Цифровизация производства даёт предприятию одни плюсы: повышение производительности, исключение ошибок, снижение рисков травм при работе, минимизацию поломок оборудования и многое другое. Между тем в России всё ещё наблюдается низкий уровень цифровой трансформации, хотя технологии уже созданы, отработаны и приносят реальный эффект.
Специалисты «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС» рассказали, с чем связана данная тенденция, а также предоставили исчерпывающую информацию о возможностях передовых решений — цифровых двойников и численного моделирования.
Просвещение в массы
«Начнём с того, что в России довольно разное понимание цифровых двойников. Для одних это просто визуализация процесса или работы оборудования, для других — проект работы оборудования, выполненный с помощью численного моделирования или многовариантных расчётов, представленных в виде графика или таблицы.
В целом всё это может быть компонентами цифрового двойника, причём работающего в режиме реального времени и подсоединённого к реальной АСУ ТП и системам диспетчеризации», — отметил Олег Золотарев, технический директор по направлению АСУ ТП.
Напомним, что для российских промышленных предприятий характерно недоверие к новым технологиям в целом. Применительно к предмету разговора производственников отпугивает высокая регламентированность всех процессов внедрения новых технологий.
Многие вовсе считают цифровые двойники и численное моделирование «хайпом» и не понимают, как эти технологии могут улучшить производство. Типичная ситуация: заказчик, не получая конкретный результат сразу, теряет интерес к продолжению цифровизации.
В общем, далеко не все компании готовы включаться в разработку комплексных стратегий применения цифровых решений (того же цифрового двойника или численного моделирования). Чаще промышленники идут лишь на точечные внедрения с непониманием того, какими должны быть следующие шаги на пути к цифровой трансформации.
А потенциал действительно широк: к примеру, если на предприятии уже используется численное моделирование для обоснования расчётов на техническое перевооружение, то в дальнейшем результаты этих работ могут быть использованы в рамках создания цифрового двойника.
Поэтому первостепенная цель разработчиков — «просветить» потенциальных клиентов, то есть раскрыть все возможности технологий.
«Круг приобретателей»
Да, цифровизация отечественной промышленности находится на низком уровне. Степень неэффективности производства на отдельных предприятиях может достигать 20-30% из-за плохого подбора оборудования, ошибок проектирования, стыковки оборудования, изменений условий его эксплуатации, а также в целом неэффективности процессов.
Данная тенденция «кричит» об огромном потенциале внедрения цифровых технологий. Как подчёркивают в компании «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС», на самом деле круг компаний, которые присоединяются к «хайповому» тренду, расширяется.
Предприятия горнорудной и металлургической промышленности начинают использовать современные цифровые технологии, когда проведение опытно-промышленных испытаний, в том числе при модернизации, дорого или невозможно с точки зрения безопасности или сложности наблюдения за реальным объектом.
Например, они могут проводить расчёты устойчивости горных пород и прочности конструкций, расчёты буровзрывных работ или моделировать динамику частиц сыпучего материала при решении задач выпуска руды при подземной добыче.
«Численное моделирование применяется в горнодобывающей отрасли для процессов добычи, транспортировки, рудоподготовки и обогащения. Таким образом, повышается контролируемость и бесперебойность производства. Моделирование динамики сыпучих сред (DEM) и механики деформируемого твёрдого тела (FEA) позволяет решать такие задачи, как поиск наиболее нагруженных и изнашиваемых элементов оборудования или обеспечение производительности линии.
В свою очередь, цифровой двойник на базе численного моделирования позволяет предприятиям моделировать работу даже не построенного, а только планируемого объекта. Это позволяет специалистам заранее узнать, как оно будет работать и как изменится эффективность, если скорректировать режим или конструкцию. Аналогичные расчёты, выполненные для уже работающего оборудования, — ценный источник данных для последующего создания цифрового двойника», — объяснил Андрей Феоктистов, директор по развитию бизнеса Rocky.
А теперь подробнее рассмотрим особенности технологий на примере решений «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС»: цифрового двойника и ПО Rocky DEM.
Возможности цифровых двойников
Цифровой двойник, разрабатываемый подразделением «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС» «КАДФЕМ Диджитал», представляет собой источник объективных данных, позволяющий решать широкий спектр задач: от расчёта времени до выхода оборудования из строя, контроля эксплуатации оборудования в оптимальном эксплуатационном диапазоне и вычисления этих диапазонов.
Кроме того, виртуальная копия объекта может проводить расчёт параметров технологических процессов, влияющих на качество до выдачи рекомендаций или управляющих воздействий на оборудование и имитации его работы в режиме «что, если…», а также визуализации интерактивно-эксплуатационной документации, позволяющей оцифровать инженерные знания.
В основе цифрового двойника КАДФЕМ Диджитал лежит ряд технологий.
- Технология агрегирования полевых коммуникаций, в частности, PTC Kepware, позволяющая накапливать все полевые сигналы и передавать их на уровень выше для расчётов, визуализаций и т. д.
- Системное 1D-0D численное моделирование — базовая технология построения имитационной модели процесса, например, измельчения и обогащения. Системная модель позволяет оценивать технологические параметры в реальном времени, формировать рекомендации и реализовывать сценарии «что, если…».
- Машинное обучение и параметрическая оптимизация. Здесь используются как коммерческое ПО, так и технологии open source. Например, продукт Ansys OptiSLang, отвечающий за параметрическую оптимизацию, составление многомерных матриц процесса.
- Технология интеграции с информационными системами MES, ERP, сервисными системами класса ТОиР.
- Технологии дополненной и смешанной реальности, позволяющие создавать интерактивные электронно-технические руководства (ИЭТР).
- Предиктивная диагностика или вибродиагностика для раннего выявления дефектов и контроле их развития.
