Sparčiai besivystant pramonei ir didėjant gamybos apimtims, vis didesniu uždaviniu tampa technologiškai sudėtingų, energetiškai imlių procesų bei įrengimų optimizavimas. Norint didinti technologinį efektyvumą bei našumą, tampa svarbu dairytis naujų technologijų, leidžiančių ne tik sumažinti energijos suvartojimą, tačiau ir pagerinti kokybę. Kadangi energetiškai imlūs procesai ir sistemos priklauso nuo daugelio kintamųjų, tokiems procesams analizuoti ir valdyti dažnai pasirenkamos naujomis technologijomis grįsti sprendimai. Viena iš naujausių technologijų yra skaitmeninis dvynys (angl. k. Digital Twin).

KAS YRA SKAITMENINIS DVYNYS ?

Skaitmeninis dvynys yra virtuali įrenginio, technologinio proceso ar sistemos kopija – fizikinę sistemą apibūdinantis matematinis skaitmeninis modelis. Kuriant skaitmeninį dvynį yra nuskaitomi visi su gamybos procesu, įrengimu, energetika, gamybos apimtimis susiję duomenys. Sistemos yra aprašomos matematiškai, analizuojami jų parametrai – kas 5 min vyksta skaičiavimai debesyje.

„Kuriant skaitmeninį dvynį yra nuskaitomi visi su gamybos procesu, įrengimu, energetika, gamybos apimtimis susiję duomenys. Sistemos yra aprašomos matematiškai, analizuojami jų parametrai – kas 5 min vyksta skaičiavimai debesyje.“

Visa informacija ir rodikliai, susiję su produktų kiekiu, kokybe, technologiniu ir energetiniu efektyvumu, renkami ir analizuojami realiu laiku. Įdiegti skaitmeniniai valdymo sprendimai leidžia automatiškai koreguoti veiklą atsižvelgiant į gaunamus duomenis.

Skaitmeninio dvynio tikslas – išduoti optimalaus valdymo užduotis. Būtent optimalus valdymas ir didina technologinį bei energetinį efektyvumą ir taip leidžia sumažinti nepagrįstus kaštus.

SKAITMENINIO DVYNIO PRAKTINIAI PAVYZDŽIAI IR NAUDOS

Skaitmeninis dvynys gali būti pritaikytas aprašant bet kokį pramonės įmonės procesą, inžinerinę sistemą ar įrenginį, pavyzdžiui:

  • Inžinerinėms sistemoms – šaldymo, ventiliacijos, suspausto oro.
  • Įrengimams – biokuro katilas, dujų katilas, stiklo lydymo krosnis, popieriaus gamybos mašina, ekstrūderiai.
  • Gamybos procesams – distiliacijos, grūdų daiginimo, džiovinimo (grūdų, medžio, medžio plokščių, pieno miltų), malimo, šalto, karšto spaudimo, PET granulių ir kita.

Skaitmeninio dvynio naudos inžinerinėms sistemoms:

  • Užtikrinama nuolatinė sistemos priežiūra, sutaupomas žmogiškasis resursas;
  • Sumažinamos personalo darbo laiko sąnaudos įrenginių valdymui ir priežiūrai;
  • Pateikiama informacija apie įrangos nusidėvėjimą, kas leidžia išvengti didesnių gedimų, planuoti sustojimus remontui ir investicijas sistemos priežiūrai.
  • Minimizuojamos energijos sąnaudos;
  • Atliekama detali įrenginių inventorizacija ir surinktos informacijos skaitmenizavimas;
  • Automatiškai stebima įrengimų būklė ir automatiškai pranešama apie artėjantį techninės priežiūros poreikį;
  • Automatiškai stebimi parametrai ir informuojama apie jų nukrypimus nuo leistinų;
  • Sukuriama galimybė nuotoliniu būdu stebėti sistemų darbą;
  • Detalus proceso inventorizavimas ir aprašymas.

