Зачем нужны цифровые двойники в химпроме?
  • Промышленность

Зачем нужны цифровые двойники в химпроме?

  • 7 мин
  • 1 872

В 2020 году в России будет введено разрешение на цифровую сертификацию продукции. По мнению экспертов, это ещё один шаг в сторону развития цифровых двойников в промышленности — технологию признают «на законодательном уровне».

Превосходство двойника

При этом цифровые двойники не являются чем-то совершенно новым и уже используются, в том числе и на российском рынке. Впервые о концепции цифровых двойников заговорил профессор Мичиганского университета Майкл Гривз, опубликовавший в 2003 году статью «Цифровые двойники: превосходство в производстве на основе виртуального прототипа завода». Речь шла о способе удешевления разработки продуктов с помощью цифровых моделей, однако только спустя 10 лет этот подход получил широкое применение, а термин «цифровой двойник» (digital twin) вошёл в обиход.

Цифровой двойник — это цифровая копия физического объекта или процесса, помогающая оптимизировать эффективность бизнеса. Вплоть до недавнего времени создание компьютеризированных систем, повторяющих характеристики физических объектов почти в режиме реального времени, было нереальным. Однако существенный прорыв в развитии цифровых технологий (появление интернета вещей, сетей 5G, облачных вычислений), позволил увеличить вычислительные мощности и снизить цену их использования, предоставив компаниям возможность объединять информационные технологии с операционными процессами. Сегодня цифровые двойники — один из ведущих трендов технологического развития. Они становятся обязательным инструментом работы для промышленных компаний. И статистика это подтверждает. Так, согласно прогнозам Gartner, к 2021 году половина всех крупных промышленных компаний будет использовать цифровых двойников, в результате чего эффективность этих организаций увеличится на 10%. А компания Deloitte прогнозирует, что к 2023 году мировой рынок цифровых двойников достигнет 16 млрд долларов.

16 млрд $

достигнет к 2023 году мировой рынок цифровых двойников

Существует довольно много сфер, в которых могут применяться цифровые двойники. Однако чаще всего они создаются с целью моделирования объектов, напрямую связанных с промышленным производством. Руководитель направления индустриальных инноваций «Фирмы „АйТи“. Информационные технологии» Вадим Ерёмин подчёркивает: главная в модели таких цифровых двойников — математическая составляющая. Сегодня цифровой двойник — это прежде всего обучаемая система, состоящая из комплекса математических моделей разного уровня сложности. Она постоянно уточняется в соответствии с требованиями технического задания. И, что является одним из важнейших факторов, способна предсказывать поведение изделия на протяжении всего жизненного цикла. Таким образом, важное свойство цифрового двойника заключается в том, что он должен представлять собой постоянно обновляемое отражение реального физического продукта или процесса и быть при этом моделью динамической, а не статической. При эксплуатации физического изделия информация с его датчиков, отчёты от пользователей и другие данные непрерывно передаются цифровому двойнику. Ответом из виртуального пространства в реальное становятся различные прогнозы и оценки, которые могут использоваться для улучшения работы и обслуживания реального объекта.

Практика применения

Таким образом, задачами цифровых двойников являются в основном расчёт и оптимизация узких мест производственного цикла, моделирование различных сценариев (в том числе внештатных), оценка рисков. А также тестирование и прогнозирование потенциала запуска производства новых продуктов при минимальных затратах.

В мировой практике цифровые двойники стали одним из ключевых технологических направлений в рамках концепции «Индустрия 4.0». Мировые лидеры химической промышленности (BASF, LG Chem) активно внедряют подобные решения. В российской химии пока отсутствуют полноценно функционирующие цифровые двойники.

Наталья Ермакова,

управляющий директор, начальник управления

по работе с клиентами промышленности,

лидер отрасли «Химическая промышленность» Сбербанка

Считается, что драйвером развития рынка цифровых двойников в России является нефтегазовая промышленность. По разным данным использование цифровых двойников скважин помогает экономить компаниям до 20% капитальных затрат. Также технология востребована в двигателестроении, транспортной отрасли, машиностроении. Например, в 2017 году КамАЗ заключил партнёрское соглашение с Siemens с целью перехода к цифровизации и внедрения в производственные процессы решений «Индустрии 4.0». В результате сотрудничества уже разработаны 3D-модели нескольких десятков станков. КамАЗ использует их для моделирования сборки и других технологических процессов.

«Ближе всего к внедрению digital twin находятся крупнейшие нефтехимические и нефтегазовые холдинги», — говорит Наталья Ермакова. Кроме того, РХТУ им. Менделеева и компания «Свобода» сейчас ведут работу над созданием цифровых двойников отдельных элементов предприятий, прежде всего реактора смешения. «В реакторе изучается несколько параметров: pH, скорость вращения мешалки, температура, давление. Получая эти данные, учёные моделируют цифрового двойника. Сейчас с его помощью уже можно отследить, что произойдёт, если изменить диаметр трубки (уменьшится или увеличится давление?), или поменять скорость перемешивания», — описывают процесс на сайте университета.

Как отмечает Алексей Ревунов, директор по ИТ «Башкирской содовой компании» (АО БСК), ещё одним перспективным направлением использования цифровых двойников в химпроме является обучение с их помощью технологического персонала. Сотрудники оттачивают на двойниках практические навыки ведения процессов в штатных и нештатных ситуациях, что значительно повышает безопасность промышленных производств.

Что умеет цифровой двойник завода?

Евгений Колбин,

генеральный директор SberCloud

Цифровой двойник — это результат соединения трёх пластов технологий: интернета вещей (IoT), качественной связи, готовой к серьёзным нагрузкам (5G), и облака — виртуальной среды, в которой можно собирать и обрабатывать большой объём данных, поступающих в режиме реального времени. Только в такой конфигурации систему можно считать цифровым двойником.

Цифровой двойник даёт возможность удалённого мониторинга производственного цикла предприятия. Находясь в Москве, руководитель компании может в режиме реального времени видеть и контролировать весь цикл выпуска продукции, её химический состав и температуру на каждом отдельном участке производства, физические и химические свойства готовой продукции, логистику — приёмку сырья и отгрузку товара и т. д. Можно предусмотреть даже возможность удалённого управления технологическим процессом, внося изменения в параметры цифрового двойника. Всё это работает благодаря интернету вещей и передаётся в облако, в аналитический центр, где это можно контролировать в непрерывном режиме. Варианты визуализации — дашборд или интерактивная карта, здесь всё максимально гибко можно подстроить под запрос клиента.

Использование цифрового двойника позволяет снизить стоимость экспериментов. Любые инновации в технологии производства, в логистике и даже в управлении линейным персоналом можно смоделировать и испытать на двойнике, не подвергая само производство стрессу, связанному с любыми масштабными изменениями. Сокращаются сроки проверки гипотез: вместо месяцев — недели, вместо недель — день. В результате снижается цена ошибки, менеджмент предприятия может себе позволить большую открытость экспериментам.

Цифровой двойник завода — инструмент прямой оптимизации затрат. Постоянный контроль и диагностика уровня износа систем и механизмов делает возможной предиктивную аналитику. Предприятие уходит от простоев, связанных с внештатными поломками оборудования и незапланированными ремонтами. Более точными и экономными становятся система календаризации закупок и графики плановых ремонтов.

Будущее технологии

По оценкам Натальи Ермаковой из Сбербанка, технология цифровых двойников будет активно развиваться и в мире, и в России. А пионерами у нас, скорее всего, станут лидеры рынка, компании, продукция которых ориентирована не только на российский, но и на международный рынок. «Отечественные производители химической продукции входят в число лидеров по ряду направлений в мире, например по удобрениям. Для сохранения конкурентоспособности они активно внедряют передовые технологические практики», — рассказывает Ермакова. Ещё одним индикатором того, что технология приобретает популярность в отечественной химической промышленности, по её мнению, является разработка в учебных заведениях (например, в РХТУ им. Менделеева) специализированных программ с фокусом на создание цифровых двойников. Вадим Ерёмин из «АйТи» тоже уверен: через 10 лет цифровые двойники будут существовать на всех российских предприятиях.

Основными проблемами при реализации внедрения технологии цифровых двойников Наталья Ермакова называет недостаточность объёмов и низкое качество собираемых данных, а также высокую стоимость проектов. Многие технологические процессы на отечественных предприятиях не приспособлены к прогнозированию с помощью ИТ-инструментов, а их модернизация требует дополнительных затрат.

Зато процесс внедрения цифровых двойников практически лишён «бича автоматизации» — человеческого фактора. Поскольку цифровые двойники представляют собой автономные системы, их использование никоим образом не сказывается на каждодневной работе людей. Зато сотрудники сразу видят все преимущества виртуальных моделей. Цифровые двойники не только умеют прогнозировать поведение реальных объектов, но и в любой непредвиденной ситуации позволяют максимально быстро смоделировать все её последствия и представить оптимальное решение.

Читайте ещё