Цифровая реальность перерабатывающих предприятий: от понимания к дорожной карте
Аналитика

Цифровая реальность перерабатывающих предприятий: от понимания к дорожной карте

3 декабря 2019, 13:02Вячеслав КуликовPhoto: emerson.com
Ведущий эксперт по цифровой трансформации компании Эмерсон подробно и понятно рассказывает о ключевых технических элементах цифровой трансформации и их реализации в цифровой экосистеме Plantweb

Цифровые технологии и производственные метрики

Цифровая трансформация — это без преувеличения магистральное направление технологического развития промышленности. Современное промышленное производство использует цифровые и компьютерные технологии во всех аспектах своей работы. Практически все процессы, от непосредственного контроля и управления технологическим процессом до бизнес-планирования и документооборота, осуществляются в настоящее время с применением цифровых данных и цифровой инфраструктуры.

Несмотря на это, процесс цифровой трансформации еще находится в ранней стадии. Как показало исследование McKinsey Global Institute, степень адаптации цифровых технологий с точки зрения реализации их бизнес-потенциала оценивается примерно в 20% от возможного по состоянию на 2018 год, причём в промышленности эти показатели ниже, чем по экономике в целом. При этом общий рост бизнеса, обусловленный цифровой трансформацией, может составлять более 13 триллионов долларов.

Ведущие промышленные предприятия, также называемые согласно методологии Solomon Associates компаниями «верхнего квартиля», значительно превосходят конкурирующие компании, имеющие средние значения индексов — метрик, по которым ведется оценка состояния предприятия. Это прослеживается по всем индексам, как в части эффективности производства, так и в части надежности и безопасности. Так, в нефтепереработке компании «верхнего квартиля» показывают на 4% большую эксплуатационную готовность и на 10% большую производительность оборудования, на 20% меньшие эксплуатационные затраты и втрое меньшее количество инцидентов, в сравнении со средними значениями. Аналогично, в нефтегазодобыче компании «верхнего квартиля» имеют на 8% большую эксплуатационную готовность, на 40% меньшие эксплуатационные затраты и вдвое меньшее количество инцидентов.

В значительной мере эти результаты обусловлены автоматизацией, внедрением цифровых технологий и связанных с ними бизнес-процессов. Таким образом, цифровая трансформация оказывает влияние на все метрики предприятия: экономическую эффективность производства (производительность, эксплуатационные затраты), надежность (эксплуатационная готовность), безопасность (количество инцидентов), соответствие законодательным нормам по экологии и т. д.

И прежде, чем решать, как добиться показателей компаний «верхнего квартиля», стоит понять, что включает в себя данное понятие.

Терминология «цифрового производства»

В настоящее время большая часть данных и документов предприятия хранится в виде файлов и цифровых данных. Перевод данных, ранее предоставлявшихся на бумажных носителях, в цифровую форму без изменения вида и содержания данных и документов известен как оцифровка (digitization). На этом этапе не происходит никаких изменений в существующих бизнес-процессах.

По мере внедрения технологий предприятия получают все большее количество данных в цифровой форме. В конечном счете становится возможным создание полного описания предприятия в цифровом виде — цифровой копии (цифрового двойника, digital twin). Процесс внедрения цифровых технологий для создания такой цифровой копии называется цифровизацией (digitalization). Цифровая копия создается для всех стадий жизненного цикла производства, от проектирования до эксплуатации и ремонта. Существующие бизнес-процессы автоматизируются и ускоряются с применением данных цифровой копии производства вместо документов, а также программного обеспечения (ПО).

По мере того, как цифровая копия становится все более точной и полной, разрабатываются и внедряются новые эффективные бизнес-процессы, которые заменяют старые.

Цифровой трансформацией (digital transformation) называется, таким образом, весь процесс от перевода измерений и документов в цифровую форму до создания новых бизнес-процессов, полностью опирающихся на данные цифровой копии и ПО, и обеспечивающие ее актуальность. Она затрагивает все области деятельности предприятия и поэтому должна осуществляться постепенно.

Задачи «цифрового производства»

Цифровая трансформация позволяет решать на новом уровне непрерывно усложняющиеся задачи, стоящие перед промышленными предприятиями.

