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什么是过程建模与仿真?为何需要建模和仿真?

来源:控制工程网2021.09.18阅读 2139

  仿真,有时虽然可以与建模互换使用,但仿真其实是运行模型的成果。首先需要建模控制工程网版权所有,然后利用所得的模型进行仿真研究。通常控制工程网版权所有过程模型可再现历史数据以用于验证,也可利用假设性研究来推断数据以预测未来。用户可以基于同一个模型进行多个仿真,探索替代方案或利用仿真来复制系统。
  对于制造和与制造有关的过程,如批量文件、材料补充/仓储和质量测试实验室,计算机模型的主要目的是作为真实系统的替代方案(从行为的角度来看)。
  在实际过程中进行试验可能成本过高或具有破坏性,也有可能实际过程还不存在,仍在设计之中。无论是哪种情况,计算机模型都可进行实验或“假设分析”研究,以加深对实际系统的了解,并识别和比较替代方案,然后通过某种方式改进系统CONTROL ENGINEERING China版权所有,这通常可以降低成本,提高产量。
  使用基于计算机的建模的依据是:通常情况下,实际系统非常复杂,涉及变量之间的诸多交互作用,这些交互可能是未知的,也可能是定义不清的,而且具有明显的可变性,这往往会掩盖彼此之间的潜在关系。
  好的模型是真实系统的简化,可以获得必要的彼此之间的联系,而忽略不重要的细节。如果存在可变性并且可以量化,则可以在模型中加以考虑,以获得更接近实际的结果。

过程模型是实际系统或流程的计算机表示。图片来源:CRB

  仿真的好处
  利用过程建模和仿真,我们可以从这项技术中获得哪些好处?在下面这两种情况下仿真能够更好的发挥作用:
  设计阶段:设施正处于设计阶段或即将开始设计。最好是在设计初期就进行仿真,越早越好。在设计初期,根据过程仿真结果的反馈变更设计,成本要低的多。
  改造:现有设施需要某些方面的改造。典型目标是提高产量,降低制造成本,降低库存或所有上述目标的结合。对现有设施进行研究,根据研究结果进行改造,可能需要、也可能不需要设备变更。有时CONTROL ENGINEERING China版权所有,仅通过更改运行程序或生产计划,就可完成改造,非常简单。
  设计阶段中的仿真
  在新设计中,过程建模可以确定必要的工艺和支持设备的数量和规格。这对于多装置共享设备特别有用,例如就地清洁(CIP)设备、公用系统设计以及口服固体药剂(OSD)设施中的粉末箱和片剂箱。某些设备可能是整个生产过程中的瓶颈,而过程模型可以识别瓶颈设备,并确保其产量限值不低于设施的业务目标。
  该模型还将检查其它潜在的瓶颈。如果它们的约束条件接近于预期的瓶颈,那么调度中断或其它可变因素,可能会导致约束低于设计值,这样就可以有效地将更严格的瓶颈替换为期望的瓶颈。
  在设计过程中,变更频繁发生。当工程师们发现更好的替代方案时,管理人员可能会改变该设施将要生产的产品数量组合。在这种情况下控制工程网版权所有,设计的过程模型特别有用。该模型可用于评估备选方案,并确保变更具有成本效益,同时保持所需的产量。人员编制和轮班时间表也可以与模型进行比较。这有助于确定设计变更的成本论证。

在新设计中,过程建模可以确定必要的处理和支持设备的数量和规格。

  设施改造期间的建模
  现有设施模型的作用与设计过程中的模型类似,但有两个重要区别。首先,有历史数据可资利用,从而可以创建更好的模型,并验证模型的性能。这有助于防止过程建模错误,并提高对模型结果的信心。其次,该模型更有可能用于运行决策,例如生产计划和轮班计划。
  在这种情况下控制工程网版权所有,仍然可以更换设备,但如果设施的占地面积是固定的,那么变更的规模可能就比较小。中间库存也可能因为同样的原因而被固定下来,为生产制造带来其他问题。现有设施的模型往往更接近实际、更详细,这需要更多的工程实施时间来构建、验证和使用模型。
  在正确的细节层面上,并经过适当验证的过程模型,是比较备选方案并证明其成本合理的有效工具。这些好处适用于设计阶段的新设施,以及需要改造或改进运营的现有设施。当每个设施都有其最新模型时,获益会进一步提升。通常控制工程网版权所有,在运营工业设施时需要迅速做出正确的决定,但只有事先在过程模型上投入了时间和精力,才有可能做到这一点。(作者:Philip Lyman) 


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