Skaitmeninio dvynio naudos įrengimams:

  • Įrenginio efektyvumo stebėsena realiu laiku;
  • Įrenginio atskirų komponentų darbo režimų įvertinimas realiu laiku;
  • Rodiklių sekimas ir pranešimų teikimas personalui, atsakingam už eksploataciją;
  • Paprastesnis remontų planavimas. Planavimas pagal faktinius rodiklius;
  • Operatoriui teikiamos rekomendacijos dėl efektyvesnio įrengimo valdymo arba užduotys adaptuojamos automatiniam valdymui.

Skaitmeninio dvynio naudos gamybos procesams:

  • Nuolatinė žaliavos nuostolių ir energetinio efektyvumo stebėsena;
  • Žaliavos nuostolių mažinimas ir energetinio efektyvumo gerinimas optimizuojant valdymo užduotis;
  • Operatoriaus darbo laiko sąnaudų mažinimas;
  • Detalus proceso inventorizavimas ir aprašymas;
  • Proceso našumo didinimas (procesą valdant pagal matematinį modelį, galima pasiekti iki 20-40% didesnį įrenginio našumą, negu vardinis).
KAIP VEIKIA SKAITMENINIS DVYNYS?

Skaitmeninio dvynio modelio sukūrimas reikalauja detalios sistemos inventorizacijos, kas savo ruožtu leidžia pamatyti kritines vietas bei nepagrįstus suvartojimus.

Skaitmeninio dvynio technologija yra pagrįsta automatine duomenų analize, t.y. analizė atliekama be žmogaus įsikišimo realiu laiku. Optimalaus valdymo užduotys perduodamos į SCADA sistemą.

„Skaitmeninio dvynio technologija yra pagrįsta automatine duomenų analize, t.y. analizė atliekama be žmogaus įsikišimo realiu laiku. Optimalaus valdymo užduotys perduodamos į SCADA sistemą.“

Skaitmeninis dvynys iš esmės apima skirtingų sistemos įrengimų ar procesų matematinių modelių visumą. Galima išskirti tris matematinių modelių kryptis:

  1. Dirbtinio intelekto modeliai, kurie savaime apsimoko, tačiau nėra galimybės aprašyti fizikinėmis lygtimis.
  2. Optimizaciniai modeliai, kuriuose technologinis procesas yra aprašytas fizikinėmis lygtimis.
  3. Išskirčių detekcijos modeliai, kurie fiksuoja parametrų nuokrypius.

Analizuojant inžinerinių sistemų veiklą, dažniausiai sprendžiamos lygčių sistemos bei optimizaciniai uždaviniai, pavyzdžiui, šiluminiai mainai šilumokaityje aprašomi fizikinėmis lygtimis, lygtys yra standartinės ir inžinieriui suprantamos. Skaičiavimai modelyje yra palyginami su matavimo rezultatais.

Dirbtinio intelekto modeliai naudojami tokiose situacijose, kai galimybės aprašyti proceso žinomomis fizikinėmis lygtimis negalima arba norint aprašyti atsitiktinį žmogaus elgesį, pavyzdžiui, karšto vandens, elektros ir pan. suvartojimą, kai kiekvienas vartotojas turi jam būdingą arba atsitiktinį suvartojimo profilį. Tokiu atveju, modelis apsimoko pagal istorinius duomenis ir pateikia prognozę.

Išskirčių detekcijos modeliai gali būti grįsti tiek dirbtinio intelekto mašininio mokymosi algoritmais, tiek istorinių duomenų analize. Tokie modeliai papildo skaitmeninį dvynį ir leidžia objektyviai įvertinti sistemos būklę esamuoju momentu.

Duomenų surinkimas ir matematinis modeliavimas pats savaime nesukuria pridėtinės vertės, greičiau tai išlaidos. Tad kaip duomenis paversti nauda? Surinkti duomenys, apdoroti skaitmeniniame dvynyje, toliau yra panaudojami realiu laiku valdant technologinį procesą. Technologinį procesą valdo SCADA, tačiau SCADA technologinį procesą valdo sekdama užduotis (anglų k. setpoint). Taigi, skaitmeninis dvynys, po matematinės analizės išduoda valdymo užduotis į SCADA sistemą, tokiu būdu optimizuojant technologinį procesą.

KOKIAS PROBLEMAS GALI PADĖTI IŠSPRĘSTI SKAITMENINIS DVYNYS?

