Desarrollo de un gemelo digital utilizando realidad aumentada con gestión en la nube para el banco de pruebas de transporte de fluidos y cortes de perforación del Instituto Colombiano del Petróleo
Los bancos de pruebas son una plataforma para experimentación de proyectos de gran desarrollo, pues brindan una forma de comprobación rigurosa, transparente y repetible de teorías científicas, elementos computacionales, y otras nuevas tecnologías. El grupo de Geomecánica del Centro de Innovación y T...
- Autores:
-
Bautista Larrota, Juan Pablo
Lizarazo Rodríguez, Duván Estiven
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2023
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
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- Palabra clave:
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Los bancos de pruebas son una plataforma para experimentación de proyectos de gran desarrollo, pues brindan una forma de comprobación rigurosa, transparente y repetible de teorías científicas, elementos computacionales, y otras nuevas tecnologías. El grupo de Geomecánica del Centro de Innovación y Tecnología ICP de Ecopetrol diseñó y construyó un prototipo de pruebas de transporte de “cavings” (cortes de perforación) que reproduce ensayos relacionados con el comportamiento del flujo multifásico, lodo de perforación y cavings, dentro de un ambiente controlado que simula las características operacionales del proceso de perforación de un pozo petrolífero. De acuerdo a lo anterior, surge la necesidad de automatizar el prototipo de pruebas para reducir las tareas estrictamente manuales, optimizar el tiempo y mejorar la confiabilidad de las operaciones. El objetivo del proyecto es desarrollar un gemelo digital en realidad aumentada programado desde el software Unity, con la capacidad de comportarse en tiempo real como lo hace el sistema físico a través de la comunicación entre el controlador implementado en el prototipo de pruebas y una base de datos diseñada en los servidores de la nube de Microsoft Azure que almacenará los datos generados por la instrumentación que se desea instalar. Con el fin de realizar funciones avanzadas de análisis, monitoreo, visualizar animaciones, información e instrucciones de trabajo y predicción en tiempo real de manera remota de los procesos y variables que intervienen en los sistemas del banco. |
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[1] Basco, A. I., Beliz, G., Coatz, D., & Garnero, P. (2018). Industria 4.0: fabricando el futuro (Vol. 647). Inter-American Development Bank. [2] Uintaco, Vélez, Otalora, L. (2016). Desarrollo de una aplicación de realidad aumentada como herramienta de capacitación, diseño y planeación en una línea de extrusión de tubería PVC, con base en la librería artoolkit. [3] Metalmecanica. Realidad aumentada, bienvenida al mantenimiento 4.0. (2022). https://www.metalmecanica.com/temas/Realidad-aumentada,-bienvenida-al-mantenimiento-40+129084. [4] Digital Transforms Physical. Howden Mixed-Reality Maintenance Solutions Enhance Customer Experience | PTC. (2022). https://www.ptc.com/en/case-studies/howden-mixed-reality. [5] Carrillo, Eugenio, A. (2022). Sistema ciber físico para la simulación de múltiples bombas centrífugas en configuración variable mediante tecnologías de industria 4.0. [6] C. Córdoba Poveda, (2020). Diseño e implementación de un gemelo digital 3D para una planta de agua potable. [7] R. Londoño, Bolaños, (2020). Desarrollo de un gemelo digital de la fábrica de refrescos del CEAI SENA. [8] Baum, G., Borcherding, G., Broy, H., Manfred, E., Eigner, M., 2013. (cfr) Industrie 4.0: Beherrschung Der Industriellen Komplexität Mit Syslm, German, Vieweg, Teubner Verlag. http://www.worldcat.org/title/industrie-40-beherrschung-der-industriellen-komplexitat-mit-syslm/oclc/858044712. [9] Garrell, A., & Guilera, L. (2019). La industria 4.0 en la sociedad digital. Marge books. [10] Gracía, M. (2022). IoT - Internet Of Things. https://www2.deloitte.com/es/es/pages/technology/articles/IoT-internet-of-things.html. [11] Grapsas, T., & Grapsas, T. (2022). Conoce la realidad aumentada y las posibilidades de interacción que la hacen sobresalir en el mundo digital. https://rockcontent.com/es/blog/realidad-aumentada/. [12] EDS Robotics, 2022. “Realidad Virtual, ¿qué es y para qué sirve? 