نقش شبيه سازي در مهندسي فرايند

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: امروزه سيستمهاي كامپيوتري نقش عمده اي در تسريع و ارتقاي كيفيت فعاليت هاي مهندسي از جمله طراحي و ساخت كارخانجات واحدهاي توليدي و راهبري آنها دارند. بطوري كه اكنون ارايه خدمات مهندسي خواه در دفاتر طراحي و دفاتر كارفرمايان، و خواه از شركتي به شركت ديگر بدون دخالت كامپيوتر در مراحل مختلف برآورد و انجام محاسبات، نقشه كشي، توليد و انتقال مدارك و مديريت اطلاعات و اسناد، خارج از عرف و تقريباً بي معناست.

از آنجا كه اين روش موجبات صرفه جويي در وقت و هزينه ها را فراهم مي آورد، بطور طبيعي مورد استقبال عمومي مديران بخش صنعت قرار گرفته است. با روشنتر شدن مزاياي بكارگيري كامپيوتر در اين امور، و پيدايش كاربردهاي جديد براي آن، هر روز افراد بيشتري به استفاده از آن بجاي ادامه روشهاي سنتي تمايل نشان مي دهند.

يكي از كاربردهاي موثر كامپيوتر در صنايع نفت، گاز و پتروشيمي، شبيه سازي واحدهاي توليدي بوسيله نرم افزارهاي خاص است. اين زمينه با توجه به جو رقابتي بازارهاي جهاني و نيز حركت هايي كه در زمينه افزايش بهره وري توليد، استفاده هرچه بهتر از منابع، و كاهش هزينه ها مشاهده ميشود، طي سالهاي اخير رشد چشمگيري يافته، اما هنوز بسياري از مزاياي اين كار شناخته نشده است. در اين نوشتار، برخي زمينه هاي كاربرد نرم افزارهاي شبيه سازي با هدف بازخواني مهمترين مزاياي اين نرم افزارها بطور خلاصه توضيح داده شده است.

1- مدلسازي و شبيه سازي
منظور از مدلسازي فرايند، توصيف ماهيت سيستم توليد (يعني موازنه هاي جرم و انرژي) در قالب معادلات رياضي است. خصوصيت هاي اصلي مدلهاي خوب، دقيق بودن، كمي بودن و مختصر بودن است. البته مدلهاي كم دقت، كيفي، يا مفصل نيز كاربردهاي ويژه اي دارند كه از بحث عمومي اين نوشتار خارج است. اين معادلات عموماً غيرخطي و به شكل معادلات جبري، ديفرانسيل يا مخلوطي از اين دو هستند. در نرم افزارهاي امروزي شبيه سازي، اينگونه مدلها در قالب عمليات مختلف در كتابخانه اي ذخيره شده اند كه از كنار هم قرار دادن آنها، مدلي از فرايند ساخته ميشود.

شبيه سازي، يعني بدست آوردن اطلاعات خروجي (بطور مثال مشخصات محصول) از طريق حل مدلهاي فوق براساس اطلاعات ورودي (به طور مثال مشخصات خوراك)، در اين ميان، اطلاعات مربوط به مشخصات دستگاه ها جزيي از مدل بشمار ميروند و قسمتي از آنها توسط كاربر به نرم افزار داده ميشود.

2- كاربردهاي شبيه سازي :
به رغم تعريف ساده فوق، كاربردهاي شبيه سازي بسيار متنوع و گوناگون است. در اينجا، اين كاربردها در سه قسمت مرور ميشوند:
پژوهش و توسعه فرايندها، طراحي فرايند، و راهبري كارخانجات .

