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和控制设计的一个奇迹。但是，将一种新设计发布到网上并证明其能力不是为胆小者准备的——而且，就像任何新产品一样，没有“最终”设计。即使是经过认证的设计也只是暂时的，因为客户有理由要求定制，技术也在不断改进。
我们的客户之一，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工作钻机和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?
战略市场问题是:如果H&P的客户想要基于经济考虑、关键部件的区域可用性或天气和温度条件来改变钻机，是否可以优化钻机以满足这些需求，同时最小化设计周期?对于我的团队来说，关键问题是:单个部分对整体有什么影响?是否有可能在保持整个系统的平衡的同时快速地重新设计系统的一个方面，并且这种变化的影响能够被量化?
一个单独的部分对整体有什么影响?是否有可能在保持整个系统平衡的同时快速地重新设计系统的一个方面?
我们的解决方案是发展a数字双，一种能准确预测复杂系统实时性能的计算机模拟。
H&P可以通过数字双胞胎测量整个系统中某一部分的变化，从而确定区域内可用的电机或泵对钻机其余部分的影响。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发动机。这种通过仿真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形式绕线电机，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可以重现或模拟关键设备的基本物理特性，如电机、长电缆运行和驱动控制算法，它可以准确预测整个钻机的性能，并识别导致性能改善、偏离或故障的物理问题。
复制每个设备物理特性的能力，有助于确保这两个设备不是一个简单地再现特定输出信号的“黑匣子”。相反，基于物理的双胞胎描述设备的物理属性(电机、泵、总线参数)，包括材料属性，使用数学和动态系统分析工具捕捉这些设备的真实世界响应。
此外，通过建模每个设备的物理，我们可以观察性能指标不在现实世界中可用。例如，基于物理学的双胞胎可以预测轴上的压力，电机绕组上的温度梯度，甚至当电机升温时电感的变化，同时(近)实时显示事件可能发生的原因。这些性能指标允许客户开发新产品和测试控制方案，而无需安排钻机和人员，或聘请外部测试设施来测试假设。s manbetx 845钻机物理特性的这种可观察性使其成为降低开发成本和缩短设计周期的强大工具。
复制每个真实世界设备的物理特性的能力，有助于确保交付的双胞胎设备不是一个简单地再现特定输出信号的“黑匣子”。
示例:使用数字双胞胎优化发电机组选择
创造一种能够精确匹配设备性能的孪生设备不仅需要石油设备和工业过程的经验，还需要能够用数学方法描述这些过程的物理特性。万博1manbetx动态仿真模块®具有大量的预构建模块，用于描述多种类型的设备，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。
建立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，是这些能力给流程带来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)。
图1所示。发电机组图。
发电机组为所有钻机系统提供电力，包括钻井、牵引和泥浆泵马达，因此是现代电动钻机的重要组成部分。一般情况下，一个钻井平台将使用3台柴油发电机组，但根据钻井地点和地质情况，仅使用一台大型发电机组或多达4台小型机组可能会更有效地运行。然而，增加更多的发电机组或增加它们的大小不一定能提高性能。那么，团队如何决定哪种配置将提供最佳响应，同时最小化经济成本?
每一个钻井平台运营商都知道,如果一个管下降或发生故障时,钻井平台可能飙升的母线电压和强制关闭消息的主要运动系统,但是几乎没人能解释为什么下降管结果电压上升或能够做些什么来减少其影响钻井平台。
为了回答这些问题，需要详细的发电机组模型，但是没有两个发电机组是完全相同的。即使是微小的差异，也会给并行发电机组的建模带来挑战，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)不同的发动机速度和扭矩指令信号。如果这些差异在物理设备中没有得到控制，那么一台发电机产生的电压可能比另一台发电机更多，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，通常使用纠正控制系统被称为无功下垂补偿解决。)
在Simulink中内置的发电机组可以精确地模万博1manbetx拟发动机、励磁机和发电机的内部条件以及它们各自的控制系统(图2)。
图2。发电机组子系统在Simulink中建模。万博1manbetx
通过正确的计算硬件，twin可以同时模拟发电机磁场线圈中的励磁电流和磁通分布，从而感应出满足负载需要的输出电压。该双胞胎还可以复制控制系统控制励磁机电流(在现实世界中由AVR完成)，并图形显示AVR如何根据励磁机电流、电枢电流和无功功率调制其参数。
更广泛地说，基于物理原理的双系统可以详细描述系统的响应，并结合技术经验，为防止管道跌落造成的过电压提供解决方案，以及测试各种经济情况，以确定钻机发电机组的最佳数量和额定功率。
为每个设备创建足够精确的模型，以使模型能够被称为“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)。
图3。两个开发步骤:估计、优化和验证。
由于历史数据可能丢失或断裂，验证一个详细的孪生模型可能具有挑战性。在这些情况下，通常最好从一个简化的孪生模型开始，该模型可以基于可用的历史数据在根组件上进行验证。一旦简化的模型得到验证，从oem获得的每个设备的性能细节可以递增，以实现所需的模型保真度。在实践中,与实践中，对于大多数工业应用和设备，数字孪生(系统级和设备级)应该能够预测性能，与历史现场数据相比，误差小于3-5%。
这样就可以
Twin的开发重点是某些电气、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。通过使用双井架，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
- 加快对“如果”情况的评估
- 对现场问题的根万博1manbetx本原因分析提供强有力的支持
由于现代硬件和软件(如Simulink)的先进计算能力，孪生，甚至是实时孪生都是可能的。万博1manbetx有了这些创新工具，开发新钻机和钻机产品的成本和时间就可以大大降低。s manbetx 845随着硬件和软件的不断进步，我们将有可能在数字双胞胎中捕捉到更多的细节和复杂性。
