Что такое полностью оцифрованное производство
В настоящее время повышенное внимание уделяется оптимальному управлению производством. В то время, когда большинство производителей видят решение своих проблем во внедрении MES и ERP систем конкурентное преимущества получают фирмы, которые кроме решения задачи «как управлять?» решают задачу «что изменить?». Например, одно из металлургических предприятий получило экономический эффект более 6000 000 $ в год изменив в конвертерном производстве методику назначения слябов в заказы и на дальнейшую обработку.

Данный пример особенно показателен тем, что он, достигнут за счет оцифровки металлургического производства, реализации слежения за материалом и аналитической проработки исторических данных о производстве. Все это невозможно без новых систем уровня предприятия заточенных на производственную аналитику.

Но что понимать под «оцифрованным производством»? Кажется, что оснащение производства современными системами автоматизации приводит к оцифровке практически всех получаемых данных. Данные о технологических процессах есть в АСУ ТП агрегатов, данные о производстве в MES системах, данные о заказах в ЕРП.

При этом давайте представим себе работу аналитика, который на основе всех этих данных должен выдать рекомендации об изменении производства, принятию той или иной методики или дать рекомендации о модернизации тех или иных участков. Он вынужден будет получить отчеты с множества разнородных систем о выпуске продукции. При этом, естественно, один человек не может работать со всеми системами АСУ ТП со всех агрегатах на всех переделах, во всех MES системах и одновременно в ERP.

Так наш гипотетический аналитик обрастает коллективом, который занимается для него сбором данных. Но, даже получив все отчеты (пренебрежём тем, что некоторые системы хранят данные весьма ограниченное время), нужно сопоставить полученные данные между собой. Показания КИП нужно привязать к единицам продукции, единицы продукции нужно привязать к заказам. Единицы продукции нужно связать между собой через генеалогию (Плавка, сляб, рулон или лист). А если понадобятся дополнительные данные? Все начинать сначала и сколько времени это займет?

Рисунок 1 - Необходимость сопоставить между собой отчеты разнородных систем может привести к невозможности решить поставленную задачу за обозримый промежуток времени

Полностью оцифрованное производство это нечто большее, чем множество систем уровня цеха и уровня предприятия, в которых содержаться данные о производстве.
Построить систему полностью оцифрованного производства, означает дать возможность использования максимального количества информации для принятия решений в реальном времени. Чем больше данных — тем надежнее вывод!
При этом решение данной задачи должно быть комплексным.
Нет смысла покупать аналитическую систему, если нет сбора данных.
Если сбор данных есть, данные необходимо привязать к единицам продукции.
Для привязки данных к единицам продукции необходимо осуществить слежение за материалом и для каждой единицы продукции иметь генеалогию производства.
В комплексе задачу полностью оцифрованного производства решают три продукта фирмы «ДАТА-ЦЕНТР Автоматика»:
DATA-TRACK – система слежения за перемещением материала на предприятии на складах, на агрегатах, между агрегатами. Система автоматически фиксирует перемещение материала, и кроме того, обеспечивает сбор данных о производственном процессе на каждом переделе, с привязкой собранных данных к единице продукции.
EXPERT BASE – система производственной аналитики. Обеспечивает обработку собранных данных. Превращает анализ и совершенствование производства в непрерывный бизнес-процесс на предприятии.
АС ВМП – автоматизированная система выпуска металлургической продукции. Позволяет не только анализировать данные, но и использовать разработанные аналитические модели для оптимизации и управления производством в реальном времени.

Слежение за материалом. Система DATA-TRACK.

