El software de simulación se basa en el proceso de modelado de un fenómeno real con un conjunto de fórmulas matemáticas . Es, esencialmente, un programa que permite al usuario observar una operación a través de una simulación sin realizar realmente esa operación. El software de simulación se utiliza ampliamente para diseñar equipos de modo que el producto final se acerque lo más posible a las especificaciones de diseño sin modificaciones costosas en el proceso. El software de simulación con respuesta en tiempo real se utiliza a menudo en juegos, pero también tiene importantes aplicaciones industriales. Cuando la penalización por una operación incorrecta es costosa, como en el caso de los pilotos de aviones, los operadores de plantas de energía nuclear o los operadores de plantas químicas, se conecta una maqueta del panel de control real a una simulación en tiempo real de la respuesta física, lo que proporciona una valiosa experiencia de formación sin temor a un resultado desastroso.
Los programas informáticos avanzados pueden simular el comportamiento de los sistemas de energía , [1] las condiciones meteorológicas , los circuitos electrónicos , las reacciones químicas , la mecatrónica , [2] las bombas de calor , los sistemas de control por retroalimentación , las reacciones atómicas, la luz, la luz del día e incluso procesos biológicos complejos . En teoría, cualquier fenómeno que pueda reducirse a datos y ecuaciones matemáticas se puede simular en una computadora. La simulación puede ser difícil porque la mayoría de los fenómenos naturales están sujetos a un número casi infinito de influencias o a una fuente de causa desconocida, por ejemplo, la lluvia. Uno de los trucos para desarrollar simulaciones útiles es determinar cuáles son los factores más importantes que afectan a los objetivos de la simulación.
Además de imitar procesos para ver cómo se comportan en diferentes condiciones, las simulaciones también se utilizan para probar nuevas teorías. Después de crear una teoría de relaciones causales, el teórico puede codificar las relaciones en forma de un programa informático. Si el programa se comporta de la misma manera que el proceso real, hay una buena probabilidad de que las relaciones propuestas sean correctas.
Los paquetes de simulación general se dividen en dos categorías: simulación de eventos discretos y simulación continua . Las simulaciones de eventos discretos se utilizan para modelar eventos estadísticos, como la llegada de clientes a las colas de un banco. Al correlacionar adecuadamente las probabilidades de llegada con el comportamiento observado, un modelo puede determinar el recuento óptimo de colas para mantener los tiempos de espera en la cola en un nivel específico. Los simuladores continuos se utilizan para modelar una amplia variedad de fenómenos físicos, como trayectorias balísticas, respiración humana, respuesta de motores eléctricos, comunicación de datos por radiofrecuencia, generación de energía con turbinas de vapor, etc. Las simulaciones se utilizan en el diseño inicial del sistema para optimizar la selección de componentes y las ganancias del controlador, así como en sistemas de diseño basado en modelos para generar código de control integrado. La operación en tiempo real de la simulación continua se utiliza para la capacitación del operador y el ajuste del controlador fuera de línea.
