Полная версия статьи из нового номера спецвыпуска «Цифровое производство».
Автор: Денис Хитрых, MBA, к.т.н., Директор центра исследований и разработок, директор по маркетингу, АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»
Фото: cheskyw
Вашему вниманию – полная версия статьи, которая была опубликована в новом номере спецвыпуска «Цифровое производство», приложения к Альманаху «Управление производством».
Цифровые двойники появились не сегодня. Самые передовые компании стали вести разработки и исследовать то, как с помощью цифровых моделей можно улучшить продукты и производственные процессы, еще в начале 2000-х годов. Но несмотря на то, что уже тогда был понятен потенциал цифровых двойников, сама идея не получила широкой поддержки в 2002-2003 гг в первую очередь из-за технического несовершенства технологий того периода. С тех пор, с появлением Интернета вещей (IoT), а позднее и Промышленного Интернета вещей (IIoT), многое изменилось. И сегодня под цифровым двойником мы понимаем виртуальную непрерывно адаптируемую модель технической системы или технологического процесса. О прошлом, настоящем и будущем цифровых двойников – читайте в следующем материале.
Справка о компании:АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» – крупнейший на российском рынке дистрибьютор систем инженерного анализа, а также центр компетенции и элитный партнер компании ANSYS, Inc. Компания «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» обеспечивает лицензирование, внедрение и техническое сопровождение всех линеек продуктов Ansys, а также сопутствующих программных продуктов сторонних разработчиков для создания специализированных вертикальных решений. «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» также оказывает клиентам комплексные услуги инженерного консалтинга, в том числе выполнение многодисциплинарных инженерных расчетов на заказ, разработку методик решаемых задач, развертывание и настройку высокопроизводительных вычислительных комплексов, проводит очное классное и дистанционное обучение, осуществляет интеграцию и адаптацию инженерного программного обеспечения. В эпоху цифровой трансформации «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» помогает клиентам внедрять новые технологии Индустрии 4.0 на промышленном уровне и предлагает комплексные услуги по созданию цифровых двойников. |
Переход к Индустрии 4.0 подразумевает способность компаний интегрировать цифровые и физические технологии для улучшения работы и повышения производительности и требует глубоких изменений. По многим аспектам это – шаг в неизвестность, прыжок в другую реальность, в которой приходится принимать решения в условиях неопределенности и больших рисков.
Для промышленных предприятий Индустрия 4.0 подразумевает интеграцию процессов как по вертикали (по стадиям производства внутри предприятия), так и по горизонтали (интеграция предприятий и юридических лиц в цепочки создания стоимости): от разработки продуктов и их производства до логистики и послепродажного обслуживания.
Четвертая промышленная революция основана на четырех группах новых технологических систем (нано-, био-, информационные и когнитивные технологии), которые при взаимодействии порождают еще около 40 ключевых технологий. Одной из таких технологий является цифровой двойник (англ. Digital Twin). Существует множество определений цифрового двойника (ЦД). При этом научные и промышленные круги определяют цифрового двойника по-разному. Наиболее общее определение ЦД приводится в работе [4]: «Цифровой двойник – это реальное отображение всех компонентов в жизненном цикле продукта с использованием физических данных, виртуальных данных и данных взаимодействия между ними».
Сегодня компании используют возможности цифровых двойников с разными целями. Например, в автомобильной промышленности и самолетостроении цифровые двойники становятся важнейшим инструментом оптимизации всей цепочки создания стоимости и модернизации выпускаемых продуктов. В энергетическом секторе операторы на нефтедобывающих станциях собирают и анализируют огромные массивы данных из скважины, на основе которых строятся цифровые модели для управления процессом бурения в режиме реального времени.
Цифровые двойники бывают разными, но все они собирают и используют данные, относящиеся к физическому, реальному миру. Недавнее исследование американского агентства MarketsandMarkets (M&M) показало, что рынок цифровых двойников развивается полным ходом и, по прогнозам экспертов, к 2026 году достигнет 38,2 млрд долларов США. Ожидается, что он будет расти в среднем на 58% в течение прогнозируемого периода (Рисунок 1).
Рис. 1. Прогнозы объема мирового рынка цифровых двойников (доковидный и постковидные сценарии)
Растущий спрос на цифровых двойников в здравоохранении и фармацевтической промышленности из-за вспышки пандемии COVID-19 является ключевым фактором, стимулирующим рост рынка цифровых двойников [5]. Из-за COVID-19 промышленное производство также сталкивается со многими проблемами, связанными со здоровьем и безопасностью, цепочкой поставок, устойчивостью поставщиков, нехваткой рабочей силы и др. В текущем сценарии производителям требуется полная прозрачность и гибкость всех этапов, через которые проходит каждый выпущенный товар с момента своего появления на рынке до момента ухода с рынка. Такую прозрачность всех процессов в режиме реального времени может обеспечить только цифровой двойник: он собирает все взаимосвязанные источники данных, которые появляются в процессе проектирования, производства и эксплуатации изделия.