الف – كاربردهاي شبيه سازي در پژوهش و توسعه فرايندها:
بطور سنتي، پژوهش درباره روشها يا سيستمهاي جديد توليد به كمك واحدهاي پيشتاز انجام مي شده است. اما نظر به هزينه زياد ساخت و نگهداري اين واحدها، از چندين سال پيش، فكر استفاده از نرم افزارهاي شبيه سازي براي كاستن از اين هزينه ها مطرح شده است. با بكارگيري اين نرم افزارها ميتوان گزينه هاي مختلف خط توليد را بررسي كرد، افزايش ظرفيت واحد را مورد مطالعه قرار داد و در نهايت، واحد پيشتاز را بهينه طراحي كرده و ساخت. از طرف ديگر، بخشهايي از فرآيند را كه با شبيه سازي آنها اطلاعات كافي براي طراحي واحد بدست مي آيد، مي توان از واحد پيشتاز حذف کرد.همچنين ازاشتباهات پرخرج در طراحي و ساخت واحدهاي پيشتاز پيشگيري كرد.

ب – كاربردهاي شبيه سازي در طراحي فرايند: امروزه به نحو گسترده اي از نرم افزارهاي شبيه سازي در طراحي فرايند استفاده ميشود. كاربردهاي اين نرم افزارها در اين حوزه از حيث گستردگي كار از محاسبه ساده خصوصيات ترموفيزيكي جريانها يا حتي مواد خالص شروع شده و به طراحي كارخانجات كامل با در نظر گرفتن تاسيسات جانبي، خطوط لوله تامين خوراك، يا انتقال محصول، و بررسي سيستمهاي كنترل ميرسد. از آنجا كه اين روش از محاسبات دستي ساده تر، سريعتر و دقيقتر است، با تكرار آن در شرايط مختلف به سهولت و با صرف زمان بسيار كمتري ميتوان مجموعه كاملي از عملكرد فرآيند در حالت هاي مختلف را پيش بيني كرده و از اين طريق، ضمن كاهش هزينه هاي اضافي سرمايه گذاري ثابت (دستگاههاي اضافي) و كاستن از هزينه هاي عملياتي (مصرف آب، انرژي و …)، قابليت انعطاف بيشتري را در طرح فرايند بوجود آورده و نقطه بهينه از لحاظ هزينه ها، رواني عمليات، ايمني، محيط زيست و غيره را بدست آورد.

افزون بر اين، از آنجا كه طراحي فرايند از طراحي دستگاه ها و تجهيزات مكانيكي، پايپينگ، ابزار دقيق، سيستم هاي برقي و سازه و ساختمان جدا نيست، از اطلاعات حاصل از شبيه سازي در حالتهاي مختلف ميتوان براي كمك به طراحي اين سيستمها نيز بهره گرفت. نرم افزارهاي جديد شبيه سازي از قابليت اتصال به نرم افزارهاي طراحي اين سيستم ها و انتقال اطلاعات به آنها بهره مندند.

پ – كاربردهاي شبيه سازي در بهره برداري مطلوب از تاسيسات موجود :
در كارخانجات موجود با كمك نرم افزارهاي شبيه سازي مي توان فرايند توليد را مورد بررسي و ارزيابي موشكافانه قرار داده و از اين طريق، بطور كلي عمليات را بهبود بخشيد. در صورتي كه از نرم افزارهاي پيشرفته تر استفاده شود، امكان بهينه سازي در جا براساس شرايط توليد (مانند دماي خوراك و شرايط اقليمي) نيز وجود دارد.

كاستن از مواد و انرژي مصرفي نيز از جمله مطالعاتي است كه ميتوان به كمك اين نرم افزارها انجام داد. اما يكي از كاربردهاي بسيار مهم استفاده از نرم افزارهاي شبيه سازي كشف حداكثر ظرفيتهاي توليدي موجود و قابل استفاده در خط توليد است كه گاه بهره گيري از آنها هزينه اي بسيار كم و درآمدي قابل توجه دارد. در همين زمينه ميتوان تنگناهاي فرايند را نيز شناسايي كرد و به رفع آنها همت گماشت.