Existen cuatro enfoques de simulación reconocidos principalmente: método de programación de eventos, escaneo de actividades, interacción de procesos y enfoque de tres fases; en comparación, se puede observar lo siguiente:
El método de Programación de Eventos es más simple y solo tiene dos fases, por lo que no hay C y B, esto permite que el programa se ejecute más rápido ya que no hay escaneo de los eventos condicionales. Todas estas ventajas también nos dicen algo sobre las desventajas del método, ya que solo hay dos fases, luego todos los eventos son mixtos (no hay B y C), entonces el método no es parsimonia, lo que significa que es muy difícil de mejorar (Pidd, 1998). El enfoque de Escaneo de Actividades también es más simple que el método de Tres Fases, ya que no tiene calendario y admite el modelado parsimonioso. Sin embargo, este enfoque es mucho más lento que el de Tres Fases, ya que trata todas las actividades como condicionales. Por otro lado, el ejecutivo tiene dos fases. Por lo general, este enfoque se confunde con el método de Tres Fases (Pidd, 1998). El Proceso-Interacción "comparte dos ventajas comunes en primer lugar; evitan programas que son lentos de ejecutar. En segundo lugar, evitan la necesidad de pensar en todas las posibles consecuencias lógicas de un evento” (Pidd, 1998). Sin embargo, como (Pidd, 1998) afirma, este enfoque sufre del problema de BLOQUEO, pero este enfoque es muy atractivo para los modeladores novatos. Aunque, (Schriber et al, 2003). dice que “la interacción de procesos era entendida solo por un grupo de élite de individuos y estaba fuera del alcance de los programadores ordinarios”. De hecho (Schriber et al, 2003) agrega “. Las aplicaciones multiproceso se hablaban en las clases de informática, pero rara vez se usaban en la comunidad más amplia”. Lo que indica que la implementación de la interacción de procesos era muy difícil de implementar. La contradicción obvia, en la cita anterior, se debe a la confusión entre el enfoque de interacción de procesos y el enfoque de flujo de transacciones. Para ver la idea completa de los orígenes del flujo de transacciones mejor expresado por (Schriber et al, 2003): Esta fue la sopa primordial de la que surgió el Simulador de Gordon. La visión del mundo del flujo de transacciones de Gordon era una forma hábilmente disfrazada de interacción de procesos que ponía el enfoque de interacción de procesos al alcance de los usuarios comunes. Gordon hizo uno de los grandes trabajos de empaquetado de todos los tiempos. Ideó un conjunto de bloques de construcción que podían unirse para construir un diagrama de flujo que representara gráficamente el funcionamiento de un sistema. Bajo este paradigma de modelado, el flujo de elementos a través de un sistema era fácilmente visible, porque ese era el foco de todo el enfoque. El enfoque de tres fases permite "simular el paralelismo, al tiempo que se evita el bloqueo" (Pidd y Cassel, 1998). Sin embargo, Three-Phase tiene que escanear el cronograma en busca de actividades limitadas y luego escanea todas las actividades condicionales que lo ralentizan. Sin embargo, muchos renuncian al tiempo empleado a cambio de resolver el problema del bloqueo. De hecho, Three-Phase se utiliza en sistemas distribuidos, ya sea que se trate de sistemas operativos, bases de datos, etc., con diferentes nombres, entre ellos Three-Phase commit (Tanenbaum y Steen, 2002). [3]
El software de simulación electrónica utiliza modelos matemáticos para replicar el comportamiento de un dispositivo o circuito electrónico real. Básicamente, es un programa informático que convierte una computadora en un laboratorio de electrónica en pleno funcionamiento. Los simuladores electrónicos integran un editor esquemático , un simulador SPICE y formas de onda en pantalla y hacen que los escenarios hipotéticos sean fáciles e instantáneos. Al simular el comportamiento de un circuito antes de construirlo realmente, se mejora enormemente la eficiencia y se proporciona información sobre el comportamiento y la estabilidad de los diseños de circuitos electrónicos. La mayoría de los simuladores utilizan un motor SPICE que simula circuitos analógicos, digitales y mixtos A/D para lograr una potencia y una precisión excepcionales. Por lo general, también contienen amplias bibliotecas de modelos y dispositivos. Si bien estos simuladores suelen tener capacidades de exportación de placas de circuito impreso (PCB), no son esenciales para el diseño y la prueba de circuitos, que es la aplicación principal de la simulación de circuitos electrónicos.
Si bien existen simuladores de circuitos electrónicos estrictamente analógicos [4], incluyen capacidades de simulación tanto analógicas como digitales impulsadas por eventos [5] y se conocen como simuladores de modo mixto. [6] Esto significa que cualquier simulación puede contener componentes analógicos, impulsados por eventos (digitales o de datos muestreados) o una combinación de ambos. Se puede realizar un análisis completo de señales mixtas a partir de un esquema integrado. Todos los modelos digitales en simuladores de modo mixto proporcionan una especificación precisa del tiempo de propagación y los retrasos de tiempo de subida/bajada.
El algoritmo impulsado por eventos que ofrecen los simuladores de modo mixto es de propósito general y admite tipos de datos no digitales. Por ejemplo, los elementos pueden usar valores reales o enteros para simular funciones DSP o filtros de datos muestreados. Debido a que el algoritmo impulsado por eventos es más rápido que la solución matricial SPICE estándar, el tiempo de simulación se reduce en gran medida para los circuitos que usan modelos impulsados por eventos en lugar de modelos analógicos. [7]
La simulación en modo mixto se maneja en tres niveles: (a) con elementos digitales primitivos que utilizan modelos de temporización y el simulador lógico digital incorporado de 12 o 16 estados, (b) con modelos de subcircuitos que utilizan la topología de transistor real del circuito integrado y, finalmente, (c) con expresiones lógicas booleanas en línea .