Цифровые двойники появились не сегодня. Самые передовые компании стали вести разработки и исследовать то, как с помощью цифровых моделей можно улучшить продукты и производственные процессы, еще в начале 2000-х. годов. Но несмотря на то, что уже тогда был понятен потенциал цифровых двойников, многие компании сочли, что обеспечение вычислительных возможностей, хранения и обработки данных, а также пропускной способности, необходимых для обработки огромных объемов данных, задействованных в создании цифрового двойника, стоят непомерно дорого. И сегодня тренд на развитие цифровых двойников набирает обороты благодаря быстро растущим возможностям моделирования, улучшению совместимости систем, развитию датчиков Интернета вещей и повышению производительности вычислительных систем. В результате возможности цифровых двойников становятся доступны большему количеству компаний, крупных и мелких, работающих в самых разных отраслях. По прогнозам американской аналитической компания IDC, к 2022 году более 40% поставщиков IoT-платформ интегрируют свои системы и объединят возможности моделирования для создания цифровых двойников, а 70% процентов производителей будут использовать эти технологии для моделирования процессов и оценки сценариев.
Эксперты госкорпорации «Ростех» в 2021 году оценили объем инвестиций в развитие российских технологий Интернета вещей в 41,6 млрд рублей. Предложение госкорпорации по инвестированию этой суммы содержится в «Дорожной карте по развитию высокотехнологичных областей интернета вещей». К 2024 году, по итогам реализации «дорожных карт», предполагается увеличение объема продаж российских разработчиков в области технологий распределенных реестров и IoT до 54,3 млрд рублей млрд рублей и 230,9 млрд рублей, соответственно. Совокупная доля российских компаний на мировом рынке, которые будут создавать цифровые продукты для конечных потребителей на базе IoT и технологий распределенных реестров, вырастет в три раза до 1,4% [1].
Развитие цифровых двойников, которое мы наблюдаем в последнее десятилетие, ускорили следующие факторы:
Моделирование. Технология цифровых двойников, основанная на законах физики, является относительно новой концепцией. В основе нее лежит компьютерный инженерный анализ (CAE), построенный на принципах классической физики (механики, термодинамики и электродинамики). Если добавить время в качестве четвертого измерения, то появляется возможность оценить поведение оборудования в динамике. Поскольку гибридный цифровой двойник основан на законах физики и механики конструкций, можно оценить такие параметры, как уровень нагрузки или накопленное усталостное напряжение в конструкции, независимо от того, какие данные были получены от оборудования.
Новые источники данных и датчики. Появилась возможность загружать в цифровые двойники данные, получаемые в режиме реального времени от реальных объектов с помощью таких технологий, как LiDAR (лазерная система обнаружения и измерения дальности) и FLIR MSX (технология мультиспектральной динамической съемки, позволяющая получать максимально детализированный тепловой снимок – см. Рисунок 2). Аналогичным образом, датчики Интернета вещей, встроенные в оборудование, могут передавать оперативные данные непосредственно цифровому двойнику, обеспечивая непрерывный мониторинг в режиме реального времени.
Рис. 2. FLIR MSX – технология мультиспектральной динамической съемки, позволяющая получать максимально детализированный тепловой снимок
Визуализация данных. При тех огромных объемах данных, что необходимы для создания цифровых двойников, достаточно сложно провести анализ и извлечь действительно полезную информацию. Решить этот вопрос могут усовершенствованные системы визуализации, фильтрующие данные и извлекающие нужную информацию в режиме реального времени.
Платформы. К ключевым факторам, способствующим появлению цифровых двойников, также относится легкодоступность мощных вычислительных ресурсов, сети и хранилищ данных. С учетом ограничений из-за пандемии короновируса COVID-19, предприятия станут вдвое быстрее переходить на облачную инфраструктуру и приложения, чем в условиях до пандемии. Gartner прогнозирует, что облачные платформы будут служить основой для более чем 95% новых цифровых инициатив к 2025 году – по сравнению с менее чем 40% в 2021 году [7].
