DE102010060924A1

DE102010060924A1 - Verbessertes verteiltes industrielles Prozesssimulationssystem

Info

Publication number: DE102010060924A1
Application number: DE102010060924A
Authority: DE
Inventors: Xu Cheng; Richard W. Kephart; Cheng Tao Wen; B. Erik Ydstie
Original assignee: Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
Current assignee: Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2011-06-09
Also published as: GB2475956A; GB2475956B; HK1155534A1; US20110131017A1; CA2722663C; GB201019645D0; CN102081358A; CA2722663A1; US9606531B2; CN102081358B

Abstract

Ein verteiltes Anlagensimulationsverfahren mit hoher Wiedergabetreue umfasst eine Pluralität von separaten Simulationsmodulen, die in verschiedenen Drops oder Computergeräten gespeichert sind und von diesen ausgeführt werden können. Die Simulationsmodule kommunizieren direkt miteinander, um eine genaue Simulation von einer Anlage durchzuführen, ohne dass dabei eine zentralisierte Steuerung zum Steuern des Betriebs vom Simulationssystem notwendig ist. Insbesondere werden eine Vielzahl von Simulationsmodule geschaffen, wobei jedes Simulationsmodul ein Modell von einem verbundenen Anlagenelement enthält und diese Simulationsmodule in verschiedenen Drops von einem Computernetzwerk gespeichert werden, um eine verteilte Simulation der Anlage oder einem Teil der Anlage durchzuführen. Mindestens eines der Simulationsmodule rührt bei der Ausführung auch das Ausgleichen von Massenfluss durch, wobei sie Prozessvariablen in Betracht zieht, die mit benachbarten Simulationsmodule verbunden sind, um damit Druck, Temperatur und Flussausgleiche (d. h. Konservierung von Massenfluss) innerhalb des gesamten Simulationssystem sicherzustellen. In einer dynamischen Situation wird ein vorübergehendes Relaisverfahren für Massenspeicherung verwendet, um vorübergehende Veränderungen des Massenflusses durch jegliches Gerät neben dem Speichergerät, was durch die Simulationsmodule simuliert wird, auszuweisen. Des Weiteren kommunizieren benachbarte Simulationsmodule, die sich in verschiedenen Drops befinden, direkt miteinander mit Hilfe einer Anfrage für die Hintergrundverarbeitung, die die Kommunikation zwischen benachbarten Simulationsmodulen vereinfacht, ohne dass dabei eine zentrale Steuerung notwendig ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Simulieren des Betriebs von Kraftwerken, industriellen Fertigungsbetrieben, Aufbereitungsanlagen und andere Arten von Anlagen und insbesondere auf ein verteiltes Simulationssystem, was eine verbesserte Simulation des Anlagebetriebs bietet, der den Materialfluss mit einbezieht.
Beschreibung des Standes der Technik
Verteilte Prozesssteuerungssysteme, wie solche, die normalerweise für die Energiegewinnung, chemische Herstellung, Erdölverarbeitung, industrielle Fertigung und andere Arten von Anlagen verwendet werden, enthalten normalerweise eine oder mehrere Steuereinheiten, die über analoge, digitale und analog/digital kombinierte Datenbusse oder drahtlose Datenbusse mit einer Vielzahl von Feldgeräten kommunikativ verbunden sind. Die Feldgeräte, welche eventuell beispielsweise Ventile, Ventilstellungsregler, Schalter, Transmitter (z. B. Temperatur, Druck, Niveau und Durchflussrate), Brenner, Wärmetauscher, Brennofen etc. darstellen können, befinden sich innerhalb der Betriebsanlage und führen Prozessfunktionen aus, wie etwa Öffnen und Schließen von Ventilen, Messen von Prozessparameter etc. als Reaktion auf Steuerungssignale, die von Steuerungen entwickelt und gesendet wurden. So genannte „Smarte Feldgeräte” wie etwa solche, die jeglichem der wohl bekannten Fieldbus-Protokolle entsprechen, können auch Steuerungsberechnungen, Alarmfunktionen und andere Funktionen, die allgemein innerhalb einer Anlagensteuerung implementiert sind oder von der Anlagensteuerung implementiert werden, ausführen. Die Anlagensteuerungen, die sich normalerweise auch innerhalb der Anlagenumgebung befinden, empfangen Signale, die Anzeigen von Prozessmessungen enthalten, die von den Feldgeräten durchgeführt wurden und/oder auch andere Informationen über die Feldgeräte und führen eine Steuerungsapplikation aus, die zum Beispiel verschiedene Steuerungsmodule betreibt, die Entscheidungen über die Prozesssteuerung treffen, basierend auf die empfangene Information Steuerungssignale bearbeiten und mit den Steuerungsmodulen oder Blöcken koordinieren, die in den Feldgeräten ausgeführt werden, wie etwa die Fieldbus-Geräte HART^® und FOUNDATION^®. Die innerhalb der Steuereinheit befindlichen Steuerungsmodule senden die Prozesssteuerungssignale über die Kommunikationslinien oder -Netzwerke zu den Feldgeräten und steuern damit den Betrieb des Prozesses.
Informationen von den Feldgeräten und der Steuerungseinheit werden gewöhnlich über eine Datenhighway für einen oder mehrere Computergeräte verfügbar gemacht, wie Workstations von Benutzern, PCs, Data-Historians, Berichtsgeneratoren, zentralisierte Datenbanken, etc., die sich normalerweise in Kontrollräumen oder an anderen Orten befinden, die von der etwas rauen Betriebsumgebung entfernt sind. Diese Computersysteme können auch Applikationen durchführen, die zum Beispiel einen Anwender in die Lage versetzen, Funktionen in Hinblick auf den Betrieb auszuführen, wie etwa die Einstellungen der Prozesssteuerungsroutine zu ändern, den Betrieb des Steuerungsmodule innerhalb der Steuerungseinheit oder der Feldgeräte zu modifizieren, den aktuellen Status des Prozesses einsehen, von Feldgeräten und Steuerungseinheiten generierte Alarmsignale einsehen, eine Konfigurationsdatenbank führen und aktualisieren und Ähnliches.
Als Beispiel sei hier das Ovation^® Steuerungssystem genannt, was von Emerson Process Management verkauft wird und was viele Applikationen aufweist, die darin gespeichert sind und von unterschiedlichen Geräten, die sich an unterschiedlichen Orten innerhalb einer Aufbereitungsanlage befinden, ausgeführt werden. Mit einer Konfigurationsapplikation, die sich an einer oder mehreren Workstations befindet, können Anwender Prozesssteuerungsmodule kreieren und verändern und können diese Prozesssteuerungsmodule über die Datenhighway zu dedizierten verteilten Steuerungseinheiten herunterladen. Normalerweise werden diese Steuerungsmodule von kommunikativ verbundenen Funktionsblöcken erstellt, welche Objekte in einem an Objekten orientierten Programmierungsprotokoll darstellen und welche Funktionen innerhalb des Steuerungsschema, was auf den dort eingehenden Input basiert, ausführen und Outputs anderen Funktionsblöcken innerhalb des Steuerungsschema zur Verfügung stellen. Mit dieser Konfigurationsapplikation kann ein Entwickler auch die Schnittstellen des Anwenders, die von einer Betrachterapplikation dazu verwendet werden, um Daten einem Bediener anzuzeigen, kreieren oder ändern und der Anwender kann die Einstellungen, wie etwa Messwerte, innerhalb der Prozesssteuerungsroutine ändern. Jede der dedizierten Steuerungseinheiten und in einigen Fällen auch jedes der Feldgeräte, speichert eine Steuerungseinheitsapplikation und übt diese aus, die die zugeordneten und dort heruntergeladenen Steuerungsmodule betreibt, um eine tatsächliche Prozesssteuerungsfunktionalität zu implementieren. Die Betrachterapplikation, die auf einer oder mehreren Workstations laufen kann, empfängt Daten von der Steuerungseinheitsapplikation über die Datenhighway und zeigt diese Daten den Entwicklern, den Betreibern oder Benutzern von Prozessteuerungssystemen an, die die Benutzerschnittstelle verwenden. Eine Data-Historian-Applikation wird normalerweise in einem Data-Historian-Gerät gespeichert und von dem Gerät ausgeführt, was alle oder einige der Daten, die über die Datenhighway zur Verfügung gestellt werden, sammelt und speichert während eine Applikation für eine Konfigurationsdatenbank bei einem weiteren Computer ausgeführt werden kann, der auch an die Datenhighway angeschlossen ist, um die aktuelle Konfiguration der Prozesssteuerungsroutine und damit verbundene Daten zu speichern. Als Alternative kann sich die Konfigurationsdatenbank auch an der gleichen Workstation wie die Konfigurationsapplikation befinden.
Bei vielen Branchen ist es wünschenswert, ein Simulationssystem zu implementieren, um damit die Simulation des Betriebs einer Anlage zu simulieren (einschließlich der verschiedenen Anlagengeräte und des zentralen Netzwerks, wie es innerhalb der Anlage vernetzt ist). Ein derartiges Simulationssystem kann dazu verwendet werden, um den Betrieb der Anlage bei einer Reaktion auf neue und veränderte Steuerungsvariablen, wie etwa Messwerte zum Testen von neuen Steuerungsroutinen, zur Ausführung einer Optimierung oder für Trainingszwecke, etc., zu planen. Das führt zu dem Ergebnis, dass viele unterschiedliche Arten von Simulationssystemen für Anlagen vorgeschlagen und in Verarbeitungsbetrieben verwendet werden. Nicht desto trotz können nur hoch komplexe Simulationssysteme normalerweise eine Simulation mit hoher Wiedergabetreue einer Aufbereitungsanlage durchführen und zwar wegen der komplexen Prozesse, die darin implementiert sind, wegen den sich stets verändernden Konditionen innerhalb der Anlage einschließlich der Abnutzung der Geräte über die Zeit hinweg und wegen der Präsenz von nicht eingerechneten Störungsvariablen innerhalb der Anlage.
Bei der Simulation von kommerziellen industriellen Prozessanlagen werden häufig, wie allgemein bekannt, die physikalischen Gesetze des ersten Prinzips oder dahingehende Gleichungen für die Implementierung eines Simulationsmodells benutzt. In diesem Fall wird ein komplexer Satz von Gleichungen des ersten Prinzips entwickelt, um damit die verschiedenen Anlagegeräte abzubilden und ein Simulator löst alle oder die meisten Gleichungen zur Abbildung simultan während eines bestimmten Simulationszyklus. Die Newton-Raphsonsche Methode dient als ein sehr bekanntes Beispiel eines Simulationsverfahren, die das simultane Lösen von vielfachen Gleichungen des ersten Prinzips für eine Simulation ausführt. Tatsächlich wird diese Art von Lösungsmechanismus von Gleichungen in vielen Fällen als eine Voraussetzung für eine Simulation mit hoher Wiedergabetreue gesehen. Jedoch ist ein großer Nachteil mit diesem Simulationsansatz verbunden und zwar in der Form, dass die physikalischen Modelle komplex sind und die Computerberechnung teuer ist, insbesondere dann, wenn das zu modellierende System stark nichtlinear und interaktiv ist. Aus diesem Grund müssen diese Simulationssysteme einen zentralisierten Nicht-Lineargleichungsauflöser verwenden, um eine Simulation durchzuführen, wobei alle der verbundenen nicht linearen Gleichungen simultan gelöst werden können. Leider ist dieses Verfahren normalerweise langsam, weist eine nicht effiziente Computerberechnung auf und ist numerisch nicht zuverlässig.
Verteilte Simulationen im großen Rahmen mit dynamischen Prozesssystemen sind implementiert worden, als ein Versuch, einige der Probleme, die mit zentralisierten Simulationsverfahren verbunden sind, zu überwinden. Bei verteilten Simulationssystemen werden verschiedenen Simulationsaufgaben durch eine Anzahl von verschiedenen Geräten (z. B. Prozessoren) durchgeführt und diese Simulationsaufgaben werden getrennt oder unabhängig voneinander implementiert (ausgeführt). Derartige verteilte Simulationssysteme bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber den zentralisierten Simulationssystemen, einschließlich Entkoppelung von Raum, Entkoppelung von Zeit, Entkoppelung des Integrators und Parallelverarbeitung. Insbesondere bieten verteilte Simulationssysteme eine Entkoppelung von Raum, indem sie ein großes Simulationsproblem in einen Satz von kleineren Unter-Problemen herunter brechen, wobei ein Simulationsmodul verändert, aktualisiert oder hinzugefügt werden kann, ohne dass dabei andere Simulationsmodule betroffen sind. Verteilte Simulationssysteme bieten auch eine Entkoppelung von Zeit, indem es möglich gemacht wird, dass Integrationsschritte mit unterschiedlicher Größenordnung für unterschiedliche dynamische Module verwendet werden können, was bedeutet, dass diese Systeme eine bessere numerische Robustheit und eine höhere Effizienz der Computerberechnung für schwer lösbare Simulationsprobleme bieten können, ohne dass dabei eine übermäßige Größenordnung des Integrationsschritts bei jedem der Simulationsmodule implementiert werden muss. Verteilte Simulationssysteme bieten auch eine Entkoppelung des Integrators, da die getrennten Simulationsmodule spezielle und spezifische Integrationsmethoden verwenden können, die untereinander unterschiedlich in unterschiedlichen Modulen sind, wobei unterschiedliche Verfahren der Mathematik verwendet werden können, um unterschiedliche Prozessmodelle zu lösen. Verteilte Simulationssysteme können auch die Verwendung von Parallelverarbeitung ermöglichen, indem die unterschiedlichen Simulationsmodule simultan auf einem verteilten Netzwerk von Computer implementiert werden können. Diese Funktion erlaubt auch eine einfache Fehlerbehebung, da Probleme normalerweise vor Ort in Bezug auf ein bestimmtes Simulationsmodul identifiziert werden können.
Eine Reihe von Untersuchungen sind in Hinblick auf verteilte Simulationen vom Verarbeitungs- und Energiesysteme durchgeführt worden. Zum Beispiel haben Brosilow C, Yin-Chang unter dem Thema „Simulation of Large Scale Dynamic Systems I," in Computers and Chemical Engineering, 11:241-253, 1987, Algorithmen entwickelt, die eine direkte Substitution, Extrapolation und eine Newton ähnliche Iteration zur Simulation verwenden. Es wurde jedoch eine Steuerung nötig, um die Simulation synchronisiert zu halten, und diese Steuerung wurde gebraucht dafür, um einen Zeithorizont für jedes dynamische Modul festzulegen und um Verbindungen zwischen den Sub-Systemen zu berechnen. Obwohl die Steuerung es zuließ, dass jedes Modul einen unterschiedlichen Integrationsalgorithmus und unterschiedliche Schrittgröße aufweist, musste die Steuerung immer noch die Simulation der Sub-Systeme managen. Auf der anderen Seite haben Secchi AR, Morari M, Biscala Jr. EC unter dem Thema „The Waveform Relaxation Method in Concurrent Dynamic Process Simulation" in Computer and Chemical Engineering, 17:683-704, 1993 die gleichzeitige Lösung von Differentialgleichungen mit niedrigem Index (DAE) unter Verwendung der Wave-Form-Relaxation-(WR) Methode untersucht, welche sehr stark parallelisierbar ist. Die gleichzeitige Lösung der DAE auf parallelen Maschinen mit der WR-Methode wurde implementiert. Hier wurden die Jacobi-Iterationen verwendet, was bedeutet, dass am Anfang einer jeden Iteration, jedes Model einen aktualisierten Vektor der miteinander verbundenen Funktionen erhielt. Jedenfalls war auch in diesem Fall eine zentrale Steuerung notwendig, damit eine globale Konvergenz garantiert werden konnte.
Paloschi J, Zitney SE haben unter dem Thema "Parallel Dynamic Simulation of Industrial Chemical Processes an Distributed-Memory Computers." in dem jährlich stattfindenden Treffen AICHE in Los Angeles, Kalifornien, im Jahre 1997 einen Ansatz für eine parallele-modulare Lösung beschrieben, um betriebsinterne oder multiple Probleme der Betriebe auf Computer mit verteilten Speichern lösen zu können. Dieser Ansatz teilte einen großen Superbetrieb-Master in kleinere, verbundene Subbetrieb-„Slaves” auf, die parallel ausgeführt werden. Anfängliche Werte wurden für alle verbundenen Abriebvariablen bereitgestellt, während Subbetrieb-Simulationen parallel neue Abriebwerte produzierten. Die Verbundenheit der Simulation insgesamt wurde in der Superbetrieb-Stammtafel bereitgestellt, wobei jede Einheit einen Sub-Betrieb darstellt. Für eine Simulation als Dauerleistung konvergiert der Master die Simulation mit einer sukzessiven Substitution oder mit einer Newton-Methode. Für eine dynamische Simulation synchronisiert der Master die Integration der Subbetriebe. Die Subbetriebe sind parallel integriert über einen gemeinsamen Zeithorizont mithilfe einer angemessenen Integrationsmethode und einer schrittweisen Folge.
