Создать своего двойника и переложить на него самые трудные, неприятные или даже опасные дела и заботы — время от времени такие мечты посещают многих. А сильные мира сего, как говорят, и на самом деле прибегают к услугам очень похожих на себя людей, когда не могут или боятся показываться на публике. Сколько в этом правды, а сколько вымысла, сказать сложно. Однако цифровые двойники разнообразных объектов — зданий, машин, производственных процессов и целых заводов — уже прочно вошли в практику многих отраслей промышленности и решают вполне реальные задачи. Цифровой двойник (или «цифровой близнец», если буквально переводить английское словосочетание digital twin) — это виртуальный аналог реального объекта, компьютерная модель, которая в своих ключевых характеристиках дублирует его и способна воспроизводить его состояния при разных условиях. По сути, это набор математических формул, описывающих сам объект и протекающие в нем процессы. Как это ни странно, такой двойник может родиться даже раньше своего оригинала: виртуальную модель могут создать еще на этапе проектирования объекта (здания, машины, установки), чтобы протестировать его работу в разных условиях и режимах и скорректировать проект, если будут обнаружены недочеты.

Но затем, когда объект уже построен, такая модель требует постоянного обновления, для того чтобы соответствовать его актуальному состоянию. Цифровой двойник представляет собой мостик между физическим миром и цифровой реальностью. Такие системы называют киберфизическими. Программные компоненты и физические процессы в них тесно связаны и влияют друг на друга.

С начала 2021 года на КАО «Азот» введена в эксплуатацию пилотная версия цифрового двойника одного из основных производств предприятия. Первые этапы создания и внедрения показывают технологический и экономический потенциал нововведения. О цифровом двойнике и его внедрении нам рассказал Сергей Кондратьев, начальник производственного отдела КАО «Азот».

— Сергей Александрович, расскажите, что даёт «Азоту» внедрение цифрового двойника?

— Любое крупное промышленное предприятие, и в особенности наше, стремится повысить эффективность своей деятельности. Различных усовершенствований много, но здесь важно определиться, какое решение необходимо реализовать в первую очередь, а самое главное — какое нововведение поможет предприятию занять лидирующие позиции на рынке. И в данном случае технологическое моделирование позволяет ускорить поиск и оценку как типовых, так и инновационных технических решений.

Одно из преимуществ цифрового двойника — то, что он минимизирует риски при закупке и замене дорогостоящего оборудования. Через двойник мы вводим параметры, получаем характеристики нужного аппарата, и сразу видно, подходит он или нет. Так, с помощью двойника мы определили «узкие» места, лимитирующие производство в цехе аммиака-2 в летнее время — самое напряжённое с точки зрения использования мощности производства. В первую очередь, это блоки компримирования воздуха и конденсации готового аммиака. В проработке сейчас находится несколько технических решений по устранению климатических ограничений. Потенциал от их реализации ожидается на сумму до 100 млн рублей в год.

— Сейчас уже есть какие-то конкретные результаты деятельности этой технологии? Можно ли сравнить ситуацию «до» и «после» внедрения?

— До создания цифрового двойника на заводе не всегда можно было быстро проверить идеи по оптимизации технологического процесса, рационализаторские предложения, самостоятельно подобрать технические параметры нового оборудования для модернизации производства. Приходилось обращаться в сторонние проектные организации, имеющие опыт в расчётах технологического процесса. Это отнимало много времени и материальных затрат. Многие предложения по оптимизации процесса проверялись только на практике после внедрения. Это неэффективно.

С помощью цифрового двойника мы можем в цехе подбирать нужные параметры технологического процесса и оценивать, как установка будет работать в тех или иных условиях. На модели можно увидеть, как будет протекать процесс при увеличении мощности, какие при этом будут «узкие» места, и акцентировать свои усилия на расшивку таких мест. Это значительно ускоряет развитие производства и поиск оптимальных режимов работы.

Внедрение цифрового двойника в цехе аммиака-2 позволило получать информацию о  технологических процессах, не ограничиваясь набором ключевых данных с датчиков. Это способствует более быстрому и успешному внедрению технических решений и предложений рационализаторов.

— Как простыми словами объяснить неспециалисту, что такое цифровой двойник и для чего он нужен?

— Если коротко, это цифровая копия какого-то объекта или процесса, созданная с помощью специализированного программного обеспечения. С его помощью можно получить более полную информацию о протекании технологических процессов на установке и быстрее обнаружить проблемы, точнее предсказывать результат процесса и в конечном итоге вести процесс более качественно. Это оцифрованный технологический процесс получения продукта. Цифровые двойники процессов производства отличаются также детализацией. Одни могут быть настолько подробными, что в них будет указан каждый вентиль и задвижка, в других наиболее сложные блоки, описывающие химические процессы, будут представлены как «чёрные ящики», без описания реакций.

— Была ли мысль создать цифровой двойник всего завода? И есть ли такие планы?

— На КАО «Азот» трудится более 5700 человек, которые обеспечивают десятки технологических процессов. Сразу описать такой объёмный производственный комплекс очень сложно. Поэтому мы сконцентрировались на ключевых производственных процессах. Для начала создали «помощника технолога» — цифровой двойник цеха аммиака-2.

Есть планы и по дальнейшему совершенствованию этого цифрового инструмента. Ведь «прокачивая» двойника, тем самым мы «прокачиваем» производство. После этапа опытной эксплуатации планируется усилить цифровой двойник в части what-if анализа, возможно за счёт включения в программный продукт элементов машинного обучения. Это позволит прогнозировать, например, расход дорогостоящих катализаторов, и отслеживать их старение и активность.

What-if анализ (дословно с англ. «что если?») имеет второе название — анализ чувствительности. Это универсальный инструмент, позволяющий испытать проект на прочность. В ходе анализа рисков участники рабочей группы моделируют различные ситуации, которые должны случиться при определенных обстоятельствах.

Полученный положительный опыт планируется использовать при создании цифровых двойников других подразделений завода. Теперь работа пойдёт быстрее, так как схема сотрудничества с подрядчиком отработана и нужные «шишки» набиты. За 2021 год в планах создать цифровые двойники других цехов основного производства — аммиачной селитры, азотной кислоты и карбамида.

— Сергей Александрович, расскажите, как проходил процесс внедрения цифрового двойника?

— Цифровой двойник в тесном сотрудничестве с компанией-подрядчиком разрабатывали специалисты «Азота». Программу создали за год. Она полностью моделирует физические и химические процессы получения аммиака, а также включает цифровое описание основных аппаратов производственной цепи: печей, реакторов, теплообменного и динамического оборудования.

На мониторе компьютера это выглядит как живая схема технологии, а «под капотом» — строгий математический аппарат. В интерфейсе двойника мы в режиме онлайн видим все процессы. На рабочих экранах указаны температура, давление в аппаратах, концентрация подаваемых веществ и так далее. Всё это рассчитывается автоматически в модели, подключенной онлайн к MES-системе предприятия. На «живой» схеме технолог видит параметры потоков и «узкие» места. Приведу пример: есть некий аппарат А с пропускной способностью 100 единиц в час. Следующий за ним в цепи производства — аппарат Б, он имеет пропускную способность 150 единиц в час. Нужно увеличить производительность. Цифровой двойник точно укажет, когда общая пропускная способность достигнет ограничений аппарата А, необходимые параметры работы которого, в том числе перспективные, могут быть рассчитаны в цифровом двойнике.

В интерфейсе цифрового двойника технолог в режиме онлайн видит все производственные процессы

— Были ли какие-то сложности при разработке?

— Основой здесь является наличие качественных исходных данных для моделирования, а также контроль за соисполнителями работ, если они привлекаются. И тут в полной мере раскрывает свой потенциал процессный подход, реализуемый на нашем предприятии. Даже в непростой ситуации коронавируса мы смогли выдержать ключевые сроки реализации проекта и подготовить исходные данные более чем на 300 аппаратов и трубопроводов.

Хороший программист-разработчик и при этом хороший технолог — достаточно редкое сочетание. Нужно кропотливо согласовывать каждый параметр и единицу измерения, чтобы в итоге быть на 200% уверенным в точности информации, получаемой от двойника. Иначе это лишние затраты на работу подрядчика и сотрудников предприятия.

— Есть ли уже сейчас какой-то экономический эффект от цифрового двойника, который можно было бы выразить в цифрах?

— Цифровой двойник производства аммиака с начала 2021 года находится в опытной эксплуатации. Ведётся отладка самой математической модели и блоков, обеспечивающих взаимосвязь заводской информационной системы с расчётным ядром системы. С начала 2021 года проведена оценка трёх инвестиционных решений, с суммарным годовым эффектом около 40 млн руб. В текущем «портфеле идей» ещё не менее 5 тем по оптимизации проходят стадию проверки на цифровом двойнике.

На основе данных цифрового двойника с начала 2021 года готовятся все тендерные задания по цеху аммиака-2, а в ряде случаев и аммиака-1, имеющему идентичную технологию. Оборудование заказывается с учётом актуального материального баланса на увеличенную производительность. Подготовка тендерных заданий ускорилась на 50%, в режиме реального времени доступна информация по текущим и перспективным характеристикам оборудования.

— Как улучшилась работа цеха благодаря двойнику?

— С начала года стартовал этап опытной эксплуатации инструмента на предприятии. Конечно, работа специалистов цеха изменилась благодаря цифровому двойнику. Закладывается культура использования двойника в цехе и в группе моделирования технологических процессов, персонал учится доверять данным, полученным расчётам. Как и любой сложный инструмент, требующий изменений, цифровой двойник меняет подходы к работе на производстве. Технологи привыкают к тому, что любой поток на установке может быть проанализирован по составу и своим параметрам.

Но уже сейчас ощущается влияние двойника на программу технического перевооружения производства, а также инвестиционный блок. С начала 2021 года практически ни одно техническое решение по технологии не проходит мимо расчётов с применением цифровой модели.

СПРАВОЧНО

Возможные способы применения цифрового двойника. Цифровой двойник открывает широкие возможности перед персоналом установки и руководством предприятия:

• Это оперативная оценка индивидуальных технических решений и их взаимного влияния друг на друга.
• Выявление рисков при моделировании процессов без опасностей для действующего производства.
• Предиктивный потенциал, позволяющий оценивать состояние и загрузку оборудования на различных режимах работы установки.
• Подбор оптимальных режимов работы для минимизации энергозатрат или максимизации выпуска продукции.
• Возможность подбора оборудования с учётом детальной информации по всем основным потокам установки как на текущей, так и на увеличенной производительности.
• Мониторинг текущей нагрузки на производство и сбор отсутствующей информации на основании виртуальных анализаторов и т. д.

Авторы: Илья Девянин, Антон Ганеев
Источники: http://www.up-pro.ru/, https://www.gazprom-neft.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!