يكي از كاربردهاي جديد نرم افزارهاي شبيه سازي، بررسي صحت عملكرد سيستمهاي كنترل موجود و تنظيم مجدد آنها است. اين كار به كمك نرم افزارهاي شبيه سازي ديناميك انجام ميشود. با ظهور نرم افزارهاي پيشرفته تر جديد كه امكاناتي از قبيل توسعه پذيري، شكل پذيري، اتوماسيون، اتصال به نرم افزارهاي ديگر و پايگاه هاي داده ها، گنجاندن مدلهاي نزديك به واقعيت (موسوم به High-fidelity) در آنها و توانايي هاي ترسيمي و ارزيابي وسيعي را در اختيار قرار داده اند، نه تنها اين كاربردها گسترش بيشتري يافته بلكه استفاده از منافع اين كار با سرعت و بازدهي بيشتري نيز همراه شده است.

3- كاربردهاي نوين شبيه سازي پيشرفته:
بايد دانست كه در گذر سالها، با انباشته شدن تجربيات متعدد از شبيه سازي، اعتماد به نتايج شبيه سازي بسيار مستحكمتر شده است بطوري كه امروزه كمتر مدير مطلعي يافت ميشود كه نه تنها در مورد فوايد اصل شبيه سازي كه حتي كاربرد آن در موارد حساسي چون كنترل فرآيندها ترديد به خود راه دهد. نظر به برخي از كاربردهاي پيشرفته نرم افزارهاي شبيه سازي اين موضوع را بيشتر روشن ميكند:

الف – ارتباط با نرم افزارهاي ديگر: تبادل اطلاعات با نرم افزارهاي ديگر بصورت دوطرفه، توانايي دست ورزي در اطلاعات كتابخانه اي، افزودن مدلهاي دلخواه كاربر و اجراي برنامه طبق روش دلخواه كاربر با معماري باز نرم افزارهاي امروزي شبيه سازي ممكن شده است. با پديد آمدن فكر CAPE-OPEN اين كار شكل جدي تري نيز به خود گرفته و نويد ظهور نرم افزارهايي با قابليتهاي گسترده پذيرش قطعاتي از نرم افزارهاي ديگر براي بهينه سازي توانمنديها را ميدهد.

ب – استفاده مستقيم در كنترل فرايند: نرم افزارهاي نوين از توانايي اتصال مستقيم يا با واسطه به انواع سيستم هاي كنترل فرايند واقعي برخوردارند و در نتيجه، مي توان از آنها براي بهينه سازي لحظه اي عملكرد واحد با تعيين نقاط مقرر بهينه بهره گرفت. معماري باز و توان محاوره با نرم افزارهاي ديگر، حتي امكان پياده سازي الگوريتم هاي پيشرفته كنترل مانند كنترل مدلي پيشگو (MPC) ، كنترل بهينه، كنترل تطبيقي و نظاير آنها را فراهم ميآورد.

پ – آموزش اپراتورها : دقت شبيه سازي ديناميك فرآيندها امروزه چنان است كه ميتوان از آن براي خلق موقعيتهاي نامطلوب يا اضطراري مجازي و آموزش چگونگي مهار آنها به اپراتورها استفاده كرد. نظير اين كار سالها پيش از اين در كارهاي حساس مانند ناوبري هواپيما و سيستم هاي دفاعي انجام مي شده است. با كاهش هزينه هاي پياده سازي اين توانايي در صنايع شيميايي، زمينه هاي كاربرد آن در اين صنايع نيز فراهم آمده است.

ت – تسريع پروژه ها : طراحي كارخانجات فعاليتي گروهي است كه با توزيع مناسبتر داده ها و اطلاعات، جلوگيري از دوباره كاري و مديريت شايسته تغييرات، به طرز چشمگيري شتاب ميگيرد. توجه به نياز واحدهاي مختلف مهندسي براي تبادل اطلاعات، لزوم حركت از سطح سيستمهاي سنتي نقشه – محور (بيشتر متكي به نرم افزارهاي ساده نقشه كشي مانند AutoCAD) به سطح سيستمهاي نوين «داده – محور» را بطور جدي مطرح ميكند. از آنجا كه در اين سيستمهاي هوشمند، تمام بخشهاي مهندسي و مديريت پروژه ها به پايگاه مركزي داده ها دسترسي دارند، پويايي قابل ملاحظهاي در انجام پروژه ها به وجود مي آيد.

