М. Джакишев, руководитель проекта «Шалкия»
В горнорудном секторе Казахстана реализуется уникальный цифровой проект «Промышленная разработка месторождения полиметаллических руд Шалкия со строительством обогатительной фабрики».
Справочная информация о месторождении
«Свинцово-цинковое месторождение Шалкия было открыто в 1963 году. Исследование месторождения началось год спустя и на протяжении следующих сорока лет периодически возобновлялось. С середины 80-х годов и вплоть до 2008 года на месторождении вели добычу руды, но в связи с серьезными скачками мировых цен на металлы на всем протяжении существования рудника добыча не была регулярной, а работы неоднократно прекращались.
В свое время на расширение месторождения возлагались большие надежды: планировалось построить три шахты, которые, к сожалению, так и не были оборудованы.
В 2008 году развитию проекта помешал мировой финансовый кризис, и строительство было перенесено.
Тем не менее строились планы по расширению производства и строительству перерабатывающего завода на месторождении Шалкия. С этой целью в 2016 году были проведены исследования для подтверждения имеющихся на месторождении запасов:
• компания Micon International выполнила для АО «ШалкияЦинк ЛТД» оценку минеральных ресурсов свинцово-цинкового месторождении «Шалкия» в соответствии с нормативами кодекса JORC (2012). Также был подготовлен сопроводительный технический отчет «Оценка запасов свинцово-цинкового месторождения Шалкия»;
• АО «ШалкияЦинк ЛТД» наняло немецкую компанию Engineering Dobersek для разработки технологического регламента обогатительной фабрики мощностью 4 млн т в год с целью переработки свинцово-цинковой руды месторождения Шалкия. Регламент был разработан на основании последних исследований, выполненных компанией Engineering Dobersek с учетом многочисленных исследований, проведенных различными организациями России, ближнего и дальнего зарубежья, а также практики промышленной переработки руды на австралийской обогатительной фабрике MMG Century.
Описание местности
На месторождении Шалкия плохо развиты открытые осушительные системы, в результате чего здесь образуется сезонный водоток в виде небольших ручьев, который относится к площади водосбора реки Сырдарья, протекающей к востоку от села Жанакорган. Сырдарья берет свое начало в горах Тянь-Шань (в Кыргызстане и Восточном Узбекистане), протекает через южную часть Казахстана и впадает в Аральское море.
Растительность в основном представлена степной травой и низким кустарником. Близость реки делает этот район пригодным для земледелия.
В районе месторождения Шалкия преобладает резко континентальный климат, что подразумевает значительные температурные колебания на протяжении не только всего года, но и в течение дня. Возможны перепады температур от -16 °C до +36 °C, однако температура редко опускается ниже -22 °C и поднимается выше 38 °C. Интенсивность испарения здесь достаточно высокая и составляет около 1 500 мм. Ветер в основном сухой северо-восточный/юго-западный со скоростью 2–3,5 м/с, редко — сильный ветер со скоростью до 15–20 м/с».
Обогатительная фабрика
В начале 2020 года под руководством Национальной горнорудной компании «Тау-Кен Самрук» была создана проектная группа из числа высокопрофессиональных инженеров-строителей, геологов, шахтостроителей, технологов, IT- и других специалистов узкого профиля.
Благодаря серьезной подготовительной работе команды проектной группы в мае 2020 года было начато проектирование обогатительной фабрики на месторождении Шалкия.
Также была принята новая стратегия реализации проекта, основой для которой стал международный и отечественный опыт проектирования и строительства ГОКов. Особое внимание было уделено проекту строительства Жайремского горно-обогатительного комбината, реализуемого компанией «Казцинк» в Карагандинской области. В частности, был проведен анализ хода реализации проектирования и строительства, определены проблемные вопросы, влияющие на качество и сроки реализации проекта. В результате проектная группа пришла к выводу, что эффективная реализация проектов подобного технологически сложного уровня невозможна без использования современных цифровых технологий на всех этапах жизненного цикла промышленного предприятия.
Цифровое предприятие
Первоочередной задачей проекта стало формирование концепций «Цифровой рудник» и «Цифровой ГОК», предполагающих объединение современных информационно-коммуникационных технологий с производственным оборудованием и средствами автоматизации, которое будет направленно на организацию и контроль всего производственного цикла продуктов и услуг.
Помимо полной цифровизации проектируемого предприятия, большое внимание уделяется учету основных требований современного глобального рынка:
— сокращение времени принятия решений (Time-to-Decision);
— сокращение времени исполнения решений (Time-to-Execution);
— сокращение времени вывода продукции на рынок (Time-to-Market).
Будущая модель развития предприятия основывается на использовании передовых производственных технологий (Advanced Manufacturing Technologies), которые представляют собой сложный комплекс мультидисциплинарных знаний, наукоемких технологий и систем, интеллектуальных ноу-хау, полученных с помощью таких факторов, как длительные и дорогостоящие научные исследования, эффективное применение концепции открытых инноваций и трансфера передовых наукоемких технологий.
В свою очередь передовые производственные технологии умного производства включают в себя:
— цифровое проектирование, включая компьютерное моделирование (Computer-Aided Design, CAD), компьютерный и суперкомпьютерный инжиниринг (Computer-Aided Engineering, CAE, и High-Performance Computing, HPC), технологии оптимизации (Computer-Aided Optimization, CAO), бионический (генеративный) дизайн (Bionic/Generative (Simulation & Optimization) — Driven Bionic/Generative Design), цифровые двойники (Digital Twin), а также ERP-системы;
— большие данные (Big Data), генерацию умных больших данных (Smart Big Data) на основе цифровых двойников;
— промышленные датчики и индустриальный интернет (IIoT);
— новые материалы (в первую очередь композиционные материалы и т. д.);
— аддитивные и гибридные технологии;
— гибкие производственные ячейки, робототехнические комплексы;
— информационные системы управления производством и предприятием;
— технологии виртуальной и дополненной реальности;
— экспертные системы и искусственный интеллект.
Цифровое проектирование
Цифровизация всех процессов проектирования была определена первоочередной по итогу разработки стратегии реализации проекта и также оценки уровня цифровой зрелости, эффективности внедрения новых технологий и определения ключевых KPI.
Становится очевидным, что само по себе применение цифровых решений в индустрии 4.0 невозможно воплотить в жизнь исключительно через выстраивание цифровых технологий, так как обеспечить устойчивый рост промышленного предприятия с низкими операционными расходами и высокой маржинальностью при реализации конечного продукта без выстраивания организационной структуры, корпоративной культуры и эффективного управления материальными и нематериальными ресурсами организации является бесперспективным вектором развития. Проектная группа придерживается комплексного подхода развития технологий с прямой зависимостью от экономического эффекта по всем принимаемым в цифровом проектировании решениям.
Иначе говоря, цифровизация ради цифровизации в проекте «Шалкия» не рассматривается вообще. Вместе с тем установлено, что традиционные подходы и технологии, основанные, как правило, на доводке проекта на стадии строительства путем корректировки первоначальных решений, при реализации уникальных, технологически сложных объектов ведут к значительным временным задержкам и, само собой, существенному увеличению стоимости строительства (рис. 1).
Современное цифровое проектирование — это совокупность компьютерных технологий, которые, в свою очередь, помогают упорядочить информационные потоки, генерируемые в процессе многовариантного моделирования и проектирования, и систематизируют информацию, облегчая доступ к ней. Основу новой парадигмы цифрового проектирования и моделирования составляет использование сложных мультидисциплинарных математических моделей с высоким уровнем адекватности к реальным материалам, конструкциям и физико-механическим процессам, разработкой цифровых двойников производственных и технологических процессов. Такие математические модели агрегируют в себе все знания, которые применяются при проектировании, производстве и эксплуатации изделия. Модель за счет своей высокой адекватности позволяет значительно приблизиться к реальному объекту, что обеспечивает отличие между результатами виртуальных и натурных испытаний в пределах ± 5 %. Именно такую высокоадекватную модель можно назвать цифровым двойником объекта.
Проектом «Шалкия» планируется получить от цифрового двойника ЭМИ (электронная модель изделия) в виде свинцового и цинкового концентратов еще до запуска ГОК в эксплуатацию, что позволит с высокой точностью определить операционные издержки строящегося предприятия и обеспечить полную прозрачность всех производственных циклов.
В целом схема цифрового проектирования (рис. 2) принципиально отличается от традиционной, так как основывается в первую очередь на комплексном подходе к процессу выявления и устранения ошибок проектирования.
Таким образом, появилась необходимость применения технологии информационного моделирования сооружений (BIM), которое представляет собой процесс коллективного создания и использования информации о сооружении, формирующий основу для всех решений на протяжении жизненного цикла объекта (от планирования до проектирования, выпуска рабочей документации, строительства, эксплуатации и сноса). В основе BIM-моделирования лежит трехмерная информационная модель, на базе которой организована работа инвестора, заказчика, генпроектировщика, генподрядчика, эксплуатирующей организации. Жизненный цикл проекта в BIM изображен на рис. 3.
