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 на 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, причем 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, так называемые компании 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 первого 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.

Основные задачи, которые решает цифровая трансформация. Замкнутый контур управления предприятием.

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 в многостадийных периодических процессах).

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 программного обеспечения. Это связано с разнообразием таких задач, недостаточным внедрением систем, позволяющих автоматизировать их выполнение, неполнотой исходных данных для работы таких систем, а также неполной интегрированностью существующего программного обеспечения 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.

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 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 программное обеспечение и обеспечивающих ее актуальность.

Цифровая трансформация затрагивает все области деятельности предприятия и поэтому должна осуществляться постепенно.

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 производства, которую в литературе часто называют четвертой промышленной революцией (Промышленность 4.0). К технологиям Промышленности 4.0 относят по меньшей мере:
    • интеллектуальные устройства и промышленный интернет вещей — 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;
    • цифровую копию (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.

 

Продукты и решения компании «Эмерсон» для цифровой трансформации

Перемены, вызванные цифровой трансформацией, масштабны, и наибольшие преимущества получают те компании, которые уже готовы к ней технологически и организационно. Компания «Эмерсон» является одним из лидеров рынка интеллектуальных средств измерения, беспроводных датчиков и цифровых АСУТП.

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.

Продукты и решения компании «Эмерсон» для цифровой трансформации производства

 

Основой цифровой экосистемы Plantweb являются интеллектуальные приборы. Компания «Эмерсон» производит самую широкую линейку средств измерения как параметров технологического процесса (давление, температура, расход, уровень и др.), так и диагностических параметров (датчики коррозии, вибрации и т. д.), которые выпускаются как в традиционном, так и в беспроводном вариантах. Интеллектуальные приборы предоставляют первичную информацию о параметрах технологического процесса, параметрах состояния оборудования, а также измерения, необходимые для диагностики и самодиагностики.

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. В этом случае параметры состояния оборудования и диагностики могут передаваться, минуя АСУТП, с использованием беспроводных сетей и беспроводных шлюзов к ИТ-инфраструктуре предприятия. Для обеспечения информационной безопасности используется принцип многоуровневой защиты, которая осуществляется как техническими средствами (использование безопасных протоколов передачи данных, применение «диодов данных», не допускающих обратный доступ к устройству), так и за счет политик безопасности и мер ограничения доступа.

Таким образом, в зависимости от назначения измерений, данные попадают на уровень управления производством одним из следующих способов:
- параметры и сигналы, необходимые для управления процессом и противоаварийной защитой, передаются в АСУТП через традиционные каналы ввода/вывода и полевые шины; на уровне АСУТП осуществляется управление и обработка сигналов; из АСУТП параметры и сигналы передаются в архив истории процесса и событий;
- параметры и сигналы состояния оборудования и диагностики устройств могут передаваться в АСУТП, в архив истории процесса и событий, а также в платформы управления производственными активами.

В рамках цифровой экосистемы Plantweb разработана платформа Plantweb Optics, позволяющая собирать данные и сигналы о состоянии различных типов активов (приборов КИП, динамического оборудования, оборудования технологического процесса и т. д.) и передавать эту информацию в виде уведомлений персоналу предприятия. Такие уведомления персонализированы, то есть определенный специалист (инженер КИП, технолог, руководитель, менеджер по надежности) получает информацию, которая касается оборудования, входящего в его зону ответственности, и необходима ему для принятия решений. Например, инженер КИП будет получать уведомления о сигнализации приборов КИП, а менеджер по надежности — уведомление, касающееся оборудования, которое помечено как требующее особого внимания. Уведомление приходит на терминал специалиста и на его мобильное устройство; специалист может также перенаправить уведомление или вручную создать свое собственное. Платформа поддерживает работу с такими продуктами компании «Эмерсон», как полевые беспроводные шлюзы, система контроля состояния КИП AMS Device Manager, система контроля динамического оборудования AMS Machinery Manager, а также передачу данных по протоколу OPC UA. Кроме того, платформа Plantweb Optics интегрирована с рядом систем компьютеризированного технического обслуживания и ремонта (CMMS), такими как SAP S/4 HANA и IBM Maximo, что позволяет в автоматизированном режиме генерировать ордера на работы и отслеживать проведение работ по техническому обслуживанию оборудования. Наконец, интеграция с аналитическими приложениями Plantweb позволяет платформе Plantweb Optics работать с результатами аналитики состояния и эффективности работы производственного оборудования.

