Modelagem Básica - enq.ufrgs.br · Modelagem e Simulação de Processos Modelagem Básica - 2 Contexto Geral • Interface Gráfica – Apresentação e configuração. • Estrutura

Simulador de Processos EMSOSimulador de Processos EMSO

Modelagem BModelagem BáásicasicaGrupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização

de Processos - (GIMSCOP)Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio

Grande do Sul - UFRGS

Gerson B. [email protected]

Modelagem Básica - 2Modelagem e Simulação de Processos

Contexto GeralContexto Geral

• Interface Gráfica – Apresentação e configuração.

• Estrutura do EMSO – Linguagem de modelagem.

• Models – Exemplos de modelos.

• FlowSheets – Exemplos de simulações.

• Modelagem Avançada – Recursos avançados do EMSO.

LINKSALSOC : http://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki

http://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki


Interface GrInterface Grááficafica

MenusMenus

ExplorerExplorer

ProblemsProblemsee

ConsoleConsole

Editor de ModelosEditor de Modelos

ResultsResults


botão direito do mousebotão direito do mouse

Retorna ao estado Retorna ao estado originaloriginal



DiretDiretóóriosrios de de modelos e modelos e flowsheetsflowsheets

DiretDiretóóriosriosde plugde plug--inin

Adicionar na Biblioteca>> Modelos>> FlowSheets

Adicionar na BibliotecaAdicionar na Biblioteca>> Modelos>> FlowSheets



ConfiguraConfiguraçção do ão do editoreditor

OpOpçções deões deConfiguraConfiguraççãoão

Configuração de Plug-in’s>> Será visto posteriormente

ConfiguraConfiguraççãoão de Plugde Plug--inin’’ss>> Será visto posteriormente


Estrutura do EMSO : EntidadesEstrutura do EMSO : Entidades

O simulador EMSOEMSO possui na sua estrutura de modelagem 3 entidades principais:

>> FlowSheet : problema em estudo, é composto por um conjunto de DEVICES.>> Device : um componente do FlowSheet, é uma operação unitária ou um equipamento real.>> Model : é a descrição matemática de um DEVICE.

>> FlowSheet FlowSheet : problema em estudo, é composto por um conjunto de DEVICESDEVICES.>> Device Device : um componente do FlowSheet, é uma operação unitária ou um equipamento real.>> Model Model : é a descrição matemática de um DEVICEDEVICE.

FlowSheetFlowSheet DevicesDevices


Model : baseado em equaModel : baseado em equaççõesõesFlowSheet: baseado em componentesFlowSheet: baseado em componentes

ModelosModelosFlowSheetFlowSheet


Estrutura do EMSO : LinguagemEstrutura do EMSO : Linguagem

Sistema baseado em equaSistema baseado em equaççõesões

O simulador agrupa as equações de todas as unidades do processo em um único sistema de equações para então obter a solução de forma direta.

Cada modelo ou subsistema compartilha apenas as suas equações e não mais a sua solução.


Linguagem Linguagem -- sistema baseado em equasistema baseado em equaççõesões

Model tank

PARAMETERS

k as Real;

A as area;VARIABLES

h as length;

in Fin as flow_vol;Out Fout as flow_vol;

EQUATIONS

“balanço de massa”

diff(A*h) = Fin - Fout;diff(A*h) - Fin + Fout = 0;

“equação da válvula”

Fout = k*sqrt(h);k = Fout/sqrt(h);

end

Model tank

PARAMETERS

k as Real;

A as area;VARIABLES

h as length;

in Fin as flow_vol;Out Fout as flow_vol;

EQUATIONS

“balanço de massa”

diff(A*h) = Fin - Fout;diff(A*h) - Fin + Fout = 0;

“equação da válvula”

Fout = k*sqrt(h);k = Fout/sqrt(h);

end

EquaEquaçções equivalentesões equivalentes: : Podem ser escritas na forma

desejada pelo usuário.

EquaEquaççõesões: : Não importa a ordem em que

aparecem no modelo.


Linguagem Linguagem -- sistema baseado em componentessistema baseado em componentes

FlowSheetFlowSheet::A modelagem do sistema A modelagem do sistema éé feita pela feita pela utilizautilizaçção, configuraão, configuraçção e conexão de ão e conexão de

componentes prcomponentes préé existentes.existentes.


Linguagem orientada a objetosLinguagem orientada a objetos

A linguagem de modelagem do EMSO contempla alguns conceitos da programaprogramaççãoão orientada a objetosorientada a objetos (POO), tais como:

– ComposiComposiçção : ão : criação de modelos a partir de sub-modelos;

– HeranHerançça : a : reutilização do código;


Modelagem HierModelagem Hieráárquica de Sistemasrquica de Sistemas

Tank

Inlet Stream

Outlet Stream

A modelagem e a simulação de sistemas complexos éfacilitada através do uso dos conceitos da programação orientada a objetos.

O sistema pode ser decomposto em seus diversos componentes e cada um deles descrito separadamente através de modelos matemáticos.

Os componentes do sistema trocam informações entre si através de suas portas de conexões.


Tipos definidos no EMSO Tipos definidos no EMSO –– Tipos BaseTipos Base

Os parâmetros e as variáveis são declarados com base em um tipo preexistente ou do tipo embutido Real.


Atributos Atributos

A palavra reservada final indica que o valor daquele atributo não deve ser alterado pelo usuário.

TypeName as TypeBase (Brief = “brief", Default=value , Lower=value , Upper=value , Unit = ‘unit’);TypeName as TypeBase (Brief = “brief", Default=value , Lower=value , Upper=value , Unit = ‘unit’);

temperature as Real (Brief = “Temperature", Lower=27 , Upper=5273 , final Unit = ‘K’);temperature as Real (Brief = “Temperature", Lower=27 , Upper=5273 , final Unit = ‘K’);

SintaxeSintaxe

Um tipo definido temperature possui uma unidade de medida final relacionada com as unidades de temperatura reconhecidas pelo EMSO.


Atributos Atributos

Definindo intervalos de validade para os tipos.

efficiency as Real (Brief = “efficiency", Default=0.5 , final Lower=0 , final Upper=1 );efficiency as Real (Brief = “efficiency", Default=0.5 , final Lower=0 , final Upper=1 );

Unidades de Medidas reconhecidas pelo EMSO:

http://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/UnidadesMedidashttp://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/UnidadesMedidashttp://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/UnidadesMedidas


Descrevendo Modelos MatemDescrevendo Modelos Matemááticos ticos -- ModelsModels

Basicamente um Model é composto de:

•• VariVariááveis:veis: Determinam o comportamento do sistema.

•• Parâmetros:Parâmetros: Propriedades do processo, geralmente

conhecidos.

•• EquaEquaçções:ões: Expressão matemática do modelo.


Tanque de NTanque de Níível vel -- ExemploExemplo

Inlet = corrente material de alimentação no tanque

Outlet = corrente material de saídado tanque

h = altura do nível do tanque

k = constante da válvula

A = área da seção do tanque

Dh = diâmetro hidráulico do tanque

A

h

k

Inlet

Dh

Outlet

Modelos para o Tanque

>> Tanque de Seção Circular

>> Tanque de Seção Quadrada

Modelos Modelos parapara o o TanqueTanque

>> Tanque de Seção Circular

>> Tanque de Seção Quadrada


Corrente Material Corrente Material -- ModelagemModelagem

A corrente material carrega as informações que entram e que saem dos equipamentos.

F – vazão volumétricaT – temperaturaP – pressão

Stream

Sink

Source – componente que possui uma corrente material de alimentação. Possui uma conexão de saída.

Sink – componente que recebe uma corrente material de saída. Possui uma conexão de entrada.


Tanque de NTanque de Níível vel -- ModelagemModelagem

A k

Inlet

Dh

Outlet

hkFout ⋅=VVáálvulalvula

( ) FoutFindt

Ahd−=

⋅BalanBalançço de massao de massa

⎪⎩

⎪⎨

⎧ ⋅=

Quadrado se

Circular se 42

2

h

h

D

DA

πÁÁrearea

Inlet StreamFin – vazão de entradaTin – temperatura de entradaPin – pressão de entrada

Outlet StreamFout– vazão de saídaTout – temperatura de saídaPout – pressão de saída PinPout =

EquilEquilííbrio Mecânicobrio Mecânico

TinTout =EquilEquilííbrio Tbrio Téérmicormico


Tanque de NTanque de Níível vel -- HeranHeranççaa

Características comunsentre os modelos

Característicasparticularesdo modelo

Característicasparticularesdo modelo

4

2hDA ⋅

=π 2

hDA =


Criando um ModelCriando um Model

MenuMenu

Novo Novo ArquivoArquivo

NameName

LocationLocation

EMSO EMSO templates templates


Criando um ModelCriando um Model

oo UsingUsing

oo ParametersParameters

oo VariablesVariables

oo EquationsEquations

oo ComentComentááriosrios


Criando um Model Criando um Model –– CorrentesCorrentes

Seleção da

Unidade de

Medida desejada

pelo usuário

Incluindo arquivos

Conexão de

entrada

Conexão de saída


Criando um Model Criando um Model –– Tanque BTanque Báásicosico

Criando Unidades

Funções Embutidas do EMSO

http://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/Functionshttp://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/Functionshttp://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/Functions


Criando um Model Criando um Model –– Tanque CircularTanque Circular

HerançaO modelo herda

todos os atributos da classe da qual

ele deriva.

SETDefinindo o valor dos parâmetros.

EQUATIONEscrevendo a

equação particular do

modelo.


Criando um Model Criando um Model –– Tanque QuadradoTanque Quadrado

Model tank_Basic #modelo abstrato

Model tank_Circular #DEVICE

Model tank_Square #DEVICE

Model tank_Basic #modelo abstrato

Model tank_Circular #DEVICE

Model tank_Square #DEVICE

Tanks.msoTanks.mso

Modelos de TanquesOs modelos podem ser

agrupados em um mesmo arquivo mso.

Somente são considerados DEVICESDEVICESaqueles modelos que representam

um equipamento completo.


Diagramas de Processo Diagramas de Processo – FlowSheetFlowSheet

FlowSheet é a representação de um diagrama de

processos no EMSO.

No EMSOEMSO o usuário pode manipular

vários FlowSheetsFlowSheets ao mesmo tempo.

Os equipamentos são denominados

DEVICESDEVICES. Um FlowSheet é composto por um conjunto de operações unitárias

ou equipamentos conectados entre si.


Tanque de NTanque de Níível vel -- Criando um FlowSheetCriando um FlowSheet

ÍÍconecone

NameName

LocationLocation

Inicia um novo

Template


Tanque de NTanque de Níível vel -- FlowSheetFlowSheet

Consulte a referência rápida do EMSO para conhecer mais sobre

FlowSheets


Tanque de NTanque de Níível vel -- simulasimulaççãoão

O simulador analisa a consistência do sistema criado no

FlowSheet.


Tanque de NTanque de Níível vel -- simulasimulaççãoão

O simulador indica a

existência de erros e

alertas para o usuário.

Check na consistência de unidades de medidas.

Check nos graus de

liberdade do sistema.


Tanque de NTanque de Níível vel -- simulasimulaççãoãoInicia a

simulação

Seleção do FlowSheetdesejado.

Detalhes da simulação


Tanque de NTanque de Níível vel -- ResultadosResultados

New New PlotPlot


Selecionando uma Região do GrSelecionando uma Região do Grááficofico

Selecione a regiãodo gráfico

Usando o mouse

Para reverter o ZoomClicar com o botão direito

do mouse e selecionara opção Zoom Out


Editando GrEditando Grááficosficos Clicar com o botãodireito

do mouse sobre o gráficoOpção:

Properties

CaixaCaixa dededidiáálogologo


Salvando GrSalvando Grááficosficos

CaixaCaixa dededidiáálogologo

Clicar com o botão direito

do mouse sobre o gráfico

Opção: Export Image


Salvando os ResultadosSalvando os ResultadosCaixaCaixa dededidiáálogologo

Save ResultSave Result


Salvando os ResultadosSalvando os Resultados

Usando o Excelpara analisar os

resultados

Resultados separadospor blocos de equipamentos


Salvando os ResultadosSalvando os Resultados

Usando o Matlabpara analisar os

resultados


Tanques em STanques em Séériesries

A

h

k

Inlet

k k

Dh

A A

DhDh

h h

Construir um FlowSheet com 3 tanques conectados em séries.


FlowSheet FlowSheet -- Tanques em STanques em Séériesries

Graus de liberdadeDinâmico aumenta


Tanques em STanques em Sééries ries -- ResultadosResultados


Tanques em STanques em Sééries ries -- ResultadosResultados

Resultados separados porblocos de equipamentos


N Tanques em SN Tanques em Sééries ries -- ComposiComposiççãoão

é possível construir um modelo genérico

através da composição !

Como proceder ?


Model Model -- N Tanques em SN Tanques em SéériesriesInlet

Usando a composição naforma vetorial

Fazendo as conexões

intermediáriasdentro do

modelo


CONNECTIONS

Tank([1:N-1]).Outlet to Tank([2:N]).Inlet;

CONNECTIONS

Tank([1:N-1]).Outlet to Tank([2:N]).Inlet;

Model Model -- N Tanques em SN Tanques em Séériesries

CONNECTIONS

Tank(1).Outlet to Tank(2).Inlet;



...

Tank(N-1).Outlet to Tank(N).Inlet;

CONNECTIONS




...

Tank(N-1).Outlet to Tank(N).Inlet;


FlowSheet FlowSheet –– N Tanques em SN Tanques em Séériesries

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Modelagem AvanModelagem Avanççadaada


Usando Rotinas Externas Usando Rotinas Externas –– PluginPlugin’’ss


ExemploExemplo de Plugde Plug--in in -- VRThermVRTherm CCáálculoslculos de de PropriedadesPropriedades

Banco de dados com cerca de

2000 componentes

puros

Predição de propriedadesde misturas


PlugPlug--in'sin's -- VRThermVRTherm funfunççõesõesModelos para a

predição de propriedades

puras e de misturas

Funções que podemser chamadas no

EMSO



CorrentesCorrentes MateriaisMateriaisModelos de correntes disponíveis na EML:


Switcher Switcher –– Parâmetros TextuaisParâmetros Textuais

UsandoparâmetrosTextuais em

modelos

O uso do comando

switch dentrodo modelo



Escolha do usuário



Tomada de decisões

independenteda escolha do

usuário



Tomada de decisões

independenteda escolha do

usuário

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