افزون براين، اطلاعات طراحي سرمايه ارزشمندي است كه پس از پايان طراحي نيز در طول عمر كارخانجات بايد مورد استفاده قرار گيرد. بنابراين، وجه ديگر اين كاربرد، ايجاد امكان بهره گيري از اطلاعات طراحي در طول عمر كارخانه براي انواع طراحي، برنامه ريزي تعميرات و نظاير آنهاست.
نرم افزارهاي امروزي شبيه سازي از توان قابل ملاحظه اي براي تبادل اطلاعات با پايگاه هاي داده ها از طريق پروتكلهاي استاندارد برخوردارند و در ضمن مدلهاي ساخته شده در آنها را با توجه به بندهاي ب و پ بالا ميتوان در طول زمان بهره برداري از كارخانجات مورد استفاده قرار داد.

ث – اتصال به سيستم مديريت : در دوران ما، توليد به كمك كامپيوتر (CIM)، تجارت الكترونيكي، بازرگاني الكترونيكي و سيستم هاي اطلاعات مديريت به سرعت در حال رشدند. امروزه سيستم هاي مديريت، حسابداري، برنامه ريزي، طراحي، كنترل عمليات و راهبري به دليل نياز به نظارت و تنظيم روابط ميان توليدكنندگان، مجاري توزيع فرآورده ها، شبكه هاي حمل و نقل و خريداران به يكديگر متصل مي شوند.

ازاين طريق، امكان پيش بيني و در نظر گرفتن تقاضاي بازار، اجراي سفارشها و ايجاد هماهنگي در تامين مواد اوليه، تخصيص ظرفيت هاي توليد و برنامه ريزي براي آن و زمانبندي تحويل محصول به وجود مي آيد كه در فضاي رقابتي تجارت جهاني امري حساس و فوق العاده مهم ارزيابي مي شود. مجدداً، شبيه سازهاي امروزي به دليل توان محاوره با پايگاه هاي داده ها و معماري باز خود توان مشاركت در اين فعاليت مهم را دارند.

بنابراين، شايسته است به جامعه مهندسي شيمي كشور هشدار داده شود كه همزمان با تكامل قابليت هاي دروني نرم افزارهاي شبيه سازي (نكته اي كه در كشور ما فوق العاده مورد توجه است)، چگونگي ايجاد ارزش افزوده از مدلها نيز در سطح جهاني اهميت بسيار يافته است تا آن جا كه تحولي اساسي در سنت 50 ساله مهندسي فرايند (آزمايشگاه – افزايش مقياس – طراحي -- بهينه سازي) بوجود آورده و با توسعه دامنه كاربرد شبيه سازي از مرحله تئوري تا بهره برداري عملي، اصولاً روش انجام كارهاي مهندسي از مرحله آزمايشگاه تا طراحي و از آنجا تا راهبري كارخانجات را به طرزي بنيادي و چشمگير دگرگون كرده است. اين روند، بدليل نياز به كاهش هزينه هاي مواد اوليه، سرمايه گذاري ثابت، ميزان انرژي مصرفي، مقدار ذخيره سازي مواد، مقدار محصولات نامرغوب و مقدار آلاينده هاي توليد شده شتاب گرفته است. دراين شرايط، بازنگري اساسي در نحوه نگرش به مقوله شبيه سازي بطور اخص و نرم افزارهاي مهندسي به معناي عام و باور به تاثير نرم افزارهاي معتبر و قابل اعتماد در افزايش كارآيي سازمان و تحصيل سهم شايسته از بازار جهاني لازم است.

» نويسنده: دکترفرشاد نورايی ( شرکت تراديس)
» منبع: NIOC

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 225]