Применение технологии цифрового двойника в информационно-измерительных системах

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.

1. Информационно-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: 10.36871/2618-9976.2022.05.002

2. Куликов 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.

3. Сосфенов Д. А. Цифровой двойник: история возникновения и перспективы развития // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2023. № 4. С. 35–43. doi: 10.25198/2077-7175-2023-4-35

4. Sensor 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.2017.07.094

5. Adaptive 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.2020.3034674

6. Jeon 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/IEEM45057.2020.9309874

7. Схема 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).

8. 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).

9. 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/ElCon61730.2024.10468386

10. Притула В. В. Подземная коррозия трубопроводов и резервуаров. М.: Акела, 2003. 225 с.

11. 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.

12. Отставнов А. А., Харькин В. А. О стандартизированных трубных изделиях из реактопластов, армированных стекловолокном // Сантехника. 2014. № 2. С. 48–52.

13. 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.

14. 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: 10.17073/0368-0797-2012-4-33-36

15. Результаты 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).