Abbel-Jabbar N, Carnahan B, Kravaris C beschreiben unter dem Titel „A Multirate Parallel-Modular Algorithm for Dynamic Process Simulation Using Distributed Memory Multicomputers" in Computer and Chemical Engineering, 23:733-761, 1999, einen Koordinationsalgorithmus für die parallele Implementierung einer modularen Integration, die effizient auf großen, gleichzeitig laufenden Computern, die der Nachrichtenübertragung dienen (Multicomputer), implementiert wird. Der Algorithmus basiert auf einer dynamischen Block-Iteration ähnlich Jacobi und einer kubischen Spline-Interpolation für die Schätzung der verbundenen Inputvariablen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Bei diesem Ansatz werden die Kommunikationen des Interprozessors während der Integration eliminiert. Jedenfalls müssen die Modulintegration für jeden Zeithorizont wiederholt werden, bis alle Modulintegrationen konvergieren, damit einem globalen Fehlerkriterium für die iterative Lösung entsprochen wird. Der Algorithmus wird daher mit einem Master-Slave-Paradigma implementiert.
Wichtig ist dabei, dass jedes dieser verteilten Simulationsverfahren eine Master-Slave-Struktur (Client-Server) verwendet. Daher benötigen diese Ansätze eine zentrale Steuerung (Server), die das gesamte Flussdiagramm oder die Fließbilder kennt und die den Fluss der gegenseitigen Verbindungsvariablen zwischen verschiedenen Modulen koordiniert, während die Integration eines jeden Sub-Systems an einem Client-Computer ausgeführt wird. Als Ergebnis kann es passieren, dass diese Algorithmen nicht effizient mit dem Fall umgehen können, bei dem die Anzahl der Sub-Systeme groß ist, denn in einer derartigen Situation entsteht eine starke Belastung durch die Computerberechnungen am Server. Insbesondere muss die zentrale Steuerung die Massen- und Energieausgleiche in vorübergehenden Stadien kalkulieren und zerteilen, was eine starke Belastung durch die Computerberechnungen am zentralen Server verursacht, besonders bei einem großen System. Natürlich verlangsamt sich, wenn der Server eine zu starke Last an Computerberechnungen erlebt, auch das Simulationssystem und kann dann nicht in Echtzeit laufen. Ein weiteres potenzielles Problem ist, dass die verfügbare Kommunikationsbandbreite nicht ausreichen kann. Insbesondere kann an dem Synchronisierungspunkt (d. h. beim zentralen Server) die Kommunikationslast des Netzwerkes sehr groß sein, was dann hohe Kosten für die Implementierung von Hardware erfordert.
Einige Strategien, die nicht unbedingt eine zentrale Steuerung (Server) erforderlich machen, sind auch bekannt. Insbesondere Mayer S offenbart unter dem Titel „On the Pressure and Flow-Rate Distributions in Tree-Like and Arterial-Venous Networks" im Bulletin of Mathematical Biology, 58(4):753-785, 1996 einen effizienten Algorithmus, der die Verteilungen für den Druck und für die Flussraten für einen beständigen Fluss in einem beliebigen Netzwerk mit Baumstruktur berechnet. Bei einer gegebenen Baumtypologie, Leitfähigkeit eines jeden Segments und Druckverteilung an den Grenzknoten wird die Lösung mit einem einfachen Rekursionsverfahren basierend auf der perfekten Gauß-Eliminierung errechnet. Eine iterative Methode mit der Verwendung dieses Algorithmus wird empfohlen, da sie in der Lage ist, die Verteilungen für den Druck und für die Flussraten in einem beliebigen, divergierenden und konvergierenden Netzwerk zu berechnen, was aus zwei baumähnlichen Netzwerken besteht, die miteinander verbunden sind. Eine Reihe von speziellen Lösungen für baumähnliche Netzwerke erhält man, für die der generelle Algorithmus entweder vereinfacht wird oder dieser durch geschlossene Lösungen für die Verteilung für den Druck und für die Flussraten ersetzt wird. Obwohl dieser Ansatz hilfreich sein könnte für biologische Applikationen, erweist er sich hier nicht als sehr hilfsreich für industrielle Applikationen, da das Verhältnis Druck und Fluss durch eine einfache lineare Beziehung abgebildet wird. Des Weiteren ist ein derartiger Ansatz nur für Applikationen mit Dauerleistung richtig, weil es das Flussungleichgewicht während der dynamischen Transienten nicht mit einkalkuliert.
Garcia-Osorio V, Ydstie BE, beschreibt unter dem Titel „Distributed, Asynchronous and Hybrid Simulation of Process Networks Using Recording Controllers" in International Journal of Robust and Nonlinear Control, 14(2):227-248, Dez. 2003, ein verteiltes Simulationsnetzwerk von physikalisch eindeutigen Verarbeitungseinheiten. Jedes der Verarbeitungseinheiten arbeitet unter Verwendung der eigenen Integrationsroutinen und die Information, die zwischen den unterschiedlichen Sub-Systemen gesendet wird, wird synchronisiert an einem starren oder variablen Kommunikationsintervall. Die Zustände werden dann in Einklang gebracht und die Simulation schreitet zum nächsten Schritt voran. Alle der Sub-Einheiten werden am Ende des Simulationsschrittes synchronisiert und zwar durch eine aufzeichnende Steuerungseinheit, welche den Massenausgleich an den Verbindungen zwischen den Sub-Systemen aufzeichnet und steuert. Da der Aufzeichnungsmechanismus im Wesentlichen eine integrale Steuerungsaktion darstellt, werden jedoch zusätzliche Dynamiken durch diese Methode eingeführt, die den Zeithorizont der Prozessdynamik und Propagation der Reaktion effektiv erweitert, wobei dieser Ansatz nicht mehr praktisch für solche Prozesse wird, die schnell laufende und elektromechanische Geräte (z. B. Pumpen, Ventilatoren, Ventile etc.) betreffen. Des Weiteren verwendet der Ansatz mit der aufzeichnenden Steuerungseinheit eine einfache Durchschnittsberechnung von zwei Grenzdruckwerten, wobei es unmöglich wird, Aktionen zu entdecken, wie etwa das völlige Abschalten eines Ventils. Des Weiteren wächst die Anzahl der Abstimmungsparameter proportional mit dem Anwachsen des Netzwerks. Deshalb können, wenn das System nicht gut abgestimmt wurde, neu eingeführte Steuerungseinheiten zu Systeminstabilität führen.
Zusammenfassung
Eine verteilte Anlagensimulationsverfahren mit hoher Wiedergabetreue führt eine Echtzeitsimulation oder eine Vorhersage eines Prozesses oder Anlagennetzwerks auf ein Art und Weise durch, bei der ein verteilter Satz von Simulationsmodulen verwendet wird, wobei keine zentrale Steuerung zur Koordination des Betriebs des System notwendig ist und darüber hinaus derart funktioniert, dass es genau Massen- und Flussausgleiche bei den verteilten Stätten sowohl unter Konditionen wie Dauerleistung als auch dynamischen Konditionen löst. Insbesondere umfasst das hier beschriebene Simulationssystem eine beliebige Anzahl von getrennten Simulationsmodulen, wobei jede davon Erstprinzip-Modelle oder andere Arten von Modellen, um den Betrieb eine Anlagenkomponente abzubilden, implementiert. Insbesondere umfasst das Simulationssystem Simulationsmodule für Anlagenelemente, die verschiedene Anlagenkomponenten abbilden, wie etwa einen Tank, einen Wärmetauscher, etc. und welche auch Simulationsmodule für Rohre umfasst, die Verbindungselemente innerhalb des Prozesses oder der Anlage abbildet, wie etwa Rohre, etc., welche dazu dienen, einen Materialfluss von einem Anlagenelement zu einem anderen Anlagenelement zu transportieren.
Wichtig ist dabei, dass jedes Simulationsmodule Gleichungen für Massenfluss Druck- und/oder Temperaturausgleich implementiert, welche die Drücke, Flussraten und/oder Temperaturen, etc. eines vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmoduls in Betracht zieht, um damit den Massenfluss ohne Verwendung einer zentralen Steuerung auszugleichen. Insbesondere kommuniziert jedes Simulationsmodul mit sowohl einem vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodul und implementiert Modellgleichungen, die sicherstellen, dass der Massenfluss über und zwischen den vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodulen erhalten bleibt. Diese Simulationsmodule eliminieren dadurch die Notwendigkeit einer zentralen Steuerung, die den Fluss nachvollzieht oder die Gleichungen für den Massenausgleich für alle verteilte Simulationsmodule implementiert. Darüber hinaus stellen beim Prozess der Implementierung der Gleichungen für den Massenausgleich die Simulationsmodule Feedback vom Simulationsmodul des nachgeschalteten Prozesselements zum Simulationsmodul des vorgeschalteten Prozesselements bereit, so dass Veränderungen in den nachgeschalteten Elementen, wie etwa Veränderungen der Einstellungen von Flusssabschaltventilen bei den vorgeschalteten Elementen erkannt und abgebildet werden können, ohne dass dabei globale Variablen innerhalb des Simulationssystems verwendet werden und wieder ohne die Notwendigkeit einer zentralen Steuerung.
Darüber hinaus implementiert das Simulationssystem eine Prozedur, die vorübergehende Massenungleichgewichte in den Simulationsmodulen erkennt, die von zum Beispiel vorübergehenden oder dynamischen Konditionen verursacht werden und bearbeitet die vorübergehenden Konditionen auf die Art, dass über die Zeit und über mehrere Simulationsmodule hinweg Masse konserviert wird, so dass eine genaue Simulation der Anlage bei Vorhandensein von dynamischen Veränderungen bereit gestellt wird, und wieder ohne die Notwendigkeit einer zentralen Steuerung. Insbesondere erkennt jedes Simulationsmodul, das mit einem Speichergerät verbunden ist, was keine Masse speichert (z. B. ein Rohr), ein Ungleichgewicht des Massenflusses zwischen seinem Inputbereich und seinem Outputbereich als Ergebnis einer dynamischen oder vorübergehenden Flusssituation (d. h. eine Situation, bei der der Massenfluss an- oder absteigt) und kommuniziert die Menge dieses Ungleichgewichts an ein vorgeschaltetes oder nachgeschaltetes Simulationsmodul. Über mehrfache Zyklen des Simulationssystems werden Massenungleichgewichte, die von den Simulationsmodulen entdecket werden, welche mit Geräten verbunden sind, die keine Masse speichern, hiermit zu Simulationsmodulen transferiert und in verbundenen Massenspeichergeräten (z. B. Tank), akkumuliert, wo die Masse tatsächlich sich anreichert oder sich abbaut. Die mit Massenspeichergeräten verbundenen Simulationsmodule können diese vorübergehenden Massen akzeptieren und über den langfristigen Betrieb des Simulationssystems ausgleichen. Diese Funktion stellt sicher, dass während den dynamischen Veränderungen im Massenfluss durch diese Elemente Masse als Ergebnis der Abbildung des Massenflusses durch Geräte, die keine Masse speichern, weder gewonnen noch verloren wird.
Des Weiteren verwendet das hier beschriebene Simulationssystem Simulationsmodule, die eine Speicherstruktur aufweisen, die Kommunikation von Information zwischen vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodulen etabliert und speichert, ohne dass dazu globale Kommunikationsaufrufe zwischen den Simulationsmodulen gestartet werden müssen und ohne eine zentrale Steuerung, die den Flusspfad innerhalb des Systems kennt und nachvollzieht. Der Speicher und die Kommunikationsstruktur, die vom Simulationsmodulen verwendet wird, macht eine direkte und unmittelbar Kommunikation zwischen direkt verbundenen Simulationsmodulen (d. h. jeder Satz von unmittelbar verbundenen vorgeschalteten und nachgeschalteten Simulationsmodulen) möglich, was wiederum die Kommunikation innerhalb des Simulationssystem vereinfacht, wobei immer noch sichergestellt wird, dass die vorgeschalteten und nachgeschalteten Informationen, die zur Abbildung innerhalb eines spezifischen Simulationsmodul notwendig sind, sofort zur Verfügung stehen, wenn ein Simulationsmodul ausgeführt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines verteilten Anlagen- und Prozesssteuerungsnetzwerkes, was sich innerhalb der Anlage, wie ein Kraftwerk, befindet, einschließlich einer oder mehrerer Workstations, Steuerungseinheiten oder virtuelle Steuerungseinheiten, die ein Simulationssystem einschließlich eines Satzes von verteilten Simulationsmodulen implementieren, die derart konfiguriert sind, um genau den Betrieb einer Anlage simulieren zu können.
2 ein Blockdiagramm von verschiedenen Komponenten eines Boilerdampfzyklus eines auf einen normalen Boiler basierenden Kraftwerks, das unter Verwendung des verteilten Simulationssystems von 1 simuliert werden kann.
3 ein Blockdiagramm von einem Satz von verteilten Simulationsmodulen eines verteilten Simulationssystems, der derart konfiguriert ist, um den Betrieb des Boilerdampfzyklus des Kraftwerks von 3 zu simulieren;
4 ein Simulationsmodul eines Rohrs, was kommunikativ mit zwei Simulationsmodulen für Anlagenelemente in Form von Simulationsmodulen eines Wärmetauschers verbunden ist, um einen Massenflussausgleich zwischen den zwei Simulationsmodulen der Anlagenelemente auszuführen.
5 ein Simulationsmodul eines Rohrs, was kommunikativ mit einem Simulationsmodul einer Anlage und einem Verbindungsmodul in Form von einem Verteilersimulationsmodul verbunden ist, was wiederum mit drei Simulationsmodulen von nachgeschalteten Anlagenelementen verbunden ist und was einen Massenflussausgleich zwischen den Simulationsmodulen von vor- und nachgeschalteten Anlagenelementen ausführt.
6 einen Satz von Simulationsmodulen, die keine Masse speichern, der zwischen vor- und nachgeschalteten Simulationsmodulen für Massenspeicherung verbunden ist, um eine Methode darzustellen, mit der Ungleichheiten von Masse, die vom Simulieren von Massenfluss während vorübergehenden oder dynamischen Konditionen in einer Anlage herrühren, ausgemacht werden.
7 ein Simulationsmodul einer Flussverbindung in Form eines Verteilers, der zwischen vor- und nachgeschalteten Simulationsmodulen für Anlagenelemente gelagert ist, um eine Methode darzustellen, mit der Ungleichheiten von Masse, die vom Simulieren von Massenfluss während vorübergehenden oder dynamischen Konditionen in einer Anlage durch den Verteiler herrühren, und
8 eine Methode zur Kommunikation zwischen angrenzenden verteilten Simulationsmodulen, die in verschiedenen verteilten Steuersystemdrops gelagert sind, die in dem verteilten Simulationssystem von 1 verwendet werden können.
Ausführliche Beschreibung
Bezugnehmend auf 1 wird ein Beispiel von einem verteilten Steuerungsnetzwerk für Anlage 10, das mit einem Kraftwerk, industriellen Fertigungsbetrieb, Aufbereitungsanlage, etc. verbunden ist, in einer abstrakten Detailebenen dargestellt. Die Anlage 10 umfasst ein verteiltes Steuerungssystem mit einer oder mehreren Steuerungseinheiten 12, wobei jede davon mit einem oder mehreren Feldgeräten 14 und 16 über Input/Output-(I/O)-Geräte oder Karten 18 verbunden ist, welche zum Beispiel Fieldbus-Schnittstellen, Profibus^® Schnittstellen, HART^® Schnittstellen, standardmäßige 4–20 ma-Schnittstellen etc. sein können. Die Steuerungseinheiten 12 sind auch mit einer oder mehreren Hosts oder Workstations von Anwendern 20, 21 und 22 über einen Datenhighway 24 verbunden, was zum Beispiel ein Ethernetlink sein kann. Eine Datenbank 28 kann an mit einem Datenhighway 24 verbunden sein und fungiert als ein Data-Historian, um Parameter, Status oder andere Daten, die mit den Steuerungseinheiten 12 und Feldgeräten 14, 16 innerhalb der Anlage 10 verbunden sind, zu sammeln und zu speichern. Des Weiteren oder alternativ dazu kann die Datenbank 28 als eine Konfigurationsdatenbank fungieren, die die aktuelle Konfiguration des Prozesssteuerungssystems innerhalb der Anlage 10 speichert, welche vorher bei den Steuerungseinheiten 12 und Feldgeräten 14 und 16 herunter geladen und gespeichert wurde. Während die Steuerungseinheiten 12, die I/O-Karten 18 und die Feldgeräte 14 und 16 normalerweise genau dort und verteilt in der manchmal rauen Anlagenumgebung gelagert sind, befinden sich die Workstations der Bediener 20, 21 und 22 und die Datenbank 28 normalerweise in den Kontrollräumen oder anderen weniger rauen Umgebungen, was für Kontroller und Wartungspersonal leicht zugänglich ist.
