Промышленный интернет вещей (IIoT) и оборудование  паротурбинных установок

В.И. Брезгин,

проф, д.т.н., с.н.с.,vibr@list.ru,

А.А. Вечканов,

студ., 137137137_942010@mail.ru,

УрФУ, г. Екатеринбург

Речь известного швейцарского экономиста Клауса Шваба на всемирном экономическом форуме в Давосе 20 января 2016 года, озаглавленная «Четвертая промышленная революция. Что это значит и как реагировать?» запустила дискуссию среди специалистов по тематике CAD/CAM/PDM во всем мире. Одними из актуальнейших вопросов, поднятых в ходе этой дискуссии являются вопросы об «умных» устройствах:

·      Как «умные» устройства (чаще называемые «умные» вещи), рост числа которых в мире происходит в геометрической прогрессии, влияют на конкуренцию среди производителей продукции?

·      Какое влияние они оказывают на стратегию компаний?

·      Как меняются отношения компаний с потребителями?

·      Как новые возможности «умных» устройств меняют работу компаний?

Человечество стоит на краю новой технологической революции, пишет Клаус Шваб, которая кардинально изменит то, как мы живем, работаем и относимся друг к другу. Подобного масштаба и сложности перемен человечеству еще никогда не доводилось испытывать. Мы пока не знаем, как она будет развиваться, но ясно одно: ответ на него должен быть комплексным и всеобъемлющим, с участием всех заинтересованных сторон глобального государственного устройства, государственного и частного секторов для научных кругов и гражданского общества [1].

Первая промышленная революция (индустриальная революция) — переход от ручного труда к машинному, от мануфактуры к фабрике, наблюдавшийся в ведущих западных державах в XVIII—XIX веках. Основной чертой первой промышленной революции являлась индустриализация — переход от преимущественно аграрной экономики к промышленному производству, в результате которого происходит трансформация аграрного общества в индустриальное [2] (см. рис. 1).

Вторая промышленная революция (или же технологическая революция) — трансформация в мировой промышленности, охватывающая вторую половину XIX и начало XX века. Кульминацией технологической революции является распространение поточного производства и поточных линий.

Рис. 1. Развитие промышленности с конца XVIII века до наших дней (из материалов  Ассоциации  строителей   Сколково (SKOLKOVO Construction Association)

Третья промышленная революция (цифровая революция) ознаменовалась повсеместным переходом от аналоговых технологий к цифровым, начавшимся в 1980-х годах и продолжающийся в первые десятилетия XXI века; коренные изменения, связанные с широким распространением информационно-коммуникационных технологий, начавшимся во второй половине XX века, и ставшие предпосылками информационной революции, которая, в свою очередь, предопределила процессы глобализации и возникновения постиндустриальной

 экономики. Основные движущие силы — широкое распространение вычислительной техники, прежде всего — персональных компьютеров, всеобъемлющее проникновение Интернета, массовое применение персональных портативных коммуникационных устройств.

Четвертая промышленная революция как бы выходит из третьей, «цифровой». Она характеризовалась слиянием технологий и стиранием граней между физическими, цифровыми и биологическими сферами.

Профессор Шваб видит три причины, по которым сегодняшние перемены следует считать не простым продолжением третьей промышленной революции, а началом четвертой. Это скорость, с которой происходят перемены; их размах и системный характер последствий.

Так же, как предшественницы, четвертая промышленная революция обладает потенциалом поднять уровень жизни всех землян. В будущем технологические инновации приведут к революционному прорыву в области предложения с долгосрочными плюсами в эффективности и производительности труда. Стоимость транспорта и коммуникаций упадут; эффективность логистики и глобальных сетей предложения повысится, а стоимость торговли уменьшится. Все это откроет новые рынки и подстегнет рост экономики.

Одновременно с этим новая революция углубит неравенство. Речь идет об ее потенциале разрушать рынки труда, когда роботы будут замещать живых людей.

«Умные» технологии изменяют конкурентную борьбу [3].

С развитием информационных технологий оборудо­вание изменяется принципиальным образом. Если раньше оно состояло из механических и электриче­ских деталей, то теперь представляет собой сложные системы — с датчиками, памятью, микропроцессорами, ПО,— обладающие коннективностью, то есть способ­ностью взаимодействовать и обмениваться данными с другим оборудованием. Эта «умная» техника — она появилась благодаря колоссальному увеличению вычислительной мощи и миниатюризации цифровых устройств — ознаменовала начало новой эпохи в конку­рентной борьбе.

Сегодня информационные технологии (ИТ) становятся частью самих продуктов. Встроенные датчики, процес­соры, программное обеспечение (по сути, в продукте находится компьютер) вместе с облаком, в котором хранятся и анализиру­ются данные о продукте и выполняются некоторые прикладные программы, в разы повышают функцио­нальность техники и ее эффективность.

Почему это происходит именно сейчас? Накопи­лась критическая масса инновационных технологий, и производство «умного» оборудования стало техни­чески осуществимым и экономически оправданным. Речь идет об открытиях в сфере производства, мини­атюризации и энергосбережения датчиков и аккуму­ляторов; о компактных, дешевых и мощных техноло­гиях вычисления и хранения информации, благодаря которым можно встраивать компьютеры в изделия; о дешевых портах подключения и повсеместном дешевом Wi-Fi; о средствах, позволяющих быстро разрабатывать программное обеспечение (ПО); об аналитике больших данных; наконец, о новом интернет-протоколе передачи данных IPv6, расширяющем объем адресного пространства до 340 трлн новых интернет-адресов для индивиду­альных девайсов с протоколами, которые поддер­живают более надежную защиту, упрощают пере­адресацию вызова и позволяют запрашивать адреса автономно, без ИТ-поддержки.

Для «умной» продукции нужна новая многослойная инфраструктура — «стек технологий» (рис. 2). Это модернизированное оборудование; встроенные в продукт программные приложения и операционная система, сетевые сред­ства связи, обеспечивающие коннективность; облако продукта (ПО, используемое на сервере производителя или внешней компании) с базой данных о продукте, платформой для создания программных приложений, с так называемым механизмом правил и аналитиче­ской платформой, а также не встроенные в продукт его приложения. Все эти слои «нанизаны» на систему идентификации и систему защиты, у них есть единый шлюз доступа к внешним данным и инструменты, которые передают данные, поступающие от «умных» девайсов, другим бизнес-системам, например, ЕRР или СRМ.

Рис. 2. Новый стек технологий, согласно [3]

Новая технология позволяет не только быстро разра­батывать и использовать приложения оборудования, но и собирать, анализировать и передавать огромное количество данных, собранных за большой период наблюдения, которые генерирует и само оборудование, и его «окружение»,— данных, которых никогда прежде не существовало. Чтобы создать и поддержи­вать стек технологий для «умной» техники, нужны немалые деньги и новые профессиональные навыки вроде разработки ПО и систем, анализа данных и обеспечения сетевой безопасности, а у производственных компаний с этим туго.

«Умные» технологии не только изменяют суть конку­ренции в отраслях, но и расширяют само понятие «отрасль». Если говорить о соперничестве в отрасли, то теперь оно идет из-за всей совокупности сопутст­вующих устройств, без которых нынче невозможно обойтись. Функционирование одного продукта макси­мально согласовано с работой других. Если, например, объединить в систему «умную» сельхозтехнику — трак­тора, культиваторы, сеялки, — возрастет эффектив­ность всего парка оборудования.

«Умные» технологии задают новые стандарты эффек­тивности, резко повышая планку в том, что касается лучших методов работы. Каждой производственной компании придется решать, как делать свою продукцию «умной». Но дело не только в самой продукции. Как мы уже говорили, «умные» технологии заставляют всех задействованных в цепочке создания стоимости тоже переходить на новаторские принципы работы.

Посмо­трим, как появление этих технологий сказывается на разработке новинок, техобслуживании, маркетинге, управлении персоналом и безопасности, поскольку такие изменения, как правило, прямо отражаются на стратегических решениях.

РАЗРАБОТКА. Проектирование «умного» оборудо­вания ведется на совершенно новых принципах. Это стандартизация «железа» при индивидуализации ПО; это решения, которые предполагают персонализацию, постоянное обновление продукта, профилактическое, расширенное или дистанционное техобслуживание. Чтобы связать в единую коннективную систему обору­дование, электронику, ПО и операционную систему, нужен солидный опыт проектирования больших систем по методу гибкой разработки ПО, а такого опыта и знаний многим производителям не хватает. Важно также, чтобы процесс разработки допускал возможность быстро и эффективно учитывать изме­нения проекта, которые могут появиться на его более поздних этапах и после продажи. Компаниям придется и синхронизировать очень разную скорость, с которой разрабатывается «железо» и ПО; пока создается одна новая версия оборудования, которое будет работать на определенном ПО, программисты успевают делать до десяти его итераций.

ТЕХОБСЛУЖИВАНИЕ. «Умные» технологии позво­ляют существенно улучшить качество профилактиче­ского ремонта и техобслуживания в целом. Но чтобы умело пользоваться данными, которые свидетельст­вуют об уже имеющихся и потенциальных проблемах, и вовремя производить ремонт, нужно выстраивать новую структуру соответствующих служб и новые рабочие процессы. Поступающие в режиме реального времени данные о работе оборудования позволяют резко сократить издержки на ремонт и лучше учитывать расход запчастей. Заблаговременно получая сигналы о том, что скоро откажут те или иные узлы, можно уменьшать время простоя оборудования и лучше планиро­вать его обслуживание. Эти же данные могут подсказы­вать разработчикам, как совершенствовать продукцию, чтобы техника реже выходила из строя. Кроме того, данные об эксплуатации оборудования помогают оценивать обоснованность претензий по гарантиям и выявлять нарушения гарантийных обязательств.