В настоящее время в целом решена задача автоматизации управления технологическими процессами с использованием цифровых АСУТП. Они позволяют вести управление процессами в замкнутом контуре по предопределенным алгоритмам, реализовывать оптимальные стратегии управления с применением систем усовершенствованного управления и автоматически выполнять последовательности операций (например, пуск и останов оборудования, или исполнение рецептур многостадийных периодических процессов).

В отличие от автоматизации технологического процесса, задачи управления производством в массе своей не автоматизированы. В перечень задач управления производством входят, например, подготовка и контроль выполнения производственных планов, задачи оптимизации и контроля производственных режимов, задачи контроля состояния и эффективности промышленных активов и основного оборудования, вопросы безопасности и надежности оборудования, вопросы безопасности персонала, контроля выбросов и множество других.

В настоящее время перечисленные задачи решаются за счет рутинной работы сотрудников предприятия с использованием различного независимого ПО. Это связано с разнообразием таких задач, недостаточным внедрением систем, позволяющих автоматизировать их выполнение, неполноты исходных данных для работы таких систем, а также неполной интегрированностью существующего ПО между собой.

Рассматривая их по аналогии с задачами автоматизации технологических процессов, можно утверждать, что большая часть задач управления производством выполняется в ручном режиме, а не в замкнутом контуре.

Цифровая трансформация позволит «замкнуть» этот контур и обеспечить выполнение таких задач в автоматизированном режиме.

Имея всю полноту данных о производстве в реальном времени и в архиве истории, сотрудники предприятия будут применять аналитические приложения (как общецелевые, так и специализированные), для выработки решений и их исполнения. В этих целях могут быть подключены отраслевые эксперты, у которых также будет доступ к необходимой информации. Контроль выполняемых решений осуществляется на основании данных реального времени, автоматически полученных из АСУТП и других источников данных.

Другая группа задач, где цифровая трансформация может существенно изменить сложившуюся практику работы — это задачи, непосредственно подразумевающие работу в опасных зонах предприятия и на удаленных объектах. К таким задачам относятся обходы полевых операторов, контроль состояния оборудования, техническое обслуживание и ремонт оборудования и КИП, и т. д. Новые подходы позволят не только получить доступ к информации, ранее недоступной для сотрудников, находящихся в опасных зонах, но и сократить количество выходов в такие зоны.

Цифровая трансформация, таким образом, существенно повлияет на рабочие места в промышленности, сокращая количество работ, производящихся в опасных зонах, и избавляя сотрудников предприятия от большого объема рутинных занятий, что позволит им сосредоточиться на задачах, связанных с повышением эффективности, безопасности и надежности производства.

Технологии цифровой трансформации. Промышленность 4.0 и технологические направления

Основой для цифровой трансформации являются компьютерные технологии и цифровые средства измерения. Цифровые средства измерения и АСУТП внедряются в промышленности на протяжении десятилетий, цифровые шины и промышленный Ethernet — более 20 лет, а беспроводные сети — более 10 лет. Компьютерные технологии в промышленности прошли путь от изолированных «островов» сетей АСУТП и офисных компьютеров до многоуровневых географически распределенных корпоративных сетей со средствами контроля доступа и информационной безопасности. За счет развития «облачных» технологий и дата-центров снимается проблема ограниченного количества сохраняемых данных и вычислительных мощностей.

Это дает возможность масштабной технологической трансформации производств, которая часто называется в литературе четвертой промышленной революцией, или Промышленность 4.0. К технологиям Промышленности 4.0 относят, по меньшей мере:

  • Интеллектуальные устройства и промышленный интернет вещей (IIoT) – возможность получения всеобъемлющих данных об объекте или оборудовании с передачей их в любую другую систему, как правило, по беспроводным сетям. Вычислительные мощности интеллектуальных устройств позволяют реализовывать на них не только измерения, но и аналитические вычисления, т.н. edge computing. По прогнозам консалтингового агентства Oxford Economics: «К 2025 году за счет использования IIoT в нефтегазовой отрасли мировой ВВП может вырасти на 0,8% или 816 млрд долларов США»;
  • Цифровая копия (цифровой двойник) – полное описание объекта на всех этапах жизненного цикла, включающее в себя чертежи и трехмерные модели в цифровом виде, модель технологического процесса, данные текущих параметров процесса и другие важные параметры;
  • Большие данные - технологии работы с большими объемами разнородных данных (временные ряды, события и др.) с целью анализа и получения существенной информации для принятия решений;
  • Машинное обучение и искусственный интеллект – спектр технологий обучения компьютерных систем с целью находить зависимости и применять их для принятия решений;
  • Облачные технологии и сервисы, позволяющие хранить и обрабатывать данные, выполнять программные сервисы на инфраструктуре «облака», расположенного в интернете или в корпоративном дата-центре;
  • Технологии беспроводной и мобильной связи, мобильные устройства и приложения;
  • Роботизацию;
  • Виртуальную и дополненную реальность;
  • Аддитивное производство и 3d-печать и т.д.

Цифровая экосистема

Перемены, вызванные цифровой трансформацией, масштабны, и наибольшие преимущества получают те компании, которые уже готовы к ней технологически и организационно. Всеобщее внедрение технологий Промышленности 4.0 сопровождается проникновением цифровых продуктов и решений на все уровни производства, от средств измерений до сервисных программ, а вся совокупность создаваемых продуктов, решений и сервисов носит название «цифровая экосистема». Такой термин возник потому, что цифровые экосистемы технологически интегрируют разнородные продукты, решения и сервисы, необходимые производству, но ранее не связанные друг с другом.

C 2016 года компания разрабатывает цифровую экосистему Plantweb, объединяющую технологии, продукты, решения и сервисы «Эмерсон» в области цифровой трансформации производства. На протяжении этого времени экосистема непрерывно развивается и пополняется новыми решениями, отвечающими потребностям цифрового производства.

Всеобъемлющие измерения

Основой цифровой экосистемы Plantweb являются интеллектуальные приборы. «Эмерсон» производит самую широкую линейку средств измерений как параметров технологического процесса, так и диагностических параметров (коррозия, вибрация и т. д.). Они предоставляют первичную информацию о параметрах техпроцесса, состоянии оборудования и самих приборов.

В традиционном подходе дальнейшая передача данных осуществляется через каналы ввода/вывода или полевые шины сначала в АСУТП, а уже оттуда — в системы управления производством и на уровень принятия решений. Однако развитие инфраструктуры связи на производстве позволяет непосредственно передавать необходимые данные в те системы и на тот уровень, где эти данные необходимы. Так, параметры состояния оборудования и диагностики могут передаваться, минуя АСУТП, с использованием беспроводных сетей и шлюзов к IT-инфраструктуре предприятия. В зависимости от назначения измерений, необходимые данные могут передаваться на уровень управления производством в АСУТП, в архив истории процесса и событий, а также в платформы управления производственными активами.

Критически важным является обеспечение информационной безопасности при передаче данных. Для этого используется принцип многоуровневой защиты, которая осуществляется как техническими средствами, так и за счет политик безопасности и мер контроля доступа.

Передача информации и уведомлений

В рамках цифровой экосистемы Plantweb разработана платформа Plantweb Optics, позволяющая собирать данные и сигнализации о состоянии различных типов активов и передавать эту информацию в виде уведомлений сотруднику, отвечающему за принятие решений.

Цифровая экосистема Plantweb

Платформа поддерживает работу с такими продуктами компании Эмерсон, как полевые беспроводные шлюзы, система контроля состояния КИП, система контроля динамического оборудования, а также передачу данных по протоколу OPC UA. Платформа Plantweb Optics интегрирована с рядом систем компьютеризированного технического обслуживания и ремонта (CMMS), что позволяет автоматически генерировать ордера на работы и отслеживать проведение работ по техническому обслуживанию оборудования, и с аналитическими приложениями цифровой экосистемы Plantweb.

Аналитические решения

Распространение аналитических возможностей на все уровни производства, начиная с полевых приборов — одно из самых многообещающих достижений цифровой трансформации. Цифровая экосистема Plantweb обладает непрерывно расширяющимися аналитическими возможностями.

Аналитическое ПО Plantweb Insight обеспечивает анализ состояния «здоровья» производственного оборудования и эффективности его работы относительно проектных показателей с использованием встроенных математических моделей оборудования.

Платформа Plantweb Analytics представляет собой систему для машинного обучения и работы с большими данными масштаба предприятия и позволяет анализировать работу отдельного оборудования, блока или технологического процесса в целом, оптимизировать технологические режимы для повышения производительности или оптимизации энергопотребления.

