توان فرایند تولید را مورد بررسی و ارزیابی موشکافانه قرار داده و از این طریق، بطور کلی عملیات را بهبود بخشید. در صورتی که از نرم افزارهای پیشرفته تر استفاده شود، امکان بهینه سازی در جا براساس شرایط تولید (مانند دمای خوراک و شرایط اقلیمی) نیز وجود دارد.

کاستن از مواد و انرژی مصرفی نیز از جمله مطالعاتی است که میتوان به کمک این نرم افزارها انجام داد. اما یکی از کاربردهای بسیار مهم استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی کشف حداکثر ظرفیتهای تولیدی موجود و قابل استفاده در خط تولید است که گاه بهره گیری از آنها هزینه ای بسیار کم و درآمدی قابل توجه دارد. در همین زمینه میتوان تنگناهای فرایند را نیز شناسایی کرد و به رفع آنها همت گماشت.

یکی از کاربردهای جدید نرم افزارهای شبیه سازی، بررسی صحت عملکرد سیستمهای کنترل موجود و تنظیم مجدد آنها است. این کار به کمک نرم افزارهای شبیه سازی دینامیک انجام میشود. با ظهور نرم افزارهای پیشرفته تر جدید که امکاناتی از قبیل توسعه پذیری، شکل پذیری، اتوماسیون، اتصال به نرم افزارهای دیگر و پایگاه های داده ها، گنجاندن مدلهای نزدیک به واقعیت (موسوم به High-fidelity) در آنها و توانایی های ترسیمی و ارزیابی وسیعی را در اختیار قرار داده اند، نه تنها این کاربردها گسترش بیشتری یافته بلکه استفاده از منافع این کار با سرعت و بازدهی بیشتری نیز همراه شده است.

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

الف – ارتباط با نرم افزارهای دیگر: تبادل اطلاعات با نرم افزارهای دیگر بصورت دوطرفه، توانایی دست ورزی در اطلاعات کتابخانه ای، افزودن مدلهای دلخواه کاربر و اجرای برنامه طبق روش دلخواه کاربر با معماری باز نرم افزارهای امروزی شبیه سازی ممکن شده است. با پدید آمدن فکر CAPE-OPEN این کار شکل 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 کنترل فرایند: نرم افزارهای نوین از توانایی اتصال مستقیم یا با واسطه به انواع سیستم های کنترل فرایند واقعی برخوردارند و در نتیجه، می توان از آنها برای بهینه سازی لحظه ای عملکرد واحد با تعیین نقاط مقرر بهینه بهره گرفت. معماری باز و توان محاوره با نرم افزارهای دیگر، حتی امکان پیاده سازی الگوریتم های پیشرفته کنترل مانند کنترل مدلی پیشگو (MPC) ، کنترل بهینه، کنترل تطبیقی و نظایر آنها را فراهم میآورد.

پ – آموزش اپراتورها : دقت شبیه سازی دینامیک فرآیندها امروزه چنان است که میتوان از آن برای خلق موقعیتهای نامطلوب یا اضطراری مجازی و آموزش چگونگی مهار آنها به اپراتورها استفاده کرد. نظیر این کار سالها پیش از این در کارهای حساس مانند ناوبری هواپیما و سیستم های دفاعی انجام می شده است. با کاهش هزینه های پیاده سازی این توانایی در صنایع شیمیایی، زمینه های کاربرد آن در این صنایع نیز فراهم آمده است.

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

افزون براین، اطلاعات طراحی سرمایه ارزشمندی است که پس از پایان طراحی نیز در طول عمر کارخانجات باید مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین، وجه دیگر این کاربرد، ایجاد امکان بهره گیری از اطلاعات طراحی در طول عمر کارخانه 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 پروتکلهای 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 کارخانجات مورد استفاده قرار داد.

ث – اتصال به سیستم مدیریت : در دوران ما، تولید به کمک کامپیوتر (CIM)، تجارت الکترونیکی، بازرگانی الکترونیکی و سیستم های اطلاعات مدیریت به سرعت در حال رشدند. امروزه سیستم های مدیریت، حسابداری، برنامه ریزی، طراحی، کنترل عملیات و راهبری به دلیل نیاز به نظارت و تنظیم روابط میان تولیدکنندگان، مجاری توزیع فرآورده ها، شبکه های حمل و نقل و خریداران به یکدیگر متصل می شوند. 
 

ازاین طریق، امکان 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 که 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 مشارکت در این فعالیت مهم را دارند.

بنابراین، شایسته است به جامعه مهندسی شیمی کشور هشدار داده شود که همزمان با تکامل قابلیت های درونی نرم افزارهای شبیه سازی (نکته ای که در کشور ما فوق العاده مورد توجه است)، چگونگی ایجاد ارزش افزوده از مدلها نیز در سطح جهانی اهمیت بسیار یافته است تا آن جا که تحولی اساسی در سنت 50 ساله مهندسی فرایند (آزمایشگاه – افزایش مقیاس – طراحی -- بهینه سازی) بوجود آورده و با توسعه دامنه کاربرد شبیه سازی از مرحله تئوری تا بهره برداری عملی، اصولاً روش انجام کارهای مهندسی از مرحله آزمایشگاه تا طراحی و از آنجا تا راهبری کارخانجات را به طرزی بنیادی و چشمگیر دگرگون کرده است. این روند، بدلیل نیاز به کاهش 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 کارآیی سازمان و تحصیل سهم شایسته از بازار جهانی لازم است.

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