Иногда компаниям удается снижать стоимость техоб­служивания, заменяя физические запчасти ПО. Например, установленную в кабинах современных самолетов систему «стеклянная кабина», панель управления из нескольких цифровых приборных дисплеев можно чинить или обновлять посредством ПО; прежде были электрические и механические циферблатные индикаторы, и приборы. Благодаря данным о работе оборудования производители могут и заранее учитывать трудности техобслуживания, отказываясь от излишней сложности или часто лома­ющихся деталей.

МАРКЕТИНГ. Благодаря «умным» технологиям компании могут по-новому строить отношения со своими клиентами. Собирая и анализируя данные об эксплуатации и работе оборудования, его произво­дители начинают лучше понимать, что именно нужно клиентам, а значит, правильнее «оформлять» свое предложение и разъяснять потребителям ценность своей продукции. Пользуясь инструментами анализа данных, они могут тщательнее сегментировать свои рынки, создавать пакеты продуктов и услуг, особенно важных для каждого сегмента, и назначать лучшую для себя цену за эти пакеты. Такой принцип особенно выгоден, когда продукцию можно быстро, но эффек­тивно и дешево модернизировать, совершенствуя ПО, а не «железо». Например, компания Deere много лет производила двигатели разной мощности в расчете на разных потребителей, а сейчас изменяет мощность одного и того же двигателя с помощью ПО.

ПЕРСОНАЛ. С появлением «умных» технологий изменились требования к персоналу. Теперь главная задача — найти новых специалистов, а спрос на многих из них очень высок. Конструкторским бюро, в которых прежде работали инженеры-механики, нужны программисты, проектировщики больших систем, разработчики облаков продуктов, аналитики больших данных и т.д.

БЕЗОПАСНОСТЬ. С появлением «умных» продуктов возросла необходимость обеспечивать безопасность информации, которой устройства обмениваются между собой. Надо защищать их от несанкционированного использования и обеспечивать безопасный доступ для обмена данными между слоями стека технологий и другими корпоративными системами. Для этого нужны новые технологии аутентификации, обеспе­чения надежности хранения данных о продукте, защиты от хакеров данных как о продукте, так и о клиентах, определения и контроля права доступа и защиты самих продуктов от несанкционированного использования.

Рис. 3. Изменение характера конкуренции в отраслях и расширение     границ отраслей по [3]

НОВЫЙ РЕСУРС: ДАННЫЕ. Прежде главными источниками данных были совершаемые в самой компании операции и тран­закции: обработка заказов, взаимодействие с постав­щиками и потребителями, обслуживание клиентов и т. д. Дополнялись они информацией из опросов, иссле­дований и т. п. Обрабатывая все эти данные, компании получали представление о потребителях, спросе и себестоимости продукции, но гораздо меньше узна­вали о том, как она используется и функционирует.

Сейчас к традиционным источникам данных доба­вился еще один: сам продукт. «Умные» устройства поставляют информацию — беспрецедентно по объему и многообразию — в реальном времени. И данные наравне с людьми, технологиями, капиталом стали одним из основных активов корпораций, а часто и самым главным.

Эти новые данные ценны сами по себе, но их значи­мость многократно возрастает, когда они сочетаются с другими — например, с информацией об истории обслу­живания, нахождении складов, ценах на продукцию и схемах движения транспорта. Чтобы оптимизиро­вать работу ирригационного оборудования и сокра­тить расход воды в фермерском хозяйстве, данные датчиков влажности можно привязать к прогнозу погоды. В автопарке информация о профилактическом осмотре каждого автомобиля и его местонахождении позволяет отделу техобслуживания вовремя доставить нужные запчасти, назначить дату ремонта и выпол­нить его максимально эффективно. Если информация о гарантийном обслуживании дополняется данными об эксплуатации оборудования и его технических характеристиках, она становится гораздо полезнее. Например, зная, что из-за чрезмерной нагрузки обору­дование может преждевременно, до окончания гарантийного срока, выйти из строя, стоит запланировать профилактический осмотр.

Благодаря данным, поступающим с «умного» оборудования, предприятия, их клиенты и партнеры могут оптимизировать его работу. Сами устройства анализируют собираемые ими данные, и этот простейший анализ дает общую картину, а более детальную обеспечивает более сложный анализ данных, стекающийся в «озеро» вместе с данными из внешних и корпоративных источников (рис. 4).

Рис. 4. Ценность новых данных, согласно [4]

Чтобы извлечь максимум из всего богатства данных, генерируемых «умными» устройствами, используется «цифровой двойник» — трехмерная вирту­альная копия реального устройства. По мере поступления данных двойник показывает — воспроизводит, — как изменяется физический объект, как и в каких усло­виях он функционирует. Как аватар реального продукта цифровой двойник позволяет компании визуализиро­вать режим работы и состояние оборудования, находя­щегося очень далеко. Благодаря цифровым двойникам разработчики лучше понимают, как можно усовершен­ствовать конструкцию, производство, работу и техоб­служивание оборудования.

Что в этом направлении происходит в России? Примером реализации «Интернета вещей» может служить завод «Транснефть. Нефтяные насосы», построенный в чистом поле около Челябинска за 1 год (рис. 5).

Рис. 5. Испытательный участок завода «Транснефть. Нефтяные насосы» (материалы [5])

 

Завод производит нефтяные насосы, оснащенные датчиками – «Умные» насосы. Датчики передают информацию о состоянии наиболее ответственных узлов в облако, на цифровой двойник (см. рис. 6). Конструктор, сервис-менеджер могут в реальном времени проанализировать состояние насоса и обеспечить своевременное обслуживание.

Рис. 6. «Цифровой двойник» насоса производства «Транснефть. Нефтяные насосы» (материалы [5])

Какие задачи стоят сегодня перед производителями энергетических паровых турбин и другого оборудования паротурбинных установок (ПТУ)?

Первоочередная задача на сегодня по нашему мнению — «создание цифрового двойника» производимого оборудования. При производстве паровых турбин проектирование многих элементов оборудования осуществляется в среде трехмерного твердотельного моделирования, однако создание полноценной цифровой модели турбины – дело будущего.

В Лаборатории теплообменных аппаратов (ЛТА) УрФУ разработан новый трехступенчатый эжектор (паровой насос), предназначенный для удаления воздуха и поддержания вакуума в конденсаторе паровой турбины [6]. На рис. 7 представлена 3D-модель одного из прототипов эжектора, которая в настоящее время рассматривается в качестве «цифрового двойника» в технологии IIoT. Новые технические решения, связанные с возможностью изменения без отключения оборудования одного из главных параметров эжектора – расстояния между срезом сопла и входом в диффузор в настоящее время проходят экспертизу на патентную чистоту в Роспатенте.

Рис. 7. 3D-модель эжектора  конструкции ЛТА

В стадии завершения находится диагностическая система эжектора, позволяющая проанализировать параметры его эксплуатации (величины давления, расходов, температур паровоздушной смеси и рабочего тела в каждой из трех его ступеней; параметры работы конденсатора, который обслуживает данный эжектор и другие необходимые величины) и определить диагностические признаки, позволяющие найти неисправность и сформулировать рекомендации по ее устранению.

В настоящее время однозначно определить неисправность без привлечения эксперта не представляется возможным из-за сложности аэродинамических процессов в эжекторе.

Использование «цифрового двойника», полностью синхронизированного с эксплуатирующимся физическим устройством, позволяет провести комплекс необходимых численных экспериментов на «двойнике» и однозначно выявить неполадки в работе эжектора.

Разрабатываемые для эжектора инструкции по его ремонту и эксплуатации, выполненные в технологии видео-роликов в настоящее время рассматриваются в качестве основы для создания аналогичных руководств в технологии «дополненной реальности» (AR — augmented reality). По готовности такой документации планируется в комплект поставки оборудования предлагать заказчику поставку полной информационной модели продукции (цифрового двойника) и руководств в технологии «дополненной реальности», для последующего использования для сервиса оборудования.

Параллельно ведется работа по подготовке к работе с огромными накопленными объемами данных об эксплуатации оборудования электростанций с использованием технологий Big Data, разрабатывая инструменты систематизации и анализа данных метасистем для заказчиков. 

Литература

1.  Klaus Schwab. The Fourth Industrial Revolution. What It Means and How to Respond // Foreign Affair. December 12, 2015.

2.  https://ru.wikipedia.org/wiki/Промышленная_революция

3.  How Smart, Connected Products are Transforming Competition /  Michael E. Porter and James E. Heppelman / Harvard Business Review. November 2014

4.  How Smart, Connected Products are Transforming Companies /  Michael E. Porter and James E. Heppelman / Harvard Business Review. October 2015

5.  Интернет вещей: Следующие 5 лет / Биленко П.Н. // Выступление на Иннопром-2016, Екатеринбург, 11-14 июля 2016 г.

6.  Эжектора конденсационных установок паровых турбин: учебное пособие / К.Э. Аронсон [и др.]. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015. 130 с.