При этом Plantweb Optics требует установки внутри сети предприятия и имеет ряд cистемных требований (подробнее).

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. Аналитические средства встроены в интеллектуальные устройства и приборы, позволяя как передавать измеренные и расчетные величины параметров процесса, так и обеспечивать диагностические возможности. Аналитическое ПО Plantweb Insight обеспечивает анализ состояния «здоровья» производственного оборудования и эффективности его работы относительно проектных показателей с использованием встроенных математических моделей оборудования.

Программное обеспечение Plantweb Insight требует установки внутри сети предприятия и имеет ряд требований к серверу (подробнее).

Наконец, платформа Plantweb Analytics, также известная как KNet, представляет собой полномасштабную, отдельно стоящую систему для машинного обучения и работы с большими данными масштаба предприятия в целом и позволяет анализировать работу отдельного оборудования, технологического процесса в целом, проводить оптимизацию технологического режима для повышения производительности или оптимизации потребления энергоресурсов. Одним из важнейших компонентов платформы является модуль, позволяющий анализировать поведение оборудования и в случае отклонения от нормального режима определять возможные причины такого поведения и их последствия по базе причин и последствий отказов, а также прогнозировать дальнейшее развитие событий. Платформа может использовать различные источники для сбора данных: OPC-серверы, протокол OPC UA, архив данных процесса в PI System, — а также имеет возможность интеграции с системами CMMS.

Продукты и решения компании «Эмерсон» для цифровой трансформации производства


Аналитические возможности цифровой экосистемы Plantweb играют важную роль в переходе от планово-предупредительного технического обслуживания к техническому обслуживанию по состоянию. Другим важным фактором такого перехода является доступность экспертной поддержки. Развитие ИТ-инфраструктуры создает 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» (connected services). Экспертная техническая поддержка может быть предоставлена оперативно без выезда на предприятие. Примерами такого сервиса могут быть техническое обслуживание клапанов «Эмерсон» и сервис по вибрационной диагностике.

Внедрение цифровых технологий ведет к важным изменениям в организации рабочих процессов управления и эксплуатации. С одной стороны, это создание центров управления производством (Integrated Operations, iOps) в безопасных зонах, в которых находятся операторы, диспетчеры и специалисты и в которых выполняются управление технологическим процессом, диспетчеризация, контроль состояния активов, аналитическая работа и координация мероприятий, производящихся на промышленном объекте. Такие центры могут располагаться на большом расстоянии от объекта — например, береговой центр управления нефтедобывающей платформой или месторождением, находящимся на многокилометровом расстоянии; при этом между центром и объектом должен быть высокоскоростной канал связи. Это значительно сокращает количество работ на объекте, особенно рутинных, и обеспечивает безопасность персонала; цифровая трансформация делает возможной реализацию «безлюдного производства», когда при нормальной работе предприятия ни один человек не находится в опасной зоне.

С другой стороны, когда работы на объекте все же необходимы, полевой персонал имеет доступ со своих мобильных устройств к тем данным об оборудовании, процессе и планируемых работах, которые ему необходимы. Например, параметры технологического процесса, сигнализации, планируемый маршрут обхода и опасные зоны могут быть показаны на экране планшета в виде «дополненной реальности». Оперативный персонал также имеет точную информацию о местонахождении полевого персонала (его идентифицируют метки RFID с помощью беспроводной сети), о 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 рабочие процессы.

