Цифровые двойники в металлургии: как IT-системы управляют добычей и производством

Добыча полезных ископаемых — это, наверное, самая длинная и сложная производственная цепочка в мире. От момента, когда геолог находит аномалию в породе, до готового металлического слитка на складе проходит сотни, если не тысячи этапов. Раньше каждый участок этой цепи жил своей жизнью. Сегодня задача — создать её цифрового двойника. Чтобы обогатительная фабрика знала, какая руда и в каком количестве к ней поедет завтра, а логисты могли спланировать маршруты ещё до того, как экскаватор зачерпнёт первую тонну.

Авторы проектов из Индустриальных центров компетенций «Металлургия» приоткрыли для нас завесу над тем, как выглядит современное производство и каким оно станет уже в ближайшие годы. Готовы заглянуть в цифровое завтра?

Счастливый геолог — залог успеха

Всё начинается глубоко под землёй, с рудного тела — причудливого скопления ценной породы. Найти его, понять форму и состав — искусство, которое сегодня дополнено мощными технологиями. Раньше геологи корпели над двумерными разрезами, рисуя их карандашом. Теперь они строят точные 3D-модели, которые хранят в себе всю информацию: от геометрии залежей до процентного содержания металла в каждой конкретной точке.

«Помню, когда мы только перешли от бумажных карт к трёхмерным моделям, то сразу же нашли целые пласты неотработанных запасов, — делится Алексей Парасына, гендиректор «Норсофт» и директор по автоматизации «Норникеля». — Вернулись в старые выработки, проверили — и точно, целые карманы ценной руды остались в стороне. Цифра открывает глаза».

Чтобы добыть эту руду, под землёй создают целые города с тоннелями, дорогами и коммуникациями. Точная 3D-модель позволяет не только спроектировать эту инфраструктуру, но и рассчитать порядок выемки породы. Казалось бы, бери сначала самое «жирное»? Не всегда. Технологические ограничения, необходимость стабильно загружать обогатительную фабрику — всё это сложный пазл. ГГИС помогает собрать его, планируя добычу на годы вперёд и обеспечивая ровный, предсказуемый поток сырья. Неужели скоро геологи станут главными стратегами предприятия?

И эта модель постоянно учится. Первоначальные данные получают с помощью скважин — а это, представьте, всего лишь тонкие «уколы» диаметром 14 см в массиве пород размером с город. По мере продвижения выработки геологи уточняют модель, вносят поправки. «Обновил трёхмерную карту — и сразу же можно пересчитать всю цепочку: от плана горных работ до прогноза по качеству руды», — объясняет Парасына. Динамичная система, которая эволюционирует вместе с рудником.

Превращая планы на год в планы на час

Как разбить генеральный план разработки месторождения на конкретные задачи для каждой рабочей смены? Этим занимается система «Горного планирования» — ещё одна разработка «Норникеля». Удивительно, но готовых решений для этой задачи на рынке попросту не оказалось.

«Таких систем в принципе не существовало, — признаётся Алексей Парасына. — Мы по сути переводим на цифровой язык наш многолетний опыт. Сначала создали систему для себя, а теперь перерабатываем её, используя все возможности новых технологий».

В эту систему загружают всё: планы по добыче, парк техники, её характеристики, даже качество дорог в шахте. И здесь огромную роль играет накопленная статистика. «Наша система может предупредить: «С твоим парком из трёх самосвалов и пяти погрузчиков план на сутки не выполнить, — приводит пример Парасына. — Потому что исторически одна машина в сутки точно встаёт на пару часов». Она помогает не строить воздушные замки».

В подземном городе работают не только машины. Энергетики, строители, геологи — у всех свои планы на те же участки. Единая система позволяет всем службам видеть общую картину и оперативно перестраиваться, даже в случае форс-мажора, не срывая общий график добычи.

А что это у тебя в ковше?

