В новом номере журнала «Вестник арматуростроителя» мы продолжаем развивать тему цифровизации отрасли арматуростроения и российской промышленности в целом. Сегодня предлагаем вместе с вами изучить, что собой представляет концепция «Цифровой двойник» (Digital Twin), которая на производственных площадках существует уже более 30 лет, но само понятие в медиа- и IT-пространстве появилось совсем недавно в связи с глобальной цифровизацией промышленных предприятий.
Цифровой двойник считается виртуальным прототипом существующего объекта или процесса. Это технология, позволяющая смоделировать различные ситуации, которые могут произойти на производственном предприятии, и определить влияние внешних и внутренних факторов на них. Например, это касается ремонтных мероприятий, местоположения оборудования, логистики, действий сотрудников и многого другого. Отличие от оригинальных процессов не должно превышать 5 %. DT занимается не только сбором данных на стадии разработки и выпуска продукта, но и во время всего жизненного цикла объекта, в том числе с помощью IoT-датчиков – устройств, подключенных к общей сети. Другими словами, это комплекс цифровых технологий, которые применяют методы статистического анализа, машинного обучения, химии, физики, теории управления, теории надежности, теории массового обслуживания, численного моделирования и оптимизации.
1. Digital Twin Prototype (прототип) – двойник, который включает в себя все характеристики оригинала, в том числе данные о его воссоздании.
2. Digital Twin Instance (экземпляр) – модель, объясняющая физические параметры оригинала и информацию о его жизненном цикле. Например, 3D-модель, данные об используемых материалах, процессах, данные тестирования и ремонтных операций, данные мониторинга.
3. Digital Twin Aggregate (агрегированный двойник) – система, которая соединяет все существующие двойники и их оригиналы с целью обмена актуальной информацией.
В 2019 году исследовательская и консалтинговая компания, специализирующаяся на рынках информационных технологий Gartner, объявила итоги опроса о ходе внедрения цифровых двойников на промышленные площадки. Его результат гласил – только 13 % предприятий завершили запуск данного решения, а 62 % либо начинали реализацию проекта на тот момент, либо планировали начать. Кроме того, было отмечено, что к 2021 году половина крупных промышленных компаний будет использовать цифровые двойники, что приведет к повышению эффективности этих организаций на 10 %. Стран-лидеров во внедрении технологии DT пока нет, но в Штатах и Европе таких организаций больше, чем в России. При этом у наших промышленников есть определенные преимущества – например, кадровый потенциал.
Так, нефтегазовую и нефтехимическую отрасли вполне можно считать основными площадками, где проекты по цифровизации реализовываются качественнее и быстрее, чем в других направлениях. Здесь DT предотвращает аварии и сбои, помогает тестировать свежие гипотезы по обновлению инфраструктуры, снижать риски. Цифровой двойник может быть задействован несколькими компаниями одновременно. В частности, на площадке Яйского нефтеперерабатывающего завода DT применяется совместно с цифровым тренажером для операторов и системой безопасности и предиктивной аналитики. Это помогает предотвращать различные форс-мажоры.
В рамках проекта «Цифровое месторождение» «Газпром нефти» (рис. 1, 2), реализация которого началась еще в 2014 году в дочерней компании «Газпромнефть-Хантос», был сформирован Центр управления добычей. Он представил собой объединение всех решений по повышению эффективности добычи. Так, цифровой двойник процесса подъема жидкости из скважин помогает выбрать оптимальные режимы работы, своевременно выявлять нештатные ситуации, оценивать систему в случае изменения ее конфигурации. Также стоит отметить, что «Газпром нефть» создала цифровые двойники установки гидроочистки бензина каталитического крекинга на Московском НПЗ и установки первичной переработки нефти на Омском НПЗ. Предприятие работает над комплексными решениями в сфере цифровизации производства на базе заводов по производству битума в Рязани и казахстанском Шымкенте.
Технология создания виртуальных двойников также легла в основу проекта РЖД «Цифровая железная дорога», в рамках которого организована работа центра обработки и анализа данных, отвечающего за диагностику и сервисное обслуживание поездов «Ласточка» от «Уральских локомотивов».
«Росатом» в 2017 году заявлял о планах создания цифровых АЭС, которые с максимальной точностью будут повторять реальные атомные станции. Это позволило не только собирать и эффективно применять данные о работе каждой отдельной единицы оборудования, но и создало возможности для моделирования и прогнозирования работы объектов в различных условиях и режимах.
В «СИБУРЕ» развиваются все направления, которые так или иначе обладают связью с формированием цифрового двойника. Речь идет о системах управления инженерными данными, моделировании производственных процессов, имитационных моделях производства и логистики, где можно найти различные данные об оборудовании: место в производственной цепочке, режимы работы, частоту обслуживания, технические характеристики и прочее. Информация хранится в этой базе под видом структуры и привязки к объектам. Это упрощает доступ к ним и делает возможной автоматизированную обработку.
Такое решение позволило «СИБУР» значительно сократить потери времени, а также число ошибок при обслуживании, ремонте и заказе запчастей. Помимо этого, система дает возможность делать навигацию по оборудованию для ремонтников, заранее планировать операции, а также она подсказывает, какие элементы технологических установок необходимо отключить или перекрыть, чтобы безопасно провести ремонт.