Las representaciones exactas se utilizan principalmente en el análisis de problemas de integridad de señales y líneas de transmisión , donde se necesita una inspección minuciosa de las características de E/S de un CI. Las expresiones lógicas booleanas son funciones sin retardo que se utilizan para proporcionar un procesamiento de señales lógicas eficiente en un entorno analógico. Estas dos técnicas de modelado utilizan SPICE para resolver un problema, mientras que el tercer método, primitivas digitales, utiliza la capacidad de modo mixto. Cada uno de estos métodos tiene sus méritos y aplicaciones de destino. De hecho, muchas simulaciones (en particular las que utilizan tecnología A/D) requieren la combinación de los tres enfoques. Ningún enfoque por sí solo es suficiente.
Para comprender correctamente el funcionamiento de un controlador lógico programable (PLC), es necesario dedicar un tiempo considerable a programar , probar y depurar programas de PLC. Los sistemas PLC son inherentemente caros y el tiempo de inactividad suele ser muy costoso. Además, si un PLC se programa incorrectamente, puede resultar en pérdida de productividad y condiciones peligrosas. El software de simulación de PLC es una herramienta valiosa para comprender y aprender sobre los PLC y para mantener este conocimiento actualizado. [8] La simulación de PLC proporciona a los usuarios la capacidad de escribir, editar y depurar programas escritos utilizando un formato basado en etiquetas. Muchos de los PLC más populares utilizan etiquetas, que son un método poderoso de programación de PLC pero también más complejo. La simulación de PLC integra programas de lógica de escalera basados en etiquetas con animaciones interactivas en 3D para mejorar la experiencia de aprendizaje del usuario. [9] Estas animaciones interactivas incluyen semáforos , procesamiento por lotes y líneas de embotellado. [10]
Al utilizar la simulación de PLC, los programadores de PLC tienen la libertad de probar todos los escenarios hipotéticos modificando las instrucciones y los programas de lógica de escalera y luego volver a ejecutar la simulación para ver cómo los cambios afectan el funcionamiento y el rendimiento del PLC. Este tipo de prueba a menudo no es factible utilizando PLC con funcionamiento cableado que controlan procesos que a menudo valen cientos de miles de dólares o millones de dólares. [11]
El software de simulación de conformado de chapa utiliza modelos matemáticos para replicar el comportamiento de un proceso real de fabricación de chapa metálica. [ cita requerida ] Básicamente, es un programa informático que convierte una computadora en una unidad de predicción de fabricación de metales completamente funcional. La simulación de conformado de chapa metálica evita que las fábricas de metales tengan defectos en sus líneas de producción y reduce las pruebas y los errores costosos, mejorando la eficiencia en el proceso de conformado de metales. [ cita requerida ]
La simulación de la fundición de metales se realiza actualmente mediante un software de simulación por elementos finitos , diseñado como una herramienta de predicción de defectos para el ingeniero de fundición , con el fin de corregir y/o mejorar su proceso de fundición , incluso antes de que se produzcan los ensayos del prototipo. La idea es utilizar la información para analizar y predecir resultados de una manera sencilla y eficaz para simular procesos como:
El software normalmente tendría las siguientes especificaciones:
La interacción entre las entidades de la red está definida por varios protocolos de comunicación . El software de simulación de red simula el comportamiento de las redes a nivel de protocolo. El software de simulación de protocolo de red se puede utilizar para desarrollar escenarios de prueba, comprender el comportamiento de la red frente a determinados mensajes de protocolo, el cumplimiento de la implementación de nuevas pilas de protocolos y las pruebas de pilas de protocolos. Estos simuladores se basan en especificaciones de arquitectura de protocolos de telecomunicaciones desarrolladas por organismos de normalización internacionales como la UIT-T , IEEE , etc. El resultado del software de simulación de protocolo puede ser un seguimiento detallado de paquetes, registros de eventos, etc.