Задачи управления промышленными объектами через создание цифрового двойника предприятия
Модернизация производства — это комплексное, частичное или полное обновление систем или оснащения на предприятии. Данный процесс влечет за собой целый ряд мероприятий, среди которых большую часть занимает тщательный анализ и сбор информации.
В данной статье предлагается затронуть тему цифровых двойников[1] предприятий и их реализацию в виде набора цифровых информационных моделей.
В последние годы эта тема становится все более востребованной и острой. Среди причин такого повышенного интереса можно отметить:
- объявление национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации»;
- выполнение задач цифровизации строительной отрасли (раздел «Цифровизация строительной отрасли» в проекте «Стратегии развития строительной отрасли до 2030 года»[2]);
- рост применения технологий информационного моделирования;
- появление на рынке труда молодых специалистов, владеющих инструментом.
Все чаще владельцы предприятий и представители государственных структур обращают внимание на новые технологии применительно к своим задачам, в том числе и при решении вопросов модернизации. Ни для кого не секрет, что основная масса предприятий построена в прошлом веке и не соответствует современным требованиям. И, следовательно, чтобы вывести оных в список лидеров мирового технологического процесса и наилучших доступных технологий, необходима их модернизация. Это задача стратегического уровня. Политическая и экономическая обстановка, связанная с санкциями, пандемией и рядом других причин, только обострила эту необходимость.
Что же может позволить решить задачу цифровизации строительной отрасли в промышленном кластере? И почему именно о нем стоит говорить?
В России, на первый взгляд, есть все предпосылки для резкого роста и развития новых подходов к управлению через создание цифровых двойников: на правительственном уровне приняты или принимаются необходимые решения, говорящие об особом статусе задач цифровизации в строительной отрасли; в проектных организациях строительной отрасли полным ходом идет освоение технологий информационного моделирования; высшие учебные заведения меняют свои программы с учетом государственного заказа и общемировыми тенденциями; инвесторы и заказчики наконец-то научились не только выговаривать, но и понимать основной смысл и назначение технологий информационного моделирования (BIM-технологий). И надо отметить, что Россия быстро наверстывает разрыв в этом направлении.
Основные усилия по внедрению технологий информационного моделирования сейчас направлены на рынок жилищного строительства и госзаказ объектов социальной направленности. Однако даже рынок жилищного строительства не выдает ожидаемых результатов, если говорить о полном жизненном цикле объектов капитального строительства. И связано это в первую очередь с разрывом интересов игроков — инвестор (заказчик), как правило, не участвует в дальнейшей эксплуатации произведенной продукции, будь то жилые дома, школы, поликлиники или административные здания. И, как следствие, управляющие компании или комитеты городских структур, которым в дальнейшем предстоит эксплуатация этих объектов, имеют или мизерное представление о BIM и собственной вовлеченности в процесс цифровизации, или не имеют его вовсе.
И все-таки нельзя утверждать, что цифровые двойники в жилищном комплексе на территории России отсутствуют. Такие примеры есть, и связаны они только с крупными частными застройщиками, осваивающими территорию Москвы. Например, PSN Group (ТОП-5 девелопер Москвы по результатам 2016 года) была внедрена Единая система мониторинга, управления и аналитики для сети жилых комплексов (используются модели зданий), которая находится в промышленной эксплуатации, но по-прежнему постоянно развивается: происходит подключение новых жилых комплексов, разрабатываются новые модули, связанные с предикативным анализом работы оборудования, формируются планы развития[3]. Это скорее исключительный случай.
Другое дело — промышленные объекты. Любое предприятие проходит полный жизненный цикл от появления идеи до демонтажа, сохраняя интерес своего заказчика — управленца. И вот тут-то можно и должно в полной мере почувствовать преимущества применения технологий информационного моделирования в качестве создания цифрового двойника промышленного объекта.
