Fakultät Maschinenwesen Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik Professur Verfahrensautomatisierung

Simulation und Optimierung

9. Vorlesung

Spezielle Werkzeuge (“Gehobene” Methoden)in ASPEN+Optimierung

Simulation des dynamischen Verhaltens mitASPEN PLUS DYNAMICS

Optimierung

Das Basisformular für die Eröffnung der Beschreibung eines Optimierungsproblemswird auf folgendem Weg geöffnet:

Öffne “Model Analysis Tools” 6 öffne “Optimization”.

Es erscheint der Object Manager, es kann nun ein neuer Optimierungsblock definiertbzw. ein vorhandener editiert werden:

• Definition der Variablen, die im Zielkriterium benötigt werden

Im Formular Define, das in dem auf der folgenden Seite dargestellten Bild zu sehen ist,wurden bereits zwei Variable definiert, auf die bei der Formulierung der Zielfunktionspäter zugegriffen werden kann. Sollen weitere Variable definiert werden, so ist derSchalter New zu betätigen. Die sich anschließenden Schritte sind identisch zu denen, diefür die Sensitivitätsanalyse bereits beschrieben wurden. Den anwenderorientiertenBezeichnungen werden auch hier die jeweiligen Block- oder Strom-Variablen zugeordnet.

! Definition des Zielkriteriums

Im Abschnitt Objective function sind folgende Eingabemöglichkeiten zu nutzen:� Über die beiden Schalter Maximize / Minimize wird der Typ des Extremums einge-

stellt.� In dem rechts von den Schaltern befindlichen Eingabefeld wird die Zielfunktion

eingegeben. Diese kann direkt als Formelausdruck kodiert werden. Es ist aber auchmöglich, einen Bezeichner (wie im Beispiel) einzutragen, der im Fortran-Formulardefiniert wird.

! Definition von Fortran-Ausdrücken

Im dargestellten Formularkönnen arithmetische Aus-drücke kodiert werden, die derSyntax der Programmierspra-che FORTRAN entsprechen.Die syntaktischen Regeln ent-

sprechen weitgehend den auch in anderen Programmiersprachen (Pascal, MATLAB)üblichen. Sollten sich Deklarationen notwendig machen, so sind diese im FormularDeclarations zu kodieren.

Im dargestellten Beispiel wird die Variable Z, die bereits im Formular Objective &Constraints für die Zielfunktion eingeführt wurde, durch einen FORTRAN-Ausdruckdefiniert. Innerhalb dieses Ausdrucks werden die Variablen verwendet, die im FormularDefine definiert wurden. Der Nutzer kann diese vordefinierten Variablen über eineAuswahlprozedur in den Text einfügen, die genau so abläuft, wie die, die für die Sensitivi-tätsanalyse bei der Definition des Tabellenformats beschrieben worden ist.

! Definition der Entscheidungsvariablen

Im dargestellten Formular werden die Entscheidungsvariablen, die für die Optimierungherangezogen werden sollen, definiert.

Die Entscheidungsvaria-blen sind die Variablen, dieb e i d e r S u c h e d e sOptimums variiert werde.Diese müssen so gewähltwerden, dass eine konsis-tente Problemdefinition ent-steht.

D ie Auswah lprozedurstimmt weitgehend mit derüberein, die für die Aus-wahl der im Rahmen einerSensitivitätsanalyse zu va-

riierenden Größen beschrieben wurde. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass hierkeine Angaben zu Schrittweiten erforderlich sind.

! Bezugnahme auf Nebenbedingungen

Im folgenden Abschnitt wird die Vorgehensweise zur Kodierung der Nebenbedingungenbeschrieben. Auch die Nebenbedingungen werden als Blöcke, auf die über ihre NamenBezug genommen werden kann, eingerichtet. Im Formular Define erscheint im AbschnittConstraints associated with the optimization auf der rechten Seite ein Auswahlfenstermit den Namen der Nebenbedingungsblöcke. Durch die in der Mitte des Abschnittsangeordneten Auswahlschalter können dann die Nebenbedingungsblöcke ausgewähltwerden, die mit dem Optimierungsblock verbunden werden sollen. Die ausgewähltenBlöcke erscheinen im rechten Fenster des Formularabschnittes.

! Vorbereitung für die Optimierungsrechnung

Vor dem Start einer Optimierungsrechnung ist dringend zu empfehlen, definierte Startbe-dingungen herzustellen. Dazu ist die Funktion Reinitialize auszuführen.

