CAPE-OPENインターフェース標準

CAPE -OPENインターフェース標準は、プロセスシミュレーション技術の適用範囲を拡大するための一連の仕様で構成されています。CAPE-OPEN仕様は、特定のプロセスモデリング環境とサードパーティのプロセスモデリングコンポーネント間のプラグアンドプレイによる相互運用性を実現する一連のソフトウェアインターフェースを定義します。

起源

CAPE-OPENは欧州連合の資金援助を受けて1997年に設立されたプロジェクトである。[1]このプロジェクトには、プロセス産業の多くの企業（バイエル、BASF、BP、デュポン、フランス石油研究所（IFP）、エルフ・アキテーヌ、インペリアル・ケミカル・インダストリーズ（ICI））と、ソフトウェアベンダー（アスペン・テクノロジー、ハイプロテック社、クォンティサイ、シムサイ）や学術機関（インペリアル・カレッジ・ロンドン、トゥールーズ国立工科大学（INPT）、アーヘン工科大学）を含む15のパートナーが参加した。プロジェクトの目的は、モデリング環境とサードパーティのモデリングコンポーネント間のプラグアンドプレイの相互運用性を可能にする一連の仕様インターフェースの実現可能性を実証することであった。

2001年にCAPE-OPENプロジェクトが完了し、プラグアンドプレイの相互運用性の概念実証に成功した後、インターフェース仕様を産業界で広く利用可能な製品にすることを目指した2つ目のプロジェクト、Global CAPE-OPENが結成されました。このプロジェクトには、以下のような重要な要素が含まれていました。

  • 商用シミュレーションツールにおけるCAPE-OPENの実装を確認するための相互運用性タスクフォース
  • CAPE-OPENインターフェースを実装するための小規模シミュレーションベンダーへの補助金
  • CAPE-OPENインターフェースの維持とさらなる発展を確実にするために、非営利団体CAPE-OPENラボラトリーズネットワーク（CO-LaN）[2]を設立しました。

目的

プロセス産業の事業会社は、通常、商用シミュレーション技術に多額の投資を行っています。しかし、すべてのシミュレーションツールには長所と短所があります。通常、これらは、シミュレーションパッケージが元々開発された特定のプロセス産業への重点を反映しています。例えば、石油産業向けに開発されたシミュレーションパッケージは、特定の特殊化学システムのモデリングに弱点がある場合があります。また、ガス・石油システムに特化したモデリング環境は、複数の液相や固体生成に対応できない場合があります。シミュレーションベンダーは時間の経過とともにモデリング技術の機能を改良・強化していきますが、一般的に機能ギャップは残ります。事業会社は、選択したツールの関連コンポーネントを他社製の改良コンポーネントに置き換えることで、これらの機能ギャップに対処することができます。これらの改良コンポーネントは、多くの場合、事業会社自身によって開発され、商用モデリングベンダーが容易に入手できない特定のプロセスに関する重要な知的財産を含んでいます。あるいは、改良コンポーネントは、熱交換器の厳密なモデリングや熱力学・物理的特性のモデリングなど、ニッチなモデリング分野に特化した企業から提供される場合もあります。

従来、サードパーティ製コンポーネントを商用シミュレーション環境に統合するには、新しいコンポーネントを「ラップ」し、ホストモデリング環境との通信を可能にする独自のソフトウェアインターフェースを作成する必要がありました。このようなインターフェース開発の難易度は、ホストモデリング環境の「オープン性」と、関連する通信プロトコルのドキュメントの充実度によって大きく異なります。モデリング環境の新バージョンが採用されると、必然的に特注のコンポーネントインターフェースの維持が困難になりました。さらに、ある環境用のコンポーネントラッパーは、別のシミュレーションベンダーの代替環境では動作しません。ユニット操作と熱力学モデルの両方において、ユーザーが追加するサブルーチンは、コンポーネント統合の代替アプローチですが、サブルーチンをあるシミュレータから別のシミュレータに移動する際に同様の困難が生じます。

標準化されたプラグアンドプレイ機能の開発は、多くの重要なビジネス上のメリットをもたらす可能性がある。[3]

  • インターフェースの標準化により、運用会社およびソフトウェアベンダーのメンテナンスコストが削減されます。
  • メンバーシップ コミュニティ全体で得られた教訓を継続的に記録し、関連するインターフェースを改善します。
  • すべての CAPE-OPEN 準拠のシミュレーション環境と、 MATLABやMicrosoft Excelなどの他のモデリング ツールにわたって、一貫したシミュレーション コンポーネント セットを適用する機能。
  • 特定のモデリング タスクに対して、必要な忠実度レベルで技術的に最も適切なモデルを選択して組み込む機能。

