El estándar de interfaz CAPE-OPEN consta de una serie de especificaciones para ampliar el rango de aplicación de las tecnologías de simulación de procesos . Las especificaciones CAPE-OPEN definen un conjunto de interfaces de software que permiten la interoperabilidad plug and play entre un entorno de modelado de procesos determinado y un componente de modelado de procesos de terceros.
Orígenes
El proyecto CAPE-OPEN, financiado por la Unión Europea, se estableció en 1997. [1] En el proyecto participaron participantes de varias empresas de las industrias de procesos ( Bayer , BASF , BP , DuPont , Instituto Francés del Petróleo (IFP), Elf Aquitaine e Imperial Chemical Industries (ICI)) junto con 15 socios, incluidos proveedores de software ( Aspen Technology , Hyprotech Ltd, QuantiSci y SimSci]) y académicos ( Imperial College London , National Polytechnic Institute of Toulouse (INPT) y RWTH Aachen University ). El objetivo del proyecto era demostrar la viabilidad de un conjunto de interfaces de especificación para permitir la interoperabilidad plug and play entre entornos de modelado y componentes de modelado de terceros.
Tras la finalización del proyecto CAPE-OPEN en 2001, y la exitosa prueba de concepto de interoperabilidad plug and play, se formó un segundo proyecto, Global CAPE-OPEN, para convertir las especificaciones de la interfaz en productos que pudieran ser ampliamente utilizados por Industria. Este proyecto tuvo una serie de elementos clave que incluyen:
- Un grupo de trabajo de interoperabilidad para verificar la implementación de CAPE-OPEN en herramientas de simulación comercial
- El subsidio de pequeños proveedores de simulación para implementar interfaces CAPE-OPEN
- La formación de la organización sin fines de lucro, la Red de Laboratorios CAPE-OPEN (CO-LaN), [2] para asegurar el mantenimiento y desarrollo de las interfaces CAPE-OPEN.
Propósito
Las empresas operativas en las industrias de procesos suelen realizar una inversión financiera significativa en tecnologías de simulación comercial. Sin embargo, todas las herramientas de simulación tienen fortalezas y debilidades. Por lo general, estos reflejan un enfoque en la industria de procesos en particular para la que se desarrolló originalmente el paquete de simulación. Por ejemplo, los paquetes de simulación desarrollados para la industria petrolera pueden tener una debilidad para el modelado de ciertos sistemas químicos especializados; Es posible que los entornos de modelado centrados en sistemas de gas y petróleo no tengan la capacidad para manejar múltiples fases líquidas y / o formación de sólidos. Aunque, con el tiempo, los proveedores de simulación mejoran y mejoran las capacidades de sus tecnologías de modelado, por lo general, persisten brechas de capacidad. Una empresa operativa puede abordar estas brechas de capacidad reemplazando los componentes relevantes en su herramienta de elección con componentes mejorados de otros lugares. A menudo, estos componentes mejorados se originan dentro de la propia empresa operadora y contienen una propiedad intelectual significativa relacionada con un proceso específico que no está fácilmente disponible para los proveedores de modelos comerciales. Alternativamente, los componentes mejorados pueden provenir de una empresa especializada en áreas específicas de modelado, por ejemplo, el modelado riguroso de intercambiadores de calor o para termodinámica y propiedades físicas.
Históricamente, la integración de componentes de terceros en un entorno de simulación comercial implicaba la escritura de interfaces de software patentado que "envolvían" los nuevos componentes y les permitían comunicarse con el entorno de modelado del host. El grado de dificultad para desarrollar tales interfaces varió significativamente dependiendo de cuán “abierto” fuera el entorno de modelado de host y cuán bien documentados estuvieran los protocolos de comunicación asociados. Inevitablemente, las interfaces de componentes hechas a medida fueron difíciles de mantener a medida que se adoptaron nuevas versiones del entorno de modelado. Además, un contenedor de componentes para un entorno no funcionaría con un entorno alternativo de un proveedor de simulación diferente. Las subrutinas agregadas por el usuario, tanto para las operaciones unitarias como para los modelos termodinámicos, es un enfoque alternativo para la integración de componentes, pero tiene dificultades similares para mover las subrutinas de un simulador a otro.
El desarrollo de una capacidad plug and play estandarizada, por lo tanto, tenía el potencial de brindar una serie de importantes beneficios comerciales: [3]
- Menores costos de mantenimiento para las empresas operativas y los proveedores de software debido a la estandarización de las interfaces.
- Captura continua de las lecciones aprendidas en la comunidad de miembros y las mejoras asociadas a las interfaces.
- La capacidad de aplicar un conjunto coherente de componentes de simulación en todos los entornos de simulación compatibles con CAPE-OPEN y otras herramientas de modelado como MATLAB y Microsoft Excel .
- La capacidad de elegir e incorporar el modelo técnicamente más apropiado para una tarea de modelado particular con el nivel de fidelidad necesario.
Conceptos
Se encuentran disponibles varios programas de simulación comerciales para respaldar el modelado de procesos. Por lo general, una empresa operadora determinada utilizará una o más de estas herramientas comerciales para respaldar su actividad de modelado. Además, muchas empresas operativas también mantienen su propio software interno para permitir el modelado de aplicaciones de nicho que las herramientas comerciales no abordan por completo. Cada programa de simulación proporciona un entorno que permite construir un diagrama de flujo del proceso e incorporar la termodinámica del fluido del proceso. El proyecto CAPE-OPEN identificó formalmente dicho programa de modelado como un entorno de modelado de procesos (PME) con el requisito de que los usuarios de un PME deberían poder conectar fácilmente el PME con otras herramientas de modelado sin la necesidad de desarrollar interfaces a medida. Para hacer esto, un PME estaría provisto de un “conector” CAPE-OPEN que permitiría agregar cualquier componente CAPE-OPEN al entorno de modelado. [4]
Todos los PME vienen con una biblioteca de operaciones unitarias ( separadores de vapor-líquido , válvulas , intercambiadores de calor , columnas de destilación , etc.) y una variedad de métodos termodinámicos ( ecuación de estado , modelos de coeficientes de actividad , etc.). Estos componentes de la biblioteca normalmente están restringidos al uso dentro del PME nativo. Sin embargo, los usuarios de un PME dado, a menudo requieren sustituir un modelo termodinámico o de operación de una unidad de terceros por el proporcionado por el entorno nativo. El proyecto CAPE-OPEN identificó formalmente una operación unitaria o un motor termodinámico como un Componente de Modelado de Procesos (PMC) con el requisito de que un PMC podría estar "envuelto" con interfaces estándar que permitirían colocarlo en un PME compatible con CAPE-OPEN. sin la necesidad de desarrollar software de interfaz adicional, no se requeriría programación ni para el entorno de modelado ni para el núcleo del componente de modelado. Para organizar sus programas de trabajo, el proyecto CAPE-OPEN clasificó los principales elementos de un sistema de simulación a saber:
- Operaciones unitarias ; el modelado de unidades de proceso específicas, por ejemplo, reactores, columnas de destilación , intercambiadores de calor. Una operación unitaria tiene puertos que definen las ubicaciones de las entradas y salidas del flujo de material y adquiere propiedades físicas de los objetos materiales.
- Objetos materiales. Estos representan flujos de información, energía o fluidos de proceso que conectan dos o más operaciones unitarias. Un objeto material está asociado con un paquete termodinámico que devuelve propiedades físicas como densidad, viscosidad, conductividad térmica, etc.
- Solucionadores numéricos; métodos numéricos iterativos eficientes para resolver el conjunto de ecuaciones altamente no lineales formado por un diagrama de flujo del proceso. Los métodos iterativos se utilizan para resolver las ecuaciones de un módulo de operación de una sola unidad y para resolver el diagrama de flujo general que contiene una serie de operaciones de unidad interconectadas.
Cualquier entorno de modelado con una interfaz CAPE-OPEN, para la operación de una unidad o un paquete termodinámico, podría comunicarse con cualquier componente de modelado CAPE-OPEN sin la necesidad de escribir software de interfaz adicional.
Las especificaciones de CAPE-OPEN definen interfaces de software para entornos de simulación de procesos en términos tanto del estándar COM / DCOM de Microsoft como de la arquitectura de agente de solicitud de objeto común (CORBA). Por lo tanto, los simuladores basados en COM y CORBA son compatibles con las especificaciones CAPE-OPEN. Las especificaciones siguen un enfoque orientado a objetos y se desarrollan y especifican utilizando el lenguaje de modelado unificado (UML). Los casos de uso formales se desarrollan para definir los requisitos del usuario final. Los casos de uso resumen las actividades e interacciones involucradas con la instalación y aplicación de un componente CAPE-OPEN dentro de un entorno de modelado CAPE-OPEN. Una vez desarrollados, los casos de uso proporcionan un procedimiento eficaz para probar nuevos componentes y entornos CAPE-OPEN.
Apoyo
El proyecto Global CAPE-OPEN finalizó en 2002 y entregó especificaciones de interfaz para operaciones unitarias (en estado estacionario) y componentes termodinámicos. Posteriormente se estableció una organización sin fines de lucro, CO-LaN, [2] para mantener y respaldar las especificaciones existentes y continuar con el desarrollo de especificaciones de interfaz CAPE-OPEN adicionales.
Especificaciones de CAPE-OPEN
Actualmente, tres especificaciones principales CAPE-OPEN han encontrado un amplio uso en las industrias de procesos [5]
- La especificación de operación de la unidad, versión 1.0, que se aplica al modelado de estado estable
- Interfaz de propiedad física y termodinámica 1.0
- Interfaz de propiedades físicas y termodinámicas versión 1.1. Esta interfaz es una revisión completa de la interfaz de propiedades físicas y termodinámicas 1.0 con algunas funcionalidades extendidas junto con simplificaciones y mayor flexibilidad diseñadas para facilitar la implementación de CAPE-OPEN. Desafortunadamente, esta versión de la interfaz no es compatible con la versión 1.0.
CO-LaN [6] [7] ha fomentado y apoyado activamente el desarrollo y el apoyo de nuevos componentes CAPE-OPEN y la atención se ha centrado en las nuevas operaciones unitarias, que no están fácilmente disponibles en simuladores comerciales [8] [9] y la interfaz de modelos patentados de propiedad física y termodinámica a entornos de simulación comerciales mientras se protege la propiedad intelectual inherente. [10] Actualmente, todos los principales entornos de modelado de procesos comerciales cumplen con CAPE-OPEN y hay muchos componentes de modelado de procesos CAPE-OPEN disponibles. Una lista completa de los PME y PMC disponibles está disponible en el sitio web de CO-LaN.
Herramientas de software
No se requiere licencia de CO-LaN u otra organización para hacer uso de las especificaciones de CAPE-OPEN. Sin embargo, CO-LaN ha desarrollado una serie de herramientas para ayudar con la implementación de interfaces CAPE-OPEN:
- Asistentes de software para ayudar con el desarrollo de la interfaz CAPE-OPEN para modelar componentes.
- Ejemplos de código de software para componentes termodinámicos y operaciones unitarias para proporcionar plantillas para nuevas implementaciones.
- Un entorno de prueba CAPE-OPEN en el que los componentes se pueden conectar y probar para verificar su conformidad con las especificaciones de CAPE-OPEN.
- Una herramienta de registro para capturar todas las comunicaciones entre un componente de modelado CAPE-OPEN y un entorno de modelado CAPE-OPEN [11]
Puede encontrar más información sobre las herramientas de software de CO-LaN junto con las descargas disponibles en el sitio web de CO-LaN.