Современный мир предлагает для решения таких задач множество технологий, концепций и инструментов: PLM/PDM, BigData (Большие данные), IIoT[4] (Промышленный интернет вещей), Cloud Computing (Облачные вычисления), GIS (Геоинформационные системы), BIM/openBIM и другие. Все это может быть востребовано при решении множества задач управления объектами предприятия, одной из которых является модернизация. Например, создание цифрового двойника путем формирования цифровых информационных моделей производственных цехов поможет собрать данные о состоянии оборудования, об основных и оборотных средствах, а также о производственных процессах и проанализировать их с помощью специализированных систем.
Модернизация предприятия без снижения объемов производства и, тем более, без его остановки — это задача, которая под силу современным технологиям. Кто-то может возразить, что такие задачи решались и прежде. Решались, но сейчас главный фактор — это время.
Несколько лет назад шли постоянные обсуждения отсутствия стандартов по технологиям информационного моделирования, а сейчас уже речь идет о более глубокой их проработке и применимости к особенностям российского рынка.
Если еще десять лет назад разворачивались целые баталии на тему отсутствия интеграции при применении программного обеспечения разных вендоров, то сейчас и этот вопрос начинает уходить в прошлое. Разработчики программного обеспечения становятся более открытыми друг другу, понимая, что не могут покрыть весь спектр решаемых в строительной отрасли задач. В качестве стандарта обмена и управления данными об объектах строительства в Российской Федерации принят формат IFC (Industry Foundation Classes — формат данных с открытой спецификацией)[5].
Так что же препятствует появлению цифрового двойника предприятия и его участия в вопросах модернизации и, возможно, в дальнейшем в задачах управления активами?
Ответ простой — желание заказчика, его умение идти к поставленной цели и добиваться ее, так как этот процесс невозможно решить в укороченные сроки.
В 2019 году Роснефть запустила в опытно-промышленную эксплуатацию цифровой двойник своего месторождения в Башкирии — проект «Цифровое месторождение»[6], выстраивая тем самым интегральную цепочку нового типа, включающую в себя «цифровое месторождение», «цифровой завод» и «цифровую АЗС». Разработка и запуск проекта «Цифровое месторождение» осуществляется в рамках стратегии «Роснефть-2022», предусматривающей переход на качественно новый уровень управления бизнес-процессами, повышение надежности и экономичности производства, сокращение потерь. Хоть в приведенном примере есть упоминание о «цифровом заводе», но все же выполненная работа относится к управлению производственными процессами, а не промышленными объектами недвижимости.
А вот другой пример. Как сообщается на сайте компании «Газпром нефть»[7] от 27 октября 2020 года, «Газпром нефть» получила патент на собственную цифровую разработку — Систему управления инженерными данными (СУПРИД). Система формирует электронные модели производственных установок — цифровые двойники, включающие в себя инженерно-техническую документацию и 3D-модель объектов. Сейчас СУПРИД охватывает Московский и Омский НПЗ «Газпром нефти», позволяя на 20% сократить временные затраты на выполнение регламентных мероприятий по эксплуатации, ремонту и обслуживанию. Экономический эффект от внедрения системы на нефтеперерабатывающих заводах компании оценивается более чем в 700 млн рублей в год.
Итак, видно, что процесс создания цифровых двойников предприятий уже начал свое движение по территории России, и хочется верить в появление новой технологии, которая с каждым годом будет все более востребованной и совершенной. Однако, прикоснувшись к цифровым двойникам в жизни, понимаем, что пока это или попытка перевести привычный процесс проектирования на новый уровень, или подтягивание моделей зданий без информационной части к своим системам автоматизации, или же моделирование без учета всех последующих задач использования цифровых информационных моделей: эксплуатация, модернизация, управление активами и так далее.
