simulador de processos emso
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Simulador de Processos EMSOSimulador de Processos EMSO
Modelagem BModelagem BáásicasicaGrupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização
de Processos - (GIMSCOP)Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio
Grande do Sul - UFRGS
Gerson B. [email protected]
Modelagem Básica - 2Modelagem e Simulação de Processos
Contexto GeralContexto Geral
• Interface Gráfica – Apresentação e configuração.
• Estrutura do EMSO – Linguagem de modelagem.
• Models – Exemplos de modelos.
• FlowSheets – Exemplos de simulações.
• Modelagem Avançada – Recursos avançados do EMSO.
LINKSALSOC : http://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki
Modelagem Básica - 3Modelagem e Simulação de Processos
Interface GrInterface Grááficafica
MenusMenus
ExplorerExplorer
ProblemsProblemsee
ConsoleConsole
Editor de ModelosEditor de Modelos
ResultsResults
Modelagem Básica - 4Modelagem e Simulação de Processos
botão direito do mousebotão direito do mouse
Retorna ao estado Retorna ao estado originaloriginal
Modelagem Básica - 5Modelagem e Simulação de Processos
Interface GrInterface Grááficafica
DiretDiretóóriosrios de de modelos e modelos e flowsheetsflowsheets
DiretDiretóóriosriosde plugde plug--inin
Adicionar na Biblioteca>> Modelos>> FlowSheets
Adicionar na BibliotecaAdicionar na Biblioteca>> Modelos>> FlowSheets
Modelagem Básica - 6Modelagem e Simulação de Processos
Interface GrInterface Grááficafica
ConfiguraConfiguraçção do ão do editoreditor
OpOpçções deões deConfiguraConfiguraççãoão
Configuração de Plug-in’s>> Será visto posteriormente
ConfiguraConfiguraççãoão de Plugde Plug--inin’’ss>> Será visto posteriormente
Modelagem Básica - 7Modelagem e Simulação de Processos
Estrutura do EMSO : EntidadesEstrutura do EMSO : Entidades
O simulador EMSOEMSO possui na sua estrutura de modelagem 3 entidades principais:
>> FlowSheet : problema em estudo, é composto por um conjunto de DEVICES.>> Device : um componente do FlowSheet, é uma operação unitária ou um equipamento real.>> Model : é a descrição matemática de um DEVICE.
>> FlowSheet FlowSheet : problema em estudo, é composto por um conjunto de DEVICESDEVICES.>> Device Device : um componente do FlowSheet, é uma operação unitária ou um equipamento real.>> Model Model : é a descrição matemática de um DEVICEDEVICE.
FlowSheetFlowSheet DevicesDevices
Modelagem Básica - 8Modelagem e Simulação de Processos
Model : baseado em equaModel : baseado em equaççõesõesFlowSheet: baseado em componentesFlowSheet: baseado em componentes
ModelosModelosFlowSheetFlowSheet
Modelagem Básica - 9Modelagem e Simulação de Processos
Estrutura do EMSO : LinguagemEstrutura do EMSO : Linguagem
Sistema baseado em equaSistema baseado em equaççõesões
O simulador agrupa as equações de todas as unidades do processo em um único sistema de equações para então obter a solução de forma direta.
Cada modelo ou subsistema compartilha apenas as suas equações e não mais a sua solução.
Modelagem Básica - 10Modelagem e Simulação de Processos
Linguagem Linguagem -- sistema baseado em equasistema baseado em equaççõesões
Model tank
PARAMETERS
k as Real;
A as area;VARIABLES
h as length;
in Fin as flow_vol;Out Fout as flow_vol;
EQUATIONS
“balanço de massa”
diff(A*h) = Fin - Fout;diff(A*h) - Fin + Fout = 0;
“equação da válvula”
Fout = k*sqrt(h);k = Fout/sqrt(h);
end
Model tank
PARAMETERS
k as Real;
A as area;VARIABLES
h as length;
in Fin as flow_vol;Out Fout as flow_vol;
EQUATIONS
“balanço de massa”
diff(A*h) = Fin - Fout;diff(A*h) - Fin + Fout = 0;
“equação da válvula”
Fout = k*sqrt(h);k = Fout/sqrt(h);
end
EquaEquaçções equivalentesões equivalentes: : Podem ser escritas na forma
desejada pelo usuário.
EquaEquaççõesões: : Não importa a ordem em que
aparecem no modelo.
Modelagem Básica - 11Modelagem e Simulação de Processos
Linguagem Linguagem -- sistema baseado em componentessistema baseado em componentes
FlowSheetFlowSheet::A modelagem do sistema A modelagem do sistema éé feita pela feita pela utilizautilizaçção, configuraão, configuraçção e conexão de ão e conexão de
componentes prcomponentes préé existentes.existentes.
