Estándar de interfaz CAPE-OPEN

El estándar de interfaz CAPE-OPEN consta de una serie de especificaciones para ampliar el ámbito 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.

El proyecto CAPE-OPEN, financiado por la Unión Europea , se estableció en 1997. ^{[ 1 ]} El proyecto contó con la participación de varias empresas de la industria de procesos ( Bayer , BASF , BP , DuPont , Instituto Francés del Petróleo (IFP), Elf Aquitaine e Imperial Chemical Industries (ICI)) junto con 15 socios, entre los que se incluyen proveedores de software ( Aspen Technology , Hyprotech Ltd, QuantiSci y SimSci) y académicos ( Imperial College London , Instituto Nacional Politécnico de Toulouse (INPT) y Universidad RWTH Aachen ). 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 demostración del concepto de interoperabilidad plug and play, se creó un segundo proyecto, Global CAPE-OPEN, para convertir las especificaciones de la interfaz en productos que pudieran ser ampliamente utilizados por la industria. Este proyecto contaba con varios elementos clave, entre ellos:

• Un grupo de trabajo de interoperabilidad para verificar la implementación de CAPE-OPEN en herramientas de simulación comerciales.
• Subvencionar a pequeños proveedores de simulación para implementar interfaces CAPE-OPEN.
• La formación de la organización sin ánimo de lucro, The CAPE-OPEN Laboratories Network (CO-LaN), ^{[ 2 ]} para asegurar el mantenimiento y el desarrollo posterior de las interfaces CAPE-OPEN.

Las empresas operadoras de la industria de procesos suelen realizar una importante inversión financiera en tecnologías de simulación comercial. Sin embargo, todas las herramientas de simulación tienen fortalezas y debilidades. Estas suelen reflejar el enfoque en la industria de procesos específica para la que se desarrolló originalmente el paquete de simulación. Por ejemplo, los paquetes de simulación desarrollados para la industria petrolera pueden presentar limitaciones en el modelado de ciertos sistemas químicos especializados; los entornos de modelado centrados en sistemas de gas y petróleo pueden carecer de la capacidad para manejar múltiples fases líquidas o la formación de sólidos. Si bien, con el tiempo, los proveedores de simulación mejoran y optimizan las capacidades de sus tecnologías de modelado, generalmente persisten algunas deficiencias. Una empresa operadora puede subsanar estas deficiencias reemplazando los componentes relevantes de su herramienta con componentes mejorados de otros proveedores. A menudo, estos componentes mejorados se originan dentro de la propia empresa operadora y contienen propiedad intelectual significativa relacionada con un proceso específico que no está fácilmente disponible para los proveedores de modelado comercial. 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 de propiedades termodinámicas y físicas.

Históricamente, la integración de componentes de terceros en un entorno de simulación comercial implicaba la creación de interfaces de software propietarias que "envolvían" los nuevos componentes y les permitían comunicarse con el entorno de modelado anfitrión. El grado de dificultad para desarrollar dichas interfaces variaba significativamente según el grado de apertura del entorno de modelado anfitrión y la calidad de la documentación de los protocolos de comunicación asociados. Inevitablemente, las interfaces de componentes personalizadas resultaban difíciles de mantener a medida que se adoptaban nuevas versiones del entorno de modelado. Además, una interfaz de componente para un entorno no funcionaría con un entorno alternativo de un proveedor de simulación diferente. Las subrutinas añadidas por el usuario, tanto para operaciones unitarias como para modelos termodinámicos, constituyen un enfoque alternativo para la integración de componentes, pero presentan dificultades similares al transferir las subrutinas de un simulador a otro.

Por lo tanto, el desarrollo de una capacidad estandarizada plug and play tenía el potencial de brindar una serie de beneficios comerciales significativos: ^{[ 3 ]}

• Menores costes de mantenimiento para las empresas operadoras y los proveedores de software gracias a la estandarización de las interfaces.
• Registro continuo de las lecciones aprendidas en toda la comunidad de miembros y las mejoras asociadas en 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 específica, con el nivel de fidelidad necesario.

Existen varios programas de simulación comerciales disponibles para apoyar el modelado de procesos. Generalmente, una empresa operadora utiliza una o más de estas herramientas comerciales para respaldar su actividad de modelado. Además, muchas empresas operadoras también mantienen su propio software interno para permitir el modelado de aplicaciones específicas que no están completamente cubiertas por las herramientas comerciales. 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 puedan conectarlo fácilmente con otras herramientas de modelado sin necesidad de desarrollar interfaces a medida. Para ello, se proporcionaría a un PME un "plug" de CAPE-OPEN que permitiría agregar cualquier componente de CAPE-OPEN al entorno de modelado. ^{[ 4 ]}

Todos los PME vienen con una biblioteca de operaciones unitarias ( separadores vapor-líquido , válvulas , intercambiadores de calor , columnas de destilación , etc.) y una gama 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 determinado a menudo necesitan sustituir una operación unitaria o un modelo termodinámico 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 pudiera ser "envuelto" con interfaces estándar que permitieran su colocación en un PME compatible con CAPE-OPEN sin 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 elementos principales de un sistema de simulación, a saber:

