Большие братья металлургии: как современные IT-системы помогают в добыче, обогащении и производстве

В идеале, недостаточно перевести в компьютерные модели и таблицы каждый из этих шагов — нужно воссоздать компьютерного «дублера» всего процесса: еще до того, как руда поедет от рудника на обогатительную фабрику, ее количество, качество и дальнейшие планы выработки должны быть известны системе фабрики.

Авторы проектов индустриальных центров компетенций (ИЦК) «Металлургия» рассказали нам, как выглядит современная металлургия и как она преобразится в ближайшие годы.

Скопление руды называют рудным телом. Найти его, оценить размер и форму — задача геологов. Они бурят скважины и роют траншеи, сканируют глубины и, опираясь на свои знания о строении пород, проектируют модель залежей. Не только форму, но и содержание нужных полезных ископаемых в разных его частях. Когда-то они рисовали двумерные срезы карандашами, теперь, конечно, строят 3D-модели.

«Когда мы только переходили от двумерных к трехмерным моделям, мы нашли не отработанные ранее запасы. Вернулись в старые выработки, проверили и действительно обнаружили пропущенные залежи», — рассказывает Алексей Парасына, генеральный директор «Норсофт» и директор по промышленной автоматизации и метрологии «Норникеля».

Для того чтобы достать ценную руду, под землей выкапывают целый город. Точное трехмерное представление о рудном теле позволяет не только спроектировать всю его инфраструктуру — горизонты и дороги, — но и спланировать, в каком порядке будет добываться руда. Это не так уж просто.

Задача — максимально безопасно и эффективно достать максимальное количество полезных ископаемых, затратив минимальные средства. Казалось бы, сперва нужно достать самые богатые руды, а затем доработать бедные. На практике все сложнее. Во-первых, не всегда это возможно по технологии. Во-вторых, содержание полезного ископаемого может варьироваться, а обогатительная фабрика, на которую пойдет руда, не может быстро перестраиваться то под богатую, то под бедную руду.

ГГИС позволяет спланировать разработку на годы вперед и обеспечить регулярную как по объему, так и по качеству выработку рудника. Конечно, содержание полезного ископаемого все равно меняется, но изменения эти становятся плановыми и постепенными. Как и рудник, обогатительная фабрика получает возможность рассчитать свои задачи в долгосрочной перспективе.

По мере выработки рудника совершенствуется и модель ГГИС. Все-таки сканирование и скважины дают ограниченную информацию о рудном теле. Представьте, залежи могут быть размером с небольшой город, а у скважин диаметр в 14 сантиметров, глубина около 400 метров и бурят их через каждые несколько сотен метров.

Регулярно спускаясь в «подземный город», геологи могут увидеть несовпадения в геометрии тела. «Уточнив трехмерную модель, можно протащить поправки по всей цепочке этапов работы с рудником и поменять план его строительства и разработки, — объясняет Алексей Парасына. — Это касается и изменений в качестве руды».

Разбить дорожную карту многолетней разработки рудника на задачи для каждой смены — задача программы «Горного планирования», которую тоже разрабатывает «Норсофт».

«Систем горного планирования вообще нет, — удивляет нас Алексей Парасына, — тут мы переписываем собственный многолетний опыт. В "Норникеле" есть разработанная нами система, и теперь мы ее перерабатываем с учетом возможностей новых технологий».

В эту систему закладывается вся информация по руднику: планы по количеству и качеству выработки, количество техники и ее распределение по горизонтам, ее скорость и расположение, даже качество «дорог».

Накопленная история работы рудников тут играет большую роль. «Наша система может подсказывать, выполнима ли та или иная задача. Скажем, у вас есть три самосвала, пять погрузочно-доставочных машин и нужно поднять за сутки n-ное количество тонн руды, — объясняет Алексей Парасына. — А система говорит: "Дружок, у тебя по статистике в сутки один самосвал и одна машина точно выходят из строя на несколько часов. Ты с вероятностью 90% не выполнишь свой план". Она помогает не планировать невыполнимое».

Не стоит забывать и то, что в «подземном городе» работают не только самосвалы и машины. Энергетики могут запланировать ремонт проводки, строительные подразделения — укрепление участка, геологи — взятие проб.

Через единую систему все службы сразу видят план закрытия участков. Так, несмотря даже на форс-мажорные работы, рудник может перестраивать добычу и продолжать выдавать заданное количество руды нужного качества. В этом состоит оперативность и гибкость системы «Горного планирования».

Если «Горное планирование» разрабатывает планы на смену, то за их выполнением следит третья разработка — система «Диспетчеризации подземных горных работ», самая оперативная из трех в плане влияния на производственный процесс. Именно благодаря ей можно быстро перенаправлять технику на другие работы.