Wie bereits bekannt ist, speichert und führt jede der Steuerungseinheiten 12, welche zum Beispiel die Ovation^® Steuerungseinheit, die von Emerson Process Management Power und Water Solutions, Inc. vertrieben wird, eine Steuerungseinheitsapplikation aus, die eine Steuerungsstrategie unter Verwendung von jeglicher verschiedener und unabhängig ausgeführten Steuerungsmodule oder -blöcke 29 implementiert. Jede der Steuerungsmodule 29 kann aus, was allgemein als Funktionsblöcke bezeichnet wird, erstellt werden, wobei jeder Funktionsblock einen Teil einer oder eine Subroutine einer allgemeinen Steuerungsroutine darstellen kann, und der in Verbindung mit anderen Funktionsblöcken (über Kommunikationen, die Links genannt werden) betrieben wird, um Prozesssteuerungsloops innerhalb der Anlage 10 implementieren zu können. Wie bereits bekannt ist, führen Funktionsblöcke, welche Objekte in einem objektorientierten Programmierungsprotokoll darstellen können aber nicht müssen, normalerweise eine der Inputfunktionen, wie etwa eine Eingabefunktion, die mit dem Transmitter, einem Sensor, oder anderen Messgeräten für Prozessparameter verbunden ist, eine Steuerungsfunktion, die mit einer Steuerungsroutine verbunden ist, die Proportional-Integral-Derivative (PID), Fuzzylogik, etc. ausführt, oder eine Outputfunktion, die den Betrieb von einem Gerät wie ein Ventil steuert, damit eine physikalische Funktion innerhalb der Anlage 10 ausgeführt wird, aus. Natürlich gibt es hybride oder andere Arten von komplexen Funktionsblöcken wie etwa die Modelbahnsteuerungen (MPC), Optimierer, etc.
Bei der in 1 dargestellten Anlage 10 können die mit den Steuerungseinheiten 12 verbundenen Feldgeräte 14 und 16 standardmäßige 4–20 ma-Geräte, smarte Feldgeräte, wie HART^®, Profibus^® – oder FOUNDATION^® Fieldbus-Feldgeräte sein, die einen Prozessor und einen Speicher aufweisen oder jede andere gewünschte Art von Feldgeräten sein. Einige dieser Geräte, wie die Fieldbus-Feldgeräte (mit der Referenznummer 16 in 1) können Module oder Sub-Module wie etwa Funktionsblöcke speichern und ausführen, die mit der bei den Steuerungseinheiten 12 implementierten Steuerungsstrategie verbunden sind. Die Funktionsblöcke 30, welche in 1 dargestellt sind, sind in zwei unterschiedlichen der Fieldbus-Feldgeräte 16 eingebaut, und können in Verbindung mit der Ausführung der Steuerungsmodule 29 innerhalb der Steuerungseinheiten 12 ausgeführt werden, um damit einen oder mehrere Prozesssteuerungsloops zu implementieren, was bereits bekannt ist. Natürlich können die Feldgeräte 14 und 16 von jeglicher Art sein, wie etwa Sensoren, Ventile, Transmitter, Positionsgeber etc. und die I/O-Geräte 18 jegliche Art von I/O-Geräte sein, die jedem gewünschten Protokoll für Kommunikationen oder Steuerungseinheiten wie HART^®, Fieldbus, Profibus^®, etc. entsprechen.
Darüber hinaus kann in bekannter Weise eine oder mehr der Workstations 20–22 eine Benutzerschnittstelle aufweisen, damit ein Benutzer, wie der Anwender, ein Konfigurationsingenieur, ein Administrator etc. auf das Prozessteuerungsnetzwerk innerhalb der Anlage 10 zugreifen kann. Insbesondere ist die Workstation 22 gezeigt, einschließlich eines Speichers 34, welcher eine oder mehrere Applikationen für Benutzerschnittstellen 35 speichert, welcher auf einem Prozessor 46 innerhalb der Workstation 22 ausgeführt werden kann, um mit der Datenbank 28, den Steuerungsmodulen 29 oder und deren Routinen innerhalb der Steuerungseinheiten 12 oder I/O-Geräten 18, mit den Feldgeräten 14 und 16 und den Modulen 30 innerhalb dieser Feldgeräte, etc. kommunizieren zu können, um Informationen von der Anlage zu erhalten, wie etwa Informationen hinsichtlich des fortlaufenden Status der Anlagegeräte oder des Kontrollsystems. Die Applikationen für Benutzerschnittstellen 35 können diese gesammelten Informationen auf dem Anzeigegerät 37 verarbeiten und aufzeigen, was mit einem oder mehreren Workstations 20–22 verbunden ist. Die gesammelten, verarbeiteten oder gezeigten Informationen können beispielsweise Informationen über den Prozessstatus, Alarmsignale und andere innerhalb der Anlage generierte Warnungen sowie Wartungsdaten etc. sein. Ebenso können eine oder mehrere Applikationen 39 in den Workstations 20–22 gespeichert und ausgeführt werden, um Konfigurationsaktivitäten wie das Erschaffen oder Konfigurieren der Module 29 und 30, die innerhalb der Anlage ausgeführt werden sollen, um Anwenderaktivitäten der Steuerung wie etwa Ändern der Einstellungspunkte oder andere Steuerungsvariablen innerhalb der Anlage etc. auszuführen. Natürlich soll die Anzahl und Art der Routinen 35 und 39 nicht durch die hier gegebenen Beschreibung eingeschränkt werden und eine andere Anzahl und Art der Routinen, die in Verbindung mit der Prozessteuerung zu sehen sind, kann bei den Workstations 20–22 gespeichert und implementiert sein, falls erwünscht.
Die Workstations 20–21, die Datenbank 28 und andere Steuerungseinheiten 12 der 1 werden auch als eingeschlossene Komponenten eines verteilten Simulationssystems dargestellt, das in einem verteilten Computernetzwerk, wie das in 1, implementiert werden kann. Insbesondere wird die Workstation 20 einschließlich eines Satzes von Applikationen für die Simulationsunterstützung 40 dargestellt, welche eine Applikation für Simulationskonfiguration, eine für eine Benutzerschnittstelle sowie Datenstrukturen zur Ausführung der Simulation des Aufbereitungsanlage 10 in beschriebener Weise enthalten kann. Allgemein kann ein Benutzer mit den Simulationsapplikationen 40 die Ergebnisse des verteilten Simulationssystems innerhalb des Computernetzwerks von 1 kreieren, implementieren und ansehen. Noch spezifischer umfasst das verteilte Simulationssystem verschiedene verteilte Simulationsmodule 42, die sich auf verschiedenen Computersystemen (auch als Drops bezeichnet) auf dem Computernetzwerk von 1 befinden können. Jedes der Simulationsmodule 42 speichert eine Modell, das implementiert wurde, um den Betrieb von einem individuellen Anlagenelement oder einer Gruppe von Anlagenelemente zu simulieren, und die Simulationsmodule 42 kommunizieren direkt miteinander, um eine Simulation einer größeren Portion der Anlage 10 zu implementieren. Jegliches spezielles Simulationsmodul 42 kann zum Simulieren von jeglicher Portion der Anlage 10 verwendet werden, einschließlich eines bestimmten Teils der Anlagegeräte, die mit der Verarbeitung oder dem Materialfluss zu tun hat, wie etwa ein Tank, ein Wärmetauscher, eine Steuerungseinheit, etc., oder einer Gruppe von Geräten, wie ein Aggregat. Darüber hinaus können die Simulationsmodule 42 auf verschiedenen anderen Geräten oder Drops auf dem Computernetzwerk befindlich sein und ausgeführt werden und können über beispielsweise den Kommunikationsbus 24 kommunizieren, um Daten zwischen den Simulationsmodule 42 auszutauchen, um dadurch eine Simulation einer größeren Gruppe oder Satzes von Anlagegeräten durchzuführen. Natürlich kann jede gewünschte Anzahl von Simulationsmodulen 42 sich auf einem spezifischen Drop befinden und jeder Drop wird die örtlichen Simulationsmodule 42 unabhängig von anderen Drops ausführen, um damit eine verteilte Simulation zu implementieren. Falls gewünscht, können jedoch alle der Simulationsmodule 42, die mit einer bestimmten Simulation verbunden sind, auf demselben Computer (d. h. auf dem einzelnen Drop) gespeichert und von dort ausgeführt werden und können dennoch in der hier beschriebenen Weise implementiert werden.
Auf die Simulationsapplikationen 40 kann jeder autorisierte Benutzer (wie ein Konfigurationsingenieur, ein Anwender oder andere Art von Nutzer) zugreifen und sie können zum Erschaffen und Konfigurieren eines bestimmten Vorgangs eines verteilten Simulationssystems durch Kreieren eines Satzes von Simulationsmodulen 42 und Herunterladen der Module 42 zu verschiedenen Drops innerhalb der Anlage oder Computernetzwerk verwendet werden. Wie in 1 gezeigt, können verschiedene der verteilten Simulationsmodule 42 herunter geladen werden und auf den Workstations 20–22, den Steuerungseinheiten 12, der Datenbank 28 und/oder auf jeglichem anderen Computer oder Datenverarbeitungsgerät, was mit dem Kommunikationsnetzwerk 24 verbunden ist, implementiert werden. Falls erwünscht, können sich die Simulationsmodule 42 auf anderen Datenverarbeitungsgeräten befinden und implementiert sein, die direkt verbunden sind mit dem Netzwerk 24, wie etwa in den Feldgeräten 16, in einem lokalen Geschäftsnetzwerk (LAN) oder einem weiten Netzwerk (WAN), was mit einem der Geräte von Netzwerk 24 verbunden ist. Darüber hinaus, während der Bus 24 in 1 als das Hauptkommunikationsnetzwerk dargestellt ist, um damit verschiedene Drops zu verbinden, die Simulationsmodule implementieren, können auch andere Arten von Kommunikationsnetzwerken verwendet werden, um verschiedene Drops zu verbinden, einschließlich gewünschte LANs, WANs, das Internet und drahtlose Netzwerke, etc.
Nach den Herunterladen führen die Simulationsmodule 42 individuell Funktionen aus, arbeiten aber in Verbindung miteinander, um die Simulation einer Anlage oder der Komponenten und Geräte von der Anlage durchzuführen, da sie von den Steuerungsblöcken 29 und 30 und auch von anderen Steuerungsroutinen, die in den Steuerungseinheiten 12 und möglicherweise auch in den Feldgeräten 14, 16 ausgeführt werden, gesteuert werden. Mit einem derartigen verteilten Simulationssystem kann der Benutzer verschiedenen Simulationen und Vorhersagen hinsichtlich der Anlage 10 durchführen und zwar über eine Applikation für eine Benutzerschnittstelle aus dem Satz der Simulationsapplikationen 40. Falls erwünscht, kann ein verteiltes Simulationssystem den Betrieb einer Anlage oder Teile davon simulieren, wie dies in 1 dargestellt ist oder es kann auch eine Anlage simulieren, die noch nicht gebaut wurde.
Während der Stand der Technik verteilte Simulationssysteme kennt, die Simulationskomponenten auf getrennten Computer ausführen, wobei die Simulationskomponenten Erstprinzip-Algorithmen verwenden, haben diese Simulationssysteme vom Stand der Technik Probleme dabei, eine Koordination zwischen den getrennten Simulationskomponenten herbeizuführen, weil der Bedarf besteht, Massenfluss auszugleichen, oder Druckzustände, Temperaturen etc. zwischen separaten Komponenten auszugleichen oder anzupassen. Das war insbesondere problematisch bei bestehenden Simulationssystemen, bei welchen nachgeschaltete Komponenten den Massenfluss und Druckzustände von vorgeschalteten Komponenten beeinflussten. Beispielsweise das Schließen oder Abschalten eines Ventils, was nachgeschaltet von einem Satz von Anlagekomponenten ist, beeinflusst die vorgeschalteten Massenfluss- und Druckzustände, und ein Simulationssystem muss diese Veränderungen in Betracht ziehen. In der Vergangenheit waren normalerweise verteilte Simulationssysteme (wie etwa Simulationssysteme für Prozesssteuerung) nicht in der Lage, nachgeschaltete Veränderungen beim Abbilden der vorgeschalteten Komponenten deutlich zu machen, und zwar mindestens am verteilten Modul, weil Modulberechnungen zuerst bei den vorgeschalteten Komponenten vorgenommen wurden und die Resultate dann den nachgeschalteten Komponenten weitergeleitet wurden, damit sie beim Abbilden der nachgeschalteten Komponenten verwendet werden können. Weil der Informationsfluss immer von einer vorgeschalteten Komponente zu einer nachgeschaltete Komponente ging, könnten Veränderungen der Einstellung bei nachgeschalteten Komponenten in den Modellen für vorgeschaltete Komponenten nicht in Betracht gezogen werden. Um dieses Problem beim Simulieren des Massenflusses zu lösen, hat man normalerweise eine zentrale Steuerung verwendet, um die nachgeschalteten Veränderungen zu managen und diese Veränderungen in Betracht zu ziehen und auch, um den Ausgleich zwischen Massenfluss und Druckzuständen zwischen verschiedenen verteilten Simulationselementen durchzuführen.
Das hier beschriebene verteilte Simulationssystem implementiert auf der anderen Seite eine verteilte Simulationstechnologie, was die Prozessmodelle individuell löst, so dass alle wichtigeren Geräte- und Komponentenmodelle auf Erstprinzip-Gleichungen basieren können, falls gewünscht, während nachgeschaltete Veränderungen in Betracht gezogen werden und während Massen- und Impulsausgleiche bei den verteilten Simulationsmodulen selbst erbracht werden. Des Weiteren können in diesem verteilten Simulationssystem die Modellgleichungen schrittweise gelöst werden, wobei keine strenge Ausführungsreihenfolge und auch keine zentrale Steuerung erforderlich ist, was effektiv den Lösungsprozess und die Fehlerbeseitigung vereinfacht und wobei mehr Flexibilität für zukünftige Modifizierungen und Erweiterungen gewährt wird, weil die Systemarchitektur verteilt ist.
Wie oben angemerkt ist, entsteht eine der Schwierigkeiten bei einem verteilten Simulationsansatz dadurch, weil interagierende Informationen über Simulationsmodule von verschiedenen Gerätekomponenten synchronisiert werden müssen. Insbesondere besteht keine Garantie, weil die Modellgleichungen separat und basierend auf individuelle Eigenschaften der Komponenten gelöst werden, dass das berechnete Ergebnis einer Modellkalkulation den Konditionen entspricht, die von einem anderen Modul errechnet wurden. Ein einfaches Beispiel von diesem Problem kann bei dem Fall von zwei Kaskade-Wärmetauschern mit Dampf und Rauchgas (die normalerweise bei industriellen Boilersystemen verwendet werden), bei welchen der Dampfstromausgang des ersten Wärmetauschers mit dem Dampfstromeingang des zweiten Wärmetauschers über ein Rohr (oder Rohrsystem) verbunden ist, aufgezeigt werden. Bei jedem Zustand des Systems müssen die Ein- und Ausgänge der zwei Wärmetauscher entsprechende Stromraten aufweisen (wobei Rohrdynamiken vernachlässigt werden), weil es keinen anderen Weg für Dampf gibt, um in das System einzudringen oder auszutreten. Wenn jedoch die Gleichungen des Erstprinzip-Modells für jeden Wärmetauscher individuell gelöst werden, dann können die resultierenden Massenflussraten für die zwei Wärmetauscher nicht konsistent sein.