Одним из важнейших компонентов платформы является модуль, позволяющий анализировать поведение оборудования и в случае отклонения от нормального режима определять возможные причины такого поведения, их последствия, а также прогноз дальнейшего развития событий по базе причин и последствий отказов.

Интеграция с различными источниками данных производства и с системами CMMS позволит изменить бизнес-процессы технического обслуживания и ремонта, чтобы перейти от планово-предупредительных ремонтов к техническому обслуживанию по состоянию.

Интегрированные операции и «связанные сервисы»

Другим важным фактором перехода на обслуживание оборудования по состоянию является доступность экспертных знаний. Развитие IT-инфраструктуры создаёт новые возможности безопасного доступа к данным со стороны производителей оборудования, и позволяет специалистам предприятия работать совместно со специалистами производителя над идентификацией и устранением проблем с оборудованием в рамках концепции «связанных сервисов».

Внедрение цифровых технологий ведёт к важным изменениям в организации рабочих процессов управления и эксплуатации. С одной стороны, это создание центров управления производством (Integrated Operations) в безопасных зонах, в которых находятся операторы, диспетчеры и специалисты и в которых происходит управление технологическим процессом, диспетчеризация, контроль состояния активов, аналитическая работа и координация мероприятий, производящихся на промышленном объекте. Это значительно сокращает количество работ на объекте и обеспечивает безопасность персонала. Цифровая трансформация делает возможной реализацию «безлюдного производства», когда при нормальной работе предприятия ни один человек не находится в опасных зонах.

С другой стороны, когда работы на объекте все же необходимы, полевой персонал имеет доступ к тем данным об оборудовании, процессе и планируемых работах, которые ему необходимы, на своих мобильных устройствах; например, параметры техпроцесса, сигнализации, планируемый маршрут обхода и опасные зоны могут быть показаны на экране планшета в виде «дополненной реальности».

Оперативный персонал также имеет информацию о местонахождении полевого персонала, его присутствии в опасной зоне, отклонении от маршрута и т. д., а также наблюдает картинку с видеокамеры полевого оператора. Распространение мобильных устройств и приложений позволяет всем сотрудникам предприятия иметь полную информацию о процессе и оборудовании в их зоне ответственности, где бы они ни находились, соответственно, могут быть реорганизованы их рабочие процессы.

Цифровой двойник

Технология «цифрового двойника» представляет собой цифровое представление технологического процесса и физических активов и, в первую очередь, включает в себя модель технологического процесса, модель системы управления, трехмерную модель производства. Эти модели создаются таким образом, чтобы отражать ситуацию на объекте в реальном времени. В дальнейшем они могут использоваться для целей обучения, инжиниринга, отработки сценариев производства и многого другого.

Компания «Эмерсон» имеет возможности создавать цифрового двойника как для технологических производств с помощью собственных решений по математическому моделированию (MiMiC, PARADIGM-K, Pipeline Simulator) или решений партнёров, а также обладает опытом создания компьютерных операторских тренажёров любой заданной точности. Более подробно о ключевых технических элементах экосистемы можно ознакомится в моей видео-лекции здесь>>

Дорожная карта цифровой трансформации

Цифровая трансформация является длительным процессом, и для того, чтобы она приносила плоды с первых же шагов, необходимо заранее создать «дорожную карту», в соответствии с которой будут разрабатываться планы по внедрению технологий и изменениям рабочих процессов в организации. Эта дорожная карта должна создаваться совместно специалистами различных отделов организации. В особенности важно участие отдела информационных технологий, который играет решающую роль в определении архитектуры решения, а в дальнейшем будет отвечать за совместную работу внедренных систем и программ. Сегодня многие компании подчиняют свои IT-департаменты напрямую топ-менеджменту, осознавая их важный вклад в гармонизацию цифровых процессов на предприятии.

Практика также показывает, что параллельное внедрение нескольких пилотных проектов дает больший эффект, чем масштабное внедрение только одной технологии. Успешное внедрение технологий должно сочетаться с изменением рабочих процессов и производственной культуры. Наши эксперты помогут Вам разработать «дорожную карту» для получения максимально полного эффекта от цифровой трансформации.

Вячеслав Куликов,

Ведущий эксперт по внедрению систем и решений цифровой трансформации, Эмерсон

Found a typo in the text? Select it and press ctrl + enter