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.
Неровностей больше нет
В массовом и индивидуальном строительстве и при ремонте помещений все активнее становятся востребованными быстротвердеющие наливные полы.
Для укладки напольного покрытия почти всегда требуется наличие ровного основания. Однако в силу различных причин таким оно может быть не всегда. До недавнего времени избавляли от неровностей оснований только стяжки. Но сейчас все более активно используются быстротвердеющие наливные полы.
В отличие от классических ровнителей (бетонных и цементных стяжек), наливные полы – самовыравнивающиеся. То есть нет необходимости вручную тщательно выравнивать их по поверхности. Наливные полы служат базовым основанием для линолеума, ламината, паркета и т. д. Применяются как в массовом, так и индивидуальном жилищном строительстве.
Наливные полы, как отмечают в компании Kiilto, различаются в зависимости от напольного покрытия, которое планируется укладывать в дальнейшем. Соответственно, они имеют и разный состав. Есть чисто гипсовые – мягкие, предназначенные для укладки листовых материалов сверху, есть цементные – более прочные, подходящие для укладки паркета, паркетной доски и др. Есть комплексные ровнители – более универсальные, пригодные практически под любые напольные покрытия. Чаще всего они используются для укладки гибких материалов или ламината.
По словам руководителя направления «Стройматериалы» компании «Леруа Мерлен» Алексея Шамова, наливной пол чаще применяют для создания выравнивающего слоя толщиной до 5 см. При этом в инструкции к данному материалу может быть указана допустимая толщина слоя от 0,3–2 мм до 100 мм. Однако это не означает, что он подходит для укладки толстым слоем в 10 см. Это значит, что при заделывании трещины в поверхности наливной пол может проникать на большую глубину. Кроме того, создание толстого слоя наливного пола экономически невыгодно и технологически очень сложно.
Как сообщили в Kiilto, чтобы добиться идеального покрытия, необходимо знать прочность и влажность основания. По прочности оно не должно быть слабее ровнителя, который планируется использовать.
По мнению экспертов, чаще всего к неудовлетворительному результату использования наливных полов приводит не их качество, а распространенные ошибки при укладке. Так, эти материалы очень требовательны к точности пропорций при смешивании с водой. При переливе воды весь наполнитель опускается вниз, а наверху остается одна вода. В этом случае пол будет сохнуть очень долго и потрескается. Также необходимо тщательно грунтовать основание в тех местах, где будет задействован материал.
«При большой площади заливки необходимо разделять участки на секции и устанавливать мини-опалубку, которая зонирует поверхность. Если этого не сделать, то при большом объеме площадей можно не успеть залить весь пол целиком. Может сложиться ситуация, при которой часть пола высохла, а другая только начала сохнуть. Однако в Интернете можно найти все необходимые инструкции, и создание качественного выравнивающего слоя вполне доступно даже людям без опыта», – резюмирует Алексей Шамов.
Бетонные предпочтения
По оценке экспертов, в СЗФО в строительной отрасли наиболее востребованы добавки в бетон на основе поликарбоксилатов.
Они эффективно повышают качество бетонной смеси и снижают объемы задействованного
цемента.
В настоящее время добавки в бетон имеют сотни разновидностей. При необходимости они улучшают характеристики бетонной смеси. В СЗФО производители бетона чаще всего задействуют в продукции добавки на основе поликарбоксилатов. Именно они, взаимодействуя с другими компонентами бетонной смеси, обеспечивают наиболее высокие качественные характеристики итогового продукта.
Ориентация под спрос
По словам руководителя направления «Добавки в бетон» Корпорации ТехноНИКОЛЬ Василия Шрамко, для ответа на вопрос о предпочтениях потребителей добавок в бетон необходимо рассматривать каждый сегмент рынка отдельно. «Остановимся, пожалуй, на самом массовом – это пластификаторы. Так, например, в СЗФО и ЦФО порядка 65% всего объема добавок приходится на товарный бетон с повышенными требованиями к сохраняемости подвижности. С этой задачей наилучшим образом справляются добавки на основе смеси поликарбоксилатов и технических лигносульфонатов (ЛСТ), находящиеся в среднем ценовом диапазоне», – отмечает он.
При этом, добавляет эксперт, эффективность поликарбоксилатных основ прямо пропорциональна качеству заполнителей, применяемых для производства бетона. При этом в ЦФО и СЗФО достаточно широко представлены именно качественные материалы. Исходя из этого, использование достаточно дорогих поликарбоксилатов здесь не только эффективно, но и экономически целесообразно.