Skaitmeninis dvynys leidžia stebėti ir valdyti gamybos procesą, inžinerines sistemas realiu laiku, optimizuoti gamybos proceso parametrus, didinti našumą ir produkto kokybę, didinti energijos vartojimo efektyvumą.

Visų pirma, skaitmeninis dvynys yra įrankis įmonės technologui, veiklos rodiklių priežiūros įrankis įmonės finansininkui bei inžineriniam personalui, užtikrinančiam energijos tiekimą technologiniam procesui.

Skaitmeninis dvynys padeda nustatyti technologinio proceso neefektyvumo priežastis ir pagal tai priimti pagrįstus investicinius ir realaus laiko valdymo sprendimus. Tais atvejais, jeigu proceso technologinis efektyvumas priklauso nuo žaliavos kokybės, skaitmeninis dvynys sukuria prielaidas SCADA valdymo sistemoje keisti valdymo parametrus ir taip optimizuoti medžiagų išeigas. Besikeičiant įrenginių techninei būklei, jų technologinis efektyvumas gali prastėti, tarkime, užsinešus paviršiams prastėja šiluminis laidumas, užsinešus oro ar dūmų kanalams prastėja trauka, dėl ko, pavyzdžiui, prasčiau dega kuras, tačiau skaitmeninis dvynys optimizuoja proceso parametrus ir efektyvumo prastėjimas yra stabilizuojamas iki maksimaliai įmanomo lygio.

„Besikeičiant įrenginių techninei būklei, jų technologinis efektyvumas gali prastėti, tačiau skaitmeninis dvynys optimizuoja proceso parametrus ir efektyvumo prastėjimas yra stabilizuojamas iki maksimaliai įmanomo lygio.“

Skaitmeninis dvynys sistemą įvertina objektyviai ir lenkia monitoringo sistemas funkcionalumu, leisdamas įvertinti parametrus, kuriuos išmatuoti sudėtinga ar matavimai dažnai gali būti netikslūs, pavyzdžiui, srauto jutiklių (kg/h; m3/h ir kita). Matematinis modelis pakankamu tikslumu išskaičiuoja dominančius parametrus iš kitų turimų parametrų, t.y. fizikinių dydžių matavimai atliekami netiesioginiais metodais.

„Matematinis modelis pakankamu tikslumu išskaičiuoja dominančius parametrus iš kitų turimų parametrų, t.y. fizikinių dydžių matavimai atliekami netiesioginiais metodais.“

Tas pats principas leidžia ir patikrinti esamų matavimo prietaisų matavimo kokybę (tikslumą). Kodėl tai svarbu? Pavyzdžiui, kuro degimo procesas valdomas pagal deguonies kiekį dūmuose, užduota nuostata palaikyti 3 proc. deguonies lygį dūmuose. Matavimo prietaisas matuoja deguonies lygį dūmuose, tačiau koks yra matavimo tikslumas? Atsiradusi matavimo paklaida didina degimo arba nevisiško sudegimo nuostolius. Skaitmeninis dvynys leidžia patikrinti matavimo paklaidą ir jei paklaida didėja, koreguoja optimalaus valdymo užduotis bei įspėja atsakingą personalą.

6. NUSPĖJAMOJI EKSPLOATACIJA (anglų k. PREDICTIVE MAINTENANCE) IR PREVENCINĖ EKSPLOATACIJA (anglų k. PREVENTIVE OPERATION)

Taigi, skaitmeninis dvynys daro įtaką technologiniam procesui per optimalaus valdymo užduotis. Tačiau Skaitmeninio dvynio funkcionalumas išplečiamas į nuspėjamosios eksploatacijos funkcijas. Skaitmeninis dvynys informaciją apie turto vienetus (anglų k. asset) išplečia. Kiekvienas turto vienetas turi tiesioginę realaus laiko matavimų informaciją arba informacija surenkama netiesiogiai. Realaus laiko matavimo duomenys įdarbinami nustatyti įrenginio būklę ir likusį tarnavimo laiką.