В массе случаев появляющихся на свет цифровых двойников видно, что отсутствует главное — требования заказчика, которые зафиксированы в виде документов и будут неукоснительно выполняться исполнителями; что зачастую исполнители живут интересами, очерченными рамками своих договоров и получением вознаграждения за свой труд, без желания понять, что за каждым этапом жизненного цикла объекта до момента его ликвидации идет следующий этап со своими задачами, использующими результаты предыдущего этапа, и что несогласованный переход от одного этапа к другому может привести к большим финансовым издержкам. А ведь технологии информационного моделирования предназначены для наименее рискового прохождения объекта капитального строительства по всему жизненному циклу. Но для этого надо просто правильно организовать работу. Это значит, что впереди предстоит много интересной работы.
Компания ООО «Бюро ЕСГ» — это системный интегратор, который принимает активное участие в проработке правильного подхода к созданию цифровых двойников промышленных объектов. Нашими клиентами являются крупные промышленные компании в нефтегазовой, сталелитейной, судостроительной и других отраслях. «Бюро ЕСГ» имеет многолетний опыт по внедрению технологий информационного моделирования, применению технологий лазерного сканирования, созданию систем управления инженерными/проектными данными, использованию геоинформационных систем и их интеграции с цифровыми информационными моделями. Наша компания предоставляет полный комплекс услуг по разработке технологии создания цифрового двойника предприятия с учетом его последующего использования.
За последние годы специалистами ООО «Бюро ЕСГ»[8] выполнены и продолжают выполняться работы по созданию цифровых двойников как на основе лазерного сканирования, так и с использованием проектной, рабочей и исполнительной документации. ООО «Бюро ЕСГ» принимает активное участие при разработке требований заказчиков к цифровым информационным моделям в различных отраслях промышленности[9], в том числе для ПАО «Газпром нефть», а также в разработке методик создания цифровых информационных моделей с применением программного обеспечения разных разработчиков.
ООО «Бюро ЕСГ» принимает участие в пилотных проектах по разработке импортозамещающих систем управления инженерными данными и их интеграции с цифровым двойником предприятия. Группой специалистов ООО «Бюро ЕСГ» по геоинформационным системам реализован ряд проектов по созданию электронного генплана, а также интеграции BIM и 3D-ГИС.
[1] Цифровой двойник (англ. Digital Twin) — цифровая копия физического объекта или процесса, помогающая оптимизировать эффективность бизнеса. Концепция «цифрового двойника» является частью четвертой промышленной революции и призвана помочь предприятиям быстрее обнаруживать физические проблемы, точнее предсказывать их результаты и производить более качественные продукты. Википедия.
[2] https://nopriz.ru/upload/iblock/892/TSifrovizatsiya-stroitelnoy-otrasli-dlya-Strategii.pdf
[3] Информация получена с интернет-ресурса https://hmps-business.ru/portfolio/sistema-monitoringa-upravleniya-i-analitiki-dlya-psn-group.html
[4] Промы́шленный интерне́т веще́й (англ. Industrial Internet of Things, IIoT) — это система объединенных компьютерных сетей и подключенных к ним промышленных (производственных) объектов со встроенными датчиками и программным обеспечением для сбора и обмена данными с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме, без участия человека. Применение Интернета вещей в промышленности создает новые возможности для развития производства и решает ряд важнейших задач: повышение производительности оборудования, снижение материальных и энергетических затрат, повышение качества, оптимизация и улучшение условий труда сотрудников компании, рост рентабельности производства и конкурентоспособности на мировом рынке. Википедия.
[5] ГОСТ Р 10.0.02-2019/ИСО 16739-1:2018 Система стандартов информационного моделирования зданий и сооружений. Отраслевые базовые классы (IFC) для обмена и управления данными об объектах строительства.
[6] Более полную информацию можно получить на сайте Роснефть (https://www.rosneft.ru/press/news/item/195043/).
