Сегодня среда 5 августа 2020 г. 09:23
сделать стартовой в избранное
О проекте
Контакты
Форум
Размещение рекламы
   
 
 
Логин Пароль  
 
 
запомнить на этом компьютере
регистрация  |  если забыли пароль
 
 
№150июнь 2020Промышленная площадка
Цифровой двойник: эксперимент с будущим
Может ли новая разработка повысить качество и надёжность производства, да еще и принести экономию в миллионы рублей? Знакомьтесь — цифровой двойник.


Технология представляет собой цифровую копию физического объекта или процесса. В целом, идея не нова и использовалась в производстве и раньше, к примеру, на этапе проектирования или тестирования.

«У нас на кафедре компрессоростроения Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого первые программные продукты, описывающие газодинамические процессы в энергетических машинах, начали разрабатывать ещё в 1960-е годы, так что история у нас большая. В то время задача разработок программных моделей была продиктована необходимостью ускорения и удешевления процесса газодинамического проектирования центробежных компрессоров; страна начала активно развивать газотранспортную сеть, в которой компрессоры являются одним из основных видов технологического оборудования, активно шла индустриализация и в других отраслях, и вопросы сроков газодинамического проектирования новых моделей компрессоров стали выходить на первый план», — рассказывает научный руководитель Научно-инжинирингового центра «Компрессорная, вакуумная, холодильная техника и пневмосистемы», к.т.н., доцент Высшей школы энергетического машиностроения Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Юрий Кожухов.

Не менее долгой историей работы над цифровым двойником может похвастаться и фирма Rittal. В 1961 году она стала первой на мировом рынке с идеей производства серийных оболочек для общепромышленных шкафов.

«До этого момента для каждого изделия создавался свой индивидуально разработанный корпус. Наверное, именно с этого времени и следует начинать отсчёт эры глубокой инженерной проработки будущего изделия в виде распределительного шкафа и шкафа управления — до изобретения первого ПЛК оставалось семь коротких лет. Для подбора корпуса и его комплектующих, инженер-конструктор вынужден был учитывать габариты будущей установки, тепловыделение входящих в её состав элементов, реакцию системы на внешние воздействия (открылась дверь? — включи освещение; повысилась влажность? — сдвинь точку росы), то есть — моделировать поведение системы в зависимости от меняющихся внешних факторов. Это ли не основная функция того, что мы сегодня называем цифровым двойником?», — поясняет системный консультант Rittal Алексей Вильбой.

Со временем технология развивалась и теперь позволяет сопровождать физический объект на протяжении всего его жизненного цикла, с более детальным описанием, чем раньше. Именно в таком виде цифровой двойник превратился в ведущий тренд промышленности и важный инструмент для решения актуальных задач.

Близнец по данным

Существует множество определений цифрового двойника. Например, термин можно объяснить как виртуальное представление физического продукта или процесса.

Ключевым моментом в понимании технологии является то, что это динамическая модель реального объекта, которая постоянно меняется благодаря датчикам, отражающим актуальное состояние оригинала, отчётам пользователей и другим данным. Эксперты отмечают, что отклонение в работе двойника от процессов исходного объекта не должно быть более 2%.

«Цифровой двойник имеет ценность только тогда, когда он максимально точно отображает реальное состояние предприятия. Сегодня цифровой двойник включает в себя не только 3D-объект с техническими характеристиками, но и полную информацию об окружающей среде и условиях эксплуатации оборудования, о взаимодействии с другими объектами, а также данные предиктивной аналитики. Информацию, непрерывно поступающую с оборудования, можно использовать в различных целях, например, при оценке узких мест, технического состояния, процесса эксплуатации и т. д.», — отмечает директор по развитию Winnum Александр Московченко.

Считается, что драйвером развития новой технологии в России является нефтегазовая и нефтехимическая отрасли, где внедряются цифровые двойники не только отдельных агрегатов и технологических узлов, но и заводов и даже месторождений в целом.