По датчикам, системам позиционирования и камерам система отслеживает местоположение всех рабочих и единиц техники в «подземном городе» — в некоторых точках с точностью до метра. Видеоаналитика с камер с помощью нейронных сетей оценивает даже заполненность ковша.

Текущие задачи для каждой единицы техники система передает на планшеты, установленные в кабинах у работников. Если ломается техника или закрывается часть рудника, диспетчеры меняют план на смену, отправляют новые задачи на планшеты операторам самосвалов и погрузочно-доставочных машин.

У добычи разных полезных ископаемых свои технологические нюансы. Подземная разработка сложнее в плане строительства инфраструктуры на глубине, меньше объемы добычи, зато и машины быстрее. У открытых карьеров свои сложности — поэтому для них разрабатывают отдельную систему. Этой задачей занимается «Металлоинвест».

Чем глубже опускается добыча горных пород, тем ниже становится производительность карьерного транспорта. Можно, конечно, подключить к процессам дополнительную технику, но в долгосрочной перспективе лучше решать эту задачу оптимизацией процессов с помощью модели движения транспорта и создания специальных алгоритмов.

«Автоматизированная система управления открытыми горными работами охватывает весь экскаваторно-железнодорожный комплекс. Сейчас в разработке основные интерфейсы (экранные формы) для диспетчеров. С их помощью персонал сможет наблюдать за работой погрузочной техники и ж/д составов и управлять ими», — объясняет Юлия Перепечина, директор кластера проектов Цифровой Трансформации «Джей Эс Эй Групп» (JSA Group).

«Как это происходит. Для помощи диспетчерам в системе есть специальный модуль — оптимизатор. Он предлагает готовые решения в зависимости от расстояния, времени прохождения того или иного участка пути, производительности экскаваторов при погрузке и выгрузке и т. д. Модель, лежащая в основе оптимизатора, содержит все возможные варианты движения ж/д составов».

Все эти данные в режиме реального времени через Wi-Fi и приватную сеть LTE на скорости не ниже 600 Мбит/с собираются в систему с датчиков, установленных на технике. С них считывается не только точное местоположение, но и скорость, углы наклона, ускорение и другие параметры телеметрии. Возможные неточности GPS компенсируются данными из системы централизации блокировок.

Работа становится более комфортной не только для диспетчеров. «Оператор техники приходит на рабочее место, регистрируется в системе и сразу видит назначенное ему задание на смену и порядок действий. И ему не нужно созваниваться с диспетчером, чтобы войти в курс дела и узнать информацию о предыдущей смене. Все есть в бортовом компьютере», — описывает Юлия Перепечина. Систему уже сегодня внедряют на Михайловском ГОКе им. А. В. Варичева в двух подразделениях — в Рудоуправлении и Управлении железнодорожным транспортом.

«Также мы разработали уникальную систему мониторинга водителей большегрузных автомобилей, автобусов и вахтовок на предмет усталости, сна, отвлечения глаз от дороги, — добавляет Юлия Перепечина. — Для этого в кабины устанавливаются две камеры — одна следит за лицом водителя, вторая — за его положением в кресле. Конечно, водители понимают, что система создана прежде всего для их безопасности, а не тотального контроля».

Так вместе с водителями мы «переезжаем» к следующему этапу. «Одна из самых интересных задач — выравнивание межпередельных взаимодействий. По умолчанию гора ничего не знает об обогащении, а обогащение — о горе. Но, когда все онлайн и в цифре, общаться им проще» , — объясняет Алексей Парасына из «Норсофта».

Возникает закономерный вопрос: почему бы не растянуть возможности «системы планирования добычи» на обработку и производство? Разница в процессах.

Один из главных проектов «Северстали» в рамках ИЦК — MES «Металлургия», система управления производственными процессами.

MES «Металлургия» — система качественного учета и оптимизации графиков производства, которая позволяет балансировать загрузку с планом производства на следующие сутки, делать сертификаты продукции, аттестовывать качество, интегрироваться с системами следующего уровня и прочее.

Система MES собирает данные с автоматических систем управления конкретных установок, отслеживая соблюдение плана. Главные пользователи MES — конкретные рабочие в конкретных цехах. Конечно, есть директор комбината, который смотрит на все. Но это один пользователь из тысяч. И этим тысячам людей важно видеть, какой процесс у них запущен сейчас, какая задача будет следующей и нет ли проблем на предыдущих переделах.

Все это позволяет отслеживать еще и качество. Данные с сотен измеряющих устройств — датчиков, контроллеров, видеокамер, термометров — на разных переделах поступают в нее автоматически. MES «протаскивает» эти данные через все переделы — а их может быть много, например, в оцинкованном прокате 5—6 переделов — и отдает в систему анализа для аттестации. Чем больше параметров, тем лучше анализирует система качества.

Одно дело отследить все эти процессы, другое — распланировать так, чтобы конечные продавцы могли получить товар. Крупные современные металлургические компании почти не производят металл про запас. Изначально все готовится под конкретного клиента: известен объем и характеристики металла.

Система интегрированного планирования «Северстали» собирает план продаж на грядущие три месяца и превращает его в среднесрочный план с учетом общих возможностей производства, логистических ограничений и пожеланий клиента. В нем не прописано, какую работу должен выполнить конкретный цех, а ведь один и тот же товар можно произвести разными путями, поэтому следом создается план примерно на неделю, где все задачи раскиданы по конкретным машинам. А каждый день начинается с суточного плана — конкретной последовательности заданий для каждого агрегата и, что важно, с пометкой, для какого конечного клиентского заказа.

«Расписать производственный план исходя из мощностей и химии — это одна задача, а добавить в него деньги, в которых есть не только цена продаж, но и себестоимость производства, и будущая логистика — поездами, судами, грузовиками еще и в разных комбинациях — это следующий уровень. Мы не сразу его добились», — рассказывает Сергей Дунаев, генеральный директор «Северсталь-инфоком».

Суточный план создается с небольшими зазорами, и в случае неполадок на производственном оборудовании его можно немного скорректировать. Но задачей минимизации таких случаев занимается программа «Надежность», тоже проект компании.

Она формирует графики проверок, учитывая в первую очередь особенности конкретных агрегатов и рекомендации производителей оборудования: уровень критичности узлов, сколько процентов времени они должны быть доступны, периодичность их обслуживания и т. д. Во вторую очередь учитывается накопленная за годы статистика эксплуатации на конкретном производстве: более агрессивная среда эксплуатации, большее количество конкретных поломок по сообщениям обходчиков и пр. У «Северстали» для самых критичных узлов эти данные копятся уже более семи лет. И последним фактором может стать желание производства добавить профилактические проверки. На основе этих данных формируется стратегия обслуживания конкретных узлов — полный график необходимых работ. Но самое главное то, что в «Надежности» у каждого негативного события есть его стоимость: потери и затраты на устранение. И у каждой стратегии есть стоимость и привязка к негативному событию, которое она предотвращает.

Наконец, система интегрируется с мобильными обходчиками — специальными терминалами для рабочих, с помощью которых они могут на месте сфотографировать проблему и отправить запрос на ремонт. Причем в системе к нему сразу формируется заказ на необходимые материалы и рассчитываются потенциальные потери от простоя.

Схожая разработка есть и у «Металлоинвеста». Их система «Мобильное ТОРО» позволяет рабочим регистрировать все обнаруженные дефекты через мобильное приложение и там же сообщать о выполненных работах.

У «Северстали» в разработке находится еще один модуль для «Надежности» — инспекция на риск-ориентированном подходе (risk-based inspection), при котором график составляется по рискам и историческим данным. Этот модуль дает понять, где можно отложить первую инспекцию, а где, наоборот, необходимо инспектировать чаще стандартных рекомендаций. Сперва матрица теоретическая, но со временем она дополняется реальными данными, коэффициенты пересчитываются.

И чтобы даже новые рабочие быстро вливались в этот процесс, «Северсталь» улучшает свою VR-систему обучения.

VR-тренажеры в современной промышленности уже не сенсация. Но большинство из них делают на основе готовых платформ для видеоигр. К сожалению, эти решения требуют больших вычислительных мощностей для работы, забирая на себя ресурс, который пригодился бы для других производственных расчетов. «Северсталь» использует кастомную сборку Unreal Engine, состоящую из исходного кода игрового движка и «ядра» собственной разработки.

«С одной стороны, у нас то же 3D-пространство, и все движется, как в играх. С другой стороны, в тренажерах очень много статичных объектов, а в сценарии гораздо важнее совершить правильную последовательность действий, чем чтобы все вокруг было максимально красивым. Собственное "ядро" позволяет нам значительно ускорить процесс разработки и открывает неограниченные возможности для детальной проработки сценариев», — комментирует Сергей Дунаев, генеральный директор «Северсталь-инфоком».