Eine weitere Schwierigkeit bei der Implementierung dieser sequenziellen Lösungsmechanismen bezieht sich auf die Richtwirkung der Ausführungsreihenfolge der Komponenten. Bei einem normalen Steuerungsschema mit grafischer Drag-and-Drop-Aufmachung wird jede individuelle Komponente sequenziell in eine Richtung hin gelöst. Eine Komponente sendet ihre Berechnungsergebnisse von ihrer Outputseite zu der Inputseite der nächsten verbundenen Komponente. Die vorgeschaltete Komponente zieht jedoch nicht die Berechnungsergebnisse (und auch nicht jegliche Zwischenergebnisse) von einer nachgeschalteten Komponente in Betracht. In anderen Worten, wenn kein ausdrückliches Feedback von der nachgeschalteten Komponente an die vorgeschaltete Komponente abgegeben wird, werden Prozessveränderungen in der nachgeschalteten Komponente nur dann bei der vorgeschalteten Komponente reflektiert, wenn eine große Menge von globalen Variablen definiert sind. Es ist jedoch normalerweise nicht wünschenswert, globale Variablen bei Prozesssteuerungssystemen oder Anlagesteuerungssystem zu verwenden, und insbesondere bei verteilten Steuerungssystemen, weil solche globalen Variablen einschränken und Probleme beim Betrieb der verteilten Komponenten verursachen können, welche derart konzipiert sind, jegliche lokalen Variablen zuzuordnen und verwenden zu können, ohne dass dabei die Sorge entsteht, das andere Komponenten im System gestört werden.
Um diesen Ansatz so nahe wie möglich an einer hohen Wiedergabetreue in einer grafisch aufbereiteten kommerziellen Simulationsumgebung anzulehnen, werden drei Strategien in dem hier beschriebenen verteilten Simulationssystem implementiert und ausgeführt. Zunächst wird ein Rohrmechanismus ausgeführt, der die Flussraten in allen verbundenen Teilen abgleicht. Zweitens werden alle Werte, die vom System während der Laufzeit verwendet werden in einer Datenstruktur gehalten, die als ein Datensatz bezeichnet wird, was eine Sammlung von verwandten Werten darstellt. Das System identifiziert alle Datensätze unter Verwendung eines einzigartigen numerischen Identifiers, der als System-ID bezeichnet wird. Jedem Algorithmusblock der Simulation wird ein Datensatz zugeordnet, der alle Konfigurationsinformationen über das Modell für diesen Simulationsblock beherbergt. Des Weiteren werden, sobald die System-ID eines Modellalgorithmus bekannt ist, nicht nur die in ihrem Datensatz gespeicherten Konfigurationsinformationen verfügbar, sondern auch alle dynamischen Informationen, die während der Laufzeit durch das Simulationsmodul oder durch den entsprechenden Modellalgorithmus errechnet wurden. Diese System-IDs der Algorithmusdatensätze können zur Ausführung einer Art von zwischen dem Prozess stattfindender Kommunikation zwischen Algorithmen oder Simulationsblöcken dienen. Bei einem Fall kann die System-ID eines Simulationsalgorithmus einem Signalstift in der grafischen Control Builder-Umgebung zugeordnet werden, wodurch der Benutzer die Signale verbinden kann, um damit Informationspfade zu definieren. Mit dieser Methodik kann der Benutzer einen Flussstrom (z. B. Wasserstrom, Dampf, oder jedes andere Medium) zwischen zwei Simulationsmodulen oder Algorithmusblöcken definieren, indem er einfach die Signale der Algorithmusdatensätze verbindet.
Drittens wird in einer zeitdiskreten Computerimplementierung eine schnelle Abtastrate verwendet, um die Propagationsverzögerung von Komponente zu Komponente zu reduzieren und insbesondere, wenn die Propagationsrichtung nicht gleich ist wie die der sequenziellen Ausführungsreihenfolge. Bei Ausnutzung der verteilten Natur der verteilten Steuerungssystemplattform kann die Erfüllung dieser Anforderung beinahe garantiert werden. Theoretisch kann jegliche gewünschte Erweiterung, Vergrößerung oder Hinzufügung zu dem Simulationssystem durch Hinzufügung einer weiteren Verarbeitungseinheit zum Netzwerksystem ermöglicht werden.
Während das hier beschriebene verteilte Simulationssystem bei jeder gewünschten Art von Anlage verwendet werden kann, um den Materialfluss durch die Anlage (Flüssigkeiten, Gase oder sogar Festkörper) zu simulieren, wird hier ein Beispiel eines verteilten Simulationssystem beschrieben, was bei der Simulation von einem Kraftwerk verwendet wird, was mit Hilfe von verteilten Steuerungsverfahren gesteuert wird. Das hier beschriebene Simulationsverfahren kann jedoch bei anderen Arten von Anlagen und Steuerungssystemen verwendet werden, einschließlich industrieller Fertigungsbetriebe, Aufbereitungsanlagen und Anlagen für die Wasser- und Abwasserbehandlung, etc. sowie für Steuerungssysteme, die zentral oder verteilt implementiert sind.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Boilerdampfzyklus von einem normalen Boiler 100, der zum Beispiel von einem thermischen Kraftwerk benutzt werden kann.
Der Boiler 100 umfasst verschiedene Abschnitte, in denen Dampf oder Wasser in verschiedenen Formen wie etwa Heißdampf oder nacherwärmter Dampf etc. strömt. Während der in 2 gezeigte Boiler 100 verschiedene Boilerabschnitte aufweist, die horizontal angeordnet sind, können eine oder mehrere der Boilerabschnitte bei einer tatsächlichen Implementierung vertikal positioniert sein, besonders deshalb, weil Rauchgase vertikal aufsteigen, die den Dampf in verschiedenen Boilerabschnitten aufheizen, wie etwa an einem Wandabschnitt für die Wasseraufnahme.
Jedenfalls umfasst der in 2 gezeigte Boiler 100 einen Wandabschnitt für die Wasseraufnahme 102, einen primären Abschnitt für Heißdampfaufnahme 104, einen Abschnitt für Heißdampfaufnahme 106 und einen Nacherwärmungsabschnitt 108. Des Weiteren umfasst der Boiler 100 eine oder mehrere Nicht-Überhitzer 110 und 112 und einen Vorwärmerabschnitt 114. Der Dampf, der vom Boiler 100 generiert wurde, wird zum Antrieb einer Hochdruckturbine (HP) 116 verwendet, während der Heißdampfstrom und der Nacherwärmdampf von dem Nacherwärmungsabschnitt 108 dazu verwendet wird, eine Zwischendruckturbine (IP) 118 anzutreiben. Normalerweise kann der Boiler 100 auch dafür verwendet werden, eine Niedrigdruckturbine (LP) anzutreiben, die in 2 nicht gezeigt wird.
Der Wandabschnitt für die Wasseraufnahme 102, die hauptsächlich den Dampf generiert, umfasst eine Reihe von Rohren, durch welche der Dampf in eine Trommel eindringt. Der Wasserzufluss dringt auf den Wandabschnitt für die Wasseraufnahme 102 ein und kann durch den Vorwärmerabschnitt 114 gepumpt werden. Der Wasserzufluss absorbiert eine große Menge von Hitze, wenn er sich in dem Wandabschnitt für die Wasseraufnahme 102 befindet. Der Wandabschnitt für die Wasseraufnahme 102 hat eine Dampftrommel, welche sowohl Wasser als auch Dampf enthält. Der Wasserstand in der Trommel muss sorgfältig überwacht werden. Der am oberen Ende der Dampftrommel gesammelte Dampf wird in einen primären Abschnitt für Heißdampfaufnahme 104 und dann in einen Abschnitt für Heißdampfaufnahme 106 eingespeist, welche zusammen die Dampftemperatur auf ein sehr hohes Niveau erhöhen. Der Dampfoutput von dem Abschnitt für Heißdampfaufnahme 106 treibt die Hochdruckturbine 116 an, um dadurch Strom zu erzeugen.
Nachdem der Dampf die Hochdruckturbine 116 antreibt, wird der Abdampf in den Nacherwärmungsabschnitt 108 geführt, und der heiße Heizdampf, aus dem Nacherwärmungsabschnitt 108 kommend, wird zum Antrieb der Zwischendruckturbine 118 verwendet. Die Nicht-Überhitzer 110 und 112 können zur Steuerung der resultierenden Dampftemperatur zu gewünschten Einstellungspunkten verwendet werden. Zuletzt kann der Dampf von der Zwischendruckturbine 118 in eine Niedrigdruckturbine (nicht gezeigt) oder einen Dampfkondensator (nicht gezeigt) gespeist werden, wo der Dampf dann in eine flüssige Form kondensiert wird und der Zyklus beginnt wieder bei verschiedenen Einspeiseröhren für den Boiler, der den Wasserzufluss für den nächsten Zyklus einpumpt. Der Vorwärmerabschnitt 114 befindet sich im Fluss der heißen Abdampfgase, die vom Boiler austreten und verwendet diese heißen Gase, um zusätzlich Hitze dem Wasserzufluss zuzuführen, bevor dieser in den Wandabschnitt für die Wasseraufnahme 102 eindringt.
3 zeigt einen Satz von Simulationsmodulen 42, die in einer verteilten Weise implementiert oder verwendet werden, um den Betrieb des Boilerdampfzyklus von 2 zu simulieren. Wie aus 3 erkenntlich wird, umfassen die verteilten Simulationsmodule 42 getrennte Simulationsmodule für jede der Haupt-Anlageelemente, die in 2 gezeigt werden, einschließlich ein Simulationsmodul für den Wandabschnitt für die Wasseraufnahme 102S, ein Simulationsmodul für den primären Abschnitt für Heißdampfaufnahme 104S, ein Simulationsmodul für den Abschnitt für Heißdampfaufnahme 106S, ein Simulationsmodul für den Nacherwärmungsabschnitt 108S, Simulationsmodule 110S und 112S für die Nicht-Überhitzer, ein Simulationsmodul für den Vorwärmerabschnitt 114S und Simulationsmodule 116S und 118S für die Turbinen. Natürlich umfassen diese Simulationsmodule Modelle von Anlageelementen, welche in Form von Erstprinzip-Gleichungen sein können, oder jegliche andere Art von gewünschten Modellen, die den Betrieb dieser Elemente abbilden können, um simulierte Ausgaben für die entsprechenden Anlagegeräte von 2 zu erstellen und zwar auf Basis der empfangenen Eingaben. Während eine getrenntes Simulationsmodul in 3 für jede der Hauptkomponenten der Anlage von 2 gezeigt wird, können Simulationsmodule auch für Nebenkomponenten der Komponenten der 2 erstellt werden oder es kann eine einziges Simulationsmodul erstellt werden, was verschiedenen Anlagenkomponenten von 2 kombiniert.
Jedenfalls umfasst das in 3 gezeigte verteilte Simulationssystem auch die Simulationsmodule P1–P8 für Rohre, die zwischen den oben beschriebenen Simulationsmodulen der Anlage integriert sind. Der allgemeine Betrieb der Simulationsmodule P1–P8 für Rohre wird weiter unten genauer beschrieben. Sie sind jedoch hauptsächlich verantwortlich für die Abbildung des Flusses zwischen den Simulationsmodulen der Anlageelemente und geben Feedback von nachgeschalteten Simulationsmodulen zu vorgeschalteten Simulationsmodulen und implementieren Ausgleichsgleichungen für Massenfluss und Eigendynamik, um die Simulationen der Simulationsmodule für verschiedene Anlagenelemente auszugleichen. Daher kann allgemein ausgedrückt das verteilte Simulationsverfahren und das hier beschriebene System eine Reihe von getrennten Simulationsmodulen verwenden, wobei jedes Simulationsmodul eine unterschiedliche aktive Komponente im Prozess oder der Anlage, die simuliert wird (hier als Simulationsmodule für Anlageelemente bezeichnet), abbilden oder repräsentieren oder ein Verbindungselement in der Anlage (hier als Simulationsmodule für Rohre bezeichnet) abbilden oder repräsentieren. Im Betrieb kann jedes Simulationsmodul getrennt ausgeführt werden, entweder in einem gemeinsamen Computer oder einer Datenverarbeitungseinheit oder in getrennten Computer oder Datenverarbeitungseinheiten, wodurch parallele und verteilte Datenverarbeitung möglich wird. Daher können beispielsweise unterschiedliche Simulationsmodule von 3 bei verschiedenen Arten von den Workstations 20–22 von 1, den Steuerungseinheiten 12 von 1, den Feldgeräten 16 von 1, der Datenbank 28 von 1, etc. ausgeführt werden.
Wie oben angedeutet und wie in 3 gezeigt, umfasst jedes der Simulationsmodule von 3 eines oder mehrere ausführbare Modelle 202 zur Abbildung des Betriebs eines zugeordneten Anlageelements oder Rohr und die Simulationsmodule arbeiten, um diese Modelle 202 zu implementieren, um wiederum den Betrieb der Anlageelemente basierend auf den Eingängen, die zu den Anlagenelementen gehen (in Form von Flüssigkeiten, Festkörper, Steuerungssignale, etc.) zu simulieren. Bei den meisten Fällen führen die Simulationsmodule eine Simulation basierend auf den Anzeigen von einem Zugang (z. B. eine Flüssigkeit, ein Gas etc.) von einem vorgeschalteten Simulationsmodul durch und produzieren eine oder mehrere Anzeigen für Ausgänge, was einen Ausgang im Prozess oder bei dem Anlagenelement (z. B. eine Flüssigkeit, ein Gas etc.) darstellt. Die bei den Simulationsmodulen für Anlageelemente verwendeten Modelle 202 können Erstprinzip-Modelle oder andere angemessene Arten von Modellen für das spezifische Gerät, was simuliert wird, sein. Die Simulationsmodule für Rohre P1–P8 von 3 umfassen auch Modelle 202 oder einen Satz von Gleichungen, die Ausgleichsroutinen für Massenfluss oder Eigendynamik implementieren, um damit einen Ausgleich von Massenfluss, Druck etc. zwischen verschiedenen Elementen der Prozesssimulation herzustellen.
Wichtig ist dabei, dass eine oder mehrere der Modelle 202 von 3 derart entwickelt und konfiguriert sind, um den Betrieb eines Anlagenelements unter Verwendung von einer oder mehreren Prozessvariablen (z. B. Druck, Temperatur, Flussrate, etc.), die mit einem vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodul verbunden sind, abzubilden und einen Ausgleich der Druckvarianten, Flussraten, Temperaturen, etc. zwischen den Simulationsmodulen herbeizuführen, so dass eine Erhaltung der Masse, etc. über verschiedene Simulationsmodule hinweg sicher gestellt wird. Des Weiteren verwendet ein Modell für ein bestimmtes Simulationsmodul nachgeschaltete Informationen (d. h. Druck, Temperatur, Flussrate, etc. von nachgeschalteten Simulationsmodulen), um eine Simulation des zugeordneten Anlageelement durchzuführen und die Information fließt automatisch von nachgeschalteten Elementen zu vorgeschalteten Elementen und diese Information wird in sukzessiven Simulationszyklen verwendet und führt damit zu einer genaueren allgemeinen Simulation.
Es gibt, wie oben angedeutet, zwei Basisarten von typischen Simulationsmodulen, einschließlich Simulationsmodule für Prozesselemente und Simulationsmodule für Rohre. Hier verwendete Simulationsmodule für Prozesselemente simulieren Anlageelemente, die eine Erhöhung oder Reduzierung von Massenfluss erwirken oder eine Erhöhung oder Reduzierung von mechanischer Energie, und zwar neben den Zugangspunkten und Ausgangspunkten herbeiführen, obwohl auch andere Anlageelemente von Simulationsmodulen für Prozesselementen abgebildet werden können. Beispiele für Elemente der Prozesssimulationen umfassen Wärmetauscher, Boilers, Überhitzer, Tanks, etc. Das Konzept eines Rohrsimulationsmoduls, wie es hier verwendet wird, umfasst alle Arten von Verbindungsgeräten, die nur an der Eingangsseite und der Ausgangsseite eine Erhöhung oder Reduzierung von Massenfluss oder eine Erhöhung oder Reduzierung von mechanischer oder thermischer Energie aufweisen. Simulationsmodule für Rohre können auch, einschließlich und nicht beschränkt auf, Simulationen von tatsächlichen Rohren (lang und kurz), Ventile, Verbindungen, Splitter, etc. umfassen. Simulationsmodule für Rohre werden meistens dafür verwendet, um ein neues Simulationsverfahren einzubringen, wobei Ausgleich von Massenfluss zwischen verteilten Simulationsmodulen durchgeführt wird. Während der Implementierung dieser Ausgleichsgleichungen geben die Simulationsmodule des Rohrs auch Feedback von nachgeschalteten Simulationsmodulen zu vorgeschalteten Simulationsmodulen, um damit Ereignisse oder Variablen, die bei den nachgeschalteten Simulationsmodulen geschehen sind, auch bei den nachgeschalteten Simulationsmodulen relativ schnell in Betracht gezogen werden, wobei keine zentrale Steuerung benötigt wird.