«На крупнотоннажных непрерывных нефтехимических производствах внесение даже небольших изменений в технологический процесс может дать как хороший эффект, так и принести убытки, если изменение не просчитано со всех сторон. Поэтому один из важных навыков современного инженера-технолога — уметь моделировать технологический процесс и на цифровом двойнике просчитывать различные идеи. Мы применяем модели для повышения эффективности технологических и производственных процессов с 2012 года, постепенно расширяя типы моделей и области применения», — говорит главный эксперт по оптимизации технологических процессов СИБУРа Сергей Кирясов.

В «Газпром нефти» благодаря достаточному уровню цифрового развития перешли к новой модели управления производством. Так, для этих целей создали Центр управления производством (ЦУП). Пилотный проект на Омском НПЗ возьмёт на себя оперативное управление производством, включая контроль исполнения посуточных планов, качества продукции и энергопотребления, оценку состояния оборудования, мониторинг промышленной и экологической безопасности.


Как поясняют представители «Газпром нефти», работа ЦУП основана на взаимодействии кросс-функциональных команд, объединенных в единой среде ИТ‑инструментов и систем анализа больших данных.

Благодаря внедрению точных математических моделей всех технологических установок и комплексов НПЗ (цифровых двойников) новый Центр сможет прогнозировать и проактивно устранять возможные отклонения от оптимального режима производства и интегрированного плана.

«Для управления процессом производства продукции с учётом потребностей рынка в «Газпром нефти» используют первую в России цифровую систему интегрированного планирования. Она собирает данные о потребностях рынка и анализирует с учётом производственных возможностей нефтеперерабатывающих активов и логистических параметров.

С помощью математических моделей процессов и технологий система контролирует и обрабатывает более 20 000 параметров. Её внедрение уже позволило компании более чем в 15 раз сократить время планирования и повысить эффективность производства, гибко перераспределяя производственные потоки в зависимости от потребностей рынка.

Благодаря цифровизации всех бизнес-цепочек «Газпром нефть» может в течение нескольких часов сделать перерасчёт параметров технологических процессов, в частности, сократив или увеличив выпуск конкретной продукции. А непрерывный мониторинг системой «Нефтеконтроль» позволяет контролировать сохранность объёмов и качество нефтепродуктов от нефтеперерабатывающих заводов до реализации конечному потребителю. Эффективность системы обеспечивают свыше 50 000 датчиков, установленных на всей логистической цепочке поставок готовой продукции, начиная с товарных парков НПЗ до реализации конечному потребителю», — отмечают специалисты «Газпром нефти».

Управляют непрерывными технологическими процессами на НПЗ дистанционно — из операторных. При этом комплексное планирование производства компании — один из ключевых процессов в сегодняшних условиях — осуществляется из Центра управления эффективностью в Санкт-Петербурге. Центр в единой цифровой среде предиктивно управляет всей цепочкой — от НПЗ до сбытовых подразделений. Это дает компании возможность осуществлять планирование эффективно и в соответствии с актуальными потребностями рынка.

Однако использование цифровых двойников актуально и для других сфер: в строительстве, транспортной отрасли, машиностроении и др.

Компания «Норникель» также следует тренду. Ещё в 2015 году она запустила программу «Технологический прорыв», которая включает в себя огромный перечень цифровых проектов. Здесь и позиционирование техники и персонала, и диспетчеризация, и моделирование, и оптимизация процессов. Над созданием цифровых двойников предприятие также работает. Задача — традиционная: необходимо сымитировать любую ситуацию на рудниках и фабриках, чтобы принять оптимальное и своевременное решение.


Концепцию цифровых двойников впервые представил публике в 2002 году Майкл Гривз, профессор Мичиганского университета. В своём докладе, посвящённом управлению жизненным циклом продукта (PLM), он рассказал о возможностях, открывающихся при создании виртуального пространства, которое дублировало бы реальное пространство и обменивалось с ним информацией. Через год учёный опубликовал статью «Цифровые двойники: превосходство в производстве на основе виртуального прототипа завода». После этого термин «цифровой двойник» (англ. Digital Twin) прочно вошёл в обиход и с каждым годом получает новое наполнение.


