Когда иностранные вендоры приостановили работу в России, под угрозой оказалось внедрение систем на производстве этилена и пропилена. Без критически важного программного обеспечения Spyro производство могло столкнуться с серьёзными экономическими потерями. 

Я, Вячеслав Базанов, руководитель проекта, и моя команда инженеров и аналитиков из Цифрового СИБУРа взялись за разработку собственной модели прогнозирования. Это был вызов по масштабу и срокам, но мы справились и за три месяца создали решение, которое не только заменило прежнюю систему, но и улучшило её эффективность. Добро пожаловать под кат — расскажу, как мы это сделали.

Как цифровые технологии меняют производство

Речь идёт о двух инструментах: APC (Advanced Process Control) и RTO (Real-Time Optimization). Что это за монстры такие? Давайте разберёмся по порядку.

APC — это как автопилот для производства. Представьте себе самолёт, который плавно регулирует органы управления, чтобы поддерживать заданный курс на высоте нескольких тысяч метров при минимальном вмешательстве пилота. Точно так же APC плавно управляет производственным процессом, опираясь на изменения во времени. Система получает данные с приборов, анализирует их и, если какой-либо параметр отклоняется от курса, предпринимает эффективные шаги для его возвращения в стабильное состояние.

RTO же — это следующий уровень: он отвечает не просто за стабильность, а за оптимальность процесса. Этот инструмент подбирает такие параметры работы всего производства, чтобы на выходе получить максимум пользы: меньше затрат, больше продукции, выше качество. Если APC — это автопилот, который держит курс, то RTO — это умный навигатор, который прокладывает оптимальный маршрут, учитывая пробки и погодные условия.

APC и RTO — неразделимая команда. Один стабилизирует работу на уровне установки, другой помогает сделать её максимально выгодной для всего производства. Вместе они делают так, чтобы завод работал эффективно и гладко, а операторы могли управлять процессом без лишней суеты и ошибок.

Системы класса APC и RTO применяются в самых разных технологических процессах. В данном материале речь пойдёт о реальном кейсе их применения на производстве этилена и пропилена на Сибур-Химпроме в Перми.

Что такое печи пиролиза и как в работе с ними помогают APC и RTO

Сердце производства этилена и пропилена — печи пиролиза. Именно здесь происходит распад этанового, пропанового и бутанового сырья на широко применяемые в промышленности этилен, пропилен и бутилены. Управление на этом узле определяет, что будет находиться в приоритете производства — этилен, пропилен или МТБЭ.

В данной ситуации система RTO выступает в качестве помощника и советчика для технолога и производственного персонала. Благодаря информации по кинетике и термодинамике процессов, заложенной в технологическую модель RTO, можно с лёгкостью подбирать оптимальное значение параметров на печах пиролиза (расходы сырья, соотношение пар/сырьё, температуры на выходе из печи) для достижения целей по выпуску продуктов и обеспечения их максимальной выработки. Далее эти оптимальные параметры передаются в APC, которая поддерживает их за счёт управления основными потоками, поступающими в печи пиролиза. 

Важно уточнить, что на производстве этилена и пропилена используют не только печи пиролиза, но и установки низкотемпературного разделения газов, а также проводят ректификацию сжиженных газов. При этом APC работает на всех перечисленных блоках, обеспечивая управление технологической цепочкой всего производства — от поступления сырья до выпуска готовой продукции.

Когда уходят привычные инструменты

При разработке наших цифровых инструментов использовалось ПО иностранного производства. И когда в 2022 году ряд иностранных вендоров, включая Honeywell, Siemens и Technip, приостановили деятельность в России, это поставило под угрозу внедрение системы APC и функционирование RTO.

Если в случае с APC проблемы возникли на финальной стадии внедрения — пришлось перенимать работу в свои руки и в спешке искать нового подрядчика, — то с RTO ситуация была куда сложнее. Система RTO зависела от иностранного программного обеспечения Spyro, которое использовалось для расчёта различных сценариев работы печей пиролиза, необходимых оптимизатору для выбора наилучшего. Этот инструмент был своеобразным мозгом RTO, и без него вся система могла встать. Потеря доступа к лицензии означала не только технологический сбой, но и потенциальные экономические потери до 4,5 млн рублей в месяц.

Собственное решение: от идеи до воплощения за три месяца

Когда стало ясно, что доступ к иностранной системе Spyro будет утерян после окончания срока действия лицензии, мы не стали долго размышлять — нужно было действовать. Команда инженеров проекта и аналитиков из Цифрового СИБУРа решила разработать собственную модель, которая сможет прогнозировать компонентный состав продукта пиролиза для производства не хуже, чем иностранный аналог. Это было сложной задачей, но именно такие часто открывают путь к новым возможностям.

За основу были взяты исторические данные с датчиков и приборов, которыми оборудованы существующие печи. В ходе обработки из них было выделено более полумиллиона уникальных записей, связывающих различные технологические режимы, составы сырья и выходных продуктов. Эти данные позволили построить модель, которая учитывает множество параметров.

RTO рассчитывает оптимальный режим работы в реальном времени. Для этого встроенному в систему оптимизатору при поиске оптимального решения требуется выполнить несколько сотен обращений к модели пиролиза. Таким образом модель должна быть быстрой. При этом модель должна одновременно прогнозировать более полутора сотен продуктов установки и косвенных характеристики её работы (multi-target regression). Поэтому для оперативной выдачи необходимых прогнозов была использована следующая схема:

• сначала алгоритм KD-Tree производит поиск кейсов, похожих на запрос, в многомерном пространстве обучающих данных;

• усреднив найденные решения, мы получаем расчёт для всех компонентов пирогаза одновременно;

• затем проводится итоговое уточнение прогноза только для ключевых продуктов с помощью ансамбля древовидных моделей.

В результате, мы добились точности прогнозирования более 90%, уменьшив при этом время расчета модели. Это обеспечило качество работы системы даже лучше, чем у прежнего решения.

Модель была реализована в виде веб-приложение и развёрнута на локальном хосте системы сервера RTO. Использование веб-технологий вместо традиционных подходов в автоматизации (OPC, ODBC) позволило снизить затраты на развертывание и сократить время выхода на рынок (time to market).

Работа над моделью шла стремительно — вся разработка и интеграция с системой RTO заняли всего три месяца. И уже в октябре 2022 года обновлённая система RTO была запущена — это позволило продолжить оптимизацию технологических процессов без перебоев. Такое решение дало возможность не просто заменить иностранную модель, но и сделать систему ещё более адаптированной под наши задачи и условия.

Преимущества новой системы

Что в итоге дало нам разработанное решение? Ответ прост: профит на всех уровнях. Модель, созданная на основе наших данных, позволила удержать RTO в рабочем состоянии и принести ощутимые выгоды для производства, сотрудников и всей компании.

• Наша новая модель позволяет экономить около 5 млн рублей в месяц. А за весь период её работы с октября 2022 года эффект превысил 50 млн рублей. Это стало возможно благодаря оптимизации технологических процессов — снижению затрат на топливо и увеличению выпуска целевых продуктов, таких как этилен, пропилен и бутилены.

• Внедрение новой системы позволило повысить степень автоматизации производства. Меньше ручного вмешательства — стабильнее процесс, выше качество, и, как результат, мы стали более экологичными: удалось снизить эмиссии углекислого газа примерно на 700 тонн в год, а также уменьшить потребление топливного газа на 250 тонн в год.

• Наконец, новый подход к работе с данными и моделями позволил накопить экспертные знания внутри компании и поделиться ими с другими площадками компании.

Что дальше?

То, что началось как экстренный план по спасению производства, теперь открывает новые перспективы. Наш опыт разработки собственной модели RTO оказался настолько успешным, что его можно и нужно масштабировать на другие производства СИБУРа и даже за его пределы. К примеру, мы похожим образом внедрили модели пиролиза для бензинового сырья, и такие проекты продолжают набирать обороты.

Для того, чтобы система продолжала функционировать с сохранением точности при изменении сырья или других параметров, которые сильно отличаются от обучающей выборки команда из цифрового СИБУРа уже начала разработку модели на основе фундаментальных законов химии и физики процессов. 

Но самое главное — мы двигаемся к созданию автономного производства. Представьте себе завод будущего, где всё работает слаженно и автоматически, как единый организм. Несколько цифровых систем — RTO, APC и другие инструменты — будут интегрированы в одну умную систему, которая будет управлять производством в режиме реального времени и предлагать оптимальные решения для текущих задач планирования.

В перспективе мы видим, что наш опыт и решения могут быть интересны не только СИБУРу, но и другим промышленным компаниям, которые также стремятся к цифровизации и оптимизации процессов. Наш проект стал важным шагом к технологической независимости, и, мы уверены, он приведёт к тому, что умные цифровые инструменты станут незаменимыми помощниками профессионалов на производстве.