Damit dies angemessen ohne zentrale Steuerung geschieht, erhält jedes der Simulationsmodule der 3 Informationen direkt von den unmittelbar vorgeschalteten und nachgeschalteten Simulationsmodulen, wobei diese Informationen bestimmte Prozess- und Steuerungsvariablen beinhaltet, die in den vorgeschalteten und nachgeschalteten Simulationsmodule errechnet wurden und sich darauf beziehen. Zur Implementierung dieser Kommunikationsstruktur umfasst jedes der Simulationsmodule der 3 ein oder mehrere Datenspeicherorte 210, die eindeutig mit dem Simulationsmodul verbunden oder zugeordnet sind und welche Information von einem vorgeschalteten und/oder nachgeschalteten Simulationsmodul zur Verwendung bei diesem Simulationsmodul während der Abbildungsprozedur verfügbar macht. Genauere Informationen über diese Speicherungs- und Kommunikationsstruktur wird weiter unten erörtert.
Jedenfalls kann jedes der Simulationsmodule der 3 und auch die Simulationsmodule für Rohre P1–P8 einen Massenflussausgleich zwischen den Eingängen und Ausgängen von zwei oder mehreren verbundenen Simulationsmodulen durchführen und zwar auf die Art und Weise, dass kleine Ungenauigkeiten der Berechnung in der ganzen Simulation verbessert und in Betracht gezogen werden und auch dass Veränderungen bei dem nachgeschalteten Simulationsmodul des Anlageelements beim vorgeschalteten Simulationsmodul des Anlageelements verwendet und in Betracht gezogen werden. Allgemein verwendet jedes Simulationsmodell 202 Prozessvariablen, wie etwa Druck, Temperatur, Flussrate, etc. sowohl vom unmittelbar vorgeschaltete Simulationskomponenten und den unmittelbar nachgeschalteten Simulationskomponenten, um den Massenfluss oder andere Variablen zwischen den Ausgängen der vorgeschalteten und nachgeschalteten Komponenten auszugleichen und um eine Simulationsergebnis sicherzustellen, was ausgeglichen ist (z. B. Massenfluss erhalten) und dies über viele Simulationskomponenten hinweg.
Ein Teil des vereinfachten Simulationssystems 300 ist in 4 gezeigt und wird dafür verwendet, den Betrieb eines Rohrsimulationsmoduls in Verbindung mit einem vorgeschalteten und einem nachgeschalteten Simulationsmodul eines Anlageelements zu zeigen sowie eine Art, wie ein Rohrsimulationsmodul den Ausgleich von Massenfluss unter Verwendung von vorgeschalteten und nachgeschalteten Simulationvariablen implementieren kann. Das beispielhafte Simulationssystem 300 von 4 beinhaltet zwei Simulationsmodule 302 und 304 für die Anlagenelemente Überhitzer, die mit einem Simulationsmodul für eine Rohr 306 verbunden sind. Der Ablauf des ersten (vorgeschalteten) Simulationsmoduls 302 für Überhitzer und der Einlauf des zweiten (nachgeschalteten) Simulationmoduls 304 sind im Flusspfad mit der Einlaufstelle und der Auslaufstelle des Rohrmoduls 306 verbunden, wobei ein Flusspfadsignalsstift verwendet wird. Bei dieser Konfiguration können verschiedene Flusstromwerte zwischen den Algorithmen der Simulationsmodule 302–306 als ein Vektor für Information durchlaufen und dadurch kann der Algorithmus der Rohrsimulation auf die berechneten Ausflussdruckwerte des nachgeschalteten verbundenen Modellalgorithmus des Simulationsmoduls 304 Zugriff nehmen.
Im Allgemeinen berechnen die mit den Simulationsmodulen 302 und 304 für Anlageelement verbundenen Algorithmen eine Ausflussvariable, wie etwa Druck, auf die Art, dass nachgeschaltete Variablenwerte verwendet werden, so dass dadurch eine genauere Simulation ermöglicht wird, da die Prozessvariablen wie etwa Druck, Temperatur und Flussrate über mehrere Simulationsmodule mit diesem Verfahren ausgeglichen werden. Beispielsweise wird der Modellalgorithmus des Rohrs innerhalb des Simulationsmoduls 306 derart gestaltet, dass er Flussraten zwischen verschiedenen Komponenten (in diesem Fall zischen den Überhitzern 302 und 304) ausgleicht, und der Auslaufdruck P_x des Rohrsimulationsmoduls 306 dient dabei als der wichtigste Ausgleichsfaktor.
Während dem Betrieb berechnen die Modelle in den Simulationsmodulen 302 und 304 der Überhitzer den Auslaufdruck mit der Bezeichnung P₁ und P₂ für die Überhitzer 302 und 304. Der Einlaufdruck für Überhitzer 304 wird mit P_x bezeichnet.
Bei diesem Beispiel veröffentlich der Algorithmus von jedem Simulationsmodul 302 und 304 seinen berechneten Wert für Auslaufdruck als Teil des Speichers, der von den Algorithmen gemeinsam benutzt wird und zwar auf eine Weise, die weiter unten genauer beschrieben wird. Als Ergebnis kann der Algorithmus, der direkt vorher im Flusspfad (vorgeschaltet) verbunden ist, auf den Auslaufdruck von jeder bestimmten Komponente zugreifen. In der Anreihung der Simulation in 4 berechnet das Modell für das Simulationsmodul 304 des Überhitzers einen Auslaufdruck P₂, während das Modell für das Simulationsmodul 302 des Überhitzers einen Auslaufdruck P_i berechnet. Das Rohrelement 306 wird als verlustfrei angenommen und daher sollten die Druckwerte P₁ und P_x identisch sein. In dem Fall, dass das Rohr nicht verlustfrei ist, sind die Druckwerte für P₁ und P_x nicht gleich, und sie unterscheiden sich um die Druckdifferenz, die zwischen den zwei Enden der Rohrelemente (oder der Druckverlust entlang des Rohrelements) besteht.
Jedenfalls gibt es keine Garantie, dass der Auslaufdruck eines bestimmten Geräteteils gleich dem Einlaufdruck ist, der beim nächsten nachgeschalteten Gerät bei jeder Abfragezeit besteht, weil jedes Gerätemodell (oder jedes Modell eines Teils von einem Gerät) individuell berechnet wird. Deshalb muss ein Ausgleichsmechanismus vorhanden sein, um sicherzustellen, dass diese Massenflussraten zusammenpassen. Dieser Mechanismus wird durch die Berechnung des Auslaufdruckwerts P_x in dem Simulationsmodul 306 des verbindenden Rohrs implementiert. Die Berechnungen, welche von dem Rohrsimulationsmodul 306 durchgeführt werden können, um die Druckwerte und den Massenfluss zwischen den Simulationsmodulen 302 und 304 in 4 auszugleichen, werden weiter unten erörtert.
In diesem Fall stellt die Gleichung (1) den Massenfluss des Rohrelements 306 und den Massenfluss weg vom Rohrelement 306 miteinander gleich, was bei einer gleich bleibenden Situation und einem verlustfreien Rohr der Fall sein sollte. ṁ_in = ṁ_out (1)
Für jedes Rohrelement in der Simulation wird angenommen, dass die Beziehung der Gleichung (1) in einem beständigen Status gültig ist. Das heißt, dass der Massenfluss in das Rohr und der Massenfluss weg vom Rohr gleich sind. Der Massenfluss durch das Rohrelement 306 kann jedoch als eine Funktion einer Quadratwurzel der Druckdifferenz zwischen zwei Punkten im Flusspfad ausgedrückt werden. Diese quadratische Beziehung zwischen Druck und Flussrate ist eine wichtige Betrachtung, da dadurch die physikalische Betriebsweise der Anlage besser dargestellt werden kann. Diese Beziehung wird hier für den ersten Überhitzer 302 der 4 in der Gleichung (2) unten gezeigt.
Ebenso wird der Massenfluss durch den zweiten Überhitzer 304 von 4 durch diese Gleichung (3) dargestellt.
Bei beiden Gleichungen (2) und (3) stellt jeder der K-Werte eine Leitfähigkeit der entsprechenden Komponenten dar und stellt auch eine Funktion der physikalischen Eigenschaften der verbundenen Komponenten dar. Diese K-Werte können von den physikalischen Werten für die Komponente errechnet werden, können aus empirischen Testdaten oder auf jegliche andere Art bestimmt werden und diese Werte können den Konfigurationsparametern für den Algorithmus der Rohrabbildung, was im Rohrsimulationsmodul 306 verwendet wird, hinzugefügt werden. Der Druckwert P_x kann durch Substituieren der Gleichungen (2) und (3) mit Gleichung (1) errechnet werden, was zum Ergebnis hat:
Hier ist der Druck P_x ein gewichteter Durchschnitt der Druckwerte P₁ und P₂. Nachdem der Druck P_x erhalten wurde, kann die entsprechende Flussrate an beiden Enden des Rohrelements 306 mit den Gleichungen (2) und (3) berechnet werden, was auch als Flussausgleich bezeichnet wird. Dabei ist es wichtig, hier anzumerken, dass bei dieser Berechnung nicht angenommen wird, dass die Flussrichtungen im Voraus bekannt sind. Stattdessen ist die Flussrichtung vollkommen abhängig von den unterschiedlichen Werten der Druckwerte P₁ und P₂. Darüber hinaus versteht es sich, dass der Betrieb des Rohrelements 306, bei Berechnen des Eingangsdrucks P_x des Simulationselements 304 des zweiten Überhitzers sowie der Massenflussrate in den und weg von dem Simulationselement 304 des zweiten Überhitzers, einen Ausgleich der Gleichungen für Massenfluss und Druckwerte zwischen den Simulationselementen 302 und 304 ausführt, wobei eine genaue Simulation des gesamten Systems sichergestellt wird, ungeachtet dessen, dass verschiedenen Modelle auf unterschiedlichen Computer ausgeführt werden.
Falls erwünscht, können dynamische Elemente den Berechnungen für Druck und Massenfluss, die vom Rohrsimulationselement 306 durchgeführt werden, hinzugezogen werden, indem zum Beispiel Tiefpassfilter verwendet werden. Bei diesem Fall können die dynamische Elemente des Ausgangsdrucks und -Flussrate am Rohr derart befestigt werden, indem der berechnete Druckwert P_x durch einen Tiefpassfilter geführt wird. Vorzugsweise sollten die Filterparameter einstellbar sein, damit verschiedene dynamische Elemente abgebildet werden können.
Jedenfalls ist es wichtig, hier anzumerken, dass der Ausgleichsprozess, der von dem Rohrsimulationsmodul 306 implementiert wurde, den Fluss vom Ausgang des vorgeschalteten Moduls 302 zu dem Ausgang des nachgeschalteten Moduls 304 basierend auf den Drücken an diesen Punkten misst und ausgleicht, die von den Modellen innerhalb der Simulationsmodule 302 und 304 festgestellt wurden. Des Weiteren, weil der Rohralgorithmus im Rohrsimulationsmodul 306 eine Druck verwendet, der mit dem nachgeschalteten Element verbunden ist und in diesem Fall der Ausgang des nachgeschalteten Elements 304, um den Fluss zu berechnen, der vom vorgeschalteten Element ausfließt und in manchen Fällen, um den Druck am Ausgang des vorgeschalteten Element auszugleichen, werden Veränderungen des Betriebs des nachgeschalteten Element 304s grundsätzlich zum vorgeschalteten Element kommuniziert, welches die Massenflussrate und den Ausgangsdruck bei seinem nächsten Berechnungszyklus verwenden wird. Daher werden Veränderungen der Variablen, wie etwa Massenfluss, Temperaturen, etc. in einem nachgeschalteten Element nach vorne während nachfolgender Simulationszyklen weitergegeben und im Abbilden des vorgeschalteten Elements während des nächsten Simulationszyklus des vorgeschalteten Elements berücksichtigt.
Ein mehr allgemeines Beispiel einer Abbildung wird jetzt in Zusammenhang mit 5 aufgezeigt, wo eine Rohrsimulationsmodul zum Abbilden vom Betrieb eines Flussteilers in Verbindung mit nachgeschalteten Komponenten aufgezeigt. Bei diesem Fall wird eine Eingangskomponente (vorgeschaltete Komponente) 502 mit dem Eingang eines Rohrelements 504 verbunden und der Ausgang des Rohrelements 504 mit einem Verbindungselement 506, was spaltet oder vermischt. Das Verbindungs- und Spaltungselement 506 wird so abgebildet, dass alle Druckmessungen am Verbindungseingang und -ausgang gleich sind. Wie im Beispiel von 4 die Simulationskomponente 502 am Eingang und alle Simulationskomponenten 508 (nachgeschaltete vom Verbindungs- und Spaltungselement 506) am Ausgang berechnen oder führen ihre entsprechenden Modellkalkulationen individuell und auf sequenzielle Weise durch. Diese Komponenten können jedes Gerät oder Teile von einem Gerät einschließlich das Rohr selbst repräsentieren und abbilden. Um einen Satz von leicht lösbaren Gleichungen zu formulieren, ohne dabei die Allgemeingültigkeit zu verlieren, wird angenommen, dass die Richtungen aller Flussbewegungen um die Verbindung 506 vorher schon bekannt sind. Die folgende Ableitung geht von Flussrichtungen aus, die in 5 mit Pfeilen verdeutlicht werden.
Es wird angenommen, dass der Massenfluss am Eingang des Rohrelements 504 und am Ausgang des Rohrelements 504 zu einer gleichen Rate fließt. Dieser Flusswert ist also gleich der Summation aller Flussbewegungen am Verbindungsausgang (Massenausgleich) des Verbindungselements 506. Daher:
Die Gleichung zur Berechnung der Flussbewegungen am Rohreingang ist dieselbe wir Gleichung (2) oben und kann in diesem Fall so wiedergegeben werden:
Wobei K₁ einen Wert für die Rohrleitfähigkeit darstellt.
Die Gleichung zur Berechnung einer jeden der Massenflüsse nach dem Verbindungsstück wird auf eine ähnliche Weise wie bei Gleichung (3) abgeleitet.
wobei K_i den entsprechenden Wert für die Gerätleitfähigkeit darstellt.
Daher und laut der Gleichung 1A,
Diese Gleichung muss sich auf einen nichtlinearen Löser verlassen, um den Wert für P_x zu erhalten. Ein Verfahren zur Lösung dieser Gleichung für P_x lautet wie folgt:
Schritt 1: Initialisierung
Wenn die Berechnung im ersten Durchgang erfolgt, dann
Andererseits, eine anfängliche P_x(k) = P_x(k – 1).
Schritt 2: Linearisierung
Linearisierung ermöglicht das Lösen auf eine schnelle Art einer Schätzung für P_x. Dieses schnell gelöste P_x kann als ein Anfangswert für den nächsten Schritt im nicht linearen Lösungsprozess oder direkt für die endgültige Lösung verwendet werden.
Schritt 2.1: P_x(k), was von Schritt 1 stammt, wird als Betriebspunkt der Linearisierung gewählt. P_x(k) wird als P₀ definiert. Für die einfachere Schreibweise wird f = ṁ verwendet. In diesem Fall können die Flussraten beim Betriebspunkt der Linearisierung wie folgt berechnet werden:
Wobei P₁ und P_i die letzten verfügbaren Berechnungen für die Druckvariablen (in Abhängigkeit der Ausführungsreihenfolge des Algorithmus) sind.
Schritt 2.2: Für Flussraten innerhalb des Bereichs der Linearisierung:
Gemäß Gleichung 1A:
P_x kann jetzt wie folgt gelöst werden:
Dieses P_x kann nun direkt in der Lösung oder als die Anfangsbedingung für den nächsten Schritt verwendet werden.
Schritt 3: P_x vom vorherigen Schritt dient als Anfangsbedingung und nun erfolgt das Lösen der Gleichung (5) für P_x. Natürlich kann, nachdem der Wert von P_x berechnet wurde, der Massenfluss durch Rohrelement 504 und durch jedes der nachgeschalteten Elemente 508 leicht bestimmt werden.