Цифровой двойник, созданный на основе численного моделирования, позволяет повысить эффективность работы оборудования, обеспечивает глубокое понимание процесса, а также даёт возможность локализовать проблемные места процесса или конструкций оборудования.
Решения Ansys и Rocky DEM позволяют создать цифровой двойник оборудования, применяемого в отрасли, на основе моделей пониженного порядка (Reduced-Order Model, ROM). Они обеспечивают сокращение затрат времени и ресурсов на вычисления, при этом прогнозируя реальную работу устройства.
Кроме того, технология даёт детализацию течения технологического процесса вплоть до поведения единичных частиц руды, струек жидкости или газа и т. п.
В результате она предоставляет визуально понятную картину, например, на базе полей скоростей, давлений, напряжений в конструкциях и частицах. Внедряя цифровые двойники для различных типов оборудования и объединяя их в цифровые двойники технологических процессов, можно сформировать единое цифровое пространство предприятия.
Как создаются виртуальные копии?
Продемонстрируем этот процесс на примере цифрового двойника мельницы измельчения, созданного по методике «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС». Он состоит из следующих этапов.
- Получение исходных данных, свойств материалов, калибровка параметров математических моделей.
- Создание трёхмерной DEM-модели для расчётов процесса измельчения материалов при различных параметрах работы мельницы.
- Создание метамодели, показывающей зависимость выходных параметров модели от входных (режима работы, свойств сред, параметров конструкций).
- Интеграция модели с автоматизированной системой управления и контрольно-измерительными приборами.
- Создание цифрового двойника на основе платформы промышленного Интернета вещей (IIoT) и разработка (сопроводительной) технической документации.
- Внедрение системы цифрового двойника и передача в эксплуатацию.
Технологии цифрового двойника могут применяться на разных стадиях жизненного цикла. На этапе эскизного проектирования можно создавать различные вариации модели разрабатываемого изделия для оценки и выбора наиболее оптимального технического решения.
На этапе технического проектирования полученная модель может дорабатываться с помощью более точных системных моделей элементов, которые получаются на основе результатов многовариантных численных расчётов, сконвертированных в ROM-модели.
При переходе к этапу эксплуатации изделия модель цифрового двойника можно доработать и использовать для осуществления обратной связи с разработкой и изготовлением изделий, диагностикой и прогнозированием неисправностей, повышением эффективности работы, выявлением новых потребностей потребителя.
Важнейшим шагом внедрения технологии на производстве является анализ бизнес-процессов предприятия, включая исследование проблемных зон, определение конкретных технологий, позволяющих повысить тот или иной показатель, и подсчёт экономической выгоды. Далее разрабатывается техническое задание и формируются рабочие группы со стороны заказчика и исполнителя.
Только после этого специалисты «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС» приступают к созданию программ и методик испытаний (предварительным испытаниям, опытной эксплуатации, переводу в опытную эксплуатацию и промышленной эксплуатации) и затем — к обучению.
Отметим, что сроки внедрения зависят от объёма новых разработок. На стандартный пилотный проект в среднем уходит 2,5-3 месяца. Если говорить о полномасштабном проекте внедрения с интеграцией в существующий контур, внедрение может занять 1-1,5 года.
Современное ПО
Для горнодобывающей отрасли характерно сложное оборудование и технологические процессы, которым требуется имитационное моделирование, в том числе по сценариям «что, если…». Для этих целей существует Rocky DEM — программное обеспечение компании ESSS для моделирования частиц методом дискретных элементов (DEM).
Такой подход позволяет повысить эффективность и безопасность работ. Результаты моделирования процессов и работы оборудования дают возможность получить качественные и количественные параметры (давление, скорость движения материала, деформации и т. п.) в простой наглядной форме и обеспечивают более глубокое понимание процесса и анализ взаимного влияния параметров.
Наконец, моделирование поведения реального объекта позволяет снизить риск непредвиденной ошибки при эксплуатации такого оборудования, как конвейеры, перегрузочные узлы, дробилки, грохоты и прочее. Этот подход можно использовать для повышения эффективности работы оборудования, а также планирования и принятия решений. В результате повышается эффективность и безопасность работы оборудования и ведения соответствующего технологического процесса.
Например, в компании Metso Outotec технология используется для моделирования дробления и сохранения прочностных свойств щековой дробилки при снижении массы щеки. А компания Conveyor Dynamics с её помощью модифицировала существующий элемент пересыпного узла таким образом, что частицы не зависали в узле и не вызывали повышенного износа и деформаций внутренних элементов.
Ещё один пример использования моделирования сыпучих сред в Rocky DEM привели в компании «Спецтехномаш». Специалисты применяют ПО для выбора оптимального режима работы грохота для сепарации материала по крупности.
«Следует понимать, что внедрение цифрового двойника или же ПО Rocky DEM — достаточно длительный процесс, который не дает моментального эффекта. Зато в перспективе предприятие получает только выгоды. Во-первых, это сокращение издержек, повышение эффективности производства и связанная с этим экономия. В том числе экономический эффект достигается через внедрение новых бизнес-моделей, например, с уменьшением количества операционного персонала и в перспективе к переходу на безлюдное производство. Во-вторых, это значительное снижение рисков.
Развитие данных технологий в отрасли будет приводить к снижению влияния человеческого фактора. Мы ожидаем, что всё больше технологических решений в будущем будут принимать, исходя из данных инструментального контроля, объективных оценок и с использованием формализованных алгоритмов», — заключили в компании «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС».
На правах рекламы
cadfem-cis.ru
info@cadfem-cis.ru
+7 (495) 644-06-08
г. Москва, ул. Суздальская, д. 46, офис 203
Перейти на страницу проекта "В помощь шахтеру"
Спасибо!
Теперь редакторы в курсе.