Внедряемая на проекте «Шалкия» BIM-технология позволит объе-динить информацию, которой уже владеет организация, с новыми знаниями, которые появляются у компании при переходе на BIM. Она обеспечит и облегчит обмен данными между существующими системами предприятия.
Информационная модель становится поставщиком данных для системы закупок, системы календарного планирования, системы управления проектами, внутренней ERP-системы и других систем предприятия.
Определение уровня детализации BIM-модели на каждом этапе жизненного цикла является одним из ключевых элементов внедрения технологии BIM. Модель должна содержать ровно тот объем данных, который позволит принимать необходимые и заранее определенные управленческие решения именно в тот момент, в который это необходимо. В BIM-процессах описывается, кто и в какой момент закладывает информацию в BIM-модель или получает ее и каким образом информация перемещается с одного этапа проекта на другой.
Во-первых, модель является базой данных, имитирующей реальный объект. Данные из модели можно извлекать, сортировать, обрабатывать и менять одновременно с процессом проектирования. Важным свойством BIM-модели является и то, что графические изменения автоматически меняют базу данных.
Во-вторых, BIM помогает всем участникам проекта (заказчику, проектировщику, строителю, поставщику, эксплуатирующей организации) лучше воспринимать объект строительства на ранних стадиях. Вовлеченность становится залогом высокого качества проекта, позволяя с самого начала учесть бесценные знания и опыт экспертов.
В-третьих, в существующей технологии все дисциплины включаются последовательно, что удлиняет процесс проектирования и строительства и увеличивает время внесения изменений и реагирования на них. Технология BIM позволяет организовать коллективную работу на более высоком уровне с отслеживанием изменений. также хотелось бы отметить тот факт, что по сравнению с традиционными 2D-cистемами технология BIM открывает дополнительные возможности за счет высокой интеллектуальности программных средств, используемых в BIM-моделировании. Например, разработанная с помощью современных продуктов стадия «предпроект» позволяет перенести на стадию «проект» до 30 % информации, в то время как при использовании старой технологии работа на стадии «проект» начинается практически с нуля.
И, конечно же, стоит сказать о качестве проекта в целом. Нестыковки и ошибки при работе с BIM видны сразу благодаря как 3D-моделям, так и специальным инструментам, осуществляющим проверку на пересечения и логистические нестыковки.
После окончания строительства «исполнительная документация» облегчает процесс эксплуатации, отражая техническое состояние путем отображения четкого представления об ответственных производителях работ по любому из ее видов и сокращения стоимости эксплуатации.
Таким образом, в цифровой архитектуре проекта «Шалкия» можно выделить снизу вверх следующие уровни цифровизации: системы мониторинга АСУТП, уровень проектирования BIM (CAD), производственный уровень MES, которые учитываются в рамках проектирования цифрового ГОКа, и бизнес-уровень ERP.
Участники цифрового проекта
В результате конкурсных процедур к непосредственной реализации проекта подключилась опытная группа проектировщиков компании «КПС», имеющая колоссальный опыт промышленного проектирования, и растущая компания Dipco, специализирующаяся на информационном моделировании и сопровождении реализации технологически сложных объектов с использованием BIM. При этом у компаний имеется опыт совместной работы на аналогичном проекте — «Строительство Жайремского ГОКа», о котором было упомянуто ранее.
Вышеуказанной группой компаний были осуществлены работы по 3D-моделированию объектов строительства Жайремского ГОКа с применением BIM-технологий в части основных технологических трубопроводов в объеме: тепловые сети, наружные сети технологических водопроводов, шламопроводы, байпас кислых вод, технология производства, система аспирации и т. д.
В результате была создана 3D-модель, аксонометрические чертежи систем технологических трубопроводов, использование которых значительно ускорило монтаж инженерных систем. Примеры возможных проектных коллизий приведены на рис. 4 и 5.
«Шалкия» планирует перенять вышеприведенный опыт коллег из ТОО «Казцинк» (Жайремский ГОК) и в полной мере применить при реализации проекта.
Сегодня концепция цифрового проектирования представляет собой органичную, взаимосвязанную, иерархичную систему, которая даст возможность всем участникам проекта своевременно получать полный объем информации по проекту и оперативно реагировать на выявленные проблемы, что выведет проект на производительную мощность в 2025 году.