Als Spezialfall der oben dargestellten allgemeinen Situation kann als ein normaleres Szenario eine Drei-Wege-Verbindung bei der Rohrkonfiguration verwendet werden. Bei dieser Situation kann der Wert für P_x in einer geschlossenen analytischen Form gefunden werden. Die rechnerische Ableitung kann wie folgt dargestellt werden:
Angefangen bei der Gleichung für Massenfluss:
erhält man die Gleichung unten: A·P 2 / x + B·P_x + C = 0 Wobei: A = K 4 / 1 + K 4 / 2 + K 4 / 3 + 2K 2 / 1K 2 / 2 + 2K 2 / 1K 2 / 3 – 2K 2 / 2K 2 / 3 B = –2·(K 4 / 1P₁ + K 4 / 2P₂ + K 4 / 3P₃ + K 2 / 1K 2 / 2P₁ + K 2 / 1K 2 / 3P₁ + K 2 / 2K 2 / 1P₂ + K 2 / 3K 2 / 1P₃ – K 2 / 2K 2 / 3P₂ – K 2 / 2K 2 / 3P₃ C = K 4 / 1P 2 / 1 + K 4 / 2P 2 / 2 + K 4 / 3P 2 / 3 + 2K 2 / 1K 2 / 2P₁P₂ + 2K 2 / 1K 2 / 3P₁P₃ – 2K 2 / 2K 2 / 3P₂P₃ P_x kann mit einer standardmäßigen quadratischen Gleichungsformel errechnet werden:
Für das Spaltungs- und Verbindungselement ist in diesem Fall das Minuszeichen vor der Quadratwurzel bei der obigen Gleichung ausgewählt worden.
Obwohl die Gleichung für einen Algorithmus einer Spaltungsverbindung gilt, kann eine Gleichung für den Algorithmus einer Mischungsverbindung auf unkomplizierte und ähnliche Weise geschrieben werden, nur dass hier am Anfang der Wurzel ein Pluszeichen gewählt wird. Wenn einmal der Druck P_x errechnet wurde, kann der Massenfluss errechnet werden, um den Massenfluss vom vorgeschalteten Element über das Spaltungs- und Verbindungselement bis zu den nachgeschalteten Elementen auszugleichen.
Obwohl Beispiele der Algorithmen für Massenflussrate und für Druckausgleich hier in Bezug auf Simulationsmodule für Rohre beschrieben werden, können ähnliche Algorithmen für Massenfluss und Druckausgleich für andere Komponentenarten entwickelt werden, die in einem Simulationssystem, wie es hier beschrieben ist, einschließlich zum Beispiel Tanks, Wärmetauscher, etc. verwendet werden.
Bei einem Fall kann ein Tankmodell einen Ausgleich für Druck und Flussrate mithilfe von nachgeschalteten Komponentenvariablen implementieren, um einen Ausgleich von Druck, Temperatur oder Massenfluss zwischen benachbarten Simulationsmodulen herbeizuführen. Bei dem Tankmodell kann die Massenausgleichsgleichung wie folgt geschrieben werden: dM/dt = m_in – m_out wobei „d” für Ableitung, M für die Gesamtmasse im Tank, t für Zeit, m_in für den Fluss, der in den Tank geht, und m_out für den Fluss, der aus dem Tank geht, verwendet wird.
Eine Berechnung der Flussbewegungen am Eingang und am Ausgang kann durch die folgende Rohrformel durchgeführt werden: m_in = K₁·(P_in – P_tank_in)^½ m_out = K₂·(P_tank_out – P_next)^½ wobei K₁ und K₂ die Eingangsflussleitfähigkeit des Tanks und der nächsten verbundenen Einheit, P_in der Eingangsdruck am Eingang des Eingangsrohrs des Tanks, P_tank_in der Druck am Ausgang des Eingangsrohrs des Tanks, P_tank_out der Druck am Eingang des Ausgangsrohrs des Tanks und P_next der Druck am Ausgang des Ausgangsrohrs des Tanks ist. In diesem Fall ist das Ausgangsrohr das nächste nachgeschaltete Modul. Daher ist P_next hier die Druckinformation für die nachgeschaltete Einheit, wobei in diesem Fall wieder gezeigt wird, wie nachgeschaltete Information durch das Tanksimulationsmodul inkorporiert wird, um daher Feedback von nachgeschalteten Elementen zu vorgeschalteten Elementen zu geben.
Jedenfalls können Sätze von Ausgleichsgleichungen für Massenflussrate, Druck und Temperatur abgeleitet werden für andere Simulationskomponenten, wie Sensoren (z. B. für Druck, Fluss, Temperatur, etc.), Randbedingungen von links (vorgeschaltet), Randbedingungen nach rechts (nachgeschaltet), ein allgemeiner Motor, ein allgemeiner Tank, ein allgemeines Rohr (für Dampf, Wasser, etc.), ein Anschluss, (allgemeiner Wasser-/Dampfanschluss), ein Schacht (z. B. für Luft oder Rauschgas), ein allgemeiner Luft-/Rauschgasschacht, ein allgemeines Ventil (z. B. für Dampf/Wasser), eine allgemeine Klappe (z. B. für Luft/Gas), eine allgemeine Zentrifugalpumpe, ein allgemeines Zentrifugalgebläse (für Frischlüfter und Saugabzüge) ein allgemeines Axialgebläse, ein Ofen (von vielen verschiedenen Sorten), eine Dampftrommel, ein bekannter horizontaler Speisewasservorwärmer, ein Entgaser, ein Wärmetauscher (für Überhitzer oder Nacherwärmer), ein allgemeiner Kondensator, ein Kühlturm, eine Mahlanlage (z. B. eine allgemeine Schüsselmühle), eine Turbine, ein mechanischer Schaft (konzentriert), ein elektrischer Generator, ein elektrischer Leistungsschalter, ein Synchronisierungsbereich, ein Flussteiler, ein Flussteileranschluss, ein Flussmischer, eine Flussmischerverbindung, ein Dampfdichtungskondensator, ein Steuerungsventil, ein Luftvorwärmer oder jegliche andere Anzahl von Anlageelementen.
Während der obige Simulationsansatz bei konstanten Bedingungen gut funktioniert, um eine genaue verteilte Simulation mit einem Satz von verteilten Simulationsmodulen auszuführen, ohne dass dabei eine zentrale Steuerung gebraucht wird, ist es wünschenswert, diese Verfahren etwas zu modifizieren, um genaue Simulationen unter dynamischen Bedingungen durchzuführen. Insbesondere kann es bei einigen Situationen vorteilhaft sein, ein Verfahren mit einem Steuerungsrelais für instabile Masse, was hier als „Transient Mass Storage Relay” (TMSR) bezeichnet wird, zu implementieren, wenn eine verteilte Simulation unter Verwendung des Röhrenkonzepts von oben durchgeführt wird. Das TMSR-Verfahren ist besonders hilfreich beim Umgang mit Problemen, die vom Ungleichgewicht der Gesamtmasse herrühren, welche auftreten können, wenn der oben beschriebene sequenzielle Simulationsmechanismus unter dynamischen Bedingungen durchgeführt wird und/oder wenn geschlossene Kreise oder zirkuläre Systeme simuliert werden.
Der Bedarf an einem TMSR-Verfahren und die Art der Implementierung des Verfahrens ist ausführlicher bei dem Simulationsdiagramm 600 von 6 dargestellt, bei dem Masse von einem vorgeschalteten Speichergerät 602 (ein Tank wird hier als Beispiel verwendet) zu einem nachgeschalteten Speichergerät 604 (ein zweiter Tank wird hier als Beispiel verwendet) durch eine Reihe von Nicht-Speichergeräten 606, 608, 610, 612, 614 geht oder fließt. Hier werden Rohre als Beispiel für die Nicht-Speichergeräte 608–612 verwendet, obwohl andere Arten von Geräten, die keine Massenspeicherung durchführen bei der Simulation auch oder anstatt verwendet werden können. Ohne dabei die Allgemeingültigkeit zu verlieren, werden die Leitfähigkeiten der Rohre (jeweils Rohr 1, Rohr 2 und Rohr 3), die mit den Rohrsimulationselementen 608–612 verbunden sind, in dem Beispielsystem von 6 jeweils als K₁, K₂ und K₃ dargestellt, und der Fluss durch Rohr 1, Rohr 2 und Rohr 3 wird jeweils als as f₁, f₂, und f₃ bezeichnet und der Druck am Eingang und am Ausgang der drei Rohre, die mit den Rohrsimulationselementen 608–612 verbunden sind, werden jeweils als P₀, P₁, P₂ und P₃ bezeichnet.
In jedem beliebigen Moment sollte der Ausgangfluss eines bestimmten Rohrs dem Eingangsfluss des verbundenen nachgeschalteten Rohrs entsprechen, d. h. f_{i_out} = f_{(i+1)_in}. Innerhalb eines beliebigen Computerberechnungszeitpunkts wird von der Ausführungsreihenfolge angenommen, dass sie der Reihenfolge der Geräteaufstellung von vorgeschalteten Elementen zu den nachgeschalteten Elementen folgt. Beispielsweise würde das Simulationsmodul 608 für Rohr 1 vor dem Simulationsmodul 610 für Rohr 2, etc. ausgeführt werden. In der nachfolgenden Erörterung bezeichnet das Dachzeichen das laufende aktuelle Berechnungsergebnis im Gegensatz zu einem Ergebnis, was bei einer früheren Probeabnahme erfolgte. Beispielsweise bezeichnet P ^ den laufenden aktuellen Wert im Gegensatz zu einem vorher berechneten Wert für P.
Basierend auf dem oben dargestellten Definitionen können die Berechnungen von Druck und Fluss für jede individuelle Komponente, angefangen bei Rohr 1 wie folgt (in der Reihenfolge der Ausführung), dargestellt werden:
Im idealen Fall: F_{1_in} = F_{1_out} = F_{2_in} = F_{2_out}
Jedoch ist diese Bedingung nur unter stabilen Konditionen richtig. Während eines dynamischen Überganges ist P₂ ≠ P ^₂. Daher führt der Vergleich von den Gleichungen (7) und (8) zu F_{1_in} = F_{1_out} ≠ F_{2_in} = F_{2_out}
Dieser Zustand schafft natürlich Massenungleichgewichte während der dynamischen Übergänge und derartige Massenungleichgewichte werden in der Simulation in einer oder in beiden der zwei Methoden reflektiert. Zunächst kann die Simulation zu leicht unterschiedlichen Lösungen kommen, als eine Simulation, die alle Gleichungen simultan löst. Bei diesem Fall kann die Massenmenge, die sich im Ungleichgewicht befindet, von einem Speichergerät zu einem anderen Speichergerät übertragen werden (oder ist offensichtlich „ausgelaufen”). Zweitens kann diese Situation für ein geschlossenes Kreislaufsystem derart funktionieren, dass es so erscheint, als ob die Gesamtmasse im System über einen langen Zeitraum von anhaltenden dynamischen Übergangen erhöht oder vermindert wird. Je mehr sich die gewählte Probezeit verringert, desto mehr beginnt auch die Menge der Massenungleichgewichte sich entsprechend zu reduzieren. Eine beliebig kleine Probezeit für eine tatsächliche Computerimplementierung ist jedoch verboten (d. h. kann nicht erhalten werden).
Um dieses Artefakt der Massenungleichgewichte von den dynamischen Übergängen korrigieren zu können, führt das TMSR-Verfahren eine transiente Massenspeicherung für jede Komponente durch, die keine Massenspeicherung ausführt (z. B. für jedes Rohr). Beispielsweise kann die transiente Massenspeicherung für Rohr 2 wie folgt definiert werden: S₂ = F_{1_out} – F_{2_out}
Nach der Definition kann die transiente Massenspeicherung nun behandelt werden. Während eines dynamischen Überganges (wenn zum Beispiel ein Ventil sich bewegt) wird es immer eine gewisse Menge an Massenungleichgewicht geben. Wenn die transiente Massenspeicherung S für ein Element (z. B. ein Rohr) positiv ist, dann transferiert das Simulationsmodul für dieses Element diese Massenspeicherung zu dem unmittelbar vorgeschalteten Gerät, während, wenn die transiente Massenspeicherung S negativ ist, dann transferiert das Simulationssystem diese transiente Massenspeicherung zum unmittelbar nachgeschalteten Gerät. Nachdem ein Gerät, was keine Massenspeicherung ausführt, seine transiente Massenspeicherung zu einem vorgeschalteten oder einem nachgeschalteten Gerät transferiert, dann stellt das Gerät seine transiente Massenspeicherung, was ihr zugeordnet wurde, auf Null. (Natürlich bedeutet das vorgeschaltete Gerät hier das Gerät, was gegen die Richtung des normalen Flusses geschaltet ist und ein nachgeschaltetes Gerät hier das Gerät, was die Richtung des normalen Flusses geschaltet ist). Jeder Algorithmus (Simulationsmodul) für jedes Nicht-Speichergerät führt dieselbe Prozedur während jedes Ausführungszyklus durch, so dass eventuell die transiente Massenspeicherung ein Massenspeichergerät erreicht (z. B. einen Tank). Hier ist ein Massenspeichergerät eine Komponente (was einen Simulationsalgorithmus hat), die ausdrücklich die Gleichung dM/dt = flow_in – flow_out (wobei M die Gesamtmasse in dem Gerät darstellt) bearbeiten kann. Zum Beispiel können Simulationsmodule für Tanks, Trommeln, Wärmetauscher, etc. diesen Betrieb durchführen. Auf diese Weise können alle verlorenen oder gewonnenen Massenausgänge (bei Nicht-Speichergeräten) dahin zurückkehren, wohin die Masse gehört (d. h. bei einem Speichergerät) und der Benutzer wird diese Ausgleichsaktionen nicht an einem Ende erkennen, weil andere Rohrkalkulationen weiter wie gewöhnlich zur selben Zeit fortgeführt werden. Daher wird im Beispiel von 6 eine positive transiente Massenspeicherung S₂ in dem Rohrsimulationselement 610 berechnet und wird zu dem Simulationselement 608 (vorgeschaltet) übertragen, wie es durch den Pfeil 615 angedeutet wird. Weil das Simulationselement 608 ein Nicht-Speichergerät (z. B. ein Rohr) simuliert, wird in einem nächsten Ausführungszyklus das Simulationselement 608 seine positive transiente Massenspeicherung S₁ an das vorgeschaltete Simulationselement 606 transferieren. Natürlich enthält die transiente Massenspeicherung S₁ auch die transiente Massenspeicherung, die vom Simulationsmodul 610 im vorherigen Ausführungszyklus transferiert wurde, sowie auch jegliche neue Massenungleichgewichte, die für den aktuellen Ausführungszyklus vom Simulationsmodul 608 berechnet werden. Daher kann die transiente Massenspeicherung S₁ unterschiedlich sein von der transienten Massenspeicherung S₂. Wie durch die vorgeschalteten Pfeile 615 dargestellt, wird die transiente Massenspeicherung S₂, wenn sie positiv ist, eventuell an das Simulationsmodul 602 transferiert, welches ein Massenspeichergerät (z. B. ein Tank) simuliert, welches diese Masse im nächsten Ausführungszyklus verarbeiten kann.
Auf ähnliche Weise wird eine negative transiente Massenspeicherung S, die im Rohrsimulationselement 610 berechnet wird, zu dem Simulationselement 612 (nachgeschaltet) transferiert, wie es mit den Pfeilen 617 verdeutlicht wird. Da das Simulationselement 612 ein Nicht-Speichergerät (z. B. ein Rohr) simuliert, wird das Simulationselement 612 in seinem nächsten Ausführungszyklus die negative transiente Massenspeicherung S3 (was die transiente Massenspeicherung S₂ plus einer weiteren Massenspeicherung sein kann, die aufgrund des Betriebs des Rohrsimulationsmoduls 612 errechnet wurde) an das nachgeschaltete Simulationselement 614 transferieren. Wie es durch die nachgeschalteten Pfeile 617 verdeutlicht wird, wird die transiente Massenspeicherung S2, wenn sie negativ ist, eventuell an das Simulationsmodul 604 transferiert, welches ein Massenspeichergerät (z. B. ein Tank) simuliert, welches diese Masse im nächsten Ausführungszyklus verarbeiten kann.
Die Regel für diesen Relaisansatz für transiente Massenspeicherung, wenn es in dem System von 6 verwendet wird, kann einfach durch den folgenden Pseudocode zusammengefasst werden.