„Optimalus valdymas padidina technologinį efektyvumą, sumažina energijos sąnaudas, dėl ko padidėja įrenginio tarnavimo resursas, t.y. eksploatuojama be staigių parametro pokyčių.“

Optimalus technologinio proceso valdymas taip pat leidžia prailginti įrenginių tarnavimo laiką. Kaip pavyzdys galėtų būti šilumos trasose paduodamo termofikato temperatūros valdymas, kuomet, optimizuojant paduodamą temperatūrą, sumažinami šilumos nuostoliai, vamzdyno mechaniniai įtempimai dėl temperatūros poveikio, prailginamas vamzdynų tarnavimo laikas. Kitas pavyzdys – šaldymo mašinos kompresorius. Optimizuojant kondensacijos ir garavimo temperatūrą, didinamas kompresoriaus efektyvumas ir našumas bei mažinamos kompresorių darbo valandos nedidelio apkrovimo darbo režimais.

7. NUO KO PRADĖTI?

Natūraliai kyla klausimai: nuo ko pradėti, ar įmonė turi pakankamai duomenų, ar pirmiausia diegti išmaniąją apskaitą ar skaitmeninį dvynį? Norint atsakyti į šiuos klausimus, apžvelkime Skaitmeninio dvynio diegimo žingsnius, kurie yra sekantys:

  1. Technologinio proceso, įrengimų, sistemų inventorizacija;
  2. Esamų duomenų surinkimas, įskaitant SCADA sistemų, esamos išmanios apskaitos;
  3. Skaitmeninio modelio parengimas;
  4. Skaitmeninio modelio bandomoji eksploatacija;
  5. Skaitmeninio modelio eksploatacija – optimalus valdymas.

Kaip matyti iš aprašo, tik pradėjus rengti Skaitmeninį modelį, paaiškėja, ar technologiniam procesui aprašyti yra pakankamas matavimų kiekis tiek SCADA sistemoje, tiek išmaniosios apskaitos prietaisų. Dėl šios priežasties skaitmenizavimo procesą siūloma pradėti įgyvendinti ne nuo išmaniosios apskaitos prietaisų diegimo, o nuo skaitmeninio dvynio parengimo.

Taigi, į skaitmeninimo procesą siūlome žvelgti iš veiklos proceso perspektyvos užduodant klausimus:

  1. Ar veiklos rodikliai Jus tenkina?
  2. Kokius veiklos rodiklius reikia gerinti?
  3. Kokius parametrus reikia valdyti, kad būtų užtikrinti veiklos rodikliai?
  4. Kas atsakingas už valdymo parametrų keitimą ir optimizavimą?
  5. Ar pakankama valdymo parametrų valdymo kokybė ir greitis?

Jeigu nei vienas iš klausimų nėra aktualus, jūsų technologinis procesas veikia tinkamai ir galimybės jį pagerinti nebus. Tačiau, jeigu klausimai yra aktualūs, skaitmeninio dvynio technologija yra pagalba Jūsų įmonės technologui, technikos ir finansų direktoriams.

„Energy Advice“ tikslas ir yra padėti bendrovėms rinkti, analizuoti ir, svarbiausia, išnaudoti duomenis veiklos ir energiniam efektyvumui didinti EA-SAS programos aplinkoje. Tai darome įvairiais būdais: atlikdami energijos vartojimo auditus ir analizuodami bendrovės techninius procesus, įrenginių efektyvumą, kurdami ir diegdami IT sprendimus, užtikrinančius duomenų surinkimą, analizę ir veiklos automatizavimą.

Geriausias būdas pradėti Diegti Skaitmeninį dvynį yra identifikuoti procesą ar įrenginį, kuris turi didžiausią efektyvumo didinimo potencialą, t.y. turės didžiausią ekonominį efektą ir itin gerą atsipirkimo laiką. Skaitmeninio dvynio technologijos diegimas yra tęstinis procesas, kuomet jau skaitmenizuoto proceso optimizavimas yra atliekamas nuolatos. Be to, nuolatinis optimizavimas įtraukia ir kitus technologinius procesus ir įrenginius, tokiu būdu plečiant Bendrovės Skaitmeninį dvynį. Besiplečiantis Skaitmeninis dvynys apjungia procesus ir duomenis, bei jų sąveiką tol, kol pasiekiamas visos Bendrovės virtualus modelis – virtuali bendrovė.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *