CC BY
42
УДК 004.946: 66.021
Лобанов А.В., Филиппова Е.Б.
РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА ДЛЯ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА
Лобанов Алексей Владимирович, студент 4 курса бакалавриата цифровых технологий и химического инжиниринга;
e-mail: lobanov.alex2011@yandex.ru
Филиппова Елена Борисовна, к.т.н., доцент кафедры информационный компьютерных технологий. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
Данная статья посвящена разработке виртуального пространства для цифровых двойников производственных процессов. В качестве конкретного примера рассматривается разработка виртуального пространства для цифрового двойника промышленного синтеза метанола.
Ключевые слова: цифровой двойник, виртуальное пространство.
CREATION OF THE VIRTUAL SPACE FOR THE DIGITAL TWIN OF METHANOL PRODUCTION
Lobanov Alexei Vladimirovich, Filippova Elena Borisovna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
This article is devoted to the development of a virtual space for digital twins of industrial processes. As a specific example, the development of a virtual space for a digital twin of industrial methanol synthesis is considered.
Keywords: digital twin, virtual space.
В настоящее время, когда интенсивно развиваются цифровые технологии, растет степень использования компьютерных разработок на существующих промышленных предприятиях и производствах. В результате, растет актуальность исследований, в области создания «Цифровых двойников промышленных производственных процессов» (Digital Twin), которые начались ещё в 2000-х годах. Цифровой двойник - это динамическая виртуальная копия физической сущности или процесса в реальном времени, которая используются для понимания, изучения и обновления процессов производства.
В настоящее время единого определения термина «Цифровой двойник» нет. Однако, чаще всего так именуют цифровую копию живой или неживой физической сущности, представляющей собой динамическую модель в виртуальном мире, которая идентична своему физическому объекту в реальном мире, с возможностью моделирования и пародирования всего жизненного цикла, свойств и производительности.
Существует несколько типов цифровых двойников, три основных из них приведены ниже:
1) Модель содержит информационные наборы, необходимые для описания и создания физической версии. Эти цифровые наборы включают в себя, но не ограничиваются, требованиями, спецификациями процессов и услуг, регламентом.
2) Двойник описывает конкретный физический объект, с которым цифровой двойник напрямую связан, на протяжении всего срока службы продукта. Этот тип двойника может содержать в зависимости от способов использования следующие наборы данных: 3D модели, описывающие геометрию и физические свойства объектов, список операций, выполненных при создании этого физического объекта, вместе с
результатами измерении или испытании над экземпляром, а также рабочее состояние, полученное с помощью датчиков.
3) К этому типу относят объединение ранее указанных типов двойников. Он имеет доступ ко всем прототипам и может запрашивать информацию обо всех объектах. Также данный цифровой двойник постоянно мониторит показания датчиков и сопоставляет данные показания, с теми, которые зафиксировал во время сбоя.
В рамках данной работы представлен цифровой двойник второго типа. Создаваемое нами виртуальное пространство цифрового двойника, есть ничто иное, как 3Б модель описывающая, технологию и все основные процессы в химическом производстве метанола. Цифровой двойник, разрабатывается путем выполнения большого числа операций, благодаря которым удается создать копию химического производства, с учетом технологических норм, регламента и спецификации.
При помощи подобных виртуальных тренажеров, базирующихся на основе цифровых двойников реальных производств, сотрудники могут полностью освоить сущность всех протекающих процессов, ознакомится с технологией, а также приобрести соответствующую квалификацию, без угрозы при этом для исправности оборудования и здоровья сотрудников. Также детальное изучение подобных цифровых двойников позволяет проработать качественные и количественные характеристики производства, его эффективность и затраты. Создание цифровых двойников способствует адекватному управлению производственными процессами и решению типовых проблем предприятий. К проблемам российских предприятий относятся: срывы сроков выполнения заказов, значительный процент брака,
работа оборудования с недопустимыми параметрами износа и ростом затрат на аварийные ремонты, некачественное обслуживание и фактический расход сырья и энергоресурсов, превышающий технологические нормы. [1-5].
В данном проекте было разработано виртуальное пространство технологического производства метанола. За основу для моделирования взята технологическая схема получения синтез-газа и производства метанола реального химического завода, смоделированная в специализированном пакете Unisim Design в динамическом режиме. Пакет UniSim Design АО «Хоневелл» - это программа, которая позволяет создавать как статические (параметры не меняются со временем), так и динамические (параметры меняются с течением времени) модели для проектирования разных технологических производств и процессов, в том числе технологических процессов нефтегазовой,
нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности, а также разрабатывать системы автоматического управления этими процессами. UniSim Design включает в себя пакет термодинамических расчетов, благодаря которому можно рассчитывать физические свойства смесей компонентов в широком диапазоне параметров.
После переработки технологической схемы в UniSim Design и получения упрощенной схемы производства метанола, полностью отражающей основные элементы производства и имеющей минимально допустимые различия в свойствах и составе выходного продукта, для отображения в виртуальном пространстве был разработан генеральный план создаваемого виртуального производства. При его составлении учитывались: регламент, спецификация на оборудование, нормы и стандарты разработки генерального плана предприятия, а также материалы по уже имеющемуся производству (спутниковая фотосъемка, геолокация, фото и мультимедийные материалы по внешнему виду производства).