Второе отличительное качество их продукта — реальность масштабов и деталей конкретных объектов. Это позволило начать разработку программно-аппаратной VR-системы. Пока это игровое кресло с вибродатчиками, педалями, рулем и копией системы управления реальным оборудованием. Все для того, чтобы максимально приблизить тренировку к реальности. Потому что VR-управление фронтальным погрузчиком и реальное вождение очень отличаются друг от друга.

«Наша задача — чтобы человек мог пройти VR-обучение и в первую же смену выйти на полноценную работу», — добавляет Сергей Дунаев.

«Потому что мы совсем не пытаемся их повторить, — объясняет Алексей Парасына, генеральный директор "Норсофт". — Мы многое меняем: от подхода к управлению данными до интерфейса и режимов работы. Математические модели и алгоритмы такого проектирования и планирования универсальны, а библиотеки те же, но, опираясь на опыт, мы делаем новый продукт».

«Мы разрабатываем комплексное решение, в котором учитываются все бизнес-процессы в рамках всего экскаваторно-железнодорожного комплекса. Подобные решения, конечно, существуют, но они не такие полные. Иностранные аналоги решают задачу транспортировки по "методу челнока". Нам это не подходит — слишком много мест погрузки и выгрузки, ограничений по качеству материала, ж/д инфраструктуре для перевозки. Добыча и транспортировка тут многовариантные. И в каждый момент времени из этих вариантов нужно выбрать оптимальный», — отвечает Юлия Перепечина, директор кластера проектов Цифровой Трансформации «Джей Эс Эй Групп».

«Во-первых, западный продукт разрабатывался как некий универсальный стандарт. Они исходили из усредненных процессов, присущих непрерывному производству. С одной стороны, он универсален, с другой стороны, степень "допиливания" для каждого клиента была высока, — говорит Сергей Дунаев, генеральный директор "Северсталь-инфоком". — Когда мы создаем отраслевой продукт здесь, мы формируем концепцию системы, учитывая мнение крупнейших игроков рынка. Продукт получается более кастомным и подходящим под российскую отрасль».

«Во-вторых, дело в архитектуре систем. Тот софт создавался в 1980-1990-е годы и потом совершенствовался, но внутри у него оставались старые фрагменты — те фрагменты, которые мы сегодня делаем на открытых базах данных, на собственной разработке. Наш продукт более молодой», — добавляет Сергей Дунаев.

«В-третьих, мы хотим, чтобы интерфейсы наших решений были похожи друг на друга, ведь системы [MES "Металлургия" и Система интегрированного планирования] сопряженные — планирование, переходящее в детальный учет. Они должны хорошо интегрироваться друг друга, как приложения одного семейства. Открываешь Word и PowerPoint и видишь, что кнопки в общем-то одинаковые».

«Мы стараемся сделать интерфейс интуитивным, но учитываем, что люди будут работать на разной технике с мониторами разного разрешения. В общем, он будет консервативно современным», — подводит итог Сергей Дунаев.

«Наша задача — сделать продукт для молодых ребят, которые только пришли на рудник, — рассказывает Алексей Парасына из "Норсофта". — Мы понимаем, что к нам приходят пользователи, которые выросли на айпадах, для которых наличие физической клавиатуры непривычно. Открываешь старую систему вроде ГГИС, а там 60 кнопок. Как пульт управления самолетом, все в пиктограммах — поди выбери, что тебе нужно. Меню должно быть контекстным, какая задача — такой и функционал».

«Что касается старшего поколения, сейчас привыкать будет проще, ведь аналогом нашей системы они уже пользуются, а у современного поколения вообще выше адаптивность к технологиям, — продолжает Алексей Парасына. — Конечно, будут истории в духе: "А я раньше нажимал 50 иконок, а как теперь сделать то же самое?" Кривая обучения будет... кривой, но все готовы пробовать, тестировать. Справимся!»

Индустриальные центры компетенций в ключевых отраслях экономики созданы для замещения зарубежных IT-решений и разработки новых цифровых продуктов для российского бизнеса.

«Программное обеспечение в значительной степени сейчас под ударом и в дефиците как по железу, так и по софту. Идет работа над восстановлением этих позиций. Мы, вся страна, пошли по хорошему пути — образуем консорциум единообразных заказчиков, которые выступают якорными инвесторами, якорными заказчиками такого рода продукта, — сказал Владимир Потанин, глава "Норникеля", в интервью РБК. — Координируется это все ребятами из "Северстали" — у Мордашова (председатель совета директоров "Северстали". — Прим. ред.) очень хорошие ребята работают. Мы с ними вместе занимаемся созданием нового программного продукта, который сразу бы делался не для одной конкретной компании, а мог быть транслирован по всей отрасли и даже на межотраслевом уровне».