Российская компания «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» осваивает технологию разработки гибридных цифровых двойников промышленного оборудования на основе моделирования и Интернета вещей уже более 6 лет. За это время сотрудниками компании было разработано и внедрено несколько проектов цифровых двойников промышленного оборудования. Свои решения компания «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» показывала на многих промышленных выставках и конференциях. Наиболее крупные из них: ЦИПР (Цифровая индустрия промышленной России) – Иннополис, Татарстан, 2019 г.; онлайн-конференция «DIGITAL MANUFACTURING: На пути к Индустрии 4.0», 2021 г.; выставка и конференция Bauma CTT RUSSIA – Москва, «Крокус Экспо», 2021 г. и др.
В последние два года цены на золото демонстрируют положительную динамику, и у золотодобывающих компаний появились свободные средства для инвестирования в технологию цифровых двойников. Отвечая на запрос рынка, компания «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» совместно с ведущими российскими золотодобывающими компаниями приступила к разработке цифровых двойников технологического оборудования золотоизвлекательных фабрик (ЗИФ).
Классические методы увеличения золотодобычи, связанные с освоением новых рудников и строительством ЗИФ, являются капиталоемкими и долгосрочными проектами. К моменту их реализации конъюнктура рынка может измениться, и доходность таких проектов может быть снижена. Одним из методов увеличения золотодобычи без больших капитальных затрат и в короткие сроки является применение технологии цифрового двойника. С помощью данной технологии можно улучшить работу уже существующих ЗИФ за счет оптимизации работы участка измельчения.
Мельницы измельчения руды относятся к участку измельчения и требуют наиболее крупных капиталовложений. Согласно исследованию [6], больше половины всей потребляемой ЗИФ электроэнергии расходуется на измельчение руды и мельницы потребляют большую часть этой электроэнергии. Поэтому для быстрого возврата инвестиций и увеличения прибыльности предприятия, эксплуатирующие компании стремятся максимально увеличить производительность мельниц при одновременном сохранении в разумных пределах количества потребляемой электроэнергии и длины межремонтных интервалов.
Рис. 3. Интерфейс пользователя цифрового двойника мельницы измельчения
В работе [8] приведен подробный анализ увеличения эффективности затрат за счет оптимизации работы мельницы измельчения через управление футеровкой. К настоящему времени проведено множество исследований, направленных на количественную оценку влияния конфигурации футеровки на динамику загрузки мельницы. Эти исследования показывают, что существует оптимальная конфигурация футеровки для заданного режима измельчения. Поскольку производительность измельчения тесно связана с конструкцией футеровки, мониторинг данных процесса измельчения в течение срока службы футеровки дает полезный обзор взаимосвязи между производительностью мельницы и профилем футеровки. Сочетание результатов непрерывного мониторинга износа футеровки, прогнозного моделирования износа, лабораторных испытаний износа и усовершенствованной методологии замены футеровки обеспечивает мощную систему управления для прогнозирования влияния конструкции футеровки на производительность мельницы. Соответствующий цифровой двойник мельницы измельчения, разработанный специалистами компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», основан на использовании комплекса технологий, объединяющего 3D-моделирование процесса измельчения руды в ПО Rocky DEM, ROM-модели и многокритериальной оптимизации (см. рисунки 3 и 4) [3].
Цифровой двойник мельницы измельчения решает такие важные производственные задачи, как [2]:
Опыт таких компаний, как Phu Kham Copper-Gold Operation (Вьетнам), Newcrest Mining Limited (Австралия) и др. показывает, что оптимизация процесса управление футеровкой мельницы за счет внедрения технологии цифрового двойника, позволяет: увеличить объем перерабатываемой руды на 2-5%; снизить энергопотребление на одну тонну на 2-8%; сократить количество внеплановых простоев оборудования на 15-20%.
(а)
(б)
Рис. 4. Моделирование процесса измельчения руды в мельнице с новой (а) и изношенной футеровкой (б)
Расчет эффективности внедрения технологии цифрового двойника мельницы измельчения был выполнен для одной из ЗИФ крупнейшего производителя золота в России. Ставка дисконтирования (по модели CARM) принималась равной 9.
Расчеты показали, что внедрение технологии цифрового двойника мельницы измельчения на всех золотодобывающих активах компании принесет дополнительной прибыли в размере $130 млн в год за счет увеличения объема переработанной руды на тех же производственных мощностях. Длительность реализации проекта цифрового двойника составит 12 месяцев; суммарные затраты на инвестиционную стадию проекта составят 132 млн. руб. Период окупаемости проекта – 10 месяцев, индекс прибыльности – 3,3 и чистый приведенный доход – 181 млн руб.
Контакты для связи:
АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»
Телефон: +7 (495) 644-06-08
Факс: +7 (495) 644-06-09
E-mail: sales@cadfem-cis.ru
Список использованных источников:
