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Automatised implementation of CAPE-OPEN interfaces

a workflow for equation-based flowsheet modelling

Tolksdorf, Gregor Stefan

In order to continuously develop new, innovative processes and products with at the same intensified requirements regarding time-to-market chemical industry is eager to simulate the behaviour of process plants before they are built and operated. For meaningful simulations mathematical models describing the sub processes and the plant sections as well as their interaction are required. The knowledge of physicists, chemists and process engineers is included in such models. For collaborative model development and maintenance the Process Dynamics and Operations Group of Technische Universität Berlin created the webbased modelling and code generation tool MOSAICmodeling. This piece of software allows to re-use a previously created and validated model in another context or another programming language. This thesis provides a new methodology to additionally incorporate automatically implemented interfaces according to the CAPE-OPEN (CO) standard. MOSAICmodeling is one example of an environment creating equation-based models. In general it is not trivial to incorporate this class of models in flowsheet simulation software. In order to overcome, among others, this hurdle, the global CO standard was developed roughly 20 years ago. This standards is taken into account in this thesis to find a way to enable flowsheet simulation for equation-based models. An analysis shows that implementing a model according to CO requires knowledge in the area of process engineering as well as in the area of computer science. The development of a mechanism allowing an automated implementation of this standard without in-depth programming knowledge seems to be promising to increase the process engineers’ effectivity. It reduces or even eliminates the need for error-prone manual implementation and can lead to a spreading use of the CO standard. This eases knowledge transfer regarding process simulation models and allows for re-usability of models in different simulation tools, therefore increasing the chance to use the best available software for simulation instead of the one the model was first created in. Therefore in this thesis a workflow is derived and presented, enabling a systematic way to create new or re-use existing, equation-based models that can be exported automatically as CO-compatible unit operations. The basics of CO, flowsheet simulation, unit operations as well as the initial situation and the steps to fill the identified gaps, are analysed and the workflow is implemented in MOSAICmodeling. The modules added to MOSAICmodeling are described and the important graphical user interfaces are commented on. The approach developed in this thesis focuses on the CO interfaces necessary to execute a simulation model. In future work improved algorithms to solve the equation system, e.g. using automatic decomposition methods based on the equation system’s structure or intelligently adapt the inital values when the boundary conditions change, should be incorporated in the automatic code generation facilities. Additional CO interface functions exist regarding editing dialogs and reporting functionalities, that are not immediately necessary to perform a simulation but should be implemented later on to have a more convenient user experience. As a successful proof of the overall concept the application of the workflow is demonstrated with three examples with increasing complexity. An additional development of this thesis, the documentation-based flowsheeting, introduces the possibility of using the intuitive concept of flowsheeting in modelling of equation-based mathematical models, as encountered in MOSAICmodeling. This is an additional means in the tool box of the process engineer dealing with innovative processes that cannot be easily be represented with the standard models available in common flowsheet simulators.
