虚拟现实省钱!
在很长一段时间里，除了最棘手的问题外，创建复杂的制造和工艺操作模拟所需的资源和精力都被避免了，当它们被构建时，通常是最后的手段。“模拟?我们买不起那些昂贵的东西。这句话只适用于‘大男孩’，”多年来，世界各地的作战单位都能听到这样的声音，但现在再也没有了。
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在很长一段时间里，除了最棘手的问题外，创建复杂的制造和工艺操作模拟所需的资源和精力都被避免了，当它们被构建时，通常是最后的手段。
“模拟?我们买不起那些昂贵的东西。这句话只适用于‘大男孩’，”多年来，世界各地的作战单位都能听到这样的声音，但现在再也没有了。越来越多的公司开始认识到，投资模拟技术可以节省时间和金钱，这往往是一种艰难的过程。
模拟实际上是模仿某物的外观、形式或声音，这是或可能是真实的。通常情况下，“模拟”这个词与“模型”这个词结合在一起形成“模拟模型”，意味着高水平的准确性，但没有很好地量化，让买家/用户对期待什么有些怀疑。
经常与仿真结合使用的其他术语包括高保真度、动态和稳态。Alpha Sim Technology (Houston, Tex.)对高保真动态模拟的定义是:“基于计算机的单元、过程和/或整个工厂的数学模型。它是根据工程第一原则开发的。它是一个模型软件，连续求解状态微分方程，实时运行。在稳态条件下[偏离目标]的发生率为0.5%，在动态或扰动条件下为2%;这是一个虚拟的过程。”
值得重申的是，硬值验证了模拟的完整性、准确性和性能，越来越多地用于设计、调试、分析和培训。
设计模拟
随着桌面个人计算机(pc)、windows用户环境和模块化软件开发技术的普及，使用模拟来辅助“东西”的设计已经蓬勃发展。
作为模拟候选人，一个经常被忽视的领域是商业计划。一旦业务战略变得更加灵活和敏捷，从挥手和头顶投影的竞技场变成“我们要怎么做?”，整个业务流程将需要设计、分析和重新设计。业务流程模拟软件，如Micrografx (Allen, Tex.)的iGrafx process，允许在业务流程上进行“假设”场景，而不会实际中断日常操作。
几年前，没有一个头脑正常的人会在整个生产设施存在之前尝试模拟它。但那是昨天，现在是现在。西门子公司(德国法兰克福)的项目经理Reinhold Ufrecht使用Tecnomatix (Herzliya, Israel)的仿真软件工具，毫不犹豫地创建了一个虚拟车间，然后在实际建造之前模拟和分析操作可用性。
从每个加工区域的概念设计开始，并添加生产工作流程模拟，Ufrecht先生能够测试、分析和改进设计，直到他完全满意机器的适当间隔和生产工作流程的优化。“我们在时间和成本方面面临巨大压力。利用工厂模拟的优势，我们确信我们的生产概念从一开始就是正确的，”Ufrecht先生说。
设计仿真的使用不仅限于德国;全世界都在使用。例如，霍尼韦尔(Honeywell’s，亚利桑那州凤凰城)。Hi-Spec Solutions集团定期使用模拟来验证位于澳大利亚的Laminaria的操作设计。其中一项模拟是设计计划在印度尼西亚偏远地区使用的一种蒸馏塔。由于模拟的准确性，当启动工程师到达时，控制系统软件已经进行了很好的调试，这是计划中的三次起下钻中的第一次。14天后，整个设备都可以运行了，启动工程师也永远地回家了。
在美国，设计仿真软件来自MSC。Software(洛杉矶，加利福尼亚)被美国联邦航空局认可为为寻求设计认证的机身制造商设计和分析应力、振动、传热、声学和气动弹性的公认标准。
在加拿大，Magnola冶金公司(Danville, Quebec)使用模拟软件来确定化学反应动力学、物理性质关系以及设计、建造和运行蛇纹石矿物转化工艺以生产镁所需的其他操作数据。一旦设计完成，当仿真连接到霍尼韦尔控制系统时，它将扮演一个新的角色，仿真将协助控制系统软件调试和操作员培训。