[7] «Газпром нефть» защитила патентом собственную систему управления инженерными данными
[8] Более подробно об опыте компании ООО «Бюро ЕСГ» и предоставляемых услугах можно узнать на сайте http://esg.spb.ru
[9] Автор статьи в период работы в СПб ГАУ ЦГЭ (Центр государственной экспертизы Санкт-Петербурга) сформулировала требования к цифровым информационным моделям, представляемым для проведения экспертизы в Санкт-Петербурге (https://www.spbexp.ru/docs/podgotovka-informatsionnykh-modeley-bim/), которые уже успешно применяются и продолжают развиваться.
Выход на фасад
По мнению экспертов, отмена технических свидетельств оценки качества фасадных штукатурных теплоизоляционных систем поможет снизить входные барьеры для новых игроков рынка и ускорит его дальнейшее развитие.
Минстрой России отменяет необходимость получения технических свидетельств оценки пригодности систем фасадных теплоизоляционных композиционных с наружными штукатурными слоями (СФТК). В ведомстве считают эту процедуру избыточной и устаревшей. Чиновники считают: действующих нормативных требований к СФТК достаточно для производства качественной продукции.
Напомним, СФТК также называют системой «мокрый фасад». Теплоизоляционный материал скрывается за штукатуркой и монтируется клеем, т. е. «мокрым» путем. В настоящее время данная технология активно применяется как в массовом, так и индивидуальном строительстве.
Запрос бизнеса
По словам председателя комитета по строительству организации «Деловая Россия» Владимира Кошелева, институт выдачи технических свидетельств был введен еще в 1998 году. «Индустрия промышленности строительных материалов в течение последних 20 лет не стояла на месте, появились качественно новые высокотехнологичные материалы и конструкции. Рынок диктует необходимость серьезной конкурентной борьбы за потребителя, и работа Минстроя по изменению нормативной документации отвечает запросам бизнеса. Вместе с тем нельзя забывать, что любые действия, касающиеся надежности и безопасности, должны быть четко выверены, и не должны оставлять ни малейшего шанса для маневра недобросовестным игрокам рынка», – считает он.
Как отмечает Кирилл Иванов, председатель координационного совета РАПЭКС (Российская ассоциация производителей теплоизоляционных материалов из экструдированного пенополистирола), это решение Минстроя РФ вполне оправданно в рамках государственной программы снижения входных барьеров для новых игроков строительного рынка. Более того, Ассоциация производителей и поставщиков фасадных систем АНФАС проделала большую работу по созданию стандартов, регламентирующих устройство фасадов. Теперь и подрядчики, и регулирующие органы имеют полную техническую базу для оценки качества той или иной системы.
Продолжать тренд
По мнению экспертов, получение технических свидетельств скорее необходимо для конструкций из новых материалов, ранее не применявшихся в строительстве. Присутствующие на рынке строительные материалы нуждаются в дальнейшем снижении избыточных регулятивных мер. Кроме того, считают специалисты, необходимо менять и некоторые действующие СНиПы и СП.
По словам Кирилла Иванова, в каждой области строительства есть требования, которые в той или иной степени избыточны. «В нашей стране строгость законов часто компенсируется их неисполнением. Поэтому в Ассоциации РАПЭКС считают, что нужно идти двумя путями: добиваться исполнения принятых стандартов и технических решений и параллельно менять требования, которые улучшат качество и надежность строительных работ. Так, например, мы хотим пересмотреть нормативные значения термического сопротивления конструкций в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». Исследование Сергея Крышова, начальника отдела экспертиз зданий и сооружений на соответствие теплотехническим и акустическим требованиям «Центра экспертиз, исследований и испытаний в строительстве» (ГБУ «ЦЭИИС»), показывает, что часть зданий и сооружений, построенных в Москве, не соответствуют существующим нормативным требованиям. Поэтому нужно требовать от строителей исполнения действующих стандартов и разрабатывать новые требования по энергоэффективности, с прицелом на будущее»,– резюмирует Кирилл Иванов.
