Представьте, что огромный завод можно разобрать на части и собрать заново прямо в браузере, не трогая ни одной настоящей трубы. Пустить вдвое больше сырья, поменять насос, разогнать всё на полную и посмотреть, что будет. Если что‑то сломается, то только на компьютере.

Без такой компьютерной копии сегодня не построишь ни один большой завод. А писали такие программы десятилетиями только за рубежом. В 2022 году иностранные компании начали уходить из России и забирать свой софт с собой.

Меня зовут Сергей Кирясов, я старший менеджер в Цифровом СИБУРе. Сам я не программист, а пользователь, из тех, для кого этот софт и делают. Расскажу, как мы из этой ситуации выбираемся. Если коротко, то четыре крупные компании сели писать замену с нуля.

Что такое цифровой двойник и что он умеет

Многие вещи вокруг нас сделаны из нефти и газа: упаковка, одежда, корпус телефона. Но газ с месторождения не становится пластиком одним махом. Между ними цепочка заводов, и каждый делает свой шаг.

От скважины до готового полимера поток проходит через несколько заводов подряд, и на каждом с ним делают что‑то своё. Сначала газ чистят и разбирают на части. Потом в печах пиролиза при 800–900 градусах большие молекулы ломают на простые кирпичики: этилен, пропилен. Из них потом собирают пластик.

Нас интересует первое звено. 

Со стороны завод — это набор труб, колонн и железных бочек. На самом деле каждая железка делает свою работу: колонна делит смесь на части, теплообменник греет или охлаждает, насос гонит поток дальше.

Компьютерную копию завода называют цифровым двойником, и бывает он двух уровней.

Первый похож на авиасимулятор: он отвечает на вопрос «а что будет, если?». Что будет, если подать вдвое больше сырья. Что будет, если поставить трубу пошире. Инженер крутит копию так и сяк, а настоящий завод продолжает работать.

Второй уровень это уже автопилот: такой двойник подключён к датчикам живого завода, сам анализирует и подкручивает процесс. Например, добавляет нагрев или снижает давление, когда нужно.

Разберёмся, что программа считает.

Начнём с самой простой детали. Вещество течёт по трубе от начала до конца. Казалось бы, что тут считать. Но труба внутри не идеально гладкая, поэтому по дороге давление у вещества падает. А ещё оно нагревается или остывает от стенок, от воздуха снаружи.

Все знают, что вода кипит при 100 градусах. Но при этих же ста часть воды ещё остаётся водой, а часть уже стала паром: температура одна, а ведут себя они по‑разному. Это называется фазовым состоянием.

Для каждого участка трубы программа считает, под каким давлением и при какой температуре идёт смесь. И в каком она фазовом состоянии: где газ, где жидкость, а где вот‑вот закипит.

А теперь умножьте одну трубу на тысячи. Друг за другом на заводе стоят нагреватели, холодильники, насосы, колонны, и таких аппаратов тысячи. И вещество не одно: даже газ, с которого у нас всё начинается, это смесь метана, этана, пропана, бутана и других. Дальше по цепочке их становится только больше.

Деление держится на одном физическом законе: чем тяжелее газ, тем охотнее он превращается в жидкость на холоде. Метан остаётся газом почти до −160 градусов, а пропан с бутаном сдаются куда раньше. Значит, смесь достаточно грамотно остудить, и тяжёлое выпадет каплями, а лёгкое останется газом. Дальше их разводят по разным трубам.

Сначала сырьё охлаждают. За охлаждение отвечают теплообменники (охлаждают другим продуктом), холодильники (охлаждают водой) и аппараты воздушного охлаждения: большие вентиляторы продувают воздух сквозь трубы с горячим газом и забирают тепло.

Потом смесь грубо делят. Подстуженный газ с каплями жидкости заходит в сепаратор, вертикальную бочку. Внутри всё как в стакане газировки: тяжёлое (жидкое) оседает вниз, лёгкое (газообразное) уходит вверх. Газ сверху охлаждают ещё раз, в турбодетандере: там он резко расширяется и остывает. Часть его тут же превращается в жидкость.

Дальше идёт колонна, главный аппарат. Высокая башня с десятками тарелок одна над другой. Внизу её греют, сверху держат холод. Пар поднимается вверх, жидкость стекает вниз. Повтори так десятки раз по высоте, и наверху останется почти чистый лёгкий газ, а внизу соберётся всё тяжёлое.

На выходе получаются два продукта. Сверху уходит сухой газ, его дожимает компрессор и отправляет на топливо. Снизу собираются жидкие тяжёлые углеводороды, их называют ШФЛУ (широкая фракция легких углеводородов). Насос выкачивает их и гонит дальше по цепочке.

Весь этот путь, от первого охладителя до насоса на выходе, программа просчитывает целиком.

Зачем инженеру всё это считать

У инженера‑технолога две задачи, и именно в таком порядке: сначала чтобы завод работал безопасно, потом чтобы работал выгодно. Тут помогает простой закон: вещество и энергия не берутся из ниоткуда и не исчезают. Сколько сырья и тепла зашло в аппарат, столько должно и выйти. Инженер сводит этот баланс по всей цепочке, а потом ищет, где можно выгадать.

А ищет он прежде всего узкие места, там, где процесс упирается в одну конкретную железку и не даёт разогнаться.

Установка рассчитана на 90 тонн сырья в час, а нужно прокачать 100. Инженер видит: насос на 90 тонн столько не вытянет, нужен помощнее. Но одного насоса мало: труба за ним тоже не рассчитана на сотню. Поменяешь только насос, упрёшься в трубу, и прироста не будет. Менять надо сразу и насос, и трубу.

На настоящем железе такую ошибку оплачивают деньгами, временем и нервами: поменяли насос, а сотни всё равно нет. В программе вся цепочка видна заранее, и оба узких места находятся за несколько минут.

И это ещё простой случай. Бывает хитрее. Производительность нужна та же, но состав сырья изменился. В этом году попутный газ одной пропорции, на следующий год другой. Узкие места под новую смесь сдвигаются по схеме. Вручную столько не перебрать. А программа считает всю схему разом.

Из таких улучшений набегают серьёзные деньги: эффект от проектов с моделированием идёт у СИБУРа на сотни миллионов рублей в год.

Но больше всего приносит не разовый расчёт, а двойник, который работает без остановки. Лучше всего это видно на печи пиролиза. Двойник держит режим в реальном времени: пересчитывает под сегодняшние цены, при какой температуре и каком расходе печь работает выгоднее всего, и сам подкручивает процесс. На ту же тонну продукта уходит меньше сырья и энергии, а выпуск растёт. На действующих производствах это приносит около 670 миллионов рублей в год.

Двойник экономит не только на режиме. Внутри труб печи постоянно нарастает кокс, твёрдый нагар. Если вовремя не почистить, труба перегреется и прогорит. Тогда печь встаёт на аварийный ремонт, это 14 дней простоя. Двойник заранее просчитывает, когда нагара станет слишком много, и подсказывает момент для чистки. По плану это 3–5 дней. Таких печей по стране около сотни. И везде ремонт по плану экономит деньги.

Что будет, когда закончатся лицензии

Когда почти вся отрасль сидит на софте одного зарубежного поставщика, его уход бьёт по всем сразу. А размах тут серьёзный: на такие программы в мире тратят около пяти миллиардов долларов, и в России 95% рынка занимала одна компания Aspentech.

Лицензии мы закупили впрок. Но лицензия как абонемент: однажды кончается, и день этот известен заранее. Новых не продают, поддержки нет, обновлений нет.

Можно, конечно, скачать пиратку, так многие и делают. Но это тупик. У пиратки нет ни поддержки, ни развития. На ней не выучишь новых инженеров в вузах. И главное, её нельзя подключить к управлению реальным заводом: пиратский софт в контур живого производства никто в здравом уме не пустит.

Чем это грозит на деле, показал случай в Перми.

Те же печи пиролиза работают и на «СИБУР‑Химпроме». Только их режим держал не наш двойник, а зарубежный софт Spyro. Когда иностранные компании начали сворачивать работу в России, доступ к лицензии оказался под угрозой. А простой такой системы стоил бы до 4,5 млн рублей в месяц.

Замену мы собрали на собственной разработке за три месяца. С этого и начался наш двойник печи пиролиза. И стало ясно: точечными заменами всю отрасль не закроешь, нужна полноценная платформа.

Как мы пишем замену с нуля

Писать замену в одиночку затея неподъёмная. Поэтому СИБУР объединился с тремя другими промышленными компаниями из смежных отраслей — нефтепереработки, газопереработки и производства удобрений. Вместе сели делать общую платформу с нуля.

Делать с нуля пришлось не от хорошей жизни, но это и шанс. Зарубежный софт построен на устаревшей основе: тяжёлая программа, которую ставят на отдельный компьютер. Сами разработчики годами обещают переписать её на современный лад, но так и не берутся, задача огромная. А мы, начиная заново, можем сразу сделать то, до чего они не дошли.

Платформа открытая: к ней можно подключать сторонние модули и писать свои на встроенном языке, похожем на Python. Так быстрее догонять то, что у конкурентов копилось годами.

Что под капотом, для тех, кому интересно

• Микросервисная клиент‑серверная архитектура, автомасштабирование на Kubernetes.

• Расчётные модули на C++ и Java, параллельные вычисления, кэширование на Redis.

• REST/gRPC API для подключения и разработки своих расчётных модулей.

• На старте 250+ химических компонентов, 6 термодинамических пакетов, 15+ единиц типового оборудования, 15+ различных утилит для анализа и оптимизации процесса.

• Приёмка против эталонного ПО (Aspen): десятки тысяч сценариев на каждый тип расчёта — по точности, скорости и надёжности.

Осталось доказать, что программа не просто рисует красивые цифры, а считает правильно.

Мы сверяем её с референсом, тем самым Aspen Plus и Aspen Hysys. Каждый расчётный модуль прогоняем через десятки тысяч сценариев, включая заведомо кривые, и смотрим, насколько результат расходится с оригиналом. При этом если находим некорректные расчеты в референсом ПО, разбираемся и в своем решение дорабатываем методики.

Вот реальный процесс, разделение попутного газа. Слева наши числа, справа Aspen:

Чего пока не умеем

Самое сложное в нашей отрасли мы пока закрыть не смогли. Это строгий расчёт реакторов, в том числе процессов полимеризации и динамика, когда нужно посчитать не застывший режим, а как процесс меняется во времени. 

Один из наших рекордных результатов — мы заметно продлили срок работы реактора между ремонтами. Но сделан он на западном Aspen ProMV. Российского аналога этой программы пока тоже нет, но разработка уже идет. Расскажем об этом в отдельной статье

И ещё одно. Платформа пока не доведена до полного набора возможностей. Ядро готово примерно на 90 процентов, опытная эксплуатация начинается в 2026 году. А часть функций, о которых я рассказываю, это план на ближайшие этапы, а не уже сделанная работа.

Финал

Но писать своё стоит даже не ради лицензий. Главное, на чём будут учиться будущие инженеры.

Пока студенты в вузах работают на зарубежных программах, они и мыслят в чужой логике. И потом проектируют так же, с оглядкой на чужие решения. Если с самого начала будет свой инструмент, то и школа вырастет своя.

Заменить одну программу — это полдела. Куда важнее перестать всё время догонять.

А как у вас в отрасли с заменой такого софта? Сидите на остатках западных лицензий, нашли отечественное решение или собираете своё? Расскажите в комментариях, мне правда интересно, кто как выбирается из этой ситуации.

Подписывайтесь на наш тг‑канал. Он полезен айтишникам, которые хотят понять, что реально происходит в промышленном ИТ.

Там мы рассказываем о цифровых технологиях для производства — от IIoT и аналитики до инженерных инструментов и ИИ. Делимся кейсами, экспериментами, новостями и выкладываем вакансии.