概念

プロセスモデリングを支援する商用シミュレーションプログラムは数多く存在します。一般的に、各事業会社はこれらの商用ツールを1つ以上利用し、モデリング活動の基盤を築いています。さらに、多くの事業会社は、商用ツールでは十分に対応できないニッチな用途のモデリングを可能にするため、独自の社内ソフトウェアも保有しています。各シミュレーションプログラムは、プロセスフローシートを作成し、プロセス流体の熱力学を組み込むための環境を提供します。CAPE-OPENプロジェクトでは、このようなモデリングプログラムを正式にプロセスモデリング環境（PME）と定義し、PMEのユーザーは、専用のインターフェースを開発することなく、PMEを他のモデリングツールと容易に接続できることを要件としています。これを実現するために、PMEにはCAPE-OPENの「プラグ」が提供され、これにより、任意のCAPE-OPENコンポーネントをモデリング環境に追加できるようになります。[4]

すべての PME には、単位操作 (気液分離器、バルブ、熱交換器、蒸留塔など)のライブラリと、さまざまな熱力学手法 (状態方程式、活量係数モデルなど) が付属しています。これらのライブラリ コンポーネントの使用は通常、ネイティブ PME 内でのみ制限されます。ただし、特定の PME のユーザーは、ネイティブ環境で提供される単位操作または熱力学モデルをサードパーティ製のものに置き換える必要があることがよくあります。CAPE-OPEN プロジェクトでは、単位操作または熱力学エンジンをプロセス モデリング コンポーネント (PMC) として正式に識別し、追加のインターフェイス ソフトウェアを開発することなく、PMC を CAPE-OPEN 準拠の PME に配置できる標準インターフェイスで「ラップ」できることを要件としました。つまり、モデリング環境にもモデリング コンポーネントのコアにもプログラミングは必要ありません。作業プログラムを編成するために、CAPE-OPEN プロジェクトでは、シミュレーション システムの主要要素を次のように分類しました。

  • ユニットオペレーションとは、反応器、蒸留塔、熱交換器といった特定のプロセスユニットのモデリングです。ユニットオペレーションには、物質の流れの入出力位置を定義するポートがあり、マテリアルオブジェクトから物理特性を取得します。
  • マテリアルオブジェクト。これらは、2つ以上の単位操作を接続するプロセス流体、エネルギー、または情報の流れを表します。マテリアルオブジェクトは、密度、粘度、熱伝導率などの物理的特性を返す熱力学パッケージに関連付けられています。
  • 数値ソルバー。プロセスフローシートによって形成される高度に非線形な方程式群を解くための効率的な反復数値法。反復法は、単一のユニット操作モジュールの方程式を解くだけでなく、複数の相互接続されたユニット操作を含むフローシート全体を解くためにも使用されます。

ユニット操作または熱力学パッケージ用の CAPE-OPEN インターフェイスを備えたモデリング環境であれば、追加のインターフェイス ソフトウェアを作成する必要なく、任意の CAPE-OPEN モデリング コンポーネントと通信できます。

CAPE-OPEN仕様は、プロセスシミュレーション環境のソフトウェアインターフェースを、Microsoft標準のCOM/DCOMとCommon Object Request Broker Architecture (CORBA)の両方の観点から定義しています。したがって、CAPE-OPEN仕様はCOMベースとCORBAベースの両方のシミュレータをサポートしています。仕様はオブジェクト指向アプローチを採用し、統一モデリング言語(UML)を用いて開発・仕様規定されています。エンドユーザーの要件を定義するために、正式なユースケースが作成されます。ユースケースは、CAPE-OPENモデリング環境におけるCAPE-OPENコンポーネントのインストールと適用に関連するアクティビティとインタラクションを要約したものです。ユースケースが作成されると、新しいCAPE-OPENコンポーネントと環境をテストするための効果的な手順が提供されます。

サポート

グローバルCAPE-OPENプロジェクトは2002年に終了し、単位操作（定常状態）と熱力学コンポーネントのインターフェース仕様を策定しました。その後、既存の仕様の維持・サポート、およびCAPE-OPENインターフェース仕様の追加開発を継続するために、非営利団体CO-LaN [2]が設立されました。

CAPE-OPEN仕様

現在、3つの主要なCAPE-OPEN仕様がプロセス産業で広く利用されている[5]

  • 定常状態モデリングに適用されるユニット操作仕様バージョン1.0
  • 熱力学と物理的性質のインターフェース1.0
  • 熱力学および物理的特性インターフェース バージョン 1.1。このインターフェースは、熱力学および物理的特性インターフェース 1.0 の完全な改訂版であり、CAPE-OPEN 実装を容易にするために、いくつかの機能拡張、簡素化、柔軟性の向上が図られています。残念ながら、このバージョンのインターフェースはバージョン 1.0 との下位互換性がありません。

CO-LaN [6] [7]は、CAPE-OPENの新規コンポーネントの開発とサポートを積極的に推進し、支援してきました。特に、商用シミュレータでは容易に利用できない新しいユニット操作[8] [9]や、独自の熱力学モデルおよび物性モデルを商用シミュレーション環境にインターフェースし、固有の知的財産を保護することに重点を置いています[10] 。現在、主要な商用プロセスモデリング環境はすべてCAPE-OPENに準拠しており、多くのCAPE-OPENプロセスモデリングコンポーネントが利用可能です。利用可能なPMEおよびPMCの完全なリストは、CO-LaNのウェブサイトでご覧いただけます。