Цифровой двойник является цифровым представлением технологического процесса и физических активов — это модель технологического процесса, модель системы управления, трехмерная модель производства. Модели создаются таким образом, чтобы в любой момент времени отражать реальную ситуацию на объекте. В дальнейшем они могут использоваться для целей обучения, для целей инжиниринга, для отработки сценариев производства и многого другого. Компания «Эмерсон» имеет возможности создавать цифрового двойника как для технологических производств с помощью собственного решения (MiMiC) или решения партнеров (HYSYS), так и для месторождений (решение PARADIGM-K) и для трубопроводов нефти и газа (Pipeline Simulator), а также обладает опытом создания операторских тренажеров любой заданной точности. Трехмерная модель объекта делает возможным применение технологий виртуальной реальности для задач обучения и эксплуатации. В перспективе цифровой двойник производства — «виртуальное производство» — станет основой для выполнения регулярной работы по анализу, управлению и оптимизации производства, которая затем будет переноситься в реальное, «физическое» производство с использованием и средств АСУТП, и других систем, описанных выше.

 

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.

«Тем не менее, как говорят многие заказчики, легче сказать, чем сделать. Множество из них указывают, что решение организационных вопросов является одним из самых значительных препятствий на пути цифровой трансформации. В недавнем опросе Emerson практически две трети опрошенных директоров по цифровым технологиям и технических директоров назвали “различные представления о работе с бизнесом” основным препятствием для слаженной работы ИТ-служб и производственных подразделений. При этом почти 80% респондентов отметили, что сотрудничество этих двух направлений крайне необходимо для успешной цифровой трансформации.

И ИТ-службы, и производственные подразделения ответственны за безопасность и высокую эффективность работы. ИТ-специалисты в рамках бизнес-приложений работают с более масштабными информационными системами и поддерживают среду корпоративной обработки данных. Будь то офисы или промышленные площадки, такие как электростанции или морские платформы, ИТ-служба занимается вопросами функционала и безопасности, поддерживая безотказную работу систем. Это мастера стандартов и масштабирования», — считает Питер Зорнио, директор по технологиям Emerson Automation Solutions.

При создании дорожной карты цифровой трансформации следует обратить внимание на следующие факторы:
    • конкретные бизнес-результаты каждого шага;
    • масштабирование и интеграция внедряемых решений;
    • необходимость инвестиций в сотрудников и изменения рабочих процессов.

В соответствии с методологией, которую компания «Эмерсон» применяет при создании дорожной карты, все инициативы проходят путь из нескольких этапов:
    • исследование идеи (Discovery and visioning), результатами которого являются план проекта и описание желательного результата, включая критерии успеха;
    • разработка (Design), результатом которой является подробное описание внедряемой технологии;
    • реализация (Implementation), представляющая собой непосредственно процесс внедрения технологии и оценку успешности.

Инициативы, продукты и решения, в свою очередь, классифицируются по направлениям:
    • безопасность;
    • надежность;
    • производственная эффективность;
    • энергопотребление и контроль выбросов;
    • организационная эффективность;
    • инфраструктура систем и данных.

 

Продукты и решения компании «Эмерсон» для цифровой трансформации производства

 

Классификация инициатив по направлениям, определение последовательности реализации каждой из идей и их взаимообусловленность позволяют разработать дорожную карту цифровой трансформации, а концентрация на определении ожидаемых бизнес-результатов позволяет расставить приоритеты при внедрении решений и технологий в процессе цифровой трансформации.

К примеру, приоритет должен отдаваться проектам, сравнительно простым в пилотном внедрении и легко масштабируемым в дальнейшем; проектам, использующим сложившуюся инфраструктуру предприятия и дополняющим ее возможности. 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. В этом случае предприятия могут получить максимально полный эффект от изменений, связанных с цифровой трансформацией.


Вячеслав Куликов,
ведущий эксперт по внедрению систем и решений цифровой трансформации, «Эмерсон»

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями