Стандарт интерфейса CAPE-OPEN состоит из серии спецификаций , чтобы расширить диапазон применения моделирования процесса технологий. Спецификации CAPE-OPEN определяют набор программных интерфейсов, которые обеспечивают возможность взаимодействия по принципу «plug and play» между заданной средой моделирования процессов и сторонним компонентом моделирования процессов.
Происхождение
Проект CAPE-OPEN, финансируемый Европейским Союзом, был учрежден в 1997 году. [1] В проекте участвовали представители ряда компаний из перерабатывающих отраслей ( Bayer , BASF , BP , DuPont , Французский институт нефти (IFP), Elf Aquitaine). , и Imperial Chemical Industries (ICI)) вместе с 15 партнерами, включая поставщиков программного обеспечения ( Aspen Technology , Hyprotech Ltd, QuantiSci и SimSci]) и ученых ( Имперский колледж Лондона , Национальный политехнический институт Тулузы (INPT) и RWTH Aachen University ). Цель проекта состояла в том, чтобы продемонстрировать возможность создания набора интерфейсов спецификаций, чтобы обеспечить функциональную совместимость plug and play между средами моделирования и сторонними компонентами моделирования.
После завершения проекта CAPE-OPEN в 2001 году и успешной проверки концепции функциональной совместимости Plug and Play был сформирован второй проект, Global CAPE-OPEN, чтобы превратить спецификации интерфейса в продукты, которые могли бы широко использоваться Промышленность. В этом проекте было несколько ключевых элементов, в том числе:
- Целевая группа по взаимодействию для проверки реализации CAPE-OPEN в коммерческих инструментах моделирования
- Субсидия небольших поставщиков моделирования для реализации интерфейсов CAPE-OPEN
- Создание некоммерческой организации The CAPE-OPEN Laboratories Network (CO-LaN) [2] для обеспечения обслуживания и дальнейшего развития интерфейсов CAPE-OPEN.
Цель
Операционные компании в перерабатывающих отраслях обычно делают значительные финансовые вложения в коммерческие технологии моделирования. Однако у всех инструментов моделирования есть свои сильные и слабые стороны. Как правило, они отражают ориентацию на конкретную перерабатывающую промышленность, для которой изначально был разработан пакет моделирования. Например, пакеты моделирования, разработанные для нефтяной промышленности, могут иметь слабые места при моделировании определенных специальных химических систем; Среды моделирования, ориентированные на газовые и нефтяные системы, могут не иметь возможности обрабатывать множественные жидкие фазы и / или образование твердых частиц. Хотя со временем поставщики моделирования улучшают и расширяют возможности своих технологий моделирования, в целом пробелы в возможностях остаются. Операционная компания может устранить эти пробелы в возможностях, заменив соответствующие компоненты в выбранном им инструменте на улучшенные компоненты из других источников. Часто эти улучшенные компоненты исходят от самой компании-оператора и содержат значительную интеллектуальную собственность, относящуюся к определенному процессу, которая не всегда доступна поставщикам коммерческого моделирования. В качестве альтернативы, улучшенные компоненты могут быть получены от компании, специализирующейся на нишевых областях моделирования, например, на строгом моделировании теплообменников или на термодинамике и физических свойствах.
Исторически сложилось так, что интеграция сторонних компонентов в коммерческую среду моделирования предполагала создание собственных программных интерфейсов, которые «обертывали» новые компоненты и позволяли им взаимодействовать со средой моделирования хоста. Степень сложности разработки таких интерфейсов значительно варьировалась в зависимости от того, насколько «открытой» была среда моделирования хоста и насколько хорошо были задокументированы соответствующие протоколы связи. Неизбежно сделанные на заказ интерфейсы компонентов было трудно поддерживать, поскольку были приняты новые версии среды моделирования. Кроме того, оболочка компонента для одной среды не будет работать с альтернативной средой от другого поставщика моделирования. Добавляемые пользователем подпрограммы как для единичных операций, так и для термодинамических моделей, являются альтернативным подходом к интеграции компонентов, но страдают от аналогичных трудностей при перемещении подпрограмм из одного симулятора в другой.
Таким образом, разработка стандартизированной функции plug and play потенциально может принести ряд существенных преимуществ для бизнеса: [3]
- Снижение затрат на обслуживание для операционных компаний и поставщиков программного обеспечения за счет стандартизации интерфейсов.
- Постоянный сбор уроков, извлеченных членами сообщества, и связанные с этим улучшения интерфейсов.
- Возможность применять согласованный набор компонентов моделирования во всех средах моделирования, совместимых с CAPE-OPEN, и в других инструментах моделирования, таких как MATLAB и Microsoft Excel .
- Возможность выбрать и включить технически наиболее подходящую модель для конкретной задачи моделирования с необходимым уровнем точности.