Назначение продукта

Автоматический тотальный контроль перемещения материала на производстве:

• Кранами и передаточными тележками на складах.
• Перемещение между агрегатами на производстве: на рольгангах, кранами и передаточными тележками.
• Перемещение материала по агрегату.
• Тотальный сбор данных с датчиков агрегата о преобразовании материала на агрегате.
• Автоматический учет продукции на входе и выходе агрегата

Что продукт дает бизнесу
• Автоматический, с исключением человеческого фактора, контроль движения материала.
• Исключение случаев, когда на последующем переделе заготовки, сфабрикованные под один, заказ попадают в другой заказ и потребителю отгружается не надлежащая продукция.
• Сбор и накопление данных о фактических параметрах производства на каждом переделе для принятия решения об оптимизации производства.
• Контроль качества в реальном времени. Сравнение фактического значения параметров с допусками из операционных и технологических карт. Расчет показателей качества в реальном времени.
• Контроль наработки на каждый технологический узел в тоннах, метрах, секундах, штуках.
• Контроль потребления энергоресурсов (вода, газ, электроэнергия и т.д.) с привязкой ко времени или к единицам продукции (расход на единицу, расход на партию, расход на тонну и т.д.)
• Точная фактическая генеалогия производства каждой единицы продукции, отслеживание связей родитель-потомок для каждой единицы продукции с привязкой фактических параметров производственного процесса к каждой единице продукции.
• Улучшение пропускной способности складов и использования складского пространства не менее чем на 20%.  

Рисунок  - Фрагменты окон системы. Слева фрагмент отчета по качеству. Справа фрагмент отчета по расходу энергоресурсов

Как это достигается?
Для слежения за перемещением материала по складу на кранах устанавливаются видеокамеры и/или лазерные сканирующие устройства фиксирующие факт взятия/постановки груза на место хранения или на транспорт (ж/д платформа, автомобильный транспорт, передаточные тележки или рольганги).

Рисунок 3 - Фрагмент окон системы. Крайний слева фрагмент 3D визуализации склада рулонов, далее фрагмент видеопотока с камеры, установленной на кране. Система зафиксировала взятие рулона краном и готова отследить дальнейшее перемещение рулона. В середине фрагмент окна системы отражающей перемещение материала в прокатном стане. Справа система с помощью лазерного сканирования определяет положение вагона и размещение рулонов в вагоне

Для слежения за перемещением материала на рольгангах, передаточных тележках и шлепперах видеокамеры и/или устройства лазерного сканирования располагаются так, что перекрывают пространство перемещения единиц продукции. С помощью программного обеспечения на транспортных механизмах выделяются объекты (единицы продукции) и производится контроль их перемещения.
При движении материала по холодильникам единицы продукции могут двигаться параллельно и партии продукции, зашедшие на холодильники первыми, не обязательно первыми выходят. На выходе с холодильников партии продукции могут появиться в произвольном порядке. Задача автоматического отслеживания продукции на холодильниках решена фирмой ДАТА-ЦЕНТР впервые. Приоритет подтверждён патентом.

Рисунок 4 - Фрагменты окон системы. Слева фрагмент визуализации системы при движении материала по холодильникам. Справа видеопоток одной из камер системы

Там где слежение описанными выше методами затруднено применяются этикетки со штрихкодом, считывание маркировки изделий или RFID метки.

Рисунок 5 - Считывание маркировки изделий на Арселор Миттал Темиртау (Казахстан) и Ижорском трубном заводе (Колпино)

Например, на Ижорском Трубном заводе в линии ТЭСЦ на участке задачи листа производится распознавание листа и номера и его номера. Также на линии ТЭСЦ для обеспечения автоматической идентификации трубы на дальнейших переделах используется метод радиочастотной идентификации (RFID). Для этого метки программируются и устанавливаются на трубу с помощью магнита.
После прохождения участка окончательной приемки труб RFID метки снимаются
 

Система слежения за материалом (ССМ) на агрегате работает на основании данных, поступающих в систему от всех датчиков расположенных на агрегате и смежных систем АСУ ТП.

