Базовые модели и управление процессом

Базовые динамические модели играют ведущую роль в определении динамики процесса и управлении им. Подобные модели могут использоваться для решения следующих задач:

• Более глубокого понимания процесса. Динамические модели и компьютерное моделирование позволяют изучать переходные характеристики процесса без его нарушения;

• Обучения обслуживающего персонала предприятия. Симуляторы процесса играют важную роль в обучении операторов в части эксплуатации сложных устройств и выполнения действий в аварийных ситуациях;

• Совершенствования стратегии управления процессом. Динамическая модель процесса помогает выделить его контролируемые и управляемые переменные;

• Оптимизации рабочих условий процесса. Для получения максимальной прибыли или минимизации затрат можно использовать модель установившегося процесса и получать информацию экономического характера для создания таких условий процесса, при которых может быть получена максимальная прибыль.

Процесс моделирования с использованием базовых моделей в химической и биохимической промышленности подразумевает применение основополагающих принципов, которые обычно сводятся к математическим моделям, представляющим собой системы дифференциальных и алгебраических уравнений, типовых материалов и использование принципа энергетического баланса плюс физические, химические и термодинамические соотношения в системе. Несмотря на то, что коммерческие программные пакеты содержат требуемые физические библиотеки и алгоритмы моделирования, пакеты динамического моделирования не слишком широко распространены в промышленности, исключение составляют лишь "точечные" решения.

Инструменты динамического моделирования имеют иной уровень признания, нежели пакеты симуляции стационарного процесса. Одним из основных недостатков программного обеспечения симуляции динамического процесса в химической и нефтехимической отраслях промышленности является то, что пакет стационарного процесса не может быть получен из пакета симуляции динамического процесса за счет приравнивания к нулю производной по времени. Поэтому обычно пользователи должны учиться использовать два различных пакета для выполнения симуляции стационарного и динамического процессов.

Для инженера, который разрабатывает динамическую физико-химическую или биологическую модель с целью ее применения в управлении процессом, затруднение вызывает то, что может использоваться широкий спектр моделей, от самых простых до самых сложных. При этом в основу каждой модели разработчик закладывает допущения, для которых ему априорно неизвестна их степень влияния на точность модели или качество управления. Если модель получается слишком сложной, время, требуемое для проведения вычислений, может увеличиться до нескольких часов для процесса с постоянной времени отклика порядка нескольких минут. Относительно небольшая скорость симуляции также может служить источником проблем в ходе обучения управлению процессом. Использование в промышленности строгих моделей для разработки, управления, согласования данных и оптимизации постоянно возрастает, но проблема большинства компаний заключается в нехватке экспертов по моделированию процессов.

В фармацевтической промышленности базовые модели используются редко, в основном из-за отсутствия доверия к точности и/или эксплуатационной надежности таких моделей. В качестве мероприятий по увеличению безопасности, эффективности и доступности медикаментов FDA недавно предложила новую структуру для регламентации развития, производства и гарантии качества в фармацевтической промышленности. Сокращение PAT (Технология Аналитических Процессов) стало акронимом в фармацевтической промышленности при разработке, анализе и управлении процессами производства для снижения разброса параметров. Непостоянство параметров процесса, которое может привести к угрозе здоровью больных, определяется методом моделирования и по результатам регулярных измерений критичных показателей качества, которые затем учитываются системой управления процессом.

Появляется возможность использования динамических моделей с точным балансом массы и энергии, а также кинетики, включающих активность питательных веществ и клеток, а также отношения между межклеточными метаболическими траекториями и внеклеточными параметрами. Подобные модели могут обеспечить вывод результатов измерений, проводимых в биореакторе в реальном масштабе времени, без присутствия шума и задержек и связанных с аналитическими результатами, полученными из производственной лаборатории.

С целью ускоренного тестирования, разработки экспериментов, оптимизации профиля партии и идентификации могут применяться модели, работающие быстрее, чем реальный процесс. Ожидается, что в течение последующих лет PAT приобретет большое влияние.