«Мы уходим глубоко под землю — два километра и глубже. В этих условиях сталкиваемся с определёнными ограничениями, связанными, в том числе с промышленной безопасностью условий труда, уровня эффективности. Поэтому мы разрабатываем новую модель рудника. Сейчас проект находится на стадии перехода к разработке технического задания. Намечены конкретные сроки реализации. К 2024 году запланировали получить первую руду с цифрового рудника», — заявил операционный директор ГМК «Норникель» Сергей Дяченко в интервью DK.RU.

«Мы разрабатывали цифровые двойники для различных предприятий. Среди наших заказчиков «РН-Ванкор» и компании группы «Газпром», такие гиганты машиностроительной индустрии, как ОДК и машиностроительные компании поменьше; недавно сделали проект для одного из объектов «Новатэка», для Петербургского метрополитена. При этом, если для «РН-Ванкор» цифровой двойник описывает технологические процессы объекта в целом на базе результатов огромного числа суперкомпьютерных расчётов по его отдельным объектам, то, например, для машиностроительных предприятий важно детальное моделирование процессов в рабочем пространстве энергетических машин для выполнения точного газодинамического моделирования. Детализация в рамках отдельной энергетической машины у такого цифрового двойника гораздо выше, но и вычислительных мощностей, и ремени для расчета он требует гораздо больше», — поясняет Юрий Кожухов.

«Сегодня наш опыт создания цифровых двойников хорошо зарекомендовал себя в области схемотехники электрических шкафов управления на базе EPLAN Electric P8. Однако не меньшего внимания заслуживает относительно новое решение в области пневматических и гидравлических систем — EPLAN Fluid, а также интегральная оболочка, объединяющая в 3D-прототип различные разделы проекта — EPLAN Pro Panel», — делится подробностями Алексей Вильбой.

Новый инструмент эффективной работы

Технология цифровых двойников может применяться на всех этапах жизненного цикла продукта, от моделирования, прогнозирования и оптимизации продукта до систем производства и эксплуатации. Новый инструмент позволяет решать такие задачи, как выбор оптимальных условий работы, определение степени износа оборудования и даже возможность ставить различные эксперименты с будущим (прописывая всевозможные сценарии) без риска повредить дорогостоящие агрегаты.

«Создание любой модели, как цифровой, так и натурной, призвано спрогнозировать характеристики объекта без изготовления его «в металле». Изготовлять натурный объект дорого, гораздо дешевле смоделировать его и оптимизировать его характеристики в цифре. Если говорить конкретно про существующие технологические объекты, то там идёт речь об оптимизации режимов работы, о повышении эффективности работы объекта в целом за счёт системной взаимосвязанной настройки режимов работы отдельных его частей. С помощью цифрового двойника можно спрогнозировать, например, сможет ли объект обеспечить отдельные режимы работы, которые планируются в будущем, или нужна ли замена отдельных элементов системы. Это облегчает в том числе и планирование закупок нового оборудования, сроки поставки которого иногда измеряются годами. На самом деле, у всех заказчиков своя специфика и целевые функции, которые необходимо контролировать с помощью цифрового двойника, и, чаще всего, они разные. Но суть все равно та же: моделирование с целью оптимизации характеристик объекта до реальных капитальных затрат на изготовление или модернизацию», — уверен Юрий Кожухов.

«Спектр использования технологии охватывает практически все аспекты эффективной работы производственного предприятия. Цифровые двойники используются для принятия решений по технологическим процессам, в управлении надёжностью оборудования, в обучении и отработке навыков работы операторов. Также перспективное направление использования цифровых двойников — контроль и снижение воздействия промышленных предприятий на окружающую среду», — подчёркивает Сергей Кирясов.

«Цифровой двойник позволяет смоделировать в виртуальной среде что угодно: от конкретного физического изделия, группы изделий, механического или технологического процесса до целых производственных линий.

Каждый цифровой двойник соответствует определенному физическому объекту на производстве. Благодаря использованию Winnum возможностей по работе с большими данными (Big Data) можно работать с любым количеством двойников, при этом обеспечивая высокую производительность системы», — рассказывает Александр Московченко.

Экономия ресурсов и повышение надежности

Без сомнения, использование новой технологии дает целый ряд плюсов. Это упрощение процессов разработки и усовершенствования изделий, повышение надёжности техники, а также экономия ресурсов и времени.

«В процессе создания математической модели цифрового двойника шкафа управления, автоматически создается массив данных, призванный упростить и ускорить работу людей, непосредственно занятых в производстве конечного изделия: сверлильные шаблоны, таблицы коммутации, программы для станков с ЧПУ», — перечисляет Алексей Вильбой.


«Цифровой двойник» — это серьёзная наукоемкая технология, которая интегрирует многие сквозные технологии: Big Data, искусственный интеллект, дополненную и виртуальную реальности, робототехнику и множество других


По его словам, сейчас в России есть не один десяток сборочных производств, на которых применяются автоматические станки линейки Rittal Automation Systems, напрямую, без программирования, использующие данные виртуального прототипа для предварительной обработки компонентов будущего изделия. Совместное использование САПР EPLAN и компонентов автоматизации Rittal на таких предприятиях позволило увеличить производительность труда в отдельных процессах обработки до 40–60% по сравнению с традиционным подходом.

Экономический эффект в сотни миллионов рублей в год от использования цифровых двойников отмечают и в СИБУРе.

«Узкие места» новой технологии

Разработка цифрового двойника может затрагивать как планируемый, ещё не существующий, так и уже функционирующий объекты. И здесь при внедрении новой технологии можно столкнуться с некоторыми «подводными камнями».

«Если мы говорим про уже работающие объекты, то основной проблемой является получение исходных данных по установленному оборудованию. Как правило, технической документации, поставленной вместе с оборудованием, очень мало для проведения моделирования. Приходится иногда буквально с линейкой измерять проточную часть, делать 3D-сканирование и слепки с элементов энергетических машин с последующей оцифровкой, проводить замеры технологических параметров и т. д.

С моделированием вновь разрабатываемых энергетических машин или объектов в плане получения исходных данных всё несколько проще, но там есть ограничения в технологических возможностях заказчика работы. Нужно держать с ним очень плотную связь, чтобы реализуемая цифровая модель в дальнейшем была исполнима в металле», — рассказывает Юрий Кожухов.

Эти слова подтверждает и Сергей Кирясов. По его мнению, для нефтехимической отрасли редко подходят коробочные решения. Каждое предприятие, каждый технологический процесс уникальны, имеют индивидуальную комбинацию технологического оборудования и происходящих в нём химических и физических процессов. Отсюда высокая сложность и, соответственно, ресурсоемкость проектов по разработке цифровых двойников. При этом цена ошибки может быть очень высока, если приведет к неправильно принятому решению.

«Ещё одна значимая проблема при внедрении новой технологии — инертность мышления руководителей проектных и производственных подразделений компаний — сборщиков. Нежелание менять сложившиеся методы работы и коренным образом перестраивать существующую производственную цепочку являются основной преградой для обеспечения кратного роста производительности предприятия. Чтобы переломить ситуацию, Rittal предлагает бесплатную услугу системного консалтинга, призванную по-новому взглянуть на бизнес-процессы компании, указать на слабые места, предложить технико-экономическое обоснование реинжиниринга», — добавляет Алексей Вильбой.

Возможно, неготовность руководителей предприятий менять привычные, проверенные подходы в работе отчасти связана с таким моментом, как недостаток соответствующей квалификации разработчиков программного продукта.

Так, по словам Юрия Кожухова, важным нюансом, даже проблемой рынка цифровых двойников, является вопрос экспертности исполнителей работы.

«Вычислительные мощности становятся всё более и более доступными для широкого круга лиц. И часто люди считают так: теперь у нас есть мощный компьютер — смоделируем что угодно. Но, как известно, «дьявол кроется в деталях», и результаты работ таких «универсалов» заставляют только разводить руками тех, кто является экспертом в своей предметной области. К примеру, если нам предложат заняться моделированием процессов в электрических сетях — мы откажемся, мы специалисты в другой области.

А многие возьмутся, даже не очень понимая в чём там суть — такой сейчас рынок», — отмечает г-н Кожухов.

Внедрение – вопрос времени

Опросы, проводимые аналитиками Gartner, показывают, что в 13% организаций, реализующих проекты интернета вещей, уже применяются цифровые двойники, а в 62% либо начинают их создание, либо планируют сделать это. Gartner прогнозирует, что уже к 2021 году половина крупных промышленных компаний будет использовать цифровых двойников, что приведет к повышению эффективности этих организаций на 10%.

«Максимальная автоматизация и безлюдность производств, доступность данных и прозрачность процессов принятия решений, повышение безопасности и снижение воздействия промышленных предприятий на окружающую среду — тренды индустрии, и во всех этих областях в той или иной мере применяются цифровые двойники», — подчеркивает Сергей Кирясов.

«Автоматизация рутинных процессов, непрерывность данных от этапа разработки до конца эксплуатации, максимальное исключение ошибок, связанных с влиянием человеческого фактора — всё это в комплексе позволяет повысить производительность, снизить себестоимость, повысить качество выпускаемых изделий. То есть обеспечить превосходство компании в насыщенном конкурентами рынке. Перспективно ли это? Безусловно, да», — уверен Алексей Вильбой.

Учитывая все перечисленное, можно без сомнения утверждать, что за цифровыми двойниками — будущее, поскольку, цитируя Юрия Кожухова, «развитие рынка цифровых двойников экономически обоснованно, а, как известно, при наличии экономических предпосылок очень быстро над ними возникает и соответствующая социальная и технологическая надстройка».


ЭКСПЕРТ

Александр Московченко,
директор по развитию Winnum

«Производственные компании, применяющие Winnum, моделируют свое производство с той степенью детализации, которая им необходима. Для этого используются встроенные инструменты, непосредственно в web-браузере. В дальнейшем интерактивный цифровой двойник выносится на цеховые и уличные экраны для контроля достижения заданных показателей. Также цифровой двойник используется на рабочих местах для визуализации технологических процессов и сравнения с результатами имитационного моделирования, выполненного в соответствующем программном обеспечении».


Виды цифровых двойников:

1. Digital Twin Prototype — прототип (виртуальный двойник реально существующего объекта, включающий всесторонне характеризующую его информацию, и даже данные о том, как воссоздать объект).

2. Digital Twin Instance — экземпляр (модель, описывающая физические характеристики оригинала и данные о его жизненном цикле).

3. Digital Twin Aggregate — агрегированный двойник (представляет собой систему, объединяющую все имеющиеся двойники и их оригиналы для обмена актуальной информацией).


«Промышленные страницы Сибири» №6-7 (150) июнь-июль 2020 г.

скачать pdf


«Промышленные страницы Сибири» №6-7 (150) июнь-июль 2020 г.



Текст: Людмила Ерофеева.

Новости
 
Промышленность вернется к объёмам прошлого года только в 2021 году
Фото: nafta.codelayers.netКак рассказал министр промышленности и торговли......
 
 
Первый рост производительности с мая 2019 на фоне ослабления ограничений по COVID-19
Фото: g.foolcdn.comПо данным исследования индекса деловой активности......
 
 
Трубы проверят по полной
Фото: tmk-ru.pwТрубная Металлургическая Компания запустила исследовательский комплекс......
 
 
«ДС-Роботикс» стал одним из 16 крупнейших интеграторов промышленных роботов в России по данным рейтинга TAdviser
Рейтинг «Топ-30 интеграторов промышленных роботов в России»......
 
 
Потребление электроэнергии в России за июнь уменьшилось на 6%
Фото: g.foolcdn.comПо данным АО «СО ЕЭС», потребление......
 
 
Переход на собственную генерацию не будет массовым
Фото: sibur.photas.ruОпасность массового перехода промышленных потребителей на......
 
 
Будущее ТЭК России связали с цифровизацией и прорывными технологиями
Фото: assets.new.siemens.comВ Энергетической стратегии до 2035 года......
 
АРХИВ НОВОСТЕЙ
   
   
© 2006-2017. Все права защищены. «Единый промышленный портал Сибири»
Цитирование приветствуется при условии указания ссылки на источник - www.epps.ru
© Создание сайта - студия GolDesign.Ru