Рисунок 6 - Схема устанавливаемого и подключаемого оборудования в ССМ и линии слежения

Система слежения состоит из линий слежения. Линия слежения – участок агрегата, на котором единица продукции (ЕП) последовательно проходит технологические узлы, рольганги и датчики движения.
ССМ принимает сигналы с различных источников в линии. Источники данных и их тип определяются в конфигурационном файле. Данные привязываются к единице продукции и передаются на сервер БД ССМ, а затем в MES.
Данные, необходимые для слежения в конфигурационном файле, определяются как датчики наличия металла. Их срабатывание (переход с одного уровня на другой) будет вызвать коррекцию положения координат головы и хвоста заготовки в системе слежения. В качестве датчика наличия может выступать также любой измерительный датчик. Для слежения важна смена его состояния.
Итогом работы ССМ является сменный рапорт, в котором отражается прохождение всех единиц продукции через технологические узлы и параметры производственного процесса на всех технологических узлах с датчиков агрегата. Определяется фактическая загрузка агрегата, простои, соответствие параметров обработки нормативам.

Количество внедрений.
С 2008 года более 80 внедрений на предприятиях черной металлургии в России и Казахстане.

Аналитическая система EXPERT BASE
Назначение продукта
Система предназначена для принятия управленческих решений по изменению процесса производства на основе большого и пополняемого в реальном времени набора исторических данных о производстве.
В отличие от систем управления производством, система для управления изменениями в производстве предлагается впервые.
Изменения могут касаться, например, правил отбраковки заготовок на переделах, технологических и маршрутных карт, логистики перемещения материала, принятых бизнес процессов предприятия.
Система позволяет руководству компании и начальникам подразделений, технологическому персоналу анализировать производственный процесс, оценивать его состояние по ключевым показателям, оценивать факторы, влияющие на качество продукции, и степень выполнения заказов.
Система дает возможность по итогам глубокого анализа принять управленческие решения по изменению производства и в конечном итоге выиграть в эффективности бизнеса.
Что продукт дает бизнесу

• Эффективное производство.
• Эффективность бизнес-процессов организации является объектом постоянного анализа и контроля, что позволяет лучшим образом перестраивать управленческие и производственные процессы.
• Совершенствование и оптимизация производства становится постоянно действующим бизнес-процессом на предприятии

Как это достигается
Архитектура системы предполагает возможность подключения любых источников данных предприятия, не зависимо от того являются входные данные структурированными или нет. Идеальным источником данных для EXPERT BASE является DATA-TRACK, поскольку предоставляет данные предприятия вместе с генеалогией, но и при отсутствии систем слежения на уровне АСУ ТП EXPERT BASE способна принимать и согласовывать данные, как с уровня датчиков промышленной автоматики, так и с MES, и ERP уровня.
Данные в системе это постоянно достраиваемый граф производства. Для этого графа условно постоянной частью являются узлы, представляющие цеха и агрегаты (иерархия предприятия), и ребра возможных маршрутов движения единиц продукции. Постоянно нарастающей частью являются ребра, описывающие реальное движение продукции.
Всякая единица продукции на каждом этапе производства в системе EXPERT BASE имеет генеалогию и полный набор параметров, описывающих единицу продукции на каждом переделе.

 Рисунок 7 - Граф производства и иерархия производства

Система предусматривает:
• Единый интерфейс для доступа ко всем источникам данных.
• Использование привычных бизнес-терминов при построении аналитического запроса.
• Возможность самостоятельного построения (без программиста) нестандартных аналитических запросов
• Оригинальные аналитические и статистические графовые алгоритмы построения комитета несовместной системы линейных неравенств, позволяющие в конечном итоге получить наглядные деревья решений
• Стандартные корреляционные и регрессионные алгоритмы

Сколько поставок

Система EXPERT BASE внедрена в период 2008 по 2010 год на ПАО «Северсталь» в ходе проекта АС СКП «Технология». Данный проект был шире, чем просто внедрение EXPERT BASE и предусматривал дополнительно развертывание DATA-TRACK для основных переделов, а также монтаж новых датчиков на существующее оборудование.
В ходе работ в рамках проекта АС СКП «Технология» фирма «ДАТА-ЦЕНТР Автоматика» осуществила интеграцию данных АСУ ТП и MES систем комбината в единое информационное пространство, осуществлен сбор данных более чем от 7000 источников.
Что касается задач изменения производства, то наиболее показательным примером может служить полученная с помощью системы EXPERT BASE экономически обоснованная методика назначения слябов конвертерного цеха штрипсовых сталей в заказы. См. статью ISSN 0038—920X. В журнале «СТАЛЬ». № 1. 2015 г. Подтвержденный экономический эффект в год превысил затраты на всю систему АС СКП «Технология».
 