Um fortlaufend neue, bessere Produktionsprozesse in immer kürzerer Zeit entwickeln zu können, ist die chemische Industrie darauf angewiesen, das Verhalten der geplanten Anlagen simulieren zu können, bevor sie tatsächlich gebaut werden und in Betrieb gehen. Für eine aussagekräftige Simulation werden mathematische Modelle benötigt, die das Verhalten der einzelnen Prozesse und Anlagenteile sowie deren Zusammenwirken beschreiben und in die das Wissen von Physikern, Chemikern und Ingenieuren einfließt. Zur Erstellung und Verwaltung solcher mathematischen Modelle existiert die vom Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen an der Technischen Universität Berlin entwickelte, webbasierte Modellierungs- und Codeerzeugungsumgebung MOSAICmodeling. Mit dieser Software ist es möglich, ein bereits erstelltes und validiertes Modell in einem anderen Kontext oder auch in einer anderen Programmierumgebung weiter zu verwenden. In der vorgelegten Arbeit wird eine neue Methodik entwickelt und angewendet, durch die zusätzlich Schnittstellen gemäß des CAPE-OPEN -Standards automatisiert implementiert werden können. MOSAICmodeling ist ein Vertreter der gleichungsbasierten Modellierungsumgebungen, für die es im Allgemeinen schwierig ist, Modelle direkt in sogenannter Flowsheeting-Software (auch Fließbildsimulatoren genannt) einzusetzen. Um solche Herausforderungen zu bewältigen, wurde vor rund 20 Jahren zum Zweck des Austauschs von Simulationsmodellen in Fließbildsimulatoren der internationale CAPE-OPEN -Standard entwickelt, der im Rahmen dieser Arbeit herangezogen wird. Eine Analyse zeigt, dass für die Implementierung dieses Standards kombiniertes Wissen aus dem Bereich der Informatik und der Verfahrenstechnik von großer Bedeutung ist. Die Entwicklung eines Mechanismus, mit dem eine automatisierte Implementierung des Standards ohne tieferes Programmierwissen möglich ist, verspricht ein effektiveres Arbeiten der Verfahrensingenieure,vermeidet fehleranfällige Handarbeit und kann zu einer erweiterten Verbreitung des Standards führen. Dies wiederum kann den Austausch von Wissen erleichtern und die Wiederverwendbarkeit der Modelle in unterschiedlichen Simulationsumgebungen steigern, wodurch die jeweils am besten geeignete Simulationssoftware gewählt werden kann und nicht zwangsläufig diejenige genutzt werden muss, mit der das Modell zuerst erstellt und simuliert wurde. Dazu wird in dieser Arbeit ein Workflow hergeleitet und vorgestellt, mit dem systematisch neue oder existierende, gleichungsbasierte Modelle von verfahrenstechnischen Grundoperationen entwickelt werden können, die sich automatisch als CAPE-OPEN-kompatible, sogenannte Unit Operations exportieren lassen. Nach Analyse der Grundlagen zu CAPE-OPEN, Fließbildsimulatoren und Unit Operations sowie Feststellung der Ausgangslage und Ermittlung der anstehenden Arbeiten, wird das Konzept umgesetzt und der Workflow in MOSAICmodeling implementiert. Die dafür entwickelten Module zur Erweiterung von MOSAICmodeling werden dargestellt und die für die Arbeit wichtigen Benutzeroberflächen erläutert. Der hier entwickelte Ansatz konzentriert sich auf die Implementierung der für die Simulation notwendigen CAPE-OPEN -Schnittstellen. In weitergehenden Arbeiten sollte zukünftig untersucht werden, wie verbesserte Lösungsverfahren, die beispielsweise auf der Analyse der Struktur des erstellten Gleichungssystems basieren oder bei geänderten Randbedingungen intelligent die Startwerte der Simulation anpassen, in das System der automatisierten Codeerzeugung eingebettet werden können. Zudem gibt es Schnittstellenfunktionen, die für die eigentliche Simulation nicht implementiert werden müssen und zunächst weggelassen wurden, aber später die Arbeit mit den Unit Operations weiter erleichtern können (z. B. Editierdialoge und Reportfunktionen). Als Nachweis der erfolgreichen Umsetzung des Gesamtkonzepts wird anhand von drei Beispielen steigender Komplexität der Einsatz des entwickelten Workflows demonstriert. Eine zusätzliche Entwicklung in dieser Arbeit – das erweiterte, dokumentationsbasierte Flowsheeting – ermöglicht den Einsatz des intuitiven Fließbildsimulationskonzepts bereits auf Modellierungsebene auch für die gleichungsbasierten Modelle, wie sie in MOSAICmodeling vorliegen. Dies dient als weiteres Element im Werkzeugkasten des Modellierers innovativer, verfahrenstechnischer Prozesse, für die es noch keine Entsprechungen im Standardbaukasten der üblichen Fließbildsimulatoren gibt.