Modelagem Básica - 12Modelagem e Simulação de Processos
Linguagem orientada a objetosLinguagem orientada a objetos
A linguagem de modelagem do EMSO contempla alguns conceitos da programaprogramaççãoão orientada a objetosorientada a objetos (POO), tais como:
– ComposiComposiçção : ão : criação de modelos a partir de sub-modelos;
– HeranHerançça : a : reutilização do código;
Modelagem Básica - 13Modelagem e Simulação de Processos
Modelagem HierModelagem Hieráárquica de Sistemasrquica de Sistemas
Tank
Inlet Stream
Outlet Stream
A modelagem e a simulação de sistemas complexos éfacilitada através do uso dos conceitos da programação orientada a objetos.
O sistema pode ser decomposto em seus diversos componentes e cada um deles descrito separadamente através de modelos matemáticos.
Os componentes do sistema trocam informações entre si através de suas portas de conexões.
Modelagem Básica - 14Modelagem e Simulação de Processos
Tipos definidos no EMSO Tipos definidos no EMSO –– Tipos BaseTipos Base
Os parâmetros e as variáveis são declarados com base em um tipo preexistente ou do tipo embutido Real.
Modelagem Básica - 15Modelagem e Simulação de Processos
Atributos Atributos
A palavra reservada final indica que o valor daquele atributo não deve ser alterado pelo usuário.
TypeName as TypeBase (Brief = “brief", Default=value , Lower=value , Upper=value , Unit = ‘unit’);TypeName as TypeBase (Brief = “brief", Default=value , Lower=value , Upper=value , Unit = ‘unit’);
temperature as Real (Brief = “Temperature", Lower=27 , Upper=5273 , final Unit = ‘K’);temperature as Real (Brief = “Temperature", Lower=27 , Upper=5273 , final Unit = ‘K’);
SintaxeSintaxe
Um tipo definido temperature possui uma unidade de medida final relacionada com as unidades de temperatura reconhecidas pelo EMSO.
Modelagem Básica - 16Modelagem e Simulação de Processos
Atributos Atributos
Definindo intervalos de validade para os tipos.
efficiency as Real (Brief = “efficiency", Default=0.5 , final Lower=0 , final Upper=1 );efficiency as Real (Brief = “efficiency", Default=0.5 , final Lower=0 , final Upper=1 );
Unidades de Medidas reconhecidas pelo EMSO:
http://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/UnidadesMedidashttp://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/UnidadesMedidashttp://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/UnidadesMedidas
Modelagem Básica - 17Modelagem e Simulação de Processos
Descrevendo Modelos MatemDescrevendo Modelos Matemááticos ticos -- ModelsModels
Basicamente um Model é composto de:
•• VariVariááveis:veis: Determinam o comportamento do sistema.
•• Parâmetros:Parâmetros: Propriedades do processo, geralmente
conhecidos.
•• EquaEquaçções:ões: Expressão matemática do modelo.
Modelagem Básica - 18Modelagem e Simulação de Processos
Tanque de NTanque de Níível vel -- ExemploExemplo
Inlet = corrente material de alimentação no tanque
Outlet = corrente material de saídado tanque
h = altura do nível do tanque
k = constante da válvula
A = área da seção do tanque
Dh = diâmetro hidráulico do tanque
A
h
k
Inlet
Dh
Outlet
Modelos para o Tanque
>> Tanque de Seção Circular
>> Tanque de Seção Quadrada
Modelos Modelos parapara o o TanqueTanque
>> Tanque de Seção Circular
>> Tanque de Seção Quadrada
Modelagem Básica - 19Modelagem e Simulação de Processos
Corrente Material Corrente Material -- ModelagemModelagem
A corrente material carrega as informações que entram e que saem dos equipamentos.
F – vazão volumétricaT – temperaturaP – pressão
Stream
Sink
Source – componente que possui uma corrente material de alimentação. Possui uma conexão de saída.
Sink – componente que recebe uma corrente material de saída. Possui uma conexão de entrada.
