CC BY
28INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 1Каримова Д, 2Хашимова Ч.С., ЗДжураева Ш.Т.
1ТГТУ им.И.Каримова, кафедра «Информационные технологии», доцент 2,3тгту им.И.Каримова, кафедра «Информационные технологии», старший
преподаватель https://doi.org/10.5281/zenodo.7857834 Аннотация. Имитационное моделирование— это признанный научный и промышленный метод изучения технических объектов и систем, на всех этапах жизненного цикла от первых концепций или тендера до эксплуатации и обслуживания. В связи с возрастающей сложностью таких систем, т.е. заводы, киберфизические системы и инфраструктуры, системное моделирование быстро набирает популярность. В этой статье представлена и обсуждается архитектура моделирования для трех различных промышленных приложений, которая предлагает концепцию клиент-сервер для решения задач среды моделирования, охватывающей жизненный цикл. В будущем потребуются открытые концепции программного обеспечения для моделирования, имитации и оптимизации, чтобы охватить новые методы совместного моделирования и реализовать распределенные, например, веб-среды и инструменты моделирования.
Abstract. Modeling and simulation is an established scientific and industrial method to support engineers in their work in all lifecycle phases—from first concepts or tender to operation and service—of a technical system. Due to the fact of increasing complexity of such systems, e.g. plants, cyber-physical systems and infrastructures, system simulation is rapidly gaining impact. In this paper, a simulation architecture is presented and discussed on three different industrial applications, which offers a client-server concept to master the challenges of a lifecycle spanning simulation framework. Looking ahead, open software concepts for modeling, simulation and optimization will be required to cover new co-simulation techniques and to realize distributed, for example web-based simulation environments and tools.
Ключевые слова: Программируемое логическое управление, топология системы задач моделирования, рекуперация тепла, архитектура моделирования.
Назначение систем и объектов компьютерного и имитационного моделирования значительно изменились с момента их первых применений в середине прошлого века. В настоящее время это признанная научная и промышленная технология аналитики и проектирования с сильной направленностью и способностью анализировать конкретные физические характеристики продукта [1, 2]. Многочисленные реализации мощных инструментов доступны для использования в качестве отдельных автономных инструментов и все чаще интегрируются в рабочие процессы промышленного проектирования. Но основное внимание в области моделирования по-прежнему уделяется более крупным системам, а не только компонентам или небольшим продуктам. В промышленном контексте это включает в себя задачи таких больших и все более сложных систем на протяжении всего их жизненного цикла — от первого тендера до эксплуатации и обслуживания. Примеры варьируются от принятия решений во время торгов и концептуального проектирования, детального проектирования, тестирования и ввода в эксплуатацию, а также оптимизированных операций и обслуживания во время выполнения
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
[3]. Сосредоточенное, так называемое 3D-моделирование и дискретное моделирование являются основными технологиями для решения этих задач1, и представленный архитектурный подход пытается справиться с ними.
Рассматриваемые области применения включают крупные технологические и производственные предприятия, электростанции и сети, сети связи, различные виды машин и транспортных средств, а также взаимосвязанные разнородные инфраструктурные системы. Для всех этих систем характерны структуры сетевого типа, состоящие из множества типично разнородных взаимосвязанных компонентов. Еще одной важной ключевой характеристикой таких промышленных систем являются их системы автоматизации для управления технологическими процессами с помощью механизмов разомкнутой и/или замкнутой системы управления на различных уровнях детализации. Некоторые коммерчески доступные инструменты, такие как Matlab Simulink [4], AMESim [5] предназначены для моделирования таких технических систем. Архитектуры моделирования и симуляции должны эффективно поддерживать и использовать преимущества этих вычислительных ресурсов и эволюции парадигмы. Системная точка зрения еще больше расширяется до точки зрения жизненного цикла, что позволяет повысить качество и эффективность системного проектирования и эксплуатации, например. проектирование системы для снижения стоимости жизненного цикла. Архитектура моделирования, описанная в этой статье, позволяет избежать обсуждаемых ограничений существующих инструментов и решать предстоящие проблемы, поскольку она позволяет использовать единую среду моделирования на всех этапах жизненного цикла и по-прежнему предлагает соответствующую поддержку приложений для каждой выполняемой задачи путем развертывания настраиваемых решений моделирования.
Представлен еще один ключевой фактор для решения сложных задач моделирования и симуляции путем разграничения взглядов инженеров и разработчиков инструментов. Определяется характерные варианты использования, которые охватывают типичный набор задач на всех этапах жизненного цикла. Сценарии использования раскрывают технические требования, которые должна учитывать архитектурная концепция среды моделирования и симуляции. Структура моделирования и симуляции CoSMOS представлена концепция, а также общая модульная архитектура. Имеются два основных аспекта CoSMOS — его ориентация на клиент-серверную архитектуру и встроенный симулятор.