Кроме того, «СИБУР» улучшил процесс железнодорожных перевозок с помощью DT. Здесь цифровые технологии помогли сократить затраты на ремонтные работы, выявить сдвоенные операции при управлении подвижным составом и увеличить эффективность управления отгрузками.
DT способен контролировать всю инфраструктуру объекта в строительной отрасли. Он может быть внедрен в городах России, население которых превысило отметку в 100 тысяч жителей. Не менее востребован данный комплекс в самолето- и двигателестроении.
Цифровые двойники также применимы в энергетике – их используют операторы магистральных и распределительных сетей с помощью CIM (Common Information Model), геоинформационной системы (ГИС) и расчетного комплекса, который содержит математическую модель электрической сети. Концепция DT позволила энергетическим предприятиям стать более эффективными. Теперь специалистам нужно около 2-3 часов вместо 500 часов, которые приходилось тратить на создание актуальной математической модели сети.
На заводах «Северстали» также развивается применение цифровых двойников собственной разработки. Они содержат в себе всю необходимую информацию в едином окне: чертежи, схемы и 3D-модели, паспорта на оборудование и материалы, разрешительную документацию от государственных органов, результаты обследования зданий. Помимо этого, цифровые двойники используются в приборостроении и радиоэлектронике, трубопроводных системах, станкостроении, робототехнике и др.
Компания Emerson выступает тем, кто предлагает готовые решения и технологии для цифровизации (рис. 3). В частности, в перерабатывающей промышленности динамическое моделирование на основе Mimic Simulation Software. Продукт гарантирует точное моделирование работы установки в реальном масштабе времени и автоматически интегрируется с системой DeltaV или другими автономными системами управления. В ней применяются те же самые графики оператора и органы управления для проверки конфигурации и тренировки новых или неопытных операторов. Для электростанций Emerson предлагает тренажеры Ovation, которые можно адаптировать для решения эксплуатационных задач любого предприятия по производству электроэнергии, в том числе угольные ТЭС, парогазовые и газотурбинные установки или возобновляемые источники энергии.
В 2020 году в Трубной металлургической компании (ТМК) планируется запуск цифрового двойника для проработки различных сценариев снабжения, производства, продаж, взаимодействия агрегатов (рис. 4). Это позволит снизить издержки на 2-3 %. На предприятии считают, что цифровой двойник – наиболее перспективное решение для трубного производства.
Что касается арматуростроительных предприятий, то здесь все намного сложнее с подобными технологиями. Цифровой двойник – это, несомненно, не только популярный, но и полезный тренд, который поможет сформировать точную модель предприятия и его технологических процессов, повысить квалификацию персонала и промышленную безопасность, улучшить производительность труда и оптимизировать процессы разработки и изготовления продукции. Однако внедрение DT обязательно связано со специфическими вопросами. Основная проблема, возникающая при реализации проекта, – это информационная безопасность. Страх кибератак довольно часто выступает в качестве главного сдерживающего фактора для цифровизации производства.
Цифровые технологии активно используются современными заводами по выпуску трубопроводной арматуры, но цифровые двойники все еще находятся в стадии планов. Создание или внедрение Digital Twins – далеко не быстрый процесс, требующий серьезных инвестиций. Сроки и суммы вложений при этом сильно разнятся. Для сооружения реалистичной модели какого-либо объекта необходимо собрать данные о его деятельности. Оснащение предприятия датчиками может занимать дополнительное время. Если у предприятия уже собран достаточный массив данных о работе объекта, то на создание цифрового двойника может уйти от трех месяцев до полутора лет.
Таким образом, можно сделать вывод, что способность понимать, прогнозировать и оптимизировать продукт, устройство или процесс во время проектирования, изготовления, эксплуатации и даже утилизации только начинает приобретать большое значение. Однако, если говорить об арматурных заводах, то здесь реализация подобных проектов уже сложнее. Малым и средним предприятиям достаточно будет только цифровой модели или 3D-модели, которая, в отличие от двойника, статична и не отражает состояние объекта в режиме реального времени. Цифровые двойники – это совершенно новый уровень повышения автоматизации и эффективности производства, которого сложно добиться в арматуростроении в связи с отсутствием достаточной финансовой поддержки. Некоторые заводы только начали приходить к идее цифровизации процесса выпуска продукции, обновлять технологическое оборудование на более современное, применять актуальные системы автоматизации и принципы бережливых технологий, поэтому о внедрении цифровых двойников сейчас говорят только в будущем времени. Редакция журнала «Вестник арматуростроителя» полагает, что такое будущее уже недалеко от нас, ведь в России много достойных и знающих свое дело арматуростроителей, которые стремятся к развитию своих производств.
1. Как цифровые двойники помогают российской промышленности [Электронный ресурс] // RUSBASE. URL: https://rb.ru/longread/digital-twin/ (дата обращения: 28.07.2020).
2. Цифровое зеркало. Технологии цифровых двойников в нефтегазовой промышленности [Электронный ресурс] // «Газпром нефть». URL: https://www.gazprom-neft. ru/press-center/sibneft-online/archive/2018- september-projects/1863687/ (дата обращения: 28.07.2020).
3. ТМК создаст собственного цифрового двойника [Электронный ресурс] // ВЕДОМОСТИ. URL: https://www.vedomosti. ru/business/articles/2019/06/19/804487-tmkdvoinika (дата обращения: 10.08.2020). Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 5 (61) 2020