Закончив составление плана производства, приступили к моделированию необходимых аппаратов, трубопровода и иных конструкций. При создании 3D моделей учитывались технологический регламент и спецификации на оборудование. В случае нехватки информации использовались данные о типовых аппаратах, а также фото и видео материалы, для упрощения понимания внешнего вида конструкций. При создании 3D моделей использовались такие программы, как: Autodesk 3ds Max, AutoCAD, Blender, SolidWorks. Autodesk 3ds Max. Это программное обеспечение предназначено для 3D моделирования, анимации и визуалиции при создании реалистичных трехмерных проектов промышленных изделий, чертежей, объектов свободных форм, персонажей и обстановки в 3D. AutoCAD - современная система автоматизированного проектирования (САПР) для создание трехмерных моделей и чертежей с максимальной точностью, благодаря функциям, направленным на создание машиностроительных, архитектурных и проектов иных направлений. Blender
- программа, предназначенная для создания трехмерных графических изображений, анимации, симуляции, постобработки и монтажа. SolidWorks - это САПР для автоматизации работ предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства, обеспечивающая разработку изделий любой степени сложности и назначения.
Завершив создания 3D моделей в выше перечисленных программных обеспечениях, их экспортировали в формат FBX. Сохранение графических объектов в формате FBX позволяет получить объекты с сохранением их размеров без искажений, что существенно упрощает дальнейшую работу, так как метрическая система в Unity, работает иначе, чем привычные нам измерения расстояний и габаритов.
Имея генплан расположения объектов, а также 3D модели аппаратов, деталей трубопровода, вентилей, и иных конструкций приступили к размещению объектов в виртуальном пространстве. Для этого использована платформа Unity, межплатформенная среда разработки, позволяющая создавать всевозможные приложения, работающие на множестве платформ, включая персональные компьютеры, игровые консоли, мобильные устройства, интернет приложения и другие. Unity постоянно дорабатывается, ее функционал расширяется, что привносит дополнительные возможности в разработку.
Сборка технологического производства в виртуальном пространстве, не привязана к конструкционным особенностям отдельных аппаратов. В связи с этим технология импорта и добавления элементов в виртуальную схему в Unity универсальна и может быть использована в других проектах. Добавление каждого из аппаратов проходит в несколько этапов:
1. Выявление места расположение аппарата.
2. Импорт в Unity соответствующей 3D модели, проверка ее на отсутствие искажений или иных деформаций, вызванных изменением формата изображения.
3. Установка аппарата в нужном месте с помощью изменения его координат по осям X, Y, Z.
4. Задание необходимых свойств и материалов данной модели, с учетом технологических норм и спецификации.
5. Добавление свойств Box Collider и Rigidbody. Это необходимо сделать для придания дополнительных свойств объектам.
6. Присоединение нового аппарата к уже созданной схеме, посредством добавления нужного количества моделей элементов трубопровода (фланцев, фитингов и т.д.), добиваясь сходства с реальными технологическими линиями.
7. Нанесение номера аппарата на его корпус или добавление текстового поля, для упрощения внешнего распознавания объектов.
На рис. 1 показана создаваемая упрощенная модель промышленного производства метанола. На аппаратах указаны их номера, соответствующие их номерам на чертежах технологической схемы.
Рис. 1. Схема завода в виртуальном пространстве
После завершения создания технологической схемы производства метанола в виртуальной реальности для большего понимания сути технологических процессов и физико-химических явлений, протекающих в отдельных аппаратах необходимо вывести справочную информацию. Для этого добавлены панели с текстовыми полями, содержащие следующую информацию: названия аппаратов, кратко их технологическое назначение, величины основных технологических параметров (температуры, давления, концентрации и т.д.).
На заключительном этапе создания виртуального приложения добавлены анимации: движения потоков, вращения различных частей аппаратов и вентилей, аварийных ситуаций на производстве. В частности, в случае течи в трубе или аппарате появляется туман. Данные анимации создаются с помощью свойств и функций, доступных в платформе Unity, и скриптов, написанных на языке программирования C#. Анимации дают более полную картину о промышленном производстве, и имеющих в нем место химико-технологических процессах. Для большего удобства при перемещении по виртуальному заводу, добавлены телепорты и транспортное средство, благодаря чему на движение тратится значительно меньше времени.
Таким образом, в рамках данного проекта были разработаны:
• динамическая модель промышленного производства метанола в программе Unisim Design;
• генплан виртуального производства;
• виртуальная модель производственного процесса;
• панели, отображающие состав и свойства потоков в аппаратах;
• анимации для демонстрации движения потоков, принципов работы аппаратов, аварийных ситуаций на производстве.
Список литературы
1. Сайт CYBERLENINKA. [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/tsifrovoy-dvoynik-proizvodstvennoy-sistemy-na-osnove-programmnogo-obespecheniya-kategorii-mes/viewer (дата обращения: 25.05.2020).
2. Кокорев Д. С., Юрин А. А. / Цифровые двойники: понятие, типы и преимущества для бизнеса // COLLOQUIUM-JOURNAL. - 2019. - №10 (34). -С. 2-32.
3. Асланова И. В., Mes как основа разработки системы управления производственными процессами предприятия // Российское предпринимательство. - 2017. - Том 18. - № 11. -С. 1651-1658
4. Пономарев К. С., Феофанов А. Н. Цифровой двойник производства как инструмент цифровизации технологических процессов предприятия //Актуальные тренды и перспективы развития науки, техники, технологий. - 2019. - С. 141-145.
5. Курганова Н. В., Филин М. А., Черняев Д. С., Шаклеин А. Г., Намиот Д. Е. / Внедрение цифровых двойников как одно из ключевых направлений цифровизации производства // International Journal of Open Information Technologies ISSN: 2307-8162. - Vol. 7, №.5, 2019. -С.105-106.