Además, CAPE-OPEN se implementa en software gratuito como el simulador COCO , en software abierto como DWSIM y en muchas de las herramientas de simulación comerciales líderes .
Futuros desarrollos
Las especificaciones en desarrollo por CO-LaN incluyen:
- Operaciones unitarias dinámicas. Esta extensión de la especificación de operación de la unidad de estado estable permitirá que los modelos de operación de la unidad dinámica de terceros se utilicen en un entorno de simulación dinámica compatible con CAPE-OPEN.
- Reacciones químicas que se publicarán como una extensión de la interfaz termodinámica [12]
- Una especificación de monitoreo de diagrama de flujo
- Una especificación de la interfaz de fracciones de petróleo
Referencias
- ^ M. Jarke, J. Köller, W. Marquardt, L. von Wedel, B. Braunschweig, 1999, "CAPE-OPEN: Experiencias de un esfuerzo de estandarización en industrias químicas", Actas de la 1ra Conferencia IEEE sobre estandarización e innovación en la información Tecnología (SIIT 99) , Aquisgrán, Alemania, páginas 25-35, ISBN 0-7803-9935-8
- ^ a b CO-LaN
- ^ Banks, PS; Hierros, KA; Woodman, MR Woodman (2005). "Interoperabilidad del software de simulación de procesos" . Ciencia y tecnología del petróleo y el gas . 60 : 607–616. doi : 10.2516 / ogst: 2005043 .
- ^ JP. Belaud, M. Pons, 2002, "Arquitectura de software abierta para la simulación de procesos: el estado actual del estándar CAPE-OPEN", Ingeniería química asistida por computadora. , DOI: 10.1016 / S1570-7946 (02) 80169-9
- ^ Michel Pons, 2009, "Haciendo uso de la tecnología CAPE-OPEN en la simulación de procesos", Conferencia: Reunión anual de la AIChE 2009 , ISBN 9781615679133
- ^ Michel Pons, 2010, "¿Cómo hacer uso de CAPE-OPEN?", Reunión anual de 2010 AIChE , ISBN 9780816910656
- ^ Jasper Van Baten, Michel Pons, 2014, "CAPE ‐ OPEN: Interoperabilidad en software de simulación de hojas de flujo industriales", Chemie Ingenieur Technik , volumen 86, número 7, páginas 1052-1064, DOI: 10.1002 / cite.201400009
- ^ Jasper Van Baten, César G. Pernalete, Juan C. Urbina, José F. Arévalo, 2015, “Una caracterización de alimentación de reconstrucción molecular y una estrategia de implementación CAPE OPEN para desarrollar una herramienta para modelar reactores HDT para cortes de petróleo ligero”, Computer Aided Chemical Ingeniería , Volumen 37, ISBN 978-0-444-63429-0
- ^ Jasper van Baten, Richard Szczepanski, 2011, "Un modelo de reactor de equilibrio termodinámico como operación de una unidad CAPE-OPEN", Computers & Chemical Engineering, Volume 35, Issue 7, Pages 1251-1256 , DOI: 10.1016 / j.compchemeng.2010.07 .016
- ^ Gregor Tolksdorf, Erik Esche, Jasper van Baten, Gunter Wozny, 2016, Modelado y solución de Taylor-Made de nuevas unidades de proceso mediante Flowsheeting modular basado en CAPE-OPEN, Ingeniería química asistida por computadora. vol 38 , ISBN 0444634444
- ^ Michel Pons, Peter Banks, Bertrand Braunschweig, 2007, "Un entregable de CO-LaN a los desarrolladores y usuarios de CAPE-OPEN: la herramienta de prueba y registro de CAPE-OPEN (COLTT)", 17º Simposio europeo sobre ingeniería de procesos asistida por computadora , ISBN 0080546315
- ^ Michel Pons, 2003, "La especificación de interfaz CAPE-OPEN para el paquete de reacciones", Ingeniería química asistida por computadora, Volumen 14 , DOI: 10.1016 / S1570-7946 (03) 80225-0