Сложность системного моделирования в промышленном использовании объясняется сложностью самой системы, поскольку большие системы должны быть охвачены целиком и во многих деталях. При моделирование, например, рекуперации тепла при проектировании парогенераторов основное внимание уделяется детальному проектированию парогенераторов с рекуперацией тепла и преимуществам моделирования. В электростанциях с комбинированным циклом энтальпия потока горячих выхлопных газов используется во вторичном цикле вода/пар для повышения общей эффективности установки и выходной мощности. Ключевой системой является теплообменник между двумя жидкостными циклами, так называемый парогенератор с рекуперацией тепла Для некоторых технологий HRSG, таких как прямоточная конструкция, важно проанализировать динамическую устойчивость потока на этапе проектирования, чтобы
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
обеспечить контролируемое состояние в любой момент эксплуатации станции. Кроме того, для расчета должны быть предоставлены начальные значения потоков. Следовательно, ручная настройка модели требует очень много времени и подвержена ошибкам. Это преодолевается автоматическим сопоставлением предыдущих моделей стационарного режима, которые были выполнены для исправления первичной конструкции котла -утилизатора.
Это включает в себя, среди прочего, разработку и поставку библиотек компонентов с различными уровнями детализации, а также передовые алгоритмы решения больших систем уравнений с непрерывными во времени, а также дискретными во времени переменными. Кроме того, могут возникнуть дополнительные требования к управлению временем, такие как требования к реальному времени. Эти требования привели к появлению огромного количества инструментов моделирования задач и приложений. Основные проблемы заключаются в снижении стоимости моделирования за счет повторного использования существующих моделей и совместимости специальных инструментов. Утверждаются многообещающие методы, такие как совместное моделирование с помощью гибких описаний интерфейса (например, интерфейс функционального макета. Принятие решений на раннем этапе планирования и концептуального проектирования осуществляется поэтапно. Разработка новой технической системы начинается с этапа концептуального планирования. Цель состоит в том, чтобы создать макет системы, очертить ее основные границы, содержание и параметры. Эта фаза характеризуется абстрактными или, самое большее, полудетальными техническими спецификациями системы.
Подходы к компютерному моделированию и имитационному моделированию, поддерживающие процесс принятия решений, должны обеспечивать управляемое управление экспериментом (например, для изменения оценки и сравнения проектных параметров), включая прозрачное отображение соответствующих различий оцениваемых альтернатив системы. Кроме того, приложение для моделирования и симуляции должно быть простым в использовании для специалистов, не занимающихся моделированием, и работать на «стандартном» оборудовании, таком как ноутбуки и настольные компьютеры. Моделирование должно выполнять абстрактные многодоменные оценки и модели поведения системы. Его результаты подлежат дальнейшей обработке и, следовательно, должны быть встроены в рабочий процесс проектирования (перенос концепции). Детальное проектирование и ввод в эксплуатацию должно соответствовать целевой функции. После уточнения проекта системы он передается инженерам домена. Они выполняют детальную разработку для всех частей системы. Во многих случаях это поддерживается специализированным экспертным программным обеспечением. Целью этого этапа является спецификация каждой отдельной части системы, чтобы гарантировать ее функциональность, соответствовать спецификации требований и оставаться в пределах и границах, определяющих концептуальный проект. Для современных сложных систем эти задачи часто требуют совместной оценки различных инженерных областей, включая технические процессы и автоматизацию. Многие отдельные инженерные процессы выполняются одновременно, что требует периодической оценки системы на всех этапах детальной разработки. Поскольку детальное проектирование в основном поддерживается
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
несколькими специализированными, в большинстве случаев зависимыми от одной предметной области, коммерческим программным обеспечением и экспертными инструментами моделирования, необходимо поддерживать появляющуюся параллельную разработку с помощью методов моделирования и моделирования, которые позволяют объединять различные модели моделирования, алгоритмы и инструменты. . Иногда различные уровни детализации с различными временными ограничениями (вплоть до возможности реального времени) системы необходимо моделировать одновременно. Моделирование должно выполняться в различных условиях окружающей среды, например. аппаратное обеспечение в цикле (HIL), программное обеспечение в цикле (SIL), автономное программное обеспечение. Системные параметры, данные и результаты должны передаваться и обмениваться между различными инженерными инструментами. Проверка и тестирование, а также виртуальный ввод в эксплуатацию являются наиболее известными задачами моделирования в конце проектирования. Поскольку детальное проектирование в основном поддерживается несколькими специализированными, в большинстве случаев зависимыми от одной предметной области, коммерческим программным обеспечением и экспертными инструментами моделирования, необходимо поддерживать появляющуюся параллельную разработку с помощью методов моделирования и моделирования, которые позволяют объединять различные модели моделирования, алгоритмы и инструменты. Моделирование должно выполняться в различных условиях окружающей среды, например. аппаратное обеспечение в цикле (HIL), программное обеспечение в цикле (SIL), автономное программное обеспечение. Системные параметры, данные и результаты должны передаваться и обмениваться между различными инженерными инструментами. Проверка и тестирование, а также виртуальный ввод в эксплуатацию являются наиболее известными задачами моделирования в конце проектирования. Цель состоит в том, чтобы гарантировать оптимальную работу системы с точки зрения времени, качества и стоимости.
