radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2025-28-2-107-116radioelectronics-999Research ArticleМЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫMETROLOGY, INFORMATION AND MEASURING DEVICES AND SYSTEMSПрименение технологии цифрового двойника в информационно-измерительных системахApplication of Digital Twin Technology in Information and Measurement SystemsБароноваВ. А.BaronovaV. A.

Баронова Василиса Андреевна – магистр по направлению "Приборостроение" (2024), аспирант кафедры информационно-измерительных систем и технологий

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Vasilisa A. Baronova – master in Instrumentation Technology (2024, Saint Petersburg Electrotechnical University), Postgraduate student of the Department of Information and Measurement Systems and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

vasilisabaron@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7764-0338РоманцоваН. В.RomantsovaN. V.

Романцова Наталия Владимировна – кандидат технических наук (2016), доцент (2023), доцент кафедры информационно-измерительных систем и технологий

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Natalia V. Romantsova – Cand. Sci. (Eng.) (2016), Associate Professor (2023), Associate Professor of Department of Information and Measurement Systems and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

nvromantsova@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation202503052025282107116Copyright © Баронова В.А., Романцова Н.В., 20252025Баронова В.А., Романцова Н.В.Baronova V.A., Romantsova N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/999

Введение. Статья посвящена созданию автоматизированной системы сбора данных узла учета тепловой энергии теплосети и разработке цифровой модели данной системы. Цифровые двойники широко используются в энергетике для оптимизации работы теплоэлектроцентралей (ТЭЦ): своевременного технического ремонта, прогнозирования различных аварийных сценариев, планирования производства тепловой энергии. Приводятся примеры рассматриваемых автоматизируемых систем, внедренные в производство. Актуальность работы заключается в возможности прогнозирования размеров дефектов трубопровода на основании измерительных данных и данных цифрового двойника.Цель работы. Разработка распределенной информационно-измерительной системы контроля теплоснабжения с внедрением цифрового двойника.Материалы и методы. Данные о теплоносителе: температура, давление и расход моделируются по нормальному закону распределения согласно тепловому графику ТЭЦ. Представлено математическое и алгоритмическое обеспечение для прогнозирования состояния технологического оборудования на основе данных о теплоносителе. Прогнозируется глубина каверны, возникающая в трубопроводе. В качестве критерия предельного состояния используется условие прочности. Для определения предельного действующего напряжения в стенке трубы используются ОСТ 153-39.4-010–2002 и формула Барлоу.Результаты. Были разработаны цифровой двойник системы контроля теплоснабжения; структура распределенной информационно-измерительной системы для узла контроля теплоснабжения; алгоритмическое и программное обеспечение для работы распределенной информационной системы; алгоритмическое и программное обеспечение для прогнозирования состояния трубопровода; проведена проверка работоспособности программного обеспечения в нормальном режиме работы и в режиме невозможности установления связи с сервером.Заключение. Применение технологии цифрового двойника в системе контроля теплоснабжения позволяет оптимизировать тепловой график объекта путем моделирования оптимальных значений теплоносителя, исходя из параметров окружающей среды, с погрешностью моделирования температуры воды в подающем трубопроводе Δt = ±5 °С при температуре окружающей среды от –8 до +3 °С.

Introduction. The article addresses the problem of creating an automated system for data collection from heat metering units, as well as a digital twin of such a system. Digital twins are widely used in the energy sector to optimize the operation of thermal power plants, including their timely maintenance, forecasting various emergency scenarios, or planning thermal energy production. Practical examples of such systems are presented. The relevance of this work lies in the possibility of predicting the size of pipeline defects based on both measurement and digital twin data.Aim. Development of a distributed information and measurement system for heat supply monitoring with the introduction of a digital twin.Materials and methods. The parameters of the heat-carrying agent, such as temperature, pressure, and flow, were simulated according to the normal distribution law and the thermal schedule of power plants. This information was further used to develop a mathematical and algorithmic support for predicting the state of technological equipment. The depth of a cavity defect which may occur in the pipeline was predicted. The strength condition was used as a criterion for the failure limit state. To determine the ultimate strength of the pipe wall, OST 153-39.4-010–2002 and the Barlow formula were used.Results. The obtained results include a digital twin of the heat supply control system, the structure of a distributed information and measurement system for the unit of heat supply monitoring, algorithmic and software systems for the operation of the distributed information and measurement system and for predicting the failure state of the pipeline. The software operability was verified in normal operation and in the absence of access to the server.Conclusion. The use of digital twin technology in heat supply monitoring makes it possible to optimize the thermal graph of the object by simulating the optimal values of the heat-carrying agent based on environmental parameters with an error in modeling the water temperature in the supply pipeline of Δt = ±5°C at ambient temperatures from –8 to +3 °C.

цифровой двойникузел учета теплоснабженияраспределенная измерительная системамоделирование данныхпрогноз язвенной коррозии трубопроводаdigital twinheat metering unitdistributed information and measurement systemdata simulationforecast of internal corrosion of the pipelineИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-20064, https://rscf.ru/project/24-29-20064/, а также гранта Санкт-Петербургского научного фонда (договор № 24-29-20064 от 22.05.2024).The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation № 24-29-20064, https://rscf.ru/project/24-29-20064/, and a grant from the St Petersburg Science Foundation (agreement № 24-29-20064 dated 05/22/2024).ReferencesИнформационно-измерительная система узла контроля магистрального теплопровода / В. В. Алексеев, В. С. Коновалова, Н. В. Романцова, А. В. Царёва // Мягкие измерения и вычисления. 2022. Т. 54, № 5. С. 16–26. doi: 10.36871/2618-9976.2022.05.002Alekseev V. V., Konovalova V. S., Romantsova N. V, Tsareva A. V. Information and Measuring System of the Control Node of the Main Heat Pipeline. Soft Measurements and Computing. 2022, vol. 54, no. 5, pp. 16–26. (In Russ.) doi: 10.36871/2618-9976.2022.05.002Куликов А. Н., Угреватов А. Ю., Углов П. В. Мини-ТЭЦ – объекты малой энергетики, и как их автоматизировать // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. 2023. Т. 80, № 5. С. 26–29.Kulikov A. N., Ugrevatov A. Yu., Uglov P. V. Mini-CHP Plants – Small Energy Facilities, and How to Automate Them. Industrial and heating Boilers and Mini-TPP. 2023, vol. 80, no. 5, pp. 26–29. (In Russ.)Сосфенов Д. А. Цифровой двойник: история возникновения и перспективы развития // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2023. № 4. С. 35–43. doi: 10.25198/2077-7175-2023-4-35Sosfenov D. A. Digital Twin: History of Origin and Development Prospects. Intellect. Innovations. Investments. 2023, no. 4, pp. 35–43. (In Russ.) doi: 10.25198/2077-7175-2023-4-35Sensor data and information fusion to construct digital-twins virtual machine tools for cyberphysical manufacturing / Y. Cai, B. Starly, P. Cohen, Y.-S. Lee // Procedia Manufacturing. 2017. Vol. 10. P. 1031–1042. doi: 10.1016/j.promfg.2017.07.094Cai Y., Starly B., Cohen P., Lee Y.-S. Sensor Data and Information Fusion to Construct Digital-Twins Virtual Machine Tools for Cyberphysical Manufacturing. Procedia Manufacturing. 2017, vol. 10, pp. 1031–1042. doi: 10.1016/j.promfg.2017.07.094Adaptive federated learning and digital twin for indus-trial internet of things / W. Sun, S. Lei, L. Wang, Z. Liu, Y. Zhang // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2021. Vol. 17, № 8. P. 5605–5614. doi: 10.1109/TII.2020.3034674Sun W., Lei S., Wang L., Liu Z., Zhang Y. Adaptive Federated Learning and Digital Twin for Indus-Trial Internet of Things. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2021, vol. 17, no. 8, pp. 5605–5614. doi: 10.1109/TII.2020.3034674Jeon S. M., Schuesslbauer S. Digital Twin Application for Production Optimization // IEEE Intern. Conf. on Industrial Engineering and Engineering Management (IEEM), Singapore, 14–17 Dec. 2020. IEEE, 2020. P. 542–545. doi: 10.1109/IEEM45057.2020.9309874Jeon S. M., Schuesslbauer S. Digital Twin Application for Production Optimization. IEEE Intern. Conf. on Industrial Engineering and Engineering Management (IEEM), Singapore, 14–17 Dec. 2020. IEEE, 2020, pp. 542–545. doi: 10.1109/IEEM45057.2020.9309874Схема теплоснабжения Санкт-Петербурга на 2020 г. Т. 1 (ч. 1, 2.1). URL: https://www.gov.spb.ru/static/writable/ckeditor/uploads/2019/08/26/27/%D1%82%D0%BE%D0%BC_1_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8_1_2..pdf (дата обращения: 04.04.2024).St Petersburg Heat Supply Scheme 2020. Vol. 1 (Pt. 1, 2.1). Available at: https://www.gov.spb.ru/static/writable/ckeditor/uploads/2019/08/26/27/%D1%82%D0%BE%D0%BC_1_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8_1_2..pdf (accessed 04.04.2024). (In Russ.)