Руководитель направления «Стандартизация и сертификация» корпорации «Технониколь» Сергей Колдашев отмечает, что строительная отрасль в России довольно консервативна. В некоторых сегментах специалистам до сих пор приходится руководствоваться нормами, принятыми еще в советское время. Нужно признать, что к настоящему моменту большой фонд Сводов правил уже обновился, некоторые из них даже дважды. Однако в Постановлении Правительства РФ от 26 декабря 2014 года № 1521 «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил)», в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», до сих пор находятся документы, выпущенные до 2011 года. «Для отрасли, на наш взгляд, большое значение имеет обновление прежде всего этого постановления, с указанием актуальных на сегодня Сводов правил. Иначе сегодня проектировщики вынуждены применять устаревшие нормы проектирования. В целом же работа по модернизации СНиПов идет полным ходом, это процесс не прекращается, в этом смысле ситуация скорее позитивная», – подчеркнул эксперт.
Мнение
Кирилл Иванов, председатель координационного совета РАПЭКС:
– Важно обращать внимание не только на качество исходных материалов, но и на качество проводимых работ. Так было всегда. СФТК – сложная система, в которой каждый компонент играет важную роль в обеспечении надежности всего фасада. Качественная теплоизоляция заявленной плотности, качественные штукатурные составы с заявленной адгезией, квалифицированное выполнение монтажа – вот основные факторы долговечности штукатурного фасада. Особое внимание Ассоциация РАПЭКС уделяет СФТК в зоне цоколя и первых этажей. Очевидно, что к теплоизоляционному материалу, предназначенному для утепления данных ограждающих конструкций, должны предъявляться особо жесткие требования. Это продиктовано рисками переувлажнения первых и цокольных этажей. В процессе эксплуатации зданий влажностное состояние материалов непосредственно влияет на теплозащитные свойства ограждающих конструкций и на энергоэффективность применяемых систем теплоизоляции. Поэтому члены Ассоциации РАПЭКС, производители XPS-теплоизоляции на территории РФ, рекомендуют использовать в данной зоне экструдированный пенополистирол.
Строить без простоя
Противоморозные добавки в бетон помогают ему затвердеть при отрицательных температурах воздуха. Эффективность их действия во многом зависит от соблюдения технологии их применения.
Строительство в зимний период имеет ряд особенностей. В значительной степени это касается работ по возведению конструкций зданий из монолитного бетона. Чем ниже температура воздуха, тем медленнее будет происходить отвердевание. При этом присутствующая в материале вода при замерзании превращается в лед и после оттаивания разрушает структуру бетона. Существует несколько способов ускорения затвердения и сохранения прочности материала, которые в своей работе задействуют застройщики.
Без оглядки на сезон
Директор проекта «Северная долина» компании «Главстрой-СПб» Дмитрий Калинин рассказывает, что основные особенности строительства в холодный период связаны с производством «мокрых» процессов, проведением отделочных, монолитных работ. В этом случае помогают проверенные решения, например, прогрев бетона и применение морозостойких сертифицированных добавок. Также современные технологии позволяют без снижения качества работать зимой на кровле. «Кроме того, чтобы выдерживать высокие темпы строительства в зимний период, мы используем мобильные котельные, которые обеспечивают полноценное теплоснабжение строящихся зданий. Они подключаются к внутренним инженерным сетям и отапливают весь корпус, позволяя активно вести отделочные, электротехнические и другие виды работ без оглядки на сезон», – отмечает он.
По словам руководителя НТЦ «Полипласт Северо-Запад» Игоря Коваля, строительные работы в зимний период, как правило, обходятся заметно дороже. Например, в советское время был нормативно установлен повышающий коэффициент 1,2, так что удешевиться в холодный период вряд ли получится. В ряде стран мира зимой бетонные работы не ведут, в том числе и по причине их удорожания. В наших современных условиях главное – определиться, какой метод выдерживания бетона до получения необходимой прочности принимается. От этого будут зависеть виды используемых противоморозных добавок (ПМД) и их необходимое количество.
