Что нам стоит цифровой завод построить

Цифровизация промышленности является одним из ключевых вопросов, активно решаемых на уровне государства сегодня. Автоматизация производственных и управленческих процессов на крупных предприятиях выполняется в рамках принятой Национальной программы, дорожной карты НИПО и других регламентов импортозамещения программного обеспечения на российских заводах. Как правило, цифровизация крупного производства непрерывного цикла связана с внедрением различных информационных систем, в первую очередь — учёта и планирования, управления и оптимизации технологических процессов. Их применение способствует повышению эффективности производства. Вместе с тем бизнес всё чаще отказывается от автоматизации процессов по отдельности в пользу построения полноценного цифрового двойника предприятия. По данным дорожной карты инфраструктурного центра «Технет» Национальной технологической инициативы, к 2024 году более 250 российских предприятий перейдут на применение технологий цифровых двойников. Рассмотрим экономическую целесообразность такого подхода на примере выгод сквозной автоматизации процессов на нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ).

Три столпа оцифровки процессов управления НПЗ: учёт, планирование, моделирование

Управление предприятием непрерывного цикла требует принятия эффективных решений на основе актуальной информации о состоянии производства. Деятельность НПЗ при этом сопровождается генерацией значительных объёмов постоянно обновляемых данных, которые требуют точного анализа. Для решения разных типов производственных и управленческих задач на заводах используются системы разных классов: АСУТП, SCADA-, MES-, APS-, SCM-, ERP-, EAM-, BIM-системы. Согласно методологии российского ИТ-вендора NAUKA, поставляющего решения для нефтегазовых предприятий, для построения цифрового двойника завода необходимо в первую очередь обеспечить автоматизацию и взаимную интеграцию трёх процессов, таких как:

• производственный учёт;
• формирование производственной программы;
• оптимизация производственных процессов.

Единая цифровая модель ляжет в основу автоматизированных систем для решения задач по перечисленным направлениям, что позволит оперировать здоровыми данными — актуальными, полными и непротиворечивыми.

Заглянем внутрь цифрового завода, чтобы разобраться в тонкостях взаимосвязи автоматизируемых процессов.

Производственный учёт

Итак, в основе эффективного управления НПЗ лежат здоровые данные. Без них невозможно корректно решить пласт задач производственного учёта, а именно учёт:

• поступления и переработки сырья;
• отгрузки готовой продукции;
• потребления энергоресурсов;
• вспомогательных материалов производства.

Исходя из данных измерений технологических параметров рассчитываются объёмы переработки сырья и выработки нефтепродуктов с учётом затрат энергоресурсов и соблюдения технологических норм. Для автоматизации этого процесса на предприятии используют соответствующие MES-системы. Они базируются на математической потоковой модели предприятия, представляющей совокупность описания технологических объектов и связей с подробным содержанием их характеристик. Как правило, данные системы по умолчанию выполняют расчёт материального и энергетического баланса. Помимо этого, в них могут быть предусмотрены такие операции, как анализ потребления энергоресурсов, поиск и идентификация технологических потерь.

Дополнительно такие системы помогают контролировать исполнение производственной программы, т. е. они могут быть интегрированы с APS-системами для планирования производства. Интеграция протекает беспрепятственно, если обе системы построены на общих исходных принципах — на базе одной потоковой модели.

Формирование производственной программы

Чтобы построить оптимальный по экономическому критерию план производства для НПЗ, важно учитывать влияние внутренних и внешних факторов на производственный процесс, таких как:

• объём и номенклатура сырья и товарных продуктов;
• показатели потребления вспомогательных материалов;
• технологические режимы работы с учётом вида сырья, графиков ремонтов установок и величины потерь;
• величины переходящих запасов по периодам;
• характеристики качества сырья, полуфабрикатов и товарной продукции;
• рецептуры приготовления или смешения товарной продукции;
• технико-экономические показатели деятельности завода в целом.

Для построения оптимального по экономическому критерию плана производства на заводах используются соответствующие APS-системы с мощным математическим аппаратом (солвером). Он позволяет решать задачу большой размерности за довольно короткое время. Как следствие, на предприятии удаётся как рассчитывать производственную программу на основании исходных данных, так и оперативно реагировать на различные изменения — объективные и субъективные. Это может быть выход одной из установок на ремонт или изменение цен на отдельный вид продукции.

В результате формируется следующее: оптимальная схема распределения технологических потоков по производственным объектам, лучшая рецептура смешения и задание на отгрузку товарной продукции. С помощью подобных систем можно рассчитывать в том числе многопериодные планы с отдельным заданием на отгрузку для каждого этапа.

Таким образом, оцифровка процесса планирования производства на НПЗ способствует построению программы, экономически выгодной для достижения актуальных целей бизнеса, например увеличения маржинальной прибыли, формирования товарной корзины с минимальным запасом по качеству и пр.

Вернёмся к взаимосвязи систем завода. Почему важно, чтобы учёт и планирование производства НПЗ базировались на одной потоковой модели? Дело в том, что системы планирования, как правило, рассчитывают лучшее целевое значение расхода технологического потока для конкретного потока. В то же время в системах производственного учёта данные обрабатываются по факту получения уже готовой продукции каждого производственного объекта, поэтому значимо, чтобы все данные существовали в одной плоскости, т. е. в рамках единой модели. Тогда результаты работы обеих систем будут непротиворечивыми.

Немаловажно отметить, что в ходе процесса производства на НПЗ внутри объектов непрерывно происходят физико-химические изменения. Системы учёта и планирования функционируют, опираясь на статистические модели установок. Чтобы дополнительно повысить точность управления и получить возможность оптимизации процессов, важно брать в расчёт в том числе физико-химические явления. Для этого на НПЗ всё чаще внедряются системы моделирования технологических процессов. Это и есть третий компонент цифрового завода, который значительно повышает точность расчётов и поиска оптимального решения.

Моделирование технологических процессов

Управление химико-технологическими объектами с помощью инструментария систем моделирования технологических процессов на НПЗ позволяет решать следующие задачи с меньшими затратами (временными, материальными, человеческими):

• находить оптимальные параметры режима работы установок в заданных условиях;
• увеличивать выпуск и повышать качество целевых компонентов;
• оптимизировать энерго- и ресурсопотребление на объектах;
• расширять возможности анализа и прогноза показателей технологического процесса.

Создание моделей технологических процессов осуществляется с помощью соответствующих CAE-систем. В большинстве своём они базируются на математическом ядре, реализующем общие принципы расчётов материальных и тепловых балансов с применением законов термодинамики как для отдельных аппаратов, так и для производственных процессов в целом.

Вернёмся к системам учёта и планирования производства НПЗ. Результатом их работы является нахождение оптимальных параметров отдельных объектов управления. Но всегда ли это обеспечивает лучший общий результат? Только в условиях органичной и тесной взаимосвязи системы могут дать ощутимый синергетический эффект при управлении производством. И здесь на сцену выходят CAE-системы. Один из вариантов обеспечения интеграции — встраивание моделей технологических процессов в информационную систему предприятия. В этом случае модели взаимодействуют с компонентами системы в виде сервисов, обеспечивая интеграцию систем учёта и планирования производства друг с другом. Таким образом, моделирование на едином стеке технологий выступает неотъемлемым компонентом построения цифрового двойника крупного предприятия.

Мировая индустрия цифровых двойников растёт из года в год. По подсчётам американской консалтинговой компании MarketsandMarkets, оборот рынка продуктов на основе данной технологии вырастет до $73,5 млрд уже к 2027 году. До недавнего времени на крупных российских предприятиях, как правило, использовались системы зарубежных гигантов: Honeywell, AspenTech, Yokogawa, Aveva. На сегодняшний день среди отечественных ИТ-вендоров можно отметить такие компании, как NAUKA, «Индасофт», «ЦИФРА» и др. Компании выпускают импортонезависимые продукты, которые имеют потенциал полного покрытия функциональности иностранного ПО в части построения цифровых двойников для НПЗ и других промышленных предприятий. В текущих реалиях выбор в пользу российских поставщиков программного обеспечения для НПЗ вполне оправдан.