Definition von Nebenbedingungen

Das Basisformular für die Eröffnung der Beschreibung eines Nebenbedingungsblockswird auf folgendem Weg geöffnet:

Öffnen von “Model Analysis Tools” 6 öffne “Constraint”.

Es erscheint der Object Manager, es kann nun ein neuer Nebenbedingungsblock de-finiert bzw. ein vorhandener editiert werden. Über den Schalter New wird ein neuer Blockgeneriert. Es lassen sich auch mehrere Blöcke anlegen. Für jeden Block ist zur Identifika-tion ein Bezeichner einzugeben. Wird ein Block später modifiziert oder soll er gelöschtwerden, so sind die entsprechenden Schalter im Formular (Edit, Delete usw.) desObject Manager zu benutzen.

! Definition der Variablen, die in den Nebenbedingungen benötigt werden

Im Formular Define werden die Variablen definiert, die bei der Kodierung der Nebenbe-dingungen benötigt werden:

Die Vorgehensweise ist dabei völlig analog zu der, die für die Definition der Variablen, dieim Zielkriterium benötigt werden, bereits beschrieben wurde.

! Definition der Nebenbedingungen

Die Nebenbedingungen können folgende Formen besitzen:

Für die Kodierung der Ne-benbedingungen steht dasFormular Spec zur Verfü-gung.

Die einzelnen Felder besitzen folgende Bedeutungen:

G Im Abschnitt Specification wird die linke Seite (entsprechend der oben eingeführtenSchreibweise ) der Nebenbedingung kodiert. Dabei gibt es die gleichen Wahlmög-lichkeiten wie bei der Kodierung der Zielfunktion; entweder es wird der Ausdruckdirekt eingetragen oder es wird eine Variable eingetragen, die im Formular Fortranüber einen Ausdruck definiert wird. Im dargestellten Beispiel ist die erste Möglichkeitgewählt worden, da die linke Seite der Nebenbedingung nur aus einer Variablenbesteht.

G Im Eingabefeld mit der Pickliste wird der Vergleichsoperator ausgewählt.G Dem Auswahlfeld folgt das Eingabefeld für die rechte Seite der Nebenbedingung.G Im Feld Tolerance ist der absolute zulässige Fehler, mit dem die Nebenbedingung

zu erfüllen ist, anzugeben.

Simulation des dynamischen Verhaltens mit

ASPEN PLUS DYNAMICS

Im Unterschied zu ASPEN PLUS ist ASPEN PLUS DYNAMICS ein Simulationssystem fürdynamische Probleme. Folgende Problemklassen lassen sich mit diesem Programmbearbeiten:! Entwurf und Analyse von Automatisierungsstrategien,! Untersuchung und Bewertung von Havarie-Szenarien,! Untersuchung von Qualitätsproblemen und Umweltbeeinflussungen,! Schwachstellenanalyse und operative Fehlersuche,! Test von An-/Abfahrstrategien,! Untersuchung und Bewertung von Bedienereingriffen.

ASPEN PLUS DYNAMICS stellt eine Erweiterung von ASPEN PLUS dar. Ein Simula-tionslauf unter ASPEN PLUS DYNAMICS muss durch die statische Simulation mitASPEN PLUS vorbereitet werden. Dabei sind aber bereits unter ASPEN PLUS einigezusätzliche Formulare auszufüllen; die Input-Datei für ASPEN PLUS DYNAMICS ist überdie Exportfunktion von ASPEN PLUS zu generieren.Die Bearbeitung einer dynamischen Simulationsaufgabe mit ASPEN PLUS DYNAMICSumfasst folgende Schritte:S Vorbereitung der dynamischen Simulation mit ASPEN PLUSS Export der Dateien für die dynamische Simulation S Lesen der exportierten Dateien durch ASPEN PLUS DYNAMICSS Modifikation des Fließschemas bezüglich der eingesetzten ReglerS Durchführung der Simulationsläufe

Vorbereitung einer dynamischen Simulation unter ASPEN PLUS

Wird eine Simulationsaufgabe, die mit ASPEN DYNAMICS bearbeitet werden soll, unterASPEN PLUS vorbereitet, so muss zunächst der Simulationsmodus von stationärerSimulation in dynamische Simulation geändert werden. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten:

- Im Ordner Setup wird die Daten-Seite Specifications geöffnet. Im Formular Globalwird im Feld Input mode die Eintragung stady-state in dynamic geändert.

- In der Kopfleiste wird der Ordner Dynamics geöffnet; der Schalter “Dynamic Model”ist anzuklicken.

Bei der Parametrierung der Modellblöcke werden im Zustand Dynamic zusätzlicheFormulare generiert, die jene Parameter enthalten, die nur für den Fall der dynamischenSimulation maßgebend sind.

Die Erzeugung der Input-Dateien für ASPEN PLUS DYNAMICS

! Allgemeine Vorgehensweise

Es ist der Menüpunkt Export im File-Menü auszuwählen. Im erscheinenden Dialogfeldsind Name und Ziel der zu exportierenden Dateien sowie der Dateityp festzulegen. Vordem Export der Problemdateien für die dynamische Simulation muss der Nutzer ent-scheiden, unter welchen Bedingungen die dynamische Simulation ablaufen soll. Die sichhierbei ergebenden Fälle werden im folgenden behandelt.

! Durchsatzbestimmte Simulation (flow driven simulation)

Für die stationäre Simulation gilt, dass die Drücke und Durchsätze der austretendenStröme vollständig durch die Bedingungen an den Eingängen der Prozesseinheit sowiedurch die Bedingungen in der Prozesseinheit bestimmt werden. Die Drücke in dennachgeschalteten Prozesseinheiten haben keinen Einfluss auf die Durchsätze und dieDrücke in den austretenden Strömen. Diesen Ansatz nennt man die durchsatzbestimmteSimulation.Die durchsatzbestimmte dynamische Simulation läuft unter den gleichen Vorausset-zungen ab. Für jeden Modellblock gibt es Regeln, die festlegen, wie bei bekanntenEingangsbedingungen die Drücke und Durchsätze der austretenden Ströme zu be-stimmen sind. Wenn erforderlich, werden die Durchsätze der austretenden Ströme durchDruck- und Füllstandsregler bestimmt. Diese Regler werden beim Laden der Problem-beschreibung in ASPEN PLUS DYNAMICS automatisch in das Fließschema eingefügt.Die durchsatzbestimmte Simulation ist für viele Anwendungsfälle gut geeignet, vor allemdann, wenn die Prozesse überwiegend in der flüssigen Phase ablaufen.

Für den Export ist als Dateityp Aspen Plus Dynamics - Flow Driven auszuwählen.

! Druckbestimmte Simulation (pressure driven simulation)

Für eine Reihe von Prozessen werden die Durchsätze zwischen den Prozesseinheitendurch die Druckdifferenzen zwischen diesen bestimmt. Für diese Fälle ist eine druck-bestimmte Simulation zu generieren. Die Drücke der Rohstoff- und der Produktströmemüssen festgelegt werden. Die Rohstoffströme sind nicht fest, sondern ergeben sich, wieauch alle inneren Durchsätze, aus den Druck-Durchsatz-Beziehungen. Das Fließschemamuss für eine druckbestimmte Simulation evt. um Modellblöcke ergänzt werden, die eineDurchsatz/Druckdifferenz-Beziehung (Ventile, Kompressoren usw.) zwischen den Prozes-seinheiten bzw. zwischen Prozesseinheiten und der Umgebung definieren, um dasProblem lösbar zu gestalten. Als Werkzeug steht dafür der Pressure Checker zur Verfügung, der über die folgendenMenüpunkte aufgerufen wird:

Öffnen des Ordners “Dynamics” (in der Kopfleiste) 6 Pressure Checker

Dieses Werkzeug ermittelt die notwendigen Blöcke, die eingefügt werden müssen undunterbreitet Vorschläge für ihre Einführung in das Fließschema, falls es mehrere Möglich-keiten gibt. Für den Export ist als Dateityp Aspen Plus Dynamics - Pressure Driven zu wählen.

! Direkter Start von ASPEN PLUS DYNAMICS aus ASPEN PLUS heraus

Das in ASPEN PLUS entwickelte Projekt, das die Voraussetzung für eine dynamischeSimulation darstellt, kann auch sofort an ASPEN PLUS DYNAMICS übergeben werden,ohne dass die Projektdateien exportiert werden. ASPEN PLUS DYNAMICS wird dabeisofort gestartet. Dazu ist der Ordner Dynamics in der Kopfzeile zu öffnen. Es erscheinendie folgenden Schalter, über die die jeweilige dynamische Simulation eingeleitet werdenkann.