底层工具的健壮性是任何声称可以节省时间的软件的重要要求。在设计过程中使用的仿真软件尤其如此。除了易用性，当然还有价格，买家/用户还应该特别注意特定于应用程序的库模块的可用性、适当性和完整性。
例如，考虑设计防抱死制动系统的任务。软件工具应该提供先进的算法来设计和分析包含未建模、非线性动力学或建模错误所导致的不确定性的多变量控制。鲁棒控制工具箱是MathWorks (Natick, Mass)提供的几个“现成”模块化库之一，旨在帮助解决特定的设计和分析问题，如防抱死制动系统。
如果设计任务是在化学领域，寻找具有完整和健壮的热力学、输输和物理性质数据库的模拟工具，如Aspen Technology(剑桥，马萨诸塞州)、simulation Sciences(布雷亚，加利福尼亚州)、Fluent(黎巴嫩，N.H.)、AEA Technology(卡尔加里，阿尔伯塔，加拿大)和Simons Technology(亚特兰大，佐治亚州)的产品。
在设计过程中使用的仿真模型在用于测试和调试最终产品或解决方案时也被证明是有益的。
仿真辅助调试
通常，模拟投资被认为是培训辅助手段，但正如雪佛龙的Tim Wilmarth所说，“模拟的真正价值被证明是我们识别和修复设计缺陷的能力。我们估计，在一个项目启动3个月的时间里，及早发现设计问题的能力为我们节省了1周的时间。”
威尔玛斯没有对一周的生产价值进行美元计算，但如果你连续7天每天生产1万加仑、1磅或小部件，每件产品的售价为1美元，那么很容易就能记录出增加了7万美元的利润，这要感谢启动前使用模拟进行的调试。
Bill Mackin是Armstrong World Industries (South Gate, california)的高级项目工程师，他是另一位在调试控制和自动化系统软件方面提供仿真好处的布道者。使用SST (Waterloo, Ontario, Canada)的PICS模拟软件来模拟控制系统I/O子系统，Mackin先生在整个Armstrong工厂定期调试批量控制系统。“在18个月的时间里，我们用7个plc(可编程逻辑控制器)取代了继电器逻辑。在使用PICS之前，我们将拨动开关、指示灯、拇指轮开关、电位器和求和盒连接到PLC I/O系统，代表我们的测压元件。这就像抢椅子游戏，工程师们拨动开关，转动罐子。有了PICS，我们可以集中精力调试控制软件，”Mackin先生说。(请参见本期“应用程序更新”。)
像Chevron和Armstrong一样，southwest Public Service (SPC, Amarillo, Tex.)在过去成功地使用滞后I/O回接模拟来调试控制系统的部分，但他们也认识到回接模拟在测试复杂的联锁和控制策略交互时所具有的局限性。
面对不可接受的16周停机，以改造现有的锅炉与新的控制，SPC的管理层寻找节省时间的替代方案。节省时间的部分原因是来自Esscor公司的高保真动态模拟。一旦Esscor模拟连接到Foxboro智能自动化控制系统，就可以对控制逻辑和图形的所有方面进行测试，而无需“伪造”或强制输入和输出。在Esscor模拟的帮助下，SPC将停机计划缩短了8周。
开发了仿真软件，以满足各种调试需求。例如，在滞后I/O回接和中低保真度模拟是合适的地方，Cape Software公司(Houston, Tex.)VPLink、SST公司的PICS和芒格公司(密苏里州圣路易斯)的Mimic软件可能符合要求。(参见仿真复杂性侧栏。)高保真模拟最好使用AEA科技公司的Hysys或Hysim等产品进行开发;Simons Technologies Ideas;Simulation Sciences Dynsim, Hextran或Netopt;Aspen Technology的Aspen Plus或Aspen Dynamics;或者Fluent的计算流体动力学。
