Введение
Технологический объект – будь то реактор нефтехимического завода, линия сборки в автомобилестроении или участок металлообработки – в современном производстве редко проектируется и эксплуатируется «вслепую». Решения о режимах работы, модернизации оборудования, изменении загрузки принимаются на основании расчетов, выполненных заранее, на модели, а не на самом объекте. Цена ошибки при прямом эксперименте на действующей установке зачастую несопоставима с ценой просчета на экране компьютера, и в этом – одна из причин того, почему программные средства моделирования за последние десять-пятнадцать лет превратились из вспомогательного инструмента инженера в самостоятельный элемент производственной инфраструктуры.
Актуальность обращения к данной теме обусловлена сразу несколькими обстоятельствами. Во-первых, законодательная база Российской Федерации прямо фиксирует курс на технологическую модернизацию промышленности: Федеральный закон от 31.12.2014 № 488-ФЗ «О промышленной политике в Российской Федерации» устанавливает меры стимулирования промышленной деятельности, в том числе через внедрение современных технологий проектирования и производства [1]. Во-вторых, с 1 января 2022 года в России действует национальный стандарт ГОСТ Р 57700.37-2021, закрепляющий общие положения о цифровых двойниках изделий, – факт, который переводит понятие «модель технологического объекта» из разряда инженерного жаргона в разряд нормативно определенной категории [2]. В-третьих, последние годы отмечены заметным усилением интереса отечественных исследователей к методам синтеза цифровых двойников на основе идентификационных моделей производственных процессов, что отражено, в частности, в работах Н.Н. Бахтадзе с соавторами [6]. Наконец, нельзя обойти вниманием фактор санкционного давления и ухода ряда зарубежных вендоров программного обеспечения с российского рынка после 2022 года – обстоятельство, заставившее промышленные предприятия пересматривать прежние цепочки поставок программных продуктов и обращаться к отечественным разработкам.
Моделирование технологических объектов – область на стыке прикладной математики, информатики и инженерных дисциплин, поэтому экспертиза, требуемая для ее раскрытия, носит междисциплинарный характер: она включает знание принципов автоматизации технологических процессов, основ системного анализа производственных систем и современных программных платформ класса CAE, PLM, АСУ ТП. Именно в этой логике построен настоящий реферат.
Цель работы – определить место и функциональные возможности современных программных средств моделирования технологических объектов в системе проектирования, эксплуатации и управления промышленным производством, а также оценить перспективы их развития применительно к условиям российской экономики.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
– раскрыть понятие, задачи и уровни моделирования технологических объектов в промышленности;
– провести сравнительный анализ ведущих мировых и отечественных программных комплексов, применяемых для моделирования производственных процессов;
– рассмотреть особенности интеграции средств моделирования в цифровую экосистему предприятия;
– оценить перспективы развития интеллектуальных сред моделирования и технологии цифровых двойников.
Объектом рассмотрения выступают технологические объекты промышленного производства – установки, линии, участки и предприятия в целом, рассматриваемые как системы, поддающиеся формализованному описанию. Предметом выступают программные средства и методы, обеспечивающие построение, верификацию и эксплуатацию моделей таких объектов.
Методологическую основу работы составили сравнительный анализ, метод классификации и обобщение практического опыта, представленного в отраслевых публикациях и нормативных документах. Использованы труды Ю.Н. Алпатова [3] и А.М. Гумерова [5] по математическому моделированию производственных и химико-технологических процессов, монография коллектива авторов под руководством А.И. Боровкова, посвященная цифровым двойникам в высокотехнологичной промышленности [4], статьи В.П. Куприяновского с соавторами [9] и А.П. Добрынина с соавторами [7] о месте цифровых технологий в экономике, а также прикладные исследования И.В. Ершовой и А.А. Тотьмянина по использованию системы AnyLogic [8] и С.В. Федосова с соавторами по имитационному моделированию строительных конструкций [10].
Структура реферата выстроена от теоретических оснований к практическим аспектам: первая глава раскрывает понятийный аппарат и дает сравнительную картину программных комплексов, вторая – анализирует практику интеграции моделирования в производственную среду и обозначает перспективы развития этой области. Такое построение позволяет последовательно перейти от вопроса «что такое модель технологического объекта и зачем она нужна» к вопросу «как эта модель встраивается в реальное производство и куда движется сама технология моделирования».
Значимость темы выходит за рамки чисто инженерного интереса: от того, насколько грамотно выстроена система моделирования на предприятии, зависят сроки вывода продукции на рынок, издержки на доработку оборудования после пуска, а в ряде отраслей – и безопасность эксплуатации опасных производственных объектов. Поэтому обращение к современным программным средствам моделирования технологических объектов представляется оправданным не только с академической, но и с прикладной точки зрения.
1. Теоретико-методологические основы моделирования технологических систем
1.1. Понятие, задачи и уровни моделирования объектов в промышленности
Под моделированием технологического объекта в инженерной практике понимается построение формализованного представления реального производственного процесса или аппарата, позволяющего предсказывать его поведение без обращения к натурному эксперименту. Ю.Н. Алпатов определяет математическую модель про
…