Схожие выводы делает и руководитель научно-технического центра компании «Полипласт Северо-Запад» Игорь Коваль. Он отмечает, что для наиболее используемых товарных бетонов классов В25-В30 востребованы добавки-пластификаторы различных типов, обеспечивающие базовые с точки зрения строителей показатели в смеси, а затем в бетоне конструкций. По словам эксперта, в нашем регионе строители чаще всего используют поликарбоксилаты без ЛСТ или с ограниченным использованием ЛСТ. Такие добавки обладают отличными показателями по сохраняемости смеси не менее 120–180 минут в пределах ОК (осадка конусов) на уровне 16–20см.
«Среди востребованных добавок "Полипласт Северо-Запад" можно отметить "Линамикс ПК тип 2" (№ 800), "Линамикс ПК тип 1" (№ 814), изготовленные на поликарбоксилатах собственного синтеза. Следует отметить, что наш холдинг не стремится в угоду конъюнктуре рынка часто изменять названия собственных продуктов. Под традиционными торговыми наименованиями, например, "Линамикс ПК тип 2" или "Линамикс ПК тип 1", в настоящее время представлены абсолютно новые продукты на новейшем поколении поликарбоксилатов со структурообразующими присадками, решающие все перечисленные технические задачи», – добавил Игорь Коваль.
И все же экономия
Руководитель направления «Добавки в бетон» по СЗФО строительного подразделения Master Builders Solutions концерна BASF Дмитрий Рыжов считает: говорить о том, что строители выбирают добавки, не совсем корректно. Обычно речь идет о выборе завода поставщика бетона, который уже сам определяет поставщика добавок. Зачастую рядовые строители даже не знают всех возможностей современной строительной химии и не вдаются в подробности состава бетона. Основной фактор – цена «куба» бетонной смеси.
По его мнению, если говорить про российские заводы товарного бетона в целом, то там по-прежнему преобладают дешевые продукты на основе лигносульфонатов и «нафталинов». «Эффективность их работы зачастую вызывает нарекания у строителей, но низкая цена не позволяет отказаться от их применения. Тем не менее все больше и больше предприятий начинают применять добавки на поликарбоксилатах и полиарилатах. Применение современной химии на предприятиях железобетонных изделий позволяет не только снизить расход цемента при сохранении темпа набора прочности, но и добиться хорошей поверхности получаемых изделий», – говорит Дмитрий Рыжов.
В перспективе, считает Игорь Коваль, спрос на те или иные добавки во многом будет зависеть от общего состояния экономики. В частности, от того, смогут ли застройщики позволить себе вместо массовых В25-В30 использовать высококачественные бетоны повышенных классов В40-В50. При этом, по его мнению, с учетом современных требований по долговечности конструкций переход на эти виды бетонов в перспективе в любом случае неизбежен.
«Добавки для ответственных железобетонных конструкций будут выпускаться, безусловно, на основе поликарбоксилатов без лигносульфонатов, для сектора с меньшей ответственностью, возможно, останутся добавки, содержащие ЛСТ. К тому же продукты на новых пластификаторах уже обеспечивают существенно лучшую категорию поверхности до А1/А2, что немаловажно с потребительской и эстетической точек зрения. Я также надеюсь на повышение стабильности и качества поставляемого на рынок цемента, потому что скачки его минералогического состава и технологических свойств вызывают серьезные проблемы с сохраняемостью смесей, появлением трещин, неполучением параметров морозостойкости дорожных и аэродромных бетонов. В целом это основная проблема современных потребителей цемента – и нас в том числе», – сообщил Игорь Коваль.
Мнение
Василий Шрамко, руководитель направления «Добавки в бетон» Корпорации ТехноНИКОЛЬ:
– В ряде российских регионов ситуация с заполнителями бетонной смеси сильно отличается от сложившейся в СЗФО и ЦФО. Зачастую в виде крупного заполнителя у них используется щебень известковых пород и песок с модулем крупности 1,5 и ниже. Для сравнения: средний показатель модуля крупности песков по ЦФО и СЗФО составляет 2,2–2,3. Кроме того, стоимость «куба» бетона в других регионах заметно ниже. В таких условиях производители бетона отдают предпочтение дешевому классу добавок на основе ЛСТ и полинафталинметиленсульфоната натрия, поскольку эта группа пластификаторов гораздо менее прихотлива к качеству заполнителей.