График регулирования отпуска тепла от ТЭЦ филиала "Невский" ПАО ТГК-1 на отопительный сезон 2018/2019 гг. URL: https://energomonitoring.com/wpcontent/uploads/2019/02/2018_grafik_regulirovanija__Teploset.pdf (дата обращения: 04.04.2024).Regulation Diagram of Heat Supply from Nevsky branch TPP of TGC-1 in 2018–2019 Heating Period. Available at: https://energomonitoring.com/wp-content/uploads/2019/02/2018_grafik_regulirovanija__Teploset.pdf (accessed 04.04.2024). (In Russ.)Baronova V. A., Romantsova N. V., Tyarkin Ya. A. Providing the Adequacy of the Heat Metering System Model // Conf. of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElCon), St Petersburg, Russia, 29–31 Jan. 2024. IEEE, 2024. P. 324–326. doi: 10.1109/ElCon61730.2024.10468386Baronova V. A., Romantsova N. V., Tyarkin Ya. A. Providing the Adequacy of the Heat Metering System Model. Conf. of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElCon), St Petersburg, Russia, 29–31 Jan. 2024. IEEE, 2024, pp. 324–326. doi: 10.1109/ElCon61730.2024.10468386Притула В. В. Подземная коррозия трубопроводов и резервуаров. М.: Акела, 2003. 225 с.Pritula V. V. Podzemnaya korroziya trubo-provodov i rezervuarov [Underground Corrosion of Pipelines and Reservoirs]. Moscow, Akela, 2003, 225 p. (In Russ.)Гевлич С. О., Гевлич Д. С., Васильев К. А. Диагностика тепловых сетей и городских водопроводов // Технические науки – от теории к практике. 2015. Т. 45, № 9. С. 114–123.Gevlich S. O., Gevlich D. S., Vasiliev K. A. Diagnostics of Thermal Networks and Urban Water Pipes. Technical Sciences - from Theory to Practice. 2015, vol. 45, no. 9, pp. 114–123. (In Russ.)Отставнов А. А., Харькин В. А. О стандартизированных трубных изделиях из реактопластов, армированных стекловолокном // Сантехника. 2014. № 2. С. 48–52.Otstavnov A. A., Kharkov V. A. About Standardized Tubular Products Made of Fiberglass Reinforced Thermoplastics. Plumbing. 2014, no. 2, pp. 48–52. (In Russ.)ОСТ 153-39.4-010–2002. Методика определения остаточного ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов и трубопроводов головных сооружений: утв. и введен в действие приказом Минэнерго России от 5 авг. 2002 г., № 255: дата введения 01.10.2002.OST 153-39.4-010–2002 Methodology for Determining the Residual Resource of Oil and Gas Field Pipe-Lines and Pipelines of Head Structures. Approved and put into effect by the order of the Ministry of Energy of the Russian Federation: 5 Aug. 2002: introduction 01.10.2002.Чапаев Д. Б., Оленников А. А. Расчет скорости внутренней коррозии трубопроводов водяных тепловых сетей из углеродистых сталей // Изв. высших учебных заведений. Черная металлургия. 2012. Т. 55, № 4. С. 33–36. doi: 10.17073/0368-0797-2012-4-33-36Chapaev D. B., Olennikov A. A. Calculation of Internal Corrosion Rate of Pipelines of Wather Thermal Networks from Carbon Steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2012, vol. 55, no. 4, pp. 33–36. (In Russ.) doi: 10.17073/0368-0797-2012-4-33-36Результаты производственного контроля качества и безопасности горячей воды ТЭЦ филиала "Невский" ПАО ТГК-1 за 2020 г. URL: https://www.tgc1.ru/fileadmin/clients/spb/disclosure/2020/rezultaty_proizvodstvennogo_kontrolja_kachestva_i_bezopasnosti_gorjachei_vody_tehc_filiala_nevskii_v_sankt-peterburge.pdf (дата обращения: 04.04.2024).The results of production control of the quality and safety of hot water at the Nevsky branch of PJSC TGC-1 for 2020. Available at: https://www.tgc1.ru/fileadmin/clients/spb/disclosure/2020/rezultaty_proizvodstvennogo_kontrolja_kachestva_i_bezopasnosti_gorjachei_vody_tehc_filiala_nevskii_v_sankt-peterburge.pdf (accessed 04.04.2024). (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.