ISAAC Dynamics e la Simulazione Dinamica

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1 ISAAC Dynamics e la Simulazione Dinamica

2 SOMMARIO Ruolo della simulazione Dinamica Generalità Piattaforma ISAAC Dynamics ISAAC Dynamics : Approccio e Struttura Tecnica Metodo Risolutivo Applicazioni presenti in ISAAC Dynamics ISAAC Dynamics 2.3

3 Ruolo della Simulazione Dinamica Simulatore di impianto Programma su calcolatore in grado di riprodurre il funzionamento dell impianto che si vuole studiare in maniera virtuale. Obiettivo Migliorare un impianto esistente (repowering, etc.) Progettare un impianto innovativo Vantaggi Un simulatore dinamico (time depending) dell impianto permette di valutare diversi layout in fase di progettazione oltre che diverse strategie di controllo e di gestione dell impianto a costi estremamente ridotti. Studiare il comportamento dinamico di un sistema in modo sperimentale può essere molto dispendioso sia in termini di tempo che di costi. Se l'impianto è ancora in fase di progetto e quindi non è fisicamente disponibile risulta anche impossibile.

4 Ruolo della Simulazione Dinamica Fase di realizzazione di un impianto In questa fase il simulatore dinamico di impianto è utile per : Verifica bilanci di massa e di energia Analisi energetica Progettazione del sistema di controllo Messa a punto e verifica delle procedure operative ordinarie e straordinarie (drenaggi, riempimenti, start up, shut down.) Un simulatore dinamico può essere usato a livello di: PDS (Process Dynamic Simulator), tornerà utile in caso di migliorie, repowering, etc. Oppure, dotandolo di una Man Machine Interface (MMI), a livello di: OTS (Operator Training Simulator)

5 GENERALITA Piattaforma ISAAC Dynamics ISAAC Dynamics è una piattaforma software in grado di costruire e risolvere sistemi di equazioni algebrico-differenziali, anche molto complessi, e di visualizzarne i risultati secondo varie modalità (grafici, files, etc.). L utente è in grado affrontare problemi di varia natura e può disporre dei risultati nella forma ritenuta più consona ai suoi bisogni. Ilsolutore è stato concepito nativamente dinamico: la simulazione di un processo viene eseguita a partire da uno stato fisico del sistema in essere e fatto evolvere nel tempo. Lo stato stazionario di un sistema si raggiunge quando tutte le grandezze fisiche non variano più entro un intervallo sensibile. Avvalendosi di questo strumento é possibile affrontare lo studio del comportamento statico ed in particolare dinamico (time depending) di un impianto industriale o prototipico oppure l analisi di particolari fenomeni/processi fisico-chimici innovativi per il mondo dell industria e della ricerca.

6 GENERALITA Piattaforma ISAAC Dynamics Applicativo scritto interamente in Java versione jdk 1.6 Applicazione stand alone con storicizzazione dati in formato xml Applicazione compatibile con qualsiasi OS.

7 ISAAC Dynamics: Approccio e Struttura Tecnica Module Block Model Simulator Modulo 1 Modulo 3 Modulo 2 Modello Blocco A Blocco B Blocco E Blocco C BUILDER Interfaccia utente di costruzione topologica Solutore Basato sul metodo di Newton Raphson LIBRERIE : Ogni libreria è una collezione di moduli ordinati per attinenza Interfaccia utente di simulazione TAVOLE TERMODINAMICHE: Definiscono le proprietà fisiche dei principali fluidi termovettori (acqua, gas, sali fusi, oli)

8 Module concept Parameters Input variables Physical model Output variables Geometrical data

9 Ogni modulo è implementato come segue: Parameters (1.N) Input variables (1.M) Output variables (1.K) Physical / Geometrical data (1 L) Order of equations: State equations (1.K) Algebraic equations (1.L) that K + L = M Physical model Input Numerical model Equations Output Geometrical data

10 Metodo di Newton Raphson Una generica equazione può essere scritta nella forma: f(x) = 0 Non è detto che la soluzione sia reale e sia unica Nel caso unidimensionale la soluzione può essere ricercata in un intervallo procedendo per approssimazioni successive Se il problema è multidimensionale il sistema di equazioni avrà la forma: 0,,, 0,,, 0,,, 0 ) ( N N N N x x x f x x x f x x x f x f In questo caso occorre individuare la soluzione per via iterativa, partendo da un valore di prova.

11 Metodo di Newton Raphson Il metodo di Newton Raphson richiede il calcolo della funzione f(x) e della sua derivata f (x) Dato un punto P(x,f(x)), si considera la tangente al grafico della funzione nel punto P e la si prolunga fino ad incontrare l asse delle ascisse Il punto di intersezione della tangente con l asse x rappresenta la nuova stima della soluzione

12 Metodo di Newton Raphson y f(x 1 ) 1 f(x 2 ) 2 f(x 3 ) f(x 4 ) f(x 5 ) 5 x 5 4 x 4 3 x 3 x 2 x 1 x

13 Metodo di Newton Raphson Sia f (x) C1([a, b]) x n = approssimazione della radice α h = una correzione per la quale si abbia f (x n + h) 0 Lo sviluppo di Taylor arrestato al prim ordine della funzione è: f (x n + h) f (x n ) + hf (x n ) = 0. Supponendo: α radice semplice, f (α) 0 ed x n vicino ad α, f (x n ) 0 Si ricava: h n f ( f ( x x n n ) ) A partire da x 0 opportuno si ottiene lo schema iterativo: xn f ( x ) n 1 xn f ( x ) n Si dimostra che: lim n x n

14 Metodo di Newton Raphson : casi critici y 2 1 y 1 x x La procedura di Newton-Raphson può fallire quando: in una iterazione si incontra un massimo (o un minimo) locale di f(x) (In questo caso la tangente alla curva è orizzontale ed il valore di x determinato nell iterazione successiva è infinito) una iterazione riconduce nel punto della iterazione precedente (In questo caso si entra in un ciclo infinito) 2

15 Metodo di Newton Raphson : controllo del residuo Fissato ε> 0, le iterazioni si arrestano quando: f (x N ) < ε Questa condizione non è però sufficiente per dimostrare la convergenza. Infatti si può trovare : M > 0 tale che: f (x N ) < ε Mf (x N ) > ε Questo non è accettabile, dato che se f (α) = 0 si deve avere necessariamente: Mf (α) = 0 per qualsiasi M. Se f C1 per il teorema del valor medio si ha: f (x n ) = f (x n ) f (α) = f (ξ n )(x n α) f (α)(x n α) e n = x n α f ( x n ) f ( ) se f (α) 1 il test può essere troppo restrittivo. se f (α) 1 si possono considerare come buone approssimazioni di α punti molto lontani.

16 Fissato ε> 0, si arrestano le iterazioni quando: Da per il teorema del valor medio si ottiene e quindi, supponendo f continua e ξ n vicino ad x n, f (x n ) f (ξ n ). In queste ipotesi l incremento `e una buona stima dell errore: x n +1 x n x n α = ε n ) ( ) ( 1 x x x x n n n n f f x x n n 1 ) ( ) )( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 x x x x x x x x n n n n n n n n n f f f f f f f Metodo di Newton Raphson : controllo dell incremento

17 Metodo di Newton Raphson : schema risolutivo Newton Raphson Solver F G ( x ( x n n 1 1, v, v n n 1 1 ) ) 0 0 Blocco A OUT A IN B Reverse flow Blocco B OUT B IN C Reverse flow Blocco C

18 Applicazioni presenti in ISAAC Dynamics

19 Builder Data export

20 System library User library Advanced user module editor

21

22 Model Builder Interface Dynamic Model Interface Dynamic Simulator Interface Module Library Interface Features Applications

23 Model builder Interface

24 Data and parameters

25 Units measure manager

26 Blocks connection Smart connection between two or more blocks

27 Data source manager Use your experimental data inside simulation

28 Dynamic highlight definiton Add dynamic visual components to monitor runtime variables

29 Module library selection

30 Macroblock definition Logically combine blocks to create compact flowsheets From simple to.. complex

31 Menu block

32 Model & Simulator manager

33 Dynamic Model Interface

34 Model and connections details

35 Runtime configuration

36 Restore point configuration

37 Graphics manager

38 Graphics trend and dynamic flowsheet Combined scale plot Dynamic flowsheet Single scale plot

39 Dynamic flowsheet Powerful process management by way of Dynamic flowsheet

40 Runtime variable & data variations Realtime variable & geometric data variations

41 Simulator Dynamic Interface

42 Model controllers

43 Dynamic flowsheets

44 Graphics & dynamic flowsheets

45 Simulation monitor

46 Dynamic variations

47 Snapshot manager Powerful snapshot manager to save and reload different simulation starting points

48 Module library Interface System library User library User utility modules

49 User library

50 User modules

51 User module advanced editor Powerful embedded advanced editor with auto code completion

52 Module documentation

53 Features Advanced Model Topology closer to the plant flow sheet A fast model building by a powerful connection managemen Image management and visual components to make the dynamic flowsheet close to real plant display

54 Features Full units measure management Total flexibility in managing the system and user libraries Renewed Editor with wizards for a quick and easy development of your mathematical models

55 Features Restore points of dynamic simulation Import and integration of external data sources in the dynamic simulation Export of simulation results in various formats

56 Features Dynamic analysis with visual highlight to underline critical process events (auto diagnostic) Graphical tool to consult thermodynamic tables Hide blocks in model builder and dynamic simulator

57 Features During model building alert are shown if incongruent values are setted. The tool lead you to carry out a correct dynamic starting state The graphic rendering in ISACC Dynamics 2.3 was improved giving a new nice look and best performances Rename and move flowsheet pages. Pages can be hidden in dynamic simulation in order to mask some logics to end users

58 Features Is now possible to see the module and platform documentation directly from the Builder Interface This feature with 2.3 version has come! Now is possible, during model building, execute undo & redo operation in a simple and fast way. Model development is much faster and more flexible Is getting easier to connect blocks with the new auto-connect button

59 Features Is now possible keep connections within external blocks, even on different pages, executing cut&paste operations Another great improvement of the platform 2.3 is represented by the possibility of submodels creation inside a model in order to physically separate the system matrix and also reduce the computation time. This system coupled with the simulator Interface mode improve the possibility to run real time big simulators on a standard PC

60 Features The fast toolbar is always visible and allow you to bring up all opened application windows during runtime simulation. Don t waste time and use fast toolbar in order to search a graphic trend or the active topology.

61 CSP Parabolic troughs solar field Molten salt temperature regulation Cold storage Hot storage Sun Water / Steam cycle Receiver tube Linear parabolic trough

62 Conventional Plant Water/Steam cycle Feed water Air valve Super heater Steam turbine Drum Down comers Risers

63 Contacts: Headquarter offices: Struttura Informatica srl Via delle Panche, Firenze,ITALY Phone: (+39) Fax: (+39)