Концепция архитектуры должна быть открыта для модульного расширения для настройки новых типов вычислений, необходимых для дальнейших приложений.В результате имеем согласованные с жизненным циклом взаимозаменяемые развернутые имитационные модели. Это означает, что модели поведения и системные топологии, развиваются на протяжении жизненного цикла системы. Начиная с грубых моделей, часто просто стационарных моделей на ранних этапах, они вырастают на этапе проектирования до очень сложных моделей, включающих динамические эффекты, и даже могут модифицироваться для удовлетворения особых требований на этапах ввода в эксплуатацию и эксплуатации, где возможность работы в реальном времени становится решающей. . На протяжении всего жизненного цикла использование и переход от одной модели к другой должны быть последовательными, прозрачными и простыми в реализации. Поэтому архитектура должна поддерживать администрирование отслеживаемой модели для реализации поведения и компоновки системы. Это включает как минимум предоставление интерфейсов и метамоделей, позволяющих легко переключаться между различными уровнями детализации. Кроме того, должны быть предусмотрены механизмы для выбора подходящего поведения модели и приема, агрегирования и разбивки необходимых данных и параметров.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Очень важно применение адаптируемых пользовательских интерфейсов. На каждом этапе требуются разные пользовательские интерфейсы для общего управления приложением моделирования, например запуск, остановка, планирование, настройка и т.д. На поздних этапах жизненного цикла моделирование интегрируется в онлайн-среду в режиме реального времени без специального пользовательского интерфейса моделирования и запускается как внутренний программный модуль, например, с помощью центр управления и контроля или приложения HIL/SIL. Особое место занимает интеграция в среду с несколькими приложениями и данными. Большинство вариантов использования включают расчеты нескольких приложений, которые взаимодействуют друг с другом во время выполнения. В зависимости от вариантов использования этими данными можно обмениваться между различными симуляторами (реализующими совместное моделирование), реальной системой SCADA и симулятором (во время эксплуатации) или даже некоторыми проприетарными приложениями, такими как инжектор отказов. Зависимость между приложениями и их переменными, которыми они обмениваются, может быть разной — некоторые должны выполнять вычисления параллельно (как при совместном моделировании), некоторые — последовательно (например, при перехвате данных датчиков). Нам необходимо интегрировать любое коммерческое или проприетарное приложение в архитектуру моделирования, а также запланировать и настроить его обмен данными. Обработка этих данных и переменных должна быть реализована эффективно, поскольку может быть множество данных, которыми
необходимо обмениваться.
Рис. 5 Основные элементы CoSMOS.
Часто приходится использовать гибридные имитационные модели и алгоритмы.Поскольку моделирование используется на разных этапах разработки и развертывается для решения разных задач, фокус и цель моделирования различаются. Часто несколько областей и дисциплин моделируются вместе. Для каждой конкретной задачи — использования, цели и задействованных дисциплин — должны быть реализованы модели поведения и математические алгоритмы, ориентированные на задачу.
REFERENCES
1. Kim, J.-H., Lee, K., Tanaka, S., Park, S.-H. (eds.): Advanced methods, techniques, and applications in modeling and simulation. In: Proceedings Asia Simulation Conference, Seoul, Korea, Nov. 2011, Springer (2012)
2. Hartmann, D., Mahler, M.: Integration of complex 3d-simulations within systems simulations using response surfaces. In: Proceedings of the NAFEMS Seminar Strömungsberechnungen (CFD) in der Systemsimulation (2013)
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
3. Loper, M.L.: Modeling and Simulation in the Systems Engineering Life Cycle. Springer, Heidelberg (2014)
4. Кутузов О.И. "Моделирование систем. Методы и модели ускоренной имитации в задачах телекоммуникационных и транспортных сетей" Изд.Лань. (2018)
5. Matlab Simulink: http://www.mathworks.com/products/simulink/. Accessed 7 Nov 2014
6. AMESim: http://www.plm.automation.siemens.com/de_de/products/lms/imagine-lab/amesim/platform/. Accessed 7 Nov 2014