Modelagem Básica - 20Modelagem e Simulação de Processos
Tanque de NTanque de Níível vel -- ModelagemModelagem
A k
Inlet
Dh
Outlet
hkFout ⋅=VVáálvulalvula
( ) FoutFindt
Ahd−=
⋅BalanBalançço de massao de massa
⎪⎩
⎪⎨
⎧ ⋅=
Quadrado se
Circular se 42
2
h
h
D
DA
πÁÁrearea
Inlet StreamFin – vazão de entradaTin – temperatura de entradaPin – pressão de entrada
Outlet StreamFout– vazão de saídaTout – temperatura de saídaPout – pressão de saída PinPout =
EquilEquilííbrio Mecânicobrio Mecânico
TinTout =EquilEquilííbrio Tbrio Téérmicormico
Modelagem Básica - 21Modelagem e Simulação de Processos
Tanque de NTanque de Níível vel -- HeranHeranççaa
Características comunsentre os modelos
Característicasparticularesdo modelo
Característicasparticularesdo modelo
4
2hDA ⋅
=π 2
hDA =
Modelagem Básica - 22Modelagem e Simulação de Processos
Criando um ModelCriando um Model
MenuMenu
Novo Novo ArquivoArquivo
NameName
LocationLocation
EMSO EMSO templates templates
Modelagem Básica - 23Modelagem e Simulação de Processos
Criando um ModelCriando um Model
oo UsingUsing
oo ParametersParameters
oo VariablesVariables
oo EquationsEquations
oo ComentComentááriosrios
Modelagem Básica - 24Modelagem e Simulação de Processos
Criando um Model Criando um Model –– CorrentesCorrentes
Seleção da
Unidade de
Medida desejada
pelo usuário
Incluindo arquivos
Conexão de
entrada
Conexão de saída
Modelagem Básica - 25Modelagem e Simulação de Processos
Criando um Model Criando um Model –– Tanque BTanque Báásicosico
Criando Unidades
Funções Embutidas do EMSO
http://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/Functionshttp://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/Functionshttp://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/Functions
Modelagem Básica - 26Modelagem e Simulação de Processos
Criando um Model Criando um Model –– Tanque CircularTanque Circular
HerançaO modelo herda
todos os atributos da classe da qual
ele deriva.
SETDefinindo o valor dos parâmetros.
EQUATIONEscrevendo a
equação particular do
modelo.
Modelagem Básica - 27Modelagem e Simulação de Processos
Criando um Model Criando um Model –– Tanque QuadradoTanque Quadrado
Model tank_Basic #modelo abstrato
Model tank_Circular #DEVICE
Model tank_Square #DEVICE
Model tank_Basic #modelo abstrato
Model tank_Circular #DEVICE
Model tank_Square #DEVICE
Tanks.msoTanks.mso
Modelos de TanquesOs modelos podem ser
agrupados em um mesmo arquivo mso.
Somente são considerados DEVICESDEVICESaqueles modelos que representam
um equipamento completo.
Modelagem Básica - 28Modelagem e Simulação de Processos
Diagramas de Processo Diagramas de Processo – FlowSheetFlowSheet
FlowSheet é a representação de um diagrama de
processos no EMSO.
No EMSOEMSO o usuário pode manipular
vários FlowSheetsFlowSheets ao mesmo tempo.
Os equipamentos são denominados
DEVICESDEVICES. Um FlowSheet é composto por um conjunto de operações unitárias
ou equipamentos conectados entre si.
Modelagem Básica - 29Modelagem e Simulação de Processos
Tanque de NTanque de Níível vel -- Criando um FlowSheetCriando um FlowSheet
ÍÍconecone
NameName
LocationLocation
Inicia um novo
Template
Modelagem Básica - 30Modelagem e Simulação de Processos
Tanque de NTanque de Níível vel -- FlowSheetFlowSheet
Consulte a referência rápida do EMSO para conhecer mais sobre
FlowSheets
Modelagem Básica - 31Modelagem e Simulação de Processos
Tanque de NTanque de Níível vel -- simulasimulaççãoão
O simulador analisa a consistência do sistema criado no
FlowSheet.
Modelagem Básica - 32Modelagem e Simulação de Processos
Tanque de NTanque de Níível vel -- simulasimulaççãoão
O simulador indica a
existência de erros e
alertas para o usuário.
Check na consistência de unidades de medidas.
Check nos graus de
liberdade do sistema.
Modelagem Básica - 33Modelagem e Simulação de Processos
Tanque de NTanque de Níível vel -- simulasimulaççãoãoInicia a
simulação
Seleção do FlowSheetdesejado.
Detalhes da simulação
Modelagem Básica - 34Modelagem e Simulação de Processos
Tanque de NTanque de Níível vel -- ResultadosResultados
New New PlotPlot
Modelagem Básica - 35Modelagem e Simulação de Processos
Selecionando uma Região do GrSelecionando uma Região do Grááficofico
Selecione a regiãodo gráfico
Usando o mouse
Para reverter o ZoomClicar com o botão direito
do mouse e selecionara opção Zoom Out
Modelagem Básica - 36Modelagem e Simulação de Processos
Editando GrEditando Grááficosficos Clicar com o botãodireito
do mouse sobre o gráficoOpção:
Properties
CaixaCaixa dededidiáálogologo
Modelagem Básica - 37Modelagem e Simulação de Processos
Salvando GrSalvando Grááficosficos
CaixaCaixa dededidiáálogologo
Clicar com o botão direito
do mouse sobre o gráfico
Opção: Export Image
Modelagem Básica - 38Modelagem e Simulação de Processos
Salvando os ResultadosSalvando os ResultadosCaixaCaixa dededidiáálogologo
Save ResultSave Result
Modelagem Básica - 39Modelagem e Simulação de Processos
Salvando os ResultadosSalvando os Resultados
Usando o Excelpara analisar os
resultados
Resultados separadospor blocos de equipamentos
Modelagem Básica - 40Modelagem e Simulação de Processos
Salvando os ResultadosSalvando os Resultados
Usando o Matlabpara analisar os
resultados
Modelagem Básica - 41Modelagem e Simulação de Processos
Tanques em STanques em Séériesries
A
h
k
Inlet
k k
Dh
A A
DhDh
h h
Construir um FlowSheet com 3 tanques conectados em séries.
Modelagem Básica - 42Modelagem e Simulação de Processos
FlowSheet FlowSheet -- Tanques em STanques em Séériesries
Graus de liberdadeDinâmico aumenta
Modelagem Básica - 43Modelagem e Simulação de Processos
Tanques em STanques em Sééries ries -- ResultadosResultados
Modelagem Básica - 44Modelagem e Simulação de Processos
Tanques em STanques em Sééries ries -- ResultadosResultados
Resultados separados porblocos de equipamentos
Modelagem Básica - 45Modelagem e Simulação de Processos
N Tanques em SN Tanques em Sééries ries -- ComposiComposiççãoão
é possível construir um modelo genérico
através da composição !
Como proceder ?
Modelagem Básica - 46Modelagem e Simulação de Processos
Model Model -- N Tanques em SN Tanques em SéériesriesInlet
Usando a composição naforma vetorial
Fazendo as conexões
intermediáriasdentro do
modelo
Modelagem Básica - 47Modelagem e Simulação de Processos
CONNECTIONS
Tank([1:N-1]).Outlet to Tank([2:N]).Inlet;
CONNECTIONS
Tank([1:N-1]).Outlet to Tank([2:N]).Inlet;
Model Model -- N Tanques em SN Tanques em Séériesries
CONNECTIONS
Tank(1).Outlet to Tank(2).Inlet;
Tank(2).Outlet to Tank(3).Inlet;
Tank(3).Outlet to Tank(4).Inlet;
...
Tank(N-1).Outlet to Tank(N).Inlet;
CONNECTIONS
Tank(1).Outlet to Tank(2).Inlet;
Tank(2).Outlet to Tank(3).Inlet;
Tank(3).Outlet to Tank(4).Inlet;
...
Tank(N-1).Outlet to Tank(N).Inlet;
Modelagem Básica - 48Modelagem e Simulação de Processos
FlowSheet FlowSheet –– N Tanques em SN Tanques em Séériesries
49
Modelagem Básica - 49Modelagem e Simulação de Processos
Modelagem AvanModelagem Avanççadaada
Modelagem Básica - 50Modelagem e Simulação de Processos
Usando Rotinas Externas Usando Rotinas Externas –– PluginPlugin’’ss
Modelagem Básica - 51Modelagem e Simulação de Processos
ExemploExemplo de Plugde Plug--in in -- VRThermVRTherm CCáálculoslculos de de PropriedadesPropriedades
Banco de dados com cerca de
2000 componentes
puros
Predição de propriedadesde misturas
Modelagem Básica - 52Modelagem e Simulação de Processos
PlugPlug--in'sin's -- VRThermVRTherm funfunççõesõesModelos para a
predição de propriedades
puras e de misturas
Funções que podemser chamadas no
EMSO
Modelagem Básica - 53Modelagem e Simulação de Processos
Modelagem Básica - 54Modelagem e Simulação de Processos
CorrentesCorrentes MateriaisMateriaisModelos de correntes disponíveis na EML:
Modelagem Básica - 55Modelagem e Simulação de Processos
Switcher Switcher –– Parâmetros TextuaisParâmetros Textuais
UsandoparâmetrosTextuais em
modelos
O uso do comando
switch dentrodo modelo
Modelagem Básica - 56Modelagem e Simulação de Processos
Switcher Switcher –– Parâmetros TextuaisParâmetros Textuais
Escolha do usuário
Modelagem Básica - 57Modelagem e Simulação de Processos
Switcher Switcher –– Parâmetros TextuaisParâmetros Textuais
Tomada de decisões
independenteda escolha do
usuário
Modelagem Básica - 58Modelagem e Simulação de Processos
Switcher Switcher –– Parâmetros TextuaisParâmetros Textuais
Tomada de decisões
independenteda escolha do
usuário
59
Modelagem Básica - 59Modelagem e Simulação de Processos