Соблюдая правила
Специалисты отмечают, что подготовка бетонной смеси в зимний период должна идти со строгим соблюдением всех технологических правил. В частности, и при использовании противоморозных добавок.
Руководитель направления «Добавки в бетон» корпорации ТЕХНОНИКОЛЬ Василий Шрамко подчеркивает, что, производя заливку бетона, необходимо не допускать замерзания свежеуложенной смеси в опалубке. По окончании заливки необходимо обеспечить уход за конструкцией до достижения ею минимальной прочности, при которой допускается замораживание (консервация) до наступления положительной температуры окружающей среды и возобновления кинетики набора прочности.
По словам эксперта, замораживание свежеуложенной бетонной смеси без противоморозных добавок крайне негативно сказывается на конечной прочности конструктива, вплоть до полного разрушения бетонного камня. Согласно СП 70.13330.2012 (п. 5.11), бетонирование в зимний период осуществляется способом термоса или ускоренного термоса в комбинации с электротермообработкой. Цель бетонирования данным способом заключается в обеспечении бетонной конструкции не менее 30% от марочной прочности и не менее 20% прочности при условии применения противоморозных добавок с последующим замораживанием конструктива. Согласно ТР 80-98 (п.1.4), бетон, подвергшийся консервации путем замораживания, при наступлении положительной среднесуточной температуры в период 28 суток добирает недостающую прочность.
Сегодня, как поясняет Игорь Коваль, противоморозных добавок, по ГОСТ 26633-2015 ограниченных величиной 5% от массы цемента и позволяющих уверенно твердеть бетону при температуре внутри него ниже –5–7 °С, не существует. «Поэтому большинство таких добавок предназначено исключительно для предотвращения процессов подмораживания смеси до начала ее активного прогрева различными методами: греющие провода, электроды, управляемые «тепляки», «термосы». Подобного рода добавок достаточно много у всех, и дозировки их, как правило, небольшие или умеренные, в пределах 0,5–1,5% от массы цемента по товарным продуктам. В связи с этим применение противоморозных добавок должно быть связано с ожидаемыми значениями: температурой окружающей среды и методом прогрева конструкции. В отдельных случаях возможно производство бетонных работ без их применения вообще», – отмечает эксперт.
Мнение
Игорь Коваль, руководитель НТЦ «Полипласт Северо-Запад»:
– Среди добавок от «Полипласт Северо-Запад» рекомендуем комплексные «Криопласт ПК» в премиум-сегменте, «Криопласт Альфа» в сегменте бюджетных добавок и неплохую линейку чистых антифризов «Криопласт 30», «Полипласт Норд», совместимых со всеми видами пластификаторов. Следует также отметить, что наша компания принципиально заботится о клиентах и не использует в ПМД приводящие к коррозии арматуры в бетоне, хотя и весьма дешевые, противоморозные добавки на основе хлоридов кальция и натрия.
Антон Ружило, федеральный технический специалист направления «Добавки в бетон» корпорации ТЕХНОНИКОЛЬ:
– Бетонирование в зимний период – достаточно сложный и ответственный этап строительства, требующий комплексного подхода и соблюдения всех требований к производству, транспортировке, укладке бетонной смеси и последующему уходу за конструктивом, а противоморозная «химия» является неотъемлемой частью данного процесса. Принцип работы противоморозных добавок Технониколь линейки ICE заключается в предотвращении замерзания воды, входящей в состав бетонной смеси при ее укладке, что особенно актуально в случае бетонирования плиты перекрытия большой площади. Поскольку заливка таких конструкций занимает довольно длительный период времени (зачастую более 15 часов), а обеспечение укрытия и прогрева, как правило, возможно только по окончании бетонирования, – температура бетонной смеси местами может опускаться ниже 0 °С. Противоморозные добавки Технониколь ICE позволяют в данном случае благополучно закончить процесс бетонирования и обеспечить уход за конструкцией без потери прочностных свойств.