Двойной агент Как устроен проект мониторинга и очистки воздуха от «Норникеля»

Не навреди!» — ​этот принцип знаком не только врачам, но и работникам тяжелой промышленности. Практически любое масштабное производство связано с вредными выбросами, и даже эмодзи «завод» выглядит как здание с устремленными в небо трубами.

Наиболее «производительные» из этих труб российское законодательство требует оснащать средствами инструментального контроля вредных выбросов. Это система датчиков, которые измеряют количество и концентрацию опасных веществ, чтобы раз в 20 минут передавать эту информацию в контролирующий орган. Под требования попадает порядка 7000 источников выбросов по всей стране. К ним относятся предприятия нефтегазовой отрасли, черной и цветной металлургии, химические производства, котельные и другие объекты.

Звучит как что-то простое: закрепил на трубе датчик, установил сим-карту и забыл — ​как в системе умного дома. Однако на деле оказалось, что внедрение инструментального контроля сопряжено с техническими сложностями, которые могут оказаться непреодолимыми.

Особенности национальной цифровизации

«Норникель» столкнулся с этими нюансами раньше других: Норильск вошел в число первых 12 городов, участвующих в федеральном проекте «Чистый воздух». Эта программа предписывает оснастить ряд источников выбросов комплексными системами экологического мониторинга. Пилотный проект прошел на Надеждинском металлургическом заводе.

Речь идет не об одном датчике. Система монтируется в блок-боксе — ​снаружи он напоминает грузовой контейнер или вахтовый домик. Внутри же — ​сложный комплекс оборудования из многочисленных датчиков, источника питания, средств охлаждения, вентиляции и пожаротушения. Непосредственно на дымовой трубе ставится пробоотборник — ​прибор, который забирает пробу дыма и передает в блок-бокс на анализ.

Работая в агрессивной среде, пробоотборники часто забиваются, в трубах может скапливаться влага, которую нужно откачивать, — ​это индивидуальные особенности технологического процесса, которые выясняются уже постфактум, после установки системы. Чтобы поддерживать приборы в рабочем состоянии, необходимо построить площадку обслуживания достаточного размера — ​по нормам безопасности трудиться на высоте нужно вдвоем. Труба не рассчитана на такую нагрузку, так что под площадку приходится возводить отдельную конструкцию.

Добавим к этому экстремальные метеорологические условия — ​вечную мерзлоту, насыпные грунты и знаменитую норильскую «черную пургу», опрокидывающую автобусы. И получим бетонный фундамент четырехметровой глубины и стоимость общестроительных работ, порой превышающую цену измерительного оборудования.

Еще одна порция реалий пришла в 2022 году. С рынка ушли западные производители газоанализаторов, а имеющихся отечественных решений оказалось недостаточно, чтобы обеспечить всю страну. Особенно остро это коснулось металлургической отрасли, где требуются газоанализаторы горячего типа. В поисках выхода из ситуации «Норникель» вместе с партнерами ООО «Цифровые корпоративные технологии» пришли к идее: поручить измерение вредных выбросов искусственному интеллекту.

Алла Малевицкая, начальник управления развития автоматизации энергетики и промбезопасности, экологии и транспортной логистики «Норникеля»:

В ответ на вызовы времени по инициативе Правительства РФ были созданы Индустриальные центры компетенций (ИЦК), направленные на импортозамещение. В рамках ИЦК „Экология“ мы предложили создать аналог системы индустриального контроля на основе искусственного интеллекта, работающий по принципу цифрового двойника. За рубежом существуют системы предиктивного мониторинга выбросов, так называемые PEMS, которые служат именно средством измерения, а не расчетной моделью. В России такой технологии не было. Мы сразу взяли курс на разработку универсального решения — ​системы, которая будет работать не только на наших предприятиях, но и на объектах других отраслей промышленности

Каталог техпроцессов

Программный продукт, разработанный дочерним обществом Норникеля — ​ООО «Норсофт» и ООО «Цифровые корпоративные технологии», называется Axioma. Он позволяет в короткий срок развернуть на произвольном промышленном предприятии систему цифрового двойника для измерения показателей выбросов.

В мире давно доверяют цифровым двойникам. На них проводят испытания авиалайнеров, они предсказывают поломки пригородных поездов, спасая пассажиров как от травм, так и от перебоев в расписании. Точность работы «двойника» объясняется тем, что он непрерывно получает большое количество данных о состоянии своего реального прототипа. А таких данных на промышленных производствах хватает.

Скрыть текст

Создатели Axioma изучили сотни технологических процессов, чтобы сделать «конструктор» цифровых двойников. Разработчики применили гибридный подход, используя как машинное обучение, так и анализ физико-химических процессов

Дело в том, что большинство современных индустриальных объектов оснащены АСУ ТП — ​автоматизированной системой управления производственным процессом. К примеру, технологическая цепочка металлургического завода включает десятки различных промышленных машин. Печь взвешенной плавки, виброгрохот, скруббер — ​смысл этих поэтичных терминов ясен только специалисту. Но даже неспециалист понимает, что любое из этих устройств оснащено датчиками, которые помогают технологам контролировать процесс. Температура, давление, скорость вращения валов, химический состав сырья — ​эти и многие другие данные передаются в АСУ ТП и отслеживаются дистанционно.

Программный комплекс Axioma — ​это своеобразный конструктор цифровых двойников. В качестве строительных блоков в ее базе содержится множество математических моделей промышленных установок. Чтобы перенести в цифру конкретный объект, инженеры «Аксиомы» запрашивают технологические карты производства и детальный состав сырья. Формулы химических превращений уже зашиты в программных «блоках». Смоделировав полный техпроцесс, инженеры подключают к цифровому двойнику данные с датчиков из АСУ ТП — ​чем больше, тем лучше. А на выходе получают подробные характеристики вредных выбросов в реальном времени.

Средний срок внедрения Axioma на любом промышленном объекте составляет 4–6 месяцев. Это втрое быстрее, чем установка инструментальной системы контроля с учетом общестроительных работ. Обслуживание цифрового двойника обходится впятеро дешевле — ​особенно учитывая, что предприятие и так поддерживает АСУ ТП.

При этом Axioma демонстрирует практически абсолютную точность измерения: ее показания совпадают с данными инструментального контроля более чем на 90 %.

Алла Малевицкая, начальник управления развития автоматизации энергетики и промбезопасности, экологии и транспортной логистики «Норникеля»:

Нашим партнером выступает Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Менделеева, определяющий основные метрологические стандарты в стране. Они разделяют нашу позицию, что Axioma — ​это полноценное средство измерения. После внедрения цифрового двойника на предприятие выезжают метрологи, берут пробы и сравнивают данные модели с результатами замеров. В случае расхождения система калибруется за несколько итераций. После этого на нее ставится цифровая пломба, которая говорит о том, что данная модель — ​эталонная и вносить изменения в нее никто не может. В нашей системе ничего не делается руками, любое изменение документируется — ​защита прошита в программный код. Как все измерительные приборы, раз в год Axioma должна проходить поверку специалистами, аккредитованными государством

Управление будущим

Суперсила любого цифрового двойника — ​способность заглядывать в будущее. Обычный датчик лишь фиксирует факт превышения ПДК (Предельно допустимая концентрация), искусственный интеллект же может сделать так, чтобы этого превышения не случилось. Axioma позволяет протестировать тот или иной технологический режим предприятия в виртуальной среде и заранее узнать, какими будут выбросы. Добавить эту возможность разработчиков попросили инженеры производственных площадок, на которых проходили первые испытания.

Датчики инструментального контроля измеряют состав дыма в трубе. Но для жителей близлежащего города гораздо важнее то, как меняется воздух у них за окном, а это в значительной мере зависит от метеорологических условий: в какую сторону, на какой высоте и с какой силой дует ветер, идут ли дожди или снег. В Норильске сложный рельеф: из-за сопок и впадин локальное направление и сила ветра везде разные. И все же необходимо, чтобы люди во всех частях города чувствовали себя хорошо.

Скрыть текст

«Под капотом» у Axioma сложный математический алгоритм, индивидуальный для каждого промышленного объекта. Однако конечный пользователь имеет дело с компактным дашбордом, который показывает объем, состав вредных выбросов, какие факторы на них влияют и как показатели менялись с течением времени

Поэтому в «Аксиому» добавили специальную метеорологическую модель. В интерфейс программы встроена карта, на которой технолог видит, как будут распространяться воздушные потоки. Обычные метеостанции не предоставляют прогнозы погоды с такой детализацией, поэтому точную локализацию выбросов рассчитывает ИИ.

Алла Малевицкая, начальник управления развития автоматизации энергетики и промбезопасности, экологии и транспортной логистики «Норникеля»:

Остановка технологической цепочки при введении НМУ (актировка при возникновении неблагоприятных метеорологических условий) — ​это длительный процесс, не позволяющий одномоментно прекратить поток отходящих газов. Последующий запуск — ​тоже сложная и дорогостоящая процедура. Разработанное решение позволяет прогнозировать объем и состав выбросов, моделировать экологические показатели в случае изменения загрузки технологического оборудования при сохранении плана выпуска готовой продукции

Свобода выбора

«Аксиому» положительно приняло не только государство, но и рынок. Проект уже вышел за пределы «Норникеля» — ​программу внедряет «Сибур», предиктивной аналитикой интересуется «Газпром». Комплекс легко развертывается на предприятиях нефтяной, газовой, химической, металлургической, энергетической промышленности. Чуть сложнее интегрируется угольная индустрия, для которой характерен другой компонентный состав. Разработчики изучают возможность работы с загрязнениями не только воздуха, но и воды (сбросами). Планируется добавить расчет углеродного следа.

Скрыть текст

Axioma прогнозирует, в каком направлении будут распространяться вредные выбросы, и демонстрирует результат расчета в виде наглядной инфографики поверх карты. Технологи могут заранее подобрать производственный режим, при котором ПДК не будут превышены с учетом прогноза погоды

Axioma не должна полностью заменить или вытеснить системы инструментального контроля — ​речь идет скорее о возможности выбора. К примеру, если на объекте нет АСУ ТП, дешевле будет установить датчики. Однако для предприятий с достаточным уровнем автоматизации цифровой двойник — ​это эффективное решение, отвечающее вызовам со стороны экологии, экономики и законодательства.

Станислав Селезнев, вице-президент по экологии и промышленной безопасности «Норникеля»:

Внутри компании заказчиками системы выступили экологи. Проект мониторинга воздуха, который „Норникель“ активно внедряет, является краеугольным камнем нашей стратегии социальной ответственности. Мы понимаем, что чистый воздух — ​это право каждого жителя Норильска, и наша цель — ​сделать город местом, где дышится легче и свободнее. Важно отметить, что внедрение предиктивной системы анализа выбросов на основе искусственного интеллекта позволяет не только фиксировать загрязнения, но и снижать их. Это технологическое решение, сочетающее в себе экологический и экономический эффект, выводит наши экологические инициативы на новый уровень. Мы убеждены, что подобные меры позволят „Норникелю“ вывести Норильск из любых рейтингов самых загрязненных городов России, и это станет примером для всей промышленности