如果模拟，尤其是高保真度的模拟，可以带来很高的收益，比如西南公共服务公司(southwest Public Service)减少了8周的停电，那么想象一下，如果每天使用这些模拟，会产生什么样的效果。这正是今天大多数仿真软件包所提供的—能够成为与真实流程一起运行的高保真的动态模拟，通常使用真实流程输入来预测关键动态性能指标(例如质量、吞吐量和成本)在15分钟、30分钟或60分钟后的位置。
模拟分析
模拟已经存在了40多年，主要是作为训练辅助。在过去的几年里，模拟的“假设”分析所带来的好处已经开始受到应有的关注和尊重。
例如，华盛顿国际集团(Washington Group International, Boise, Id。他发现稳态热氧化剂模拟并不能准确地展示成分变化和废物流速的影响。因此，控制策略无法对这些变化做出足够快的响应，必须绕过热氧化剂，导致暂时违反法规。
通过将稳态模拟转换为动态模拟，华盛顿集团的工程师们能够在不到一分钟的时间内观察到排气口气体从零到最大流量(再回到零)的变化。观察和分析这种动态行为有助于改进现场仪表和加快控制策略响应。这些反过来又使热氧化剂在整个操作范围内符合法规要求。虽然华盛顿集团没有说，避免文书工作和可能的罚款与法规遵从性违规必须支付模拟开发，分析和所有必要的更改。
国际纸业(International Paper, Purchase, ny)也相信使用模拟来寻求改进，并声称它已经从其模拟系统中发现了每年大约1亿美元的资本效率改进。
Sunoco Sarnia (Ontario, Canada)工厂的一个精馏塔经历了意外的压力峰值，导致在峰值后的几个小时内运行不稳定。与霍尼韦尔Hi-Spec Solutions合作，创建了柱、架空蓄能器和相关管道的动态模拟。动态模拟分析表明，随着液体在管道疏水阀内的积累，压力逐渐上升。最终液体的收集阻塞了蒸汽流动，产生了一个压力峰值，一旦液体堆积被取代，压力峰值就会迅速下降。因此，对设备进行了改造，以消除管道中的液体陷阱。
面对电力行业运营理念的变化，大型商业电力生产商需要经济地将锅炉的负荷从每小时600兆瓦降低到每小时100兆瓦或更低，同时仍然符合EPA的所有要求，并且不损坏锅炉。至少，生产商了解新的控制系统调整和报警参数将需要保持锅炉控制在较低的燃烧速率，但像燃烧器、泵、风扇、控制阀等还需要其他什么变化和考虑?
使用esscor的高保真动态仿真模型(能够实时调整燃烧器、调整风机、泵、阀门等尺寸)，生产商可以识别所需的物理和操作变化，以快速改变锅炉负荷。一旦了解了必要的物理和操作要求，就对真正的锅炉进行了改造，并对控制系统进行了修改，以适应各种操作状态。事实上，由于仿真建模和假设分析，600兆瓦/小时的锅炉现在可以高效经济地运行到55兆瓦/小时。
模拟训练
1995年，南卡罗来纳州电力和天然气公司(SCE&G, Cope, S.C.)的管理层面临着将一个新的发电站上线，锅炉设计(和控制策略)对SCE&G来说是新的，使用新的操作员。
根据SCE&G模拟经理Glenn Westberry的说法，“管理层决定在项目生命周期的早期安装高保真的动态操作员模拟单元，已经带来了无数的回报。使用模拟器，我们发现了控制配置中的几个逻辑问题，这些问题会在启动过程中导致意外的单元跳闸。自启动以来，我们定期使用模拟器对操作人员进行正常和异常操作训练，我们发现它是工程师、技术人员和操作人员在不影响在线操作的情况下制定“假设”改进方案的最佳场所。我们的操作员和技术人员总是在问他们什么时候能有更多的模拟时间。”
当菲利普斯66号(德克萨斯州博格)决定建造它的第一个甲基硫醇(添加到天然气中的“臭味”，这样你就可以闻到泄漏)生产设施时，一个训练模拟器被包括在项目中。这项投资带来了丰厚的回报。原本预计需要200到350个小时的启动，结果只用了66个小时就完成了。
当然，并不是所有的节省都能归功于过程训练模拟器，不是吗?
根据Phillips员工David French的说法，也许不是100%的节省可以直接用于高保真的动态训练模拟，但大部分都可以。由于模拟的准确性，延长了操作员模拟器的时间，以及许多成功的模拟器启动，操作人员了解了在启动过程中需要特别注意的领域。弗伦奇相信，如果没有这些模拟时间，以及它们所创造的信心和能力，创业公司会花更长的时间，也会更困难。
高保真模拟训练带来了实实在在的好处信心而且能力操作人员通过自己的能力获得日常处理正常和异常情况的能力。当作业者能够做到这一点时，计划外停机的数量和随后的结果将大大减少。
如果你像SCE&G的韦斯特贝里先生一样，也有操作员和技术人员提出要求，那岂不是一个更愉快的工作环境更多的培训机会?这是可能的!当培训是有意义的、有趣的、及时的，并且当管理人员参与到结果中时，每个人都是赢家，并且模拟培训可以在使培训有意义、有趣和及时方面发挥关键作用。(见CE， 00年8月，第63页)。
正如一名学员所说:“有时模拟器离真实的工厂太近了，我都忘了自己在进行模拟。”
军事和商业航空公司飞行员经常使用高保真动态模拟来确保飞行员处理正常和异常情况的能力和信心。
我们将人类送上月球，并通过模拟设计、调试、分析和训练将他们安全带回地球。
可见性可能不像我们的世界那么高，但模拟仍然可以在安全、高效的自动化和控制中发挥重要作用。
模拟的复杂性
仿真的开发是为了满足各种需求，从简单直接的模型到高度复杂的模型。但是，如果各方没有达成一致，对能力的期望可能会落空，结果也会令人失望。
Alpha Sim Technologies (Houston, Tex.)对高保真动态仿真的定义是:“根据工程第一原则开发的基于计算机的单元、过程和/或整个工厂的数学模型。它是一个模型软件，连续求解状态微分方程，实时运行。在稳态条件下[偏离目标]的发生率为0.5%，在动态或扰动条件下为2%;这是一个虚拟的过程。”这定义了对性能的期望，但是模拟软件的功能呢?应该期望什么，满足特定要求需要什么?
目前还没有标准的定义，但是个人经验、与业务人员的交谈以及阅读来自几个模拟软件供应商的文献，似乎使以下指南适用于识别低、中、高保真的模拟软件功能。
低保真仿真软件提供滞后输入和输出回接。
Medium-fidelity仿真软件包括诸如过程死时间、一阶滞后、蓄能器、全功能计算器、热交换器预配置算法、夹套罐等功能，并易于连接到流行的电子表格和高保真仿真软件包。
高保真仿真软件包括物理工厂设备库;化学品和有机物的热力学、输运和物理性质数据库;以及能够确定复杂液体和蒸汽混合物的先进算法。
为了避免以后失望，在开始构建模拟之前，定义模拟的目的和要求的保真度。确保您得到想要的东西的一种方法是对将要使用的软件的功能有基本的了解。
证明模拟器的好处
如果没有确凿的证据和量化的数字，要证明模拟器对训练的好处是很难的。为了获取信息，电力行业委托电力研究所(加州帕洛阿尔托)监督一项与模拟器使用有关的研究。1993年的报告得出结论，20%到30%的电厂被迫停机是由操作人员或维护人员的错误直接导致的，安装和使用模拟器来培训操作人员可以为每安装兆瓦平均每年节省4532美元。因此，一个1000兆瓦的生产设施预计每年价值高达453.2万美元。假设一个模拟器的成本为100万美元，那么回收期不到3个月。
很少有行业有能力或影响力来委托这样的报告，所以用户只能自己去弄清楚。在进行自己的研究时，评估应考虑至少过去一年的表现，并检查每一次计划外关闭或险些关闭，量化以下因素的影响:
失时受伤或死亡;
生产损失(单位/天，单位销售价格，损失天数);
损坏的设备(备件或新部件的维修费用加上停机时间);
启动和重启成本;
浪费的原料成本;
浪费的能源成本(蒸汽、电力、冷冻水等);
监管合规成本(文书工作、报告、罚款、公共关系);而且
由于错过交货期限而产生的合同费用。
有些事件很难用硬数字来量化，但在这种情况下，最好的猜测可以完成工作。一旦你有了这些数字，就把它们应用到公式中[PBP = (S - d) / C]其中PBP =还款期，S =模拟器价格，d =损坏设备成本，C =生产损失成本。
例如，假设模拟器的成本(S)是50万美元，损坏的设备成本(d)是20万美元，生产损失(C)每天的成本是5万美元。那么，PBP =($500,000 - $200,000) / $50,000 = 6天收回模拟器成本。(请注意，在模拟器培训将消除维修或更换设备的需要的假设下，维修或更换成本将直接从模拟器价格中减去。)
但没有人真的愿意等到意外停工，损失20万美元的时候才去收集数据来证明模拟器的合理性。
或许另一种辩护方法是牢记前人的成功故事。
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