Автоматизированная Система Выпуска Металлургической Продукции (АС ВМП)
Назначение продукта
Система предназначена для анализа производства с помощью моделей и принятия управленческих решений в реальном времени.
Данная система является результатом глубокой переработки системы EXPERT BASE для применения в реальном времени с использованием инструментов и технологии BIG DATA.
Существенным развитием системы является возможность использовать полученные путем анализа данных модели не только для анализа ситуаций «что будет, если», но и для принятия решений в ходе производства в реальном времени.
Практически система позволяет создать для всех производственных процессов путем машинного обучения «цифрового двойника».
Кроме уже присутствующих систем анализа данных, система дополнена возможностью построения имитационных моделей процессов преобразования ресурсов и коллективного поведения объектов (агентов в терминах имитационного моделирования) в условиях заданной системы потребностей и интересов.
Данная возможность предоставляет широкий спектр оптимизации не только технологических, но логистических и бизнес процессов. Позволяет оптимально решать задачи оперативного планирования
Что продукт дает бизнесу
• Эффективное производство. Увеличение прибыли.
• Эффективность бизнес-процессов организации является объектом постоянного анализа и контроля, что позволяет лучшим образом перестраивать управленческие и производственные процессы.
• Совершенствование и оптимизация производства становится постоянно действующим бизнес-процессом на предприятии.
• Работа в реальном времени дает возможность предпринимать корректирующие действия на ранних переделах и еще таким образом повысить эффективность производства
Как это достигается
Системы хранения и сбора данных переведены на решения в области Big Data. Big Data – это «серия подходов, инструментов и методов обработки структурированных и неструктурированных данных огромных объёмов и значительного многообразия для получения воспринимаемых человеком результатов.» (Википедия)
Совместно с одним из самых крупных российских университетов (Уральский Федеральный Университет) разработаны модули имитационного моделирования и модули оптимизации на основе генетических алгоритмов.
При визуализации работы имитационных моделей используется 3D мультипликация.
Сколько поставок
Прототип системы разработан в 2015 году. 
Модули имитационного моделирования были испытаны в кислородно-конвертерном цехе на ПАО «Северсталь». Решалась задача оптимизации перемещения плавок по конвертерному производству с помощью кранов и сталевозов.
 

Рисунок 7 - Фрагмент окон системы. Слева схема движения на производстве. Справа не оптимизированное и оптимизированное расписание. Один из завершенных производственных циклов помечен красной линией. Видно, что при оптимизированном расписании длительность цикла на 20% меньше