Если «Горное планирование» ставит задачи, то за их исполнением в реальном времени следит третья система — «Диспетчеризация подземных горных работ». Самая оперативная из всего трио. Благодаря сети датчиков, систем позиционирования и камер она видит всё, что происходит в шахте: где каждая единица техники, кто из людей и в каком районе находится.

Самые интересные технологии работают с видеопотоком. Умные алгоритмы анализируют изображение с камер и могут, например, определить степень заполнения ковша погрузчика. Задачи для операторов техники приходят напрямую на планшеты в кабинах. Сломался самосвал или обрушился участок выработки? Диспетчеры быстро меняют план смены и рассылают новые маршруты. Всё как в умном городе, только под землёй и с гораздо более высокими ставками.

У открытых карьеров — свои вызовы. Здесь на первый план выходит логистика огромных экскаваторов и железнодорожных составов. Этой задачей в рамках ИЦК занимается «Металлоинвест».

Чем глубже карьер, тем сложнее и дольше путь на поверхность. Можно нарастить парк техники, но умнее — оптимизировать её движение. «Мы создаём автоматизированную систему управления для всего экскаваторно-железнодорожного комплекса, — объясняет Юлия Перепечина, директор кластера проектов Цифровой Трансформации JSA Group. — У диспетчеров будут специальные интерфейсы, чтобы видеть работу всей этой махины и управлять ею».

Главный помощник диспетчера — модуль-оптимизатор. Он анализирует расстояния, время в пути, производительность экскаваторов и предлагает наилучшие маршруты в реальном времени. Данные со всех датчиков, установленных на технике, стекаются в центр по защищённым каналам связи. «Оператор теперь приходит, видит задание на смену прямо в бортовом компьютере, — описывает процесс Перепечина. — Не нужно десятки раз созваниваться с диспетчером». Систему уже тестируют на Михайловском ГОКе.

Отдельная забота — безопасность водителей. «Мы разработали систему мониторинга усталости, — добавляет Юлия. — В кабине две камеры следят за лицом и позой водителя. Это в первую очередь для их же защиты». Технологии следят не только за эффективностью, но и за людьми.

Все эти системы постепенно стирают барьеры между этапами производства. «Рудник раньше жил отдельно от обогатительной фабрики, — говорит Алексей Парасына. — Когда всё оцифровано и работает онлайн, им становится проще «договориться». Цепочка превращается в единый организм.

Большой металлургический брат

Но почему бы не протянуть эти принципы дальше — на сам металлургический передел? Оказалось, процессы здесь настолько другие, что нужна отдельная, не менее сложная система. Один из флагманских проектов «Северстали» — MES «Металлургия», система управления производственными процессами.

MES — это мозг цеха. Она собирает данные со всех датчиков, контроллеров и камер, отслеживает соблюдение плана, ведёт учёт качества. Главные её пользователи — тысячи рабочих у станков. Им важно видеть, что происходит сейчас, что будет дальше и нет ли проблем на предыдущих этапах.

Современный металлургический завод почти не работает на склад. Каждый слик, каждая заготовка имеет своего конкретного заказчика. Система интегрированного планирования превращает трёхмесячный план продаж в детальный график для каждого цеха и агрегата с учётом всех ограничений — от химического состава стали до логистики. «Сначала мы научились строить план исходя из мощностей, — признаётся Сергей Дунаев, гендиректор «Северсталь-инфоком». — Добавить в него финансовую составляющую, логистику разными видами транспорта — это был уже следующий, гораздо более высокий уровень».

Поломки — не проблема

Любой план может рухнуть из-за внезапной поломки оборудования. Минимизировать такие сюрпризы — задача системы «Надежность». Она создаёт интеллектуальные графики проверок, учитывая и рекомендации производителей, и многолетнюю статистику конкретного завода. У «Северстали» по некоторым критичным узлам данные копятся уже более семи лет!