ソフトウェアツール

CAPE-OPEN仕様を利用するために、CO-LaNまたは他の組織からのライセンスは必要ありません。ただし、CO-LaNはCAPE-OPENインターフェースの実装を支援するツールを多数開発しています。

  • コンポーネントをモデリングするための CAPE-OPEN インターフェイスの開発を支援するソフトウェア ウィザード。
  • 新しい実装のテンプレートを提供するための、熱力学コンポーネントとユニット操作のソフトウェア コード例。
  • コンポーネントを接続して CAPE-OPEN 仕様への適合性をテストできる CAPE-OPEN テスト環境。
  • CAPE-OPENモデリングコンポーネントとCAPE-OPENモデリング環境間のすべての通信をキャプチャするためのログツール[11]

CO-LaN ソフトウェア ツールの詳細と利用可能なダウンロードについては、CO-LaN Web サイトをご覧ください。

さらに、CAPE-OPEN は、COCO シミュレータなどのフリーウェア、 DWSIMなどのオープンウェア、および多くの主要な商用シミュレーション ツールに実装されています。

今後の展開

CO-LaN が開発中の仕様は次のとおりです。

  • 動的ユニット操作。定常状態ユニット操作仕様のこの拡張により、サードパーティの動的ユニット操作モデルをCAPE-OPEN準拠の動的シミュレーション環境で使用できるようになります。
  • 熱力学インターフェースの拡張として発行される化学反応[12]
  • フローシート監視仕様
  • 石油留分インターフェース仕様

参考文献

  1. ^ M. Jarke, J. Köller, W. Marquardt, L. von Wedel, B. Braunschweig, 1999, “CAPE-OPEN: 化学産業における標準化活動の経験”, 1st IEEE Con​​ference on Standardisation and Innovation in Information Technology (SIIT 99) の議事録, アーヘン, ドイツ, 25-35ページ, ISBN 0-7803-9935-8
  2. ^ ab CO-LaN
  3. ^ Banks, PS; Irons, KA; Woodman, MR Woodman (2005). 「プロセスシミュレーションソフトウェアの相互運用性」(PDF) . Oil & Gas Science and Technology . 60 : 607–616 . doi : 10.2516/ogst:2005043 .
  4. ^ JP. Belaud, M. Pons, 2002, 「プロセスシミュレーションのためのオープンソフトウェアアーキテクチャ：CAPE-OPEN標準の現状」Computer Aided Chemical Engineering. , DOI:10.1016/S1570-7946(02)80169-9
  5. ^ Michel Pons、2009年、「プロセスシミュレーションにおけるCAPE-OPENテクノロジーの活用」、会議：2009 AIChE年次会議、 ISBN 9781615679133
  6. ^ Michel Pons, 2010, 「CAPE-OPENをどのように活用するか？」, 2010 AIChE Annual Meeting , ISBN 9780816910656
  7. ^ Jasper Van Baten、Michel Pons、2014 年、「CAPE-OPEN: Interoperability in Industrial Flowsheet Simulation Software」、Chemie Ingenieur Technik、第 86 巻、第 7 号、ページ 1052-1064、DOI: 10.1002/cite.201400009
  8. ^ Jasper Van Baten、César G. Pernalete、Juan C. Urbina、José F. Arévalo、2015、「分子再構成フィード特性評価とCAPE OPEN実装戦略による軽質石油カット用HDTリアクターのモデリングツールの開発」、 Computer Aided Chemical Engineering、第37巻、 ISBN 978-0-444-63429-0 
  9. ^ Jasper van Baten、Richard Szczepanski、2011、「CAPE-OPENユニット操作としての熱力学的平衡反応器モデル」、Computers & Chemical Engineering、第35巻、第7号、1251-1256ページ、DOI:10.1016/j.compchemeng.2010.07.016
  10. ^ Gregor Tolksdorf、Erik Esche、Jasper van Baten、Gunter Wozny、2016、「モジュラーCAPE-OPENベースのフローシートによる新規プロセスユニットのテイラーメイドモデリングとソリューション」、 Computer Aided Chemical Engineering。第38巻、 ISBN 0444634444
  11. ^ Michel Pons、Peter Banks、Bertrand Braunschweig、2007年、「CO-LaNからCAPE-OPEN開発者およびユーザーへの成果物：CAPE-OPENログおよびテストツール（COLTT）」、第17回ヨーロッパ計算支援プロセスエンジニアリングシンポジウム、 ISBN 0080546315 
  12. ^ Michel Pons, 2003, 「CAPE-OPEN反応パッケージインターフェース仕様」、Computer-Aided Chemical Engineering、第14巻、DOI:10.1016/S1570-7946(03)80225-0
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