На основе, каких компетенций фирма «ДАТА-ЦЕНТР Автоматика» создает системы полностью оцифрованного металлургического производства.
Системы DATA-TRACK, EXPERT BASE и АС ВМП– это выверенная идеология, базирующаяся на многолетнем опыте по разработке и поддержке программного обеспечения промышленного назначения. «ДАТА-ЦЕНТР Автоматика» это:
• Анализ многомерных данных с 1993 года
• Машинное зрение, видеоаналитика с 1998 года.
• Складские системы с 1998 года.
• АСУ ТП с 2001 года.
• 3D моделирование и визуализация с 2004 года.
• Аналитические системы с 2010 года.
• MES уровень с 2003 года
Наш приоритет в области слежения подтвержден патентами и зарегистрированными программами.
• Патент на изобретение № 2573855. «Способ слежения за перемещением на производстве и в складских помещениях».
• Патент на изобретение №2577875 «Способ проверки сохранности груза при перевозке путем создания электронно - геометрической пломбы».
• Свидетельство о гос. Регистрации программы для ЭВМ №2014662444 DATA-ТRACK.
• Свидетельство о гос. Регистрации программы для ЭВМ № 2015613878 DATA-Scales (АСУ Весового хозяйства)
• •Свидетельство о гос. Регистрации программы для ЭВМ №211611453 EXPERT-BASE
Наши научные достижения подтверждаются монографиями, изданными в Москве и Берлине.
• Гайнанов Д.Н. Комбинаторная Геометрия и Графы в Анализе Несовместных Систем и Распознавании Образов. --- Москва: Наука, 2014. ISBN 978-5-02-039095.
• Gainanov D.N. Graphs for Pattern Recognition. Infeasible Systems of Linear Inequalities. --- de Gruyter: Berlin Munich Boston, 2016, to appear. ISBN 978-3-11-048106-8.
Фирма «ДАТА-ЦЕНТР Автоматика» в 2013 году совместно с Уральским Федеральным Университетом (УрФу) создала базовую кафедру «Аналитика больших данных и методы видеоанализа».
Руководит кафедрой Гайнанов Дамир Насибуллович (Президент фирмы «ДАТА-ЦЕНТР Автоматика»), представитель уральской школы методов анализа данных и распознавания образов, развиваемой в Институте математики и механики Уральского отделения Российской академии наук, лауреат премии правительства России в области науки и техники (2004), член-корреспондент Международной инженерной академии (1996).
Основная деятельность новой кафедры сосредоточена на исследованиях и практической реализации концепций Data Mining и Big Data в таких ключевых индустриальных секторах, как металлургия (оптимизация технологических процессов производства), железнодорожный транспорт (инновационные методы моделирования и оптимизации технологических процессов перевозок) и других. Научный коллектив кафедры ведёт ряд проектов в рамках федеральных целевых программ, финансируемых Министерством образования и науки РФ. Математические методы, используемые при выполнении данных проектов, включают глубинные исследования данных, алгоритмы оптимизации на графах, видеоаналитику, включая цифровую обработку изображений. Наличие базовой кафедры позволяет привлекать ресурсы кафедры и университета к выполнению проектов.
Клиентами фирмы «ДАТА-ЦЕНТР Автоматика» в металлургии являются: ОАО «ММК» г. Магнитогорск, ПАО «Северсталь» г. Череповец, ОАО «ВИЗ» г. Екатеринбург, ПАО «Уралмашзавод» г. Екатеринбург, ПАО «ОМЗ Горное оборудование и технологии» г. Санкт-Петербург, Качканарский ГОК «Ванадий» г. Качканар, ОАО «Трубная металлургическая компания» Северский трубный завод г. Полевской, Свердловская обл., ПАО «МЕЧЕЛ» г. Челябинск, ОАО «Уральская фольга» г. Михайловск Свердловская обл., ПАО «НЛМК» Новолипецкий металлургический комбинат г. Липецк, ПАО «Металлургический завод им. А.К.Серова» г. Серов, Свердловская обл., ОАО «Нижнесергинский метизно-металлургический завод» (ОАО «НСММЗ»), г. Н.Серьги, ОАО «НКМК» г. Новокузнецк, ОАО «Уральская сталь» г. Новотроицк, «АрселорМиттал» г Темиртау.
Цель нашего решения дать пользователю возможность достоверного анализа информации. Причем анализа намного более быстрого, чем это позволяла любая другая классическая технология.
Сегодня конкурентное преимущество получают те фирмы, которые в приемлемые для практики сроки могут в процессе своей деятельности анализировать миллионы событий, описываемых тысячами переменных.
История применения подходов BIG DATA на металлургических предприятиях только начинается.
Преимущества получат те, кто не опоздает в создании полностью оцифрованного производства.

Узнать больше