利用数字双胞胎预测钻机的实时性能

现代钻机是高度复杂的系统:液压、气动、电气、机械和热系统和子系统都必须精心设计，以保持钻机的正常运行。考虑到它们的复杂性和规模，这些庞然大物是现代制造业和控制设计的一个奇迹。但是，把一个新设计放到网上并验证它的性能并不适合胆小的人——就像任何新产品一样，没有“最终”设计。即使经过认证的设计也只是暂时的，因为客户有权利要求定制，技术也在不断改进。

我们的一个客户Helmerich & Payne, Inc. (H&P)是全球钻机设计和管理的领导者，他们想知道是否可以在不安排钻机和工作人员的情况下对特定的钻机更换进行预测试。简单地说，测试和认证过程是否可以简化和缩短?

我们的解决方案是开发一个数字双这是一种计算机模拟，可以准确预测复杂系统的实时性能。

数字孪生系统可以帮助H&P测量某个部件的变化对整个系统的影响，从而确定该区域可用的电机或泵将如何影响钻机的其他部分。它还可以帮助客户预测不同类型的电机对钻井性能的影响之前他们买了一台马达。这种通过模拟量化性能增强的能力帮助我们的客户将传统的随机绕线电机替换为成形绕线电机，从而最大限度地减少机械振动，提高可靠性。

捕获真实世界系统的物理属性

由于twin可以重建或建模关键设备的基本物理，如电机、长电缆运行和驱动控制算法，因此它可以准确预测整个钻机的性能，并识别导致性能改进、偏差或故障的物理问题。

复制每个设备物理特性的能力有助于确保孪生设备不是简单地重新创建特定输出信号的“黑匣子”。相反，基于物理的双胞胎描述了设备(电机、泵、总线参数)的物理属性，包括材料属性，使用数学和动态系统分析工具来捕捉这些设备的真实响应。

示例:使用数字孪生优化发电机组选择

创建一个精确匹配设备性能的孪生装置不仅需要在石油设备和工业流程方面的经验，还需要用数学方法描述这些流程的物理特性的能力。金宝app动态仿真模块^®拥有大量用于描述多种类型设备的预构建模块，以及高级功能，如自动控制调优、大型库集和模块化编码。这些能力为地面机电系统和子系统的物理建模过程带来了效率和准确性。

构建发电机组模型并使用它来确定特定钻机的最佳发电机组大小和配置的能力是这些功能为流程带来的价值的一个很好的例子。发电机组是柴油发动机和发电机的组合(图1)。

发电机组为所有钻机系统提供电力，包括钻井、钻井作业和泥浆泵电机，因此是现代电动钻机的重要组成部分。通常情况下，一个钻机将使用三个柴油发电机组，但根据钻井地点和地质情况，它可能只使用一个大型发电机组或多达四个小型机组更有效地运行。然而，增加更多的发电机组或增加它们的尺寸并不一定能提高性能。那么，团队如何在最小化经济成本的同时决定哪种配置将提供最佳响应呢?

每个钻机操作人员都知道，如果管道掉落或发生故障，钻机的母线电压可能会激增，并迫使主电机系统关闭，但很少有人能解释为什么掉落管道会导致电压激增，以及如何将其对钻机的影响降至最低。

要回答这些问题，需要详细的发电机组模型，但没有两台发电机组是完全相同的。即使是很小的差异也会对并行发电机组(两个或多个发电机组馈电到同一母线)的建模造成挑战，因为它们会导致自动电压调节器(AVR)和单个发动机控制系统(ECS)的发动机转速和扭矩命令信号不同。如果在物理设备中不检查这些差异，那么一台发电机产生的电压可能比另一台更高，导致电流在发电机组之间循环，而不是为钻机提供负载。(这是一个众所周知的问题，通常使用被称为无功下垂补偿的校正控制系统来解决。)

在Simulink中构建的发电机组双机组可以精金宝app确地模拟发动机、励磁器和发电机及其各自控制系统的内部条件(图2)。

通过正确的计算硬件，双胞胎可以同时模拟励磁电流和发电机磁场线圈中的磁通量分布，从而诱导输出电压以满足负载的需要。双胞胎还可以复制控制励磁电流的控制系统(在现实世界中由AVR完成)，并图形化地显示AVR如何根据励磁电流、电枢电流和无功功率调制其参数。

更广泛地说，基于物理的双胞胎可以详细说明系统的响应，并通过技术经验，指出防止管道掉落条件下过电压的解决方案，以及测试许多经济场景，以确定钻机发电机组的最佳数量和额定功率。

为每个设备创建具有足够精度的模型以使该模型被称为“数字双胞胎”，通常涉及三个主要步骤:参数估计、优化和验证(图3)。

验证详细的孪生模型可能具有挑战性，因为历史数据可能丢失或断裂。在这些情况下，通常最好从一个简化的孪生模型开始，该模型可以根据可用的历史数据在根组件上进行验证。一旦简化模型得到验证，就可以逐步添加从oem获得的每个设备的性能细节，以实现所需的模型保真度。在实践中，以及与在实践中，对于大多数工业应用和设备，与历史现场数据相比，数字孪生(系统级和设备级)应该能够以低于3-5%的误差预测性能。

使之成为可能

Twin开发的重点是某些电气、机电设备的物理特性，以及钻机地面电源和控制系统的控制过程。通过使用twin，熟悉钻机操作的工程师可以预期以下结果:

• 显著减少产品开发时间和成本
• 快速评估“假设”情景
• 强有力的支持现金宝app场问题的根本原因分析

由于现代硬件和软件(如Simulink)的先进计算能力，孪生，甚至实时孪生是可能的。金宝app有了这些创新工具，开发新钻机和钻机产品的成本和时间可以大大降低。下载188bet金宝搏随着硬件和软件的不断进步，在数字双胞胎中捕捉更多的细节和复杂性将成为可能。