Das TMSR-Verfahren kann auch bei einem Teilergerät verwendet werden, wie etwa das, welches in 5 dargestellt wird. Insbesondere zeigt 7 ein Teilergerät 700, welches an ein Eingangsgerät 702 (Gerät 1) und zwei nachgeschaltete Ausgangsgeräte 704, 706 (Geräte 2 und 3) angeschlossen ist. Der Fluss f₁ kommt direkt in den Teileranschluss 700 vom Eingangsgerät 702 und wird in zwei ausgehende Flüsse mit der Bezeichnung f₂ und f₃ geteilt. Die transiente Massenspeicherung bei jedem der Geräte 702, 704 und 706 kann jeweils mit S₁, S₂ und S₃ bezeichnet werden und die transiente Massenspeicherung im Teiler kann mit S bezeichnet werden. Die transiente Massenspeicherung im Teileranschluss ist dann: S = f₁ – f₂ – f₂ – f₃
Eine TMSR-Regel für diesen Teileranschlussmodul kann durch den folgenden Pseudocode beschrieben werden:
Bei dem oben beschriebenen Beispiel wird die transiente Massenspeicherung, die von dem Flussteileranschluss 700 festgestellt wird, an die nachgeschalteten Geräte 704 und 706 weitergeleitet und zwar verteilt auf eine proportionale Weise gemäß dem Ausgangsfluss als Prozentsatz des gesamten Eingangsflusses. Natürlich kann der hier beschriebene TMSR-Ansatz ähnlich bei einem Mischeranschluss angewendet werden, so wie auch bei jeglichen Anschlüssen oder anderen Geräten, die mehr als zwei Eingänge oder Ausgänge haben.
Wie in 3 gezeigt, umfasst jedes der verteilten Simulationsmodule 42 einen oder mehrere Speicher 210, die für die Kommunikation zwischen benachbarten (d. h. unmittelbar vorgeschalteten und nachgeschalteten) Simulationsmodulen verwendet werden, um damit eine direkte Kommunikation zwischen diesen Modulen ohne die Verwendung einer zentralen Steuerung zu ermöglichen. Insbesondere können diese direkten Kommunikationen derart implementiert sein, um damit Daten zur Verfügung zu stellen, die in einem Simulationsmodul berechnet werden oder diesem zugeordnet sind und welche bei einem benachbarten Simulationsmodul (vorgeschalteten und/oder nachgeschalteten) benötigt werden, um damit die Abbildungsaufgaben im benachbarten Simulationsmodul durchführen zu können. Zu diesen Daten können beispielsweise Eingaben oder Ausgaben des Simulationsmoduls und verschiedene interne Parameter gehören, einschließlich zum Beispiel berechnete Eingangs- und Ausgangsdrücke (z. B. Drücke P₀, P₁, P₂, P_n und P_x von 4 und 5), Flussraten (z. B. Massenflussraten durch das Rohr und nachgeschaltete Komponenten der Rohre in 4 und 5, die Flussraten f₁, f₂, etc. von 6 und 7), Werte für transiente Massenspeicherung (z. B. die transiente Massenspeicherungswerte S₁, S₂, etc. von 6), Temperaturen und andere Werte für Prozessvariablen, Einstellungspunkte, Konfigurationseinstellungen, etc., die mit einem Simulationselement verbunden sind und die bei dem benachbarten Simulationselement benötigt werden, um die Abbildungen mithilfe der oben beschriebenen Konzepten durchführen zu können.
Insbesondere werden die Speicher 210 von den Simulationsmodulen den Prozessoren, die die Simulationsmodule ausführen, um einen lokalen Speicheraustausch zwischen verschiedenen Drops oder verschiedenen Simulationsmodulen zu ermöglichen, verwendet. Der Mechanismus, der für diesen Arbeitsschritt, nämlich den Austausch der lokalen Speicher, verwendet wird, kann ähnlich dem Arbeitsschritt sein, der beim Prozessor ausgeführt wird, wobei eine Kopie für eine Sicherung gemacht wird (dieser Arbeitsschritt geschieht zu regelmäßig geplanten Zeitintervallen, und dabei werden einfach Daten auf einen bekannten Speicherort für Sicherungszwecke kopiert). Bei diesem Fall kopiert jedoch der Prozessor, der ein bestimmtes Simulationsmodul ausführt, vorbestimmte Datenwerte (z. B. Eingangs- und Ausgangsdrücke, Massenflusswerte, transiente Massenspeicherungswerte, etc.) auf eine bekannte Speicherzelle, die verbunden ist mit einem vorgeschalteten oder einem nachgeschalteten Simulationsmodul (und von diesem verwendet wird). Natürlich können verschiedene Daten auf verschiedene Simulationsmodule kopiert werden, obwohl es nur notwendig ist, dass die Daten von einem Simulationsmodul auf ein vorgeschaltetes oder nachgeschaltetes Simulationsmodul kopiert werden, die von dem vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodul benötigt werden. Die Daten, die bei jeglichem spezifischen Fall kopiert werden, können während der Konfiguration des Simulationssystems eingestellt oder spezifiziert werden. Daher erfordert die hier beschriebene Kommunikation des Simulationsverfahrens nur den Datentransfer einer kleinen Menge von lokalen Speicherdaten und das hauptsächlich für die Simulationsalgorithmen, die zwischen den Drops verbunden sind, anstatt dem Kopieren von einer großen Menge von lokalen Daten zwischen einer primären Speicherstelle und einem Back-up-Drop.
Es versteht sich, dass wenn Simulationsmodule sich in getrennten Verarbeitungsgeräten oder sogar im selben Verarbeitungsgerät befinden, kommunizieren benachbarte Simulationsmodule Daten, sowohl vorgeschaltet und nachgeschaltet, indem sie einfach diese Daten auf eine Speicherzelle speichern, die dem entsprechendem vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodul zugeordnet ist und machen daher diese Daten sofort verfügbar für das vorgeschaltete oder nachgeschaltete Simulationsmodul, wenn dieses Simulationsmodul ausgeführt wird. Natürlich können Daten auf einen Speicher übertragen werden, der sich innerhalb des selben Verarbeitungsgeräts befindet, oder auf einen Speicher, der sich in einem unterschiedlichen Verarbeitungsgerät befindet, und dies alles geschieht über ein Kommunikationsnetzwerk, was sich zwischen den zwei verschiedenen Geräten befindet. Dieser Kommunikationsmechanismus ist einfach, da jedes Simulationsmodul die aktuellsten Daten von diesem Simulationsmodul an vorgeschaltete und nachgeschaltete Simulationsmodule weiterleitet, welche diese Daten verwenden, ohne dass dabei eine großer Kommunikationsaufwand erforderlich ist und dabei auch nicht große Datenmengen zwischen jeglichen zwei Geräten ausgetauscht werden müssen (oder sogar zwischen jeglichen zwei Simulationsmodulen).
Des Weiteren kann der Kommunikationsprozess mit lokalen Speicherdrops 210 in der gleichen Weise implementiert sein wie eine Prozesssteuerungseinheit eine Kopie auf einer Sicherung ausführt und zwar dass dieser Arbeitschritt der Kommunikation parallel mit allen anderen Steuerungsschritten durchgeführt wird. In einer virtuellen Steuerungseinheit (d. h. eine simulierte Steuerungseinheit) ist das Kopieren zu einer Sicherung jedoch nicht notwendig, und daher kann dieser Arbeitsschritt durch einen Arbeitsschritt des Kopierens auf einen lokalen Simulationsspeicher ersetzt werden (was hier als ein SIMLMCPY-Arbeitsschritt bezeichnet wird), welcher periodisch in dem Prozessor als ein dedizierter Background-Arbeitschritt ausgeführt wird, um zwischen den Simulationsmodulen benötigte Daten auf das virtuelle Steuerungseinheitsgerät oder zwischen verschiedenen Drops, die benachbarte Simulationsmodule beherbergen, zu speichern.
Bei einem Fall kann dieses Kommunikationsverfahren mit der folgenden in 8 dargestellten Prozedur implementiert werden, die die lokalen Speicher 210 von zwei benachbarten Simulationsmodulen 801 und 802 aufzeigt, welche auf verschiedenen Drops (z. B. verschiedenen Verarbeitungsgeräten) angeordnet sind. Ein dedizierter Transferalgorithmus für lokale Speicher (LMTSF) 805 wird für jedes der Simulationsmodule 801 und 802 geschaffen und ist diesen zugeordnet. Der LMTSF-Algorithmus 805 wird zur Verbindung nur von Simulationsdrops verwendet und fungiert als ein Speicherpuffer. Der LMTSF-Algorithmus 805 wird sowohl in den erzeugenden Drop als auch in den empfangenden Drop platziert und die beiden Algorithmen erkennen sich durch eine einzigartige Identifikation (ID). Diese ID ist jedoch keine SID oder eine LID. Dagegen kann diese ID-Nummer bei jedem der Algorithmen 805 (etwa in ein bestimmtes Feld) vom Benutzer platziert werden, und zwar zu der Zeit, in der das Simulationssystem geschaffen wird oder zu der Zeit, in der die Simulationsmodule 801 und 802 geschaffen oder auf die Drops heruntergeladen wurden. Beim Herunterladen registrieren sich alle LMTSF-Algorithmen 805 und ihre zugeordneten ID-Nummern bei einem Arbeitschritt für eine lokale Simulationsspeicherkopie (SIMLMCPY), der vom Prozessor ausgeführt wird, so dass der Arbeitschritt SIMLMCPY einen lokalen Speicheraustausch unter Verwendung des LMTSF-Algorithmus vornimmt, der Arbeitschritt SIMLMCPY als Hintergrundschritt im Prozessor ausgeführt wird.
Danach kopiert der Arbeitschritt SIMLMCPY bei jeder Loop-Zeit im Prozessor von einem Drop den lokalen Speicher von jedem erzeugenden LMTSF auf einen temporären Puffer (in 8 als Puffer 810 gezeigt) und dann zu dem entsprechenden empfangenden LMTSF. Die gleiche Aktion wird zwischen dem erzeugenden LMTSF und dem kreierenden LMTSF durchgeführt, wobei sichergestellt wird, dass jedes erzeugende und jedes empfangende Paar (vorgeschaltete und nachgeschaltete Simulationsmodule) die benötigten Daten miteinander kommunizieren. Des Weiteren wird dieser Prozess zwischen jedem Paar von benachbarten Simulationsmodulen durchgeführt, so dass bei jedem Ausführungszyklus eines Simulationssystem jeder Satz von benachbarten Simulationsmodulen untereinander Daten austauscht, wobei die Daten vom empfangenen Simulationsmodul gebraucht und dazu verwendet werden, dass eine Abbildung während des nächsten Ausführungszyklus gemacht wird. Dieses Kommunikationssystem eliminiert den Bedarf an einer zentralen Steuerung zur Nachvollziehung des Kommunikationsflusses oder Prozesses zwischen allen Simulationsmodulen in unterschiedlichen Drops, da jede Simulation in der Lage ist, direkt mit jedem der Simulationsmodule, die unmittelbar vorgeschaltet und nachgeschaltet von diesem Simulationsmodul sind, zu kommunizieren.
Natürlich geht das oben beschriebene Kommunikationsschema davon aus, dass der Arbeitschritt SIMLMCPY alle Simulationsalgorithmen durchsuchen und die verbundenen LMTSF-Algorithmen mithilfe der eindeutigen Identifikationsnummern finden kann. Dieses Kommunikationsschema geht auch davon aus, dass der Arbeitschritt SIMLMCPY auf die lokale Speicherzelle des LMTSF-Algorithmus von jedem Simulationsmodul durch die Drop-Zahl und Algorithmus-SID und dann die LID zugreifen kann. Natürlich können andere Methoden von Kommunikationen zwischen benachbarten Simulationsmodulen auch oder stattdessen verwendet werden, um sicherzustellen, dass Kommunikationen zwischen den unterschiedlichen Simulationsmodulen, die dem verteilten Simulationssystem zugeordnet werden, stattfinden.
Jegliche Simulationssoftware und hier beschriebenen verteilten Simulationsmodule können nach ihrer Implementierung auf jedem lesbaren Computerspeicher wie eine Magnetplatte, Laserplatte oder andere Speichermedien, in einem RAM oder ROM eines Computers oder Datenverarbeitungsgeräts etc. gespeichert werden. Ebenso kann diese Software oder diese Module an einen Benutzer, eine Aufbereitungsanlage oder Workstation mithilfe der bekannten oder gewünschten Lieferverfahren gesendet werden, einschließlich zum Beispiel mit einer computerlesbaren Diskette oder andere transportable Computerspeichermechanismen oder Kommunikationskanäle, wie etwa Telefonleitung, das Internet, das „World Wide Web” und jegliches andere lokale Netzwerk oder Weitbereichsnetz etc. (wobei die Datenlieferung als die gleiche oder austauschbar mit der Bereitstellung der Software über ein transportables Speichermedium gesehen wird). Des Weiteren kann diese Software direkt ohne Modulation oder Verschlüsselung gesendet oder sie kann moduliert und/oder verschlüsselt werden mithilfe jeglicher angemessener Trägerschwingungen der Modulation oder Verschlüsselungsverfahren, bevor sie über einen Kommunikationskanal übertragen wird.
Während die vorliegende Erfindung in Hinblick auf spezifische Beispiele beschrieben wurde, welche hier nur zu Illustrationszwecken dienen und es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung dadurch einzugrenzen, wird es für die Fachwelt deutlich, dass Veränderungen, Zusätze oder Weglassungen bei den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass damit vom Geist und dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Garcia-Osorio V, Ydstie BE, beschreibt unter dem Titel „Distributed, Asynchronous and Hybrid Simulation of Process Networks Using Recording Controllers” in International Journal of Robust and Nonlinear Control, 14(2):227-248, Dez. 2003 [0013]

Claims

Verteiltes Simulationssystem für das Simulieren des Betriebs eines Satzes von physikalischen Anlagenelementen, durch welche Masse fließt, umfassend: ein Computernetzwerk mit einer Pluralität von Drops und ein Kommunikationsnetzwerk, das kommunikativ die Pluralität von Drops verbindet, wobei jede der Pluralitäten von Drops einen Prozessor einschließt und eine Vielzahl von Simulationsmodulen, die vom Prozessor implementiert sind, wobei jedes der Vielzahl von Simulationsmodulen ein Prozessmodell umfasst, das den Betrieb eines jeweils unterschiedlichen Elements der physikalischen Anlageelemente abbildet, wobei sich ein erstes der Simulationsmodule und ein zweites der Simulationsmodule in jeweils unterschiedlichen Drops der Pluralität von Drops befinden; wobei das erste der Simulationsmodule den Betrieb eines ersten aus dem Satz der physikalischen Anlagenelemente abbildet und das zweite der Simulationsmodule den Betrieb eines zweiten aus dem Satz der physikalischen Anlagenelemente abbildet, was dem ersten aus dem Satz der physikalischen Anlagenelemente nachgeschaltet angeordnet ist, wobei das Prozessmodell des ersten Simulationsmoduls einen Wert von einer Prozessvariablen verwendet, der durch das zweite Simulationsmodul errechnet wird, um damit einen Output zu produzieren, der mit dem Betrieb des physikalischen Anlagenelements verbunden ist, was vom ersten Simulationsmodul abgebildet wurde und wobei das erste und zweite Simulationsmodul errechnete Informationen über Prozessvariablen untereinander kommunikativ austauschen, um eine Simulation des Massenflusses zwischen dem ersten physikalischen Anlagenelement und dem zweiten physikalischen Anlagenelement durchzuführen.
Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Simulationsmodul eine oder mehrere Gleichungen für den Massenflussausgleich implementiert, um einen Input zu dem zweiten Simulationsmodul zu bestimmen.
Simulationssystem nach Anspruch 2, wobei der Input zu dem zweiten Simulationsmodul einen Druckwert beim Input des zweiten der physikalischen Anlagenelemente, was vom zweiten Simulationsmodul abgebildet wird, umfasst.
Simulationssystem nach Anspruch 2, wobei der Input zu dem zweiten Simulationsmodul eine Massenflussrate umfasst, die mit dem Input des zweiten der physikalischen Anlagenelemente, was vom zweiten Simulationsmodul abgebildet wird, assoziiert ist.
Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Simulationsmodul ein Modell umfasst, das den Betrieb eines physikalischen Rohrelements innerhalb der Anlage abbildet.
Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Simulationsmodul ein Modell umfasst, das den Betrieb eines physikalischen Tankelements innerhalb der Anlage abbildet.
Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das Prozessmodell des ersten Simulationsmoduls die Beziehung zwischen Druck und Fluss als eine quadratische Beziehung darstellt.
Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Simulationsmodul mit einem ersten physikalischen Gerät assoziiert wird, was keine Massenspeicherung durchführen kann und wobei das erste Simulationsmodul einen temporären Algorithmus für Massenflussspeicherung umfasst, der ein Ungleichgewicht des Massenflusses zwischen dem Input und dem Output des ersten physikalischen Geräts bestimmt, was die Folge einer dynamischen Veränderung darstellt und der den Wert des Ungleichgewichts im Massenfluss speichert.
Simulationssystem nach Anspruch 8, wobei der temporäre Algorithmus für Massenflussspeicherung das gespeicherte Ungleichgewicht im Massenfluss, was während eines speziellen Ausführungszyklus des ersten Simulationsmoduls festgestellt wurde, zu einem anderen Simulationsmodul sendet und das gespeicherte Ungleichgewicht im Massenfluss innerhalb des ersten Simulationsmoduls auf Null zurücksetzt.
Simulationssystem nach Anspruch 9, wobei der temporäre Algorithmus für Massenflussspeicherung das gespeicherte Ungleichgewicht im Massenfluss zu einem vorgeschalteten Simulationsmodul sendet, wenn der Wert des gespeicherten Ungleichgewichts größer als Null ist und wobei der temporäre Algorithmus für Massenflussspeicherung das gespeicherte Ungleichgewicht im Massenfluss zu einem nachgeschalteten Simulationsmodul sendet, wenn der Wert des gespeicherten Ungleichgewichts kleiner als Null ist.
Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Drops eine Kommunikationsroutine umfasst, das die Kommunikation in einem Hintergrundprozess zwischen einem speziellen Simulationsmodul, was sich auf mindestens einem der Drops befindet und einem entweder vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodul, was sich jeweils auf einem anderen Drop befindet, implementiert.
Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Simulationsmodule, die sich auf einem speziellen Drop befindet, einen Kommunikationsalgorithmus speichert, der im Betrieb ist, um die Kommunikation von Variablen von einer der Simulationsmodule einem anderen entweder vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodul bereit zu stellen, wobei der Kommunikationsalgorithmus einen eindeutigen Identifier für das erste Simulationsmodul speichert, welches für die Kommunikation von Informationen zu dem anderen entweder vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodul verwendet wird.
Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das Prozessmodell des ersten Simulationsmoduls ein Erstprinzipien-Modell darstellt.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Sets von physikalischen Anlagenelementen, durch die Masse fließt, umfassend: Kreieren eines Satzes von separat ausführbaren Simulationsmodulen, wobei jedes aus dem Satz von Simulationsmodulen ein Prozessmodell umfasst, was den Betrieb eines jeweils unterschiedlichen Elements der physikalischen Anlagenelemente darstellt; Speichern von jeweils unterschiedlichen der separat ausführbaren Simulationsmodulen unter einer Pluralität der kommunikativ verbundenen Drops in einem Computernetzwerk, so dass ein erstes der separat ausführbaren Simulationsmodule sich auf einem anderen Drop als ein zweites aus dem Satz der separat ausführbaren Simulationsmodule befindet; Wobei ein Simulationsmodul, wenn es in einem Drop ausgeführt wird, ein entsprechendes Prozessmodell des Betriebs eines entsprechenden physikalischen Anlagenelements ausführt und direkt mit einem oder mehreren unmittelbar angrenzenden vorgeschalteten Simulationsmodulen oder direkt mit einem oder mehreren unmittelbar angrenzenden nachgeschalteten Simulationsmodulen kommuniziert, um Prozessvariablen einem oder mehreren unmittelbar angrenzenden vorgeschalteten Simulationsmodulen oder einem oder mehreren unmittelbar angrenzenden nachgeschalteten Simulationsmodulen bereit zu stellen und wobei das Prozessmodell einen speziellen aus dem Satz der Simulationsmodule gewählten Wert einer Prozessvariablen verwendet, die von einem nachgeschalteten Simulationsmoduls errechnet wurde, um einen Output in Hinblick auf den Betrieb eines physikalischen Anlagenelements zu produzieren, was von dem speziellen Modul aus dem Satz der Simulationsmodule dargestellt wird, um damit einen Massenflussausgleich zwischen dem speziellen aus dem Satz der Simulationsmodule und dem nachgeschalteten Simulationsmodul herbeizuführen.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Sets von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 14, wobei das spezielle Modul aus dem Satz der Simulationsmodule mit einem physikalischen Rohrelement verbunden ist.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Satzes von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 14, wobei das spezielle Modul aus dem Satz der Simulationsmodule eine oder mehrere Massenausgleichsgleichungen implementiert, um einen Druck- oder einen Temperaturinput zu dem nachgeschalteten Simulationsmodul zu bestimmen.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Sets von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 16, einschließlich des Verwendens der einen oder mehreren Massenausgleichsgleichungen, die die Beziehung zwischen Druck und Massenfluss als eine quadratische Beziehung darstellen.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Satzes von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 14, weiter umfassend das Verwenden eines speziellen Moduls aus dem Satz der Simulationsmodule zum Simulieren des Betriebs eines ersten physikalischen Anlagenelements, das keine Massenspeicherung durchführt, darüber hinaus umfassend das Bestimmen innerhalb des einen aus dem Satz der Simulationsmodule eines Ungleichgewichts im Massenfluss zwischen einem Input und einem Output des ersten physikalischen Geräts als Folge einer dynamischen Veränderung und vorübergehendes Speichern des Wertes von dem Ungleichgewicht im Massenfluss, der mit dem speziellen einem aus dem Satz der Simulationsmodule verbunden ist.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Sets von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 18, weiter umfassend das Senden des gespeicherten Ungleichgewichts im Massenfluss, der während eines Ausführungszyklus des speziellen Moduls aus dem Satz der Simulationsmodule festgestellt wurde, an ein oder mehrere unmittelbar angrenzende Simulationsmodule während eines oder mehrerer konsekutiver Ausführungszyklen und Zurücksetzen des gespeicherten Ungleichgewichts im Massenfluss des speziellen Moduls aus dem Satz der Simulationsmodule auf Null.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Sets von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 14, wobei Speichern der Simulationsmodule auch das Speichern von einem Satz von Simulationsmodulen beinhaltet, was ein erstes Simulationsmodul beinhaltet, was mit einem ersten physikalischen Anlagenelement verbunden ist, was keine Massenspeicherung durchführt und was ein zweites Simulationsmodul beinhaltet, was mit einem zweiten physikalischen Anlagenelement verbunden ist, was Massenspeicherung durchführt, darüber hinaus umfassend das Bestimmen bei dem ersten Simulationsmodul, eines Ungleichgewichts im Massenfluss zwischen dem Input und dem Output eines ersten physikalischen Geräts als Folge einer dynamischen Veränderung und Absenden des Ungleichgewichts im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu einem zweiten Simulationsmodul zum Bearbeiten in dem zweiten Simulationsmodul.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Satzes von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 20, wobei das Absenden des Ungleichgewichts im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu einem zweiten Simulationsmodul auch das Absenden des Ungleichgewichts im Massenfluss zu einem zweiten Simulationsmodul umfasst, wobei dies durch ein oder mehrere zwischengeschaltete Simulationsmodule geschieht, wobei jedes der zwischengeschalteten Simulationsmodule mit einem physikalischen Anlagenelement verbunden ist, was keine Massenspeicherung durchführt.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Sets von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 20, wobei das Speichern der Simulationsmodule auch das Speichern des zweiten Simulationsmoduls umfasst, das kommunikativ dem ersten Simulationsmodul vorgeschaltet ist und wobei das Absenden des Ungleichgewichts im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu dem zweiten Simulationsmodul auch das Absenden des Ungleichgewichts im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, hin zum vorgeschalteten zweiten Simulationsmodul, wenn das Ungleichgewicht im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, positiv ist.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Sets von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 20, wobei das Speichern der Simulationsmodule auch das Speichern des zweiten Simulationsmoduls umfasst, das kommunikativ dem ersten Simulationsmodul nachgeschaltet ist und wobei das Absenden des Ungleichgewichts im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu dem zweiten Simulationsmodul auch das Absenden des Ungleichgewichts im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, hin zum nachgeschalteten zweiten Simulationsmodul, wenn das Ungleichgewicht im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, negativ ist.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Satzes von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 18, wobei Speichern der Simulationsmodule auch das Speichern von einem Satz von Simulationsmodulen beinhaltet, was ein erstes Simulationsmodul beinhaltet, was mit einem ersten physikalischen Anlagenelement verbunden ist, was keine Massenspeicherung durchführt und kommunikativ nachgeschaltet zu einem zweiten Simulationsmodul und kommunikativ vorgeschaltet zu einem dritten Simulationsmodul angeordnet ist, wobei das zweite und das dritte Simulationsmodul mit physikalischen Geräten verbunden sind, die Massenspeicherung durchführen und was weiter das Bestimmen bei einem ersten Simulationsmodul eines Ungleichgewichts im Massenfluss zwischen dem Input und dem Output eines ersten physikalischen Geräts als Folge einer dynamischen Veränderung umfasst und Absenden des Ungleichgewichts im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu einem zweiten Simulationsmodul zum Bearbeiten in dem zweiten Simulationsmodul, wenn das Ungleichgewicht im Massenfluss positiv ist und Absenden des Ungleichgewichts im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu einem dritten Simulationsmodul zum Bearbeiten in dem dritten Simulationsmodul, wenn das Ungleichgewicht im Massenfluss negativ ist.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Satzes von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 14, weiter umfassend ein Implementieren der Kommunikationsmittel zwischen einem speziellen Simulationsmodul, was sich an einem ersten Drop befindet und einem vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodul, was sich an einem zweiten Drop befindet, als ein Hintergrundprozess sowohl beim ersten als auch beim zweiten Drop.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Sets von physikalischen Anlagenelementen nach Anspruch 14, weiter umfassend ein Speichern eines eindeutigen Identifier in jedem Simulationsmodul und Verwenden des eindeutigen Identifiers zum Kommunizieren von Informationen zwischen Paaren von unmittelbar angrenzenden vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodulen, so dass eine direkte Kommunikation zwischen jedem Paar der unmittelbar angrenzenden Simulationsmodulen hergestellt wird.
Verteiltes Simulationssystem für das Simulieren des Betriebs eines Satzes von physikalischen Anlagenelementen, durch welche Masse fließt, umfassend: eine Vielzahl von Simulationsmodulen, die vom Prozessor implementiert sind, wobei jedes der Vielzahl von Simulationsmodulen ein Prozessmodell umfasst, das den Betrieb eines jeweils unterschiedlichen Elements der physikalischen Anlageelemente abbildet, wobei sich ein erstes der Simulationsmodule und ein zweites der Simulationsmodule in jeweils unterschiedlichen Drops von einem Satz von Drops in einem Computernetzwerk befinden und miteinander über ein Kommunikationsnetzwerk, was mit dem Computernetzwerk verbunden ist, kommunizieren; wobei während des Betriebs des Simulationssystems, jedes der Simulationsmodule direkt kommunikativ mit einem oder mehreren vorgeschalteten oder nachgeschalteten Simulationsmodule verbunden ist und zwar in einer Reihenfolge, bei welcher die physikalischen Anlagenelemente, die mit den Simulationsmodulen verknüpft sind, physikalisch miteinander verknüpft sind, um Massenfluss zu implementieren, so dass die angrenzenden Paare der kommunikativ verbundenen Simulationsmodule Informationen direkt untereinander kommunizieren können und wobei mindestens eines der Simulationsmodule ein Prozessmodell implementiert, das eine Gleichung für den Massenflussausgleich anwendet, um den Massenfluss zwischen dem mindestens einen der Simulationsmodule und einem nachgeschalteten Simulationsmodul unter Verwendung von Informationen über Prozessvariablen ausgleicht, die von dem nachgeschalteten Simulationsmodul empfangen wurden.
Verteiltes Simulationssystem nach Anspruch 27, wobei die Gleichung für den Massenflussausgleich die Beziehung zwischen Druck und Massenfluss als eine quadratische Gleichung darstellt.
Verteiltes Simulationssystem nach Anspruch 27, wobei das Prozessmodell des mindestens einen der Simulationsmodule einen Output des mindestens einen der Simulationsmodule unter Verwendung von Informationen über Druckprozessvariablen bestimmt, die von dem nachgeschalteten Simulationsmodul empfangen wurden.
Verteiltes Simulationssystem nach Anspruch 27, wobei die Vielzahl der Simulationsmodule ein erstes Simulationsmodul enthält, was mit einem ersten physikalischen Anlagenelement verbunden ist, was keine Massenspeicherung durchführt und kommunikativ nachgeschaltet zu einem zweiten Simulationsmodul und kommunikativ vorgeschaltet zu einem dritten Simulationsmodul angeordnet ist, wobei das zweite und das dritte Simulationsmodul mit physikalischen Geräten verbunden sind, die Massenspeicherung durchführen und wobei das erste Simulationsmodul ein Ungleichgewicht im Massenfluss zwischen einem Input und einem Output eines ersten physikalischen Geräts als Folge einer dynamischen Veränderung entdeckt und das Ungleichgewicht im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu einem zweiten Simulationsmodul zum Bearbeiten in dem zweiten Simulationsmodul sendet, wenn das Ungleichgewicht im Massenfluss positiv ist und das Ungleichgewicht im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu einem dritten Simulationsmodul zum Bearbeiten in dem dritten Simulationsmodul sendet, wenn das Ungleichgewicht im Massenfluss negativ ist.
Verteiltes Simulationssystem nach Anspruch 27, wobei die Pluralität der Simulationsmodule ein erstes Simulationsmodul umfasst, was mit einem ersten Anlagenelement verbunden ist, was keine Massenspeicherung durchführt und ein zweites Simulationsmodul umfasst, was mit einem zweiten Anlagenelement verbunden ist, was Massenspeicherung durchführt und wobei das erste Simulationsmodul ein Ungleichgewicht im Massenfluss zwischen einem Input und einem Output eines ersten physikalischen Geräts als Folge einer dynamischen Veränderung entdeckt und das Ungleichgewicht im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu einem zweiten Simulationsmodul zum Bearbeiten in dem zweiten Simulationsmodul sendet.
Verteiltes Simulationssystem nach Anspruch 31, wobei das erste Simulationsmodul ein Ungleichgewicht im Massenfluss, was von dem ersten Simulationsmodul bestimmt wurde, zu einem zweiten Simulationsmodul über ein oder mehrere zwischengeschaltete Simulationsmodule sendet, wobei jedes der zwischengeschalteten Simulationsmodule mit einem Anlagenelement verbunden ist, was keine Massenspeicherung durchführt.
Verteiltes Simulationssystem nach Anspruch 27, weiter umfassend einen Kommunikationsalgorithmus bei jedem der Drops, der Kommunikationen zwischen unmittelbar benachbarten Modulen, die sich in separaten Drops befinden, durchführt, der als Hintergrundaufgabe innerhalb des Prozessors im Drop durchgeführt wird.
Verteiltes Simulationssystem nach Anspruch 33, wobei mindestens ein Simulationsmodul bei einem bestimmten Drop einen Identifier speichert, der eindeutig das eine der Simulationsmodule identifiziert und wobei der Kommunikationsalgorithmus des bestimmten Drops den Identifier des mindestens einen Simulationsmoduls bei dem bestimmten Drop verwendet, um Kommunikationen zwischen mindestens einem der Simulationsmodule an dem bestimmten Drop und unmittelbar zu dem mindestens einem Simulationsmodul benachbarten Simulationsmodule bei einem weiteren Drop durchzuführen, um damit direkte Kommunikationen zwischen benachbarten Paaren von Simulationsmodulen bei verschiedenen Drops durchzuführen.
Verteiltes Simulationssystem nach Anspruch 27, wobei ein unmittelbar benachbartes Paar von kommunikativ verbundenen vorgeschalteten und nachgeschalteten Simulationsmodulen Daten, die beim vorgeschalteten Simulationsmodul berechnet wurden, vom vorgeschalteten Simulationsmodul zum nachgeschalteten Simulationsmodul kommuniziert und Daten, die beim nachgeschalteten Simulationsmodul berechnet wurden, vom nachgeschalteten Simulationsmodul zum vorgeschalteten Simulationsmodul kommuniziert und zwar während jedes Ausführungszyklus des Simulationsmodells.