Концепции
Для поддержки моделирования процессов доступен ряд коммерческих программ моделирования. Как правило, одна или несколько из этих коммерческих инструментов будут использоваться данной операционной компанией для поддержки своей деятельности по моделированию. Кроме того, многие операционные компании также поддерживают собственное программное обеспечение, позволяющее моделировать нишевые приложения, которые не полностью решаются коммерческими инструментами. Каждая программа моделирования обеспечивает среду, которая позволяет построить технологическую схему и включить термодинамику технологической жидкости. Проект CAPE-OPEN формально определил такую программу моделирования как среду моделирования процессов (PME) с требованием, чтобы пользователи PME могли легко соединять PME с другими инструментами моделирования без необходимости разрабатывать специальные интерфейсы. Для этого PME будет снабжен «заглушкой» CAPE-OPEN, которая позволит добавить любой компонент CAPE-OPEN в среду моделирования. [4]
Все PME поставляются с библиотекой единичных операций ( парожидкостные сепараторы , клапаны , теплообменники , дистилляционные колонны и т. Д.) И рядом термодинамических методов ( уравнение состояния , модели коэффициента активности и т. Д.). Эти компоненты библиотеки обычно ограничиваются использованием в собственном PME. Тем не менее, пользователи данного PME часто требуют замены работы устройства или термодинамической модели сторонней стороны на модель, предоставленную родной средой. Проект CAPE-OPEN формально идентифицировал единичную операцию или термодинамический двигатель как компонент моделирования процесса (PMC) с требованием, чтобы PMC мог быть «обернут» стандартными интерфейсами, которые позволили бы разместить его в PME, совместимом с CAPE-OPEN. без необходимости разработки дополнительного программного обеспечения для сопряжения - не потребуется программирования ни для среды моделирования, ни для ядра компонента моделирования. Для организации своих рабочих программ проект CAPE-OPEN классифицировал основные элементы системы моделирования, а именно:
- Единичные операции ; моделирование конкретных технологических установок, например, реакторов, ректификационных колонн , теплообменников. У единичной операции есть порты, определяющие расположение входов и выходов материального потока и получающие физические свойства от Материальных объектов.
- Материальные объекты. Они представляют технологические потоки текучей среды, энергии или информации, связывающие две или более единичных операций. Материальный объект связан с термодинамическим пакетом, который возвращает физические свойства, такие как плотность, вязкость, теплопроводность и т. Д.
- Численные решатели; эффективные итерационные численные методы решения системы нелинейных уравнений, сформированной технологической технологической схемой. Итерационные методы используются для решения уравнений как единого модуля единичной операции, так и для решения общей технологической схемы, содержащей ряд взаимосвязанных единичных операций.
Любая среда моделирования с интерфейсом CAPE-OPEN для работы агрегата или термодинамического пакета могла бы взаимодействовать с любым компонентом моделирования CAPE-OPEN без необходимости написания дополнительного программного обеспечения для взаимодействия.
Спецификации CAPE-OPEN определяют программные интерфейсы для сред моделирования процессов с точки зрения как стандарта Microsoft COM / DCOM, так и архитектуры Common Object Request Broker Architecture (CORBA). Следовательно, симуляторы на базе COM и CORBA поддерживаются спецификациями CAPE-OPEN. Спецификации следуют объектно-ориентированному подходу и разрабатываются и указываются с использованием унифицированного языка моделирования (UML). Формальные варианты использования разработаны для определения требований конечных пользователей. Сценарии использования суммируют действия и взаимодействия, связанные с установкой и применением компонента CAPE-OPEN в среде моделирования CAPE-OPEN. После разработки сценарии использования обеспечивают эффективную процедуру тестирования новых компонентов и сред CAPE-OPEN.
Служба поддержки
Проект Global CAPE-OPEN завершился в 2002 году и предоставил спецификации интерфейса для работы агрегата (в установившемся режиме) и термодинамических компонентов. Впоследствии была создана некоммерческая организация CO-LaN [2] для поддержки и поддержки существующих спецификаций, а также для продолжения разработки дополнительных спецификаций интерфейса CAPE-OPEN.
CAPE-OPEN технические характеристики
В настоящее время три основных спецификации CAPE-OPEN нашли широкое применение в обрабатывающих отраслях [5]
- Спецификация работы агрегата, версия 1.0, которая применяется к моделированию в установившемся режиме.
- Интерфейс термодинамических и физических свойств 1.0
- Интерфейс термодинамических и физических свойств версии 1.1. Этот интерфейс представляет собой полную версию интерфейса 1.0 термодинамических и физических свойств с некоторыми расширенными функциями, а также упрощениями и повышенной гибкостью, предназначенными для упрощения реализации CAPE-OPEN. К сожалению, эта версия интерфейса не имеет обратной совместимости с версией 1.0.
Разработка и поддержка новых компонентов CAPE-OPEN активно поощрялась и поддерживалась CO-LaN [6] [7], и внимание было сосредоточено на новых операциях установки, которые не всегда доступны в коммерческих симуляторах [8] [9], а также на интерфейсах. запатентованных моделей термодинамики и физических свойств для коммерческих сред моделирования, защищая при этом присущую интеллектуальную собственность. [10] В настоящее время все основные коммерческие среды моделирования процессов совместимы с CAPE-OPEN, и доступно множество компонентов моделирования процессов CAPE-OPEN. Полный список доступных PME и PMC доступен на веб-сайте CO-LaN.