Самое главное — система знает цену каждой поломки и стоимость её предотвращения. Она интегрирована с мобильными приложениями обходчиков: сфотографировал дефект — и система сама рассчитала потенциальные убытки от простоя и сформировала заявку на ремонтные материалы.

У «Металлоинвеста» похожее решение — «Мобильное ТОРО», где все дефекты и работы фиксируются через смартфон. Разрабатывается и модуль риск-ориентированного контроля, который подскажет, где можно ослабить проверки, а где, наоборот, усилить, вопреки стандартным регламентам.

А чтобы новые сотрудники быстрее вливались в работу, «Северсталь» совершенствует свою VR-систему обучения. И это не просто демо-версия на игровом движке.

Прошел обучение — готов к первой смене

Многие VR-тренажёры — это адаптированные игровые движки, которые требуют огромных мощностей. «Северсталь» пошла другим путём, создав собственное «ядро» на базе Unreal Engine. «Нам важнее правильная последовательность действий, чем суперграфика, — комментирует Сергей Дунаев. — Своё ядро даёт неограниченные возможности для детальной проработки сценариев».

Следующий шаг — аппаратные VR-системы: кресла с вибрацией, точными копиями педалей, рулей и панелей управления. Чтобы максимально сблизить тренировку с реальностью. «Наша цель — чтобы после VR-обучения человек мог выйти на свою первую смену и полноценно работать», — говорит Дунаев. Будущее, где стажёров готовят не в учебном классе, а в цифровом двойнике цеха, уже наступает.

Почему нельзя просто взять «пиратские» копии программ и работать в них?

Самый очевидный вопрос. Ответы от разработчиков едины: они создают не копии, а принципиально новые продукты. «Мы не пытаемся их повторить, — настаивает Алексей Парасына. — Мы меняем подход к данным, интерфейсы, логику работы. Математика и алгоритмы универсальны, но, опираясь на наш уникальный опыт, мы делаем новый продукт».

«Западные аналоги часто создавались как универсальный стандарт, под который потом приходилось «допиливать» каждого клиента, — добавляет Сергей Дунаев. — Мы с самого начала создаём отраслевой продукт, учитывая мнение крупнейших российских игроков. Он более заточен под наши реалии».

Кроме того, архитектура старых западных систем зачастую наследует решения 80-90-х годов. Новые же разработки пишутся на современных открытых технологиях. И, что немаловажно, все системы ИЦК стараются делать с единым, интуитивно понятным интерфейсом. «Как в пакете Microsoft: открываешь Word или PowerPoint — и кнопки в целом на одних и тех же местах», — поясняет Дунаев.

Как инженеры и горняки старой закалки реагируют на нововведения?

Главная аудитория нового софта — молодое поколение, выросшее на смартфонах и планшетах. «Открываешь старую систему ГГИС — а там 60 кнопок, как в кабине пилота, — смеётся Парасына. — Современному пользователю нужно контекстное меню: какая задача — такой и функционал».

Со «старой гвардией», по его словам, тоже будет проще, ведь они уже пользуются аналогами этих систем. «Конечно, будут вопросы: «А я раньше нажимал 50 иконок, а как теперь сделать то же самое?» Кривая обучения будет... интересной. Но все готовы пробовать. Справимся!» Цифровизация — это эволюция не только технологий, но и самих людей на производстве.

Индустриальные центры компетенций были созданы именно для того, чтобы обеспечить технологический суверенитет ключевых отраслей. «Программное обеспечение сейчас в дефиците, — отметил глава «Норникеля» Владимир Потанин в интервью РБК. — Мы пошли по правильному пути: создаём консорциум заказчиков, которые одновременно выступают инвесторами и тестируют продукт... Координирует эту работу «Северсталь». Мы вместе создаём ПО, которое с самого начало делается не для одной компании, а для всей отрасли». Общими усилиями они строят не просто софт, а новую цифровую экосистему для российской промышленности.