• Operaciones unitarias : modelado de unidades de proceso específicas, como reactores, columnas de destilación e intercambiadores de calor. Una operación unitaria tiene puertos que definen la ubicación de las entradas y salidas de flujos de material y adquiere propiedades físicas de los objetos de material.
• Objetos materiales. Estos representan flujos de fluidos de proceso, energía o información que conectan dos o más operaciones unitarias. Un objeto material está asociado a 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 que conforma un diagrama de flujo de proceso. Los métodos iterativos se utilizan para resolver las ecuaciones de un módulo de operación unitaria individual y para resolver el diagrama de flujo general que contiene varias operaciones unitarias interconectadas.

Cualquier entorno de modelado con una interfaz CAPE-OPEN, ya sea para una operación unitaria o un paquete de termodinámica, podría comunicarse con cualquier componente de modelado CAPE-OPEN sin necesidad de escribir software de interfaz adicional.

Las especificaciones CAPE-OPEN definen interfaces de software para entornos de simulación de procesos, tanto en términos del estándar COM/DCOM de Microsoft como de la arquitectura CORBA (Common Object Request Broker Architecture ). Por lo tanto, las especificaciones CAPE-OPEN admiten simuladores basados ​​en COM y CORBA. Estas especificaciones siguen un enfoque orientado a objetos y se desarrollan y especifican utilizando el Lenguaje Unificado de Modelado (UML). Se desarrollan casos de uso formales para definir los requisitos del usuario final. Los casos de uso resumen las actividades e interacciones relacionadas 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.

El proyecto Global CAPE-OPEN finalizó en 2002 y entregó especificaciones de interfaz para operaciones unitarias (en estado estacionario) y componentes termodinámicos. Posteriormente, se creó una organización sin fines de lucro, CO-LaN, ^{[ 2 ]} para mantener y respaldar las especificaciones existentes y continuar el desarrollo de especificaciones de interfaz CAPE-OPEN adicionales.

Actualmente, tres especificaciones principales de CAPE-OPEN se utilizan ampliamente en las industrias de procesos ^{[ 5 ].}

• La especificación de operación unitaria, versión 1.0, que se aplica al modelado en estado estacionario.
• Interfaz de propiedades termodinámicas y físicas 1.0
• Interfaz de propiedades termodinámicas y físicas versión 1.1. Esta interfaz es una revisión completa de la interfaz de propiedades termodinámicas y físicas 1.0, con funcionalidades ampliadas, simplificaciones y mayor flexibilidad, diseñadas para facilitar la implementación de CAPE-OPEN. Lamentablemente, esta versión de la interfaz no es compatible con la versión 1.0.

El desarrollo y soporte de nuevos componentes CAPE-OPEN ha sido activamente fomentado y apoyado por CO-LaN ^{[ 6 ] [ 7 ]} y la atención se ha centrado en nuevas operaciones unitarias, no fácilmente disponibles en simuladores comerciales ^{[ 8 ] [ 9 ]} y en la interfaz de modelos de propiedades termodinámicas y físicas patentados con entornos de simulación comerciales, protegiendo al mismo tiempo la propiedad intelectual inherente. ^{[ 10 ]} Actualmente, todos los principales entornos comerciales de modelado de procesos son compatibles con CAPE-OPEN y existen 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.

No se requiere ninguna licencia de CO-LaN ni de ninguna otra organización para utilizar las especificaciones CAPE-OPEN. Sin embargo, CO-LaN ha desarrollado varias herramientas para facilitar la implementación de las interfaces CAPE-OPEN:

• Asistentes de software para ayudar en el desarrollo de la interfaz CAPE-OPEN para el modelado de componentes.
• Ejemplos de código de software para componentes termodinámicos y operaciones unitarias que sirven de plantilla para nuevas implementaciones.
• Un entorno de pruebas CAPE-OPEN en el que se pueden conectar componentes y probar para comprobar su conformidad con las especificaciones 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 ].}

En el sitio web de CO-LaN encontrará más información sobre las herramientas de software de CO-LaN, así como las descargas disponibles.

Además, CAPE-OPEN está implementado en software gratuito como el simulador COCO , en software de código abierto como DWSIM y en muchas de las principales herramientas de simulación comerciales .

Las especificaciones que está desarrollando CO-LaN incluyen:

• Operaciones unitarias dinámicas. Esta extensión de la especificación de operaciones unitarias en estado estacionario permitirá utilizar modelos de operaciones unitarias dinámicas de terceros en un entorno de simulación dinámica compatible con CAPE-OPEN.
• Reacciones químicas que se emitirán como una extensión de la interfaz termodinámica ^{[ 12 ].}
• Especificación de monitoreo de diagramas de flujo
• Especificación de interfaz de fracciones de petróleo