Программные инструменты
Для использования спецификаций CAPE-OPEN от CO-LaN или другой организации не требуется лицензирования. Однако CO-LaN разработала ряд инструментов, помогающих реализовать интерфейсы CAPE-OPEN:
- Мастера программного обеспечения для помощи в разработке интерфейса CAPE-OPEN для моделирования компонентов.
- Примеры программного кода для термодинамических компонентов и единичных операций, чтобы предоставить шаблоны для новых реализаций.
- Среда тестирования CAPE-OPEN, в которую компоненты могут быть подключены и протестированы на соответствие спецификациям CAPE-OPEN.
- Инструмент для регистрации всех сообщений между компонентом моделирования CAPE-OPEN и средой моделирования CAPE-OPEN [11]
Более подробную информацию об инструментах программного обеспечения CO-LaN, а также доступные загрузки можно найти на веб-сайте CO-LaN.
Кроме того, CAPE-OPEN реализован в бесплатном программном обеспечении, таком как симулятор COCO , в открытом программном обеспечении, таком как DWSIM , и во многих ведущих коммерческих инструментах моделирования .
Будущие разработки
Спецификации, разрабатываемые CO-LaN, включают:
- Динамические единичные операции. Это расширение спецификации работы агрегата в установившемся режиме позволит использовать сторонние динамические модели работы агрегата в среде динамического моделирования, совместимой с CAPE-OPEN.
- Химические реакции, которые будут выпущены как расширение термодинамического интерфейса [12]
- Спецификация мониторинга технологической схемы
- Спецификация интерфейса нефтяных фракций
Рекомендации
- ^ М. Jarke, Дж Köller, В. Маркардт, Л. фон Ведель, Б. Брауншвейг, 1999, «КАБО-OPEN: Опыт усилийстандартизации в химической промышленности», Труды IEEE 1 - й Конференции по стандартизации и инноваций в информации Technology (SIIT 99) , Ахен, Германия, страницы 25-35, ISBN 0-7803-9935-8
- ^ а б СО-ЛАН
- ^ Банки, ПС; Утюги, КА; Вудман, М.Р. Вудман (2005). «Совместимость программного обеспечения для моделирования процессов» . Нефтегазовая наука и технологии . 60 : 607–616. DOI : 10.2516 / ogst: 2005043 .
- ^ JP. Белауд, М. Понс, 2002, "Открытая программная архитектура для моделирования процессов: текущее состояние стандарта CAPE-OPEN", Компьютерная химическая инженерия. , DOI: 10.1016 / S1570-7946 (02) 80169-9
- ^ Мишель Понс, 2009 г., «Использование технологии CAPE-OPEN в моделировании процессов», Конференция: Ежегодное собрание AIChE 2009 г. , ISBN 9781615679133
- ^ Мишель Понс, 2010 г., «Как использовать CAPE-OPEN?», Ежегодное собрание AIChE 2010 г. , ISBN 9780816910656
- ^ Джаспер Ван Батен, Мишель Понс, 2014, «CAPE-OPEN: взаимодействие в программном обеспечении для моделирования промышленных технологических схем», Chemie Ingenieur Technik , том 86, выпуск 7, страницы 1052-1064, DOI: 10.1002 / cite.201400009
- ^ Джаспер Ван Baten, Сезар Г. Pernalete, Juan C. Urbina, Хосе Ф. Аревал, 2015, «Характеристика молекулярной подачи реконструкции и стратегия реализации CAPE ОТКРЫТОЙ разработать инструмент для моделирования HDT реакторов для легких порезов нефти», Computer Aided Chemical Инженерия , Том 37, ISBN 978-0-444-63429-0
- ^ Джаспер ван Батен, Ричард Щепански, 2011, «Модель реактора термодинамического равновесия как операция CAPE-OPEN», Компьютеры и химическая инженерия, том 35, выпуск 7, страницы 1251-1256 , DOI: 10.1016 / j.compchemeng.2010.07 0,016
- ^ Грегор Толксдорф, Эрик Эше, Джаспер ван Батен, Гюнтер Возни, 2016, Тейлор-Сделанное моделирование и решение новых технологических установок с помощью модульной технологической схемы на основе CAPE-OPEN, Компьютерная химическая инженерия. том 38 , ISBN 0444634444
- ^ Мишель Понс, Питер Бэнкс, Бертран Брауншвейг, 2007, «Результат от CO-LaN для разработчиков и пользователей CAPE-OPEN: инструмент регистрации и тестирования CAPE-OPEN (COLTT)», 17-й Европейский симпозиум по компьютерной инженерии процессов , ISBN 0080546315
- ^ Мишель Понс, 2003, "Спецификация интерфейса CAPE-OPEN для реакционного пакета", Компьютерная химическая инженерия, том 14 , DOI: 10.1016 / S1570-7946 (03) 80225-0