9 aplicaciones". https://www.edsrobotics.com/blog/realidad-virtual-que. [13] Bosque Peón, C. D. (2019). Los gemelos digitales en la industria 4.0. [14] Arias, Á. (2015). Computación en la Nube: 2ª Edición. IT Campus Academy. [15] Technologies, U. (2022). Realidad aumentada. https://unity.com/es/unity/features/ar. [16] Ramírez, K. (2022). AR Foundation: Experiencia realidad aumentada. https://niixer.com/index.php/2021/05/16/ar-foundation-experiencia-realidad-aumenta/. [17] Foundation, B. (2022). blender.org - Home of the Blender project - Free and Open 3D Creation Software. https://www.blender.org/. [18] Onyxerp. (2020, 1 julio). Gemelo digital de Planta de Producción: ¿Qué son y para qué sirven? https://www.onyxerp.com/blog/gemelo-digital. [19] Chicaiza, W. D. (2020). Modelado neuro-borroso de un sistema captador solar lineal tipo Fresnel como gemelo digital. [20] ARCore. Google Developers, (2022), Fundamental concepts. https://developers.google.com/ar/develop/fundamentals. [21] Technologies, U. Unity – Manual, (2022) Assets Shader. https://docs.unity3d.com/es/530/Manual/class-Shader.html. [22] Red, (2018), ¿Qué es la gestión de la nube? https://www.redhat.com/es/topics/cloud-computing/what-is-cloud-management. [23] Santiago, J. C. & Jerez, S. D. (2022). Ingeniería de detalle de la automatización de un banco de pruebas de transporte de fluidos y cortes de perforación de Ecopetrol-ICP. [24] Mathworks.com, (2022). How to run MATLAB in the cloud with Microsoft Azure. https://la.mathworks.com/videos/how-to-run-matlab-in-the-cloud-with-microsoft-azure-1542633563140.html. [25] Troiano, A. T. (2022). Digital Twins: The Complete Guide for Manufacturing Leaders. CONVERGED. [26] White, F. M. (2004). Mecânica dos fluidos. McGraw Hill Brasil. [27] Hasani, M., Norouzi, M., Larimi, M., & Rooki, R. (2021). Computational study on drilling mud flow through wellbore annulus by Giesekus viscoelastic model. Proceedings Of The Institution Of Mechanical Engineers, |
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El grupo de Geomecánica del Centro de Innovación y Tecnología ICP de Ecopetrol diseñó y construyó un prototipo de pruebas de transporte de “cavings” (cortes de perforación) que reproduce ensayos relacionados con el comportamiento del flujo multifásico, lodo de perforación y cavings, dentro de un ambiente controlado que simula las características operacionales del proceso de perforación de un pozo petrolífero. De acuerdo a lo anterior, surge la necesidad de automatizar el prototipo de pruebas para reducir las tareas estrictamente manuales, optimizar el tiempo y mejorar la confiabilidad de las operaciones. El objetivo del proyecto es desarrollar un gemelo digital en realidad aumentada programado desde el software Unity, con la capacidad de comportarse en tiempo real como lo hace el sistema físico a través de la comunicación entre el controlador implementado en el prototipo de pruebas y una base de datos diseñada en los servidores de la nube de Microsoft Azure que almacenará los datos generados por la instrumentación que se desea instalar. Con el fin de realizar funciones avanzadas de análisis, monitoreo, visualizar animaciones, información e instrucciones de trabajo y predicción en tiempo real de manera remota de los procesos y variables que intervienen en los sistemas del banco.Ecopetrol1. INTRODUCCIÓN 13 2. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA 14 3. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA 14 4. OBJETIVOS 15 4.1. OBJETIVO GENERAL 15 4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 15 5. ESTADO DEL ARTE 16 6. MARCO TEÓRICO 20 6.1 Industria 4.0 20 6.1.1 IoT 20 6.1.2 Realidad Aumentada 21 6.1.3 Realidad Virtual 21 6.1.4 Gemelo Digital 22 6.1.5 Computación en la Nube 23 6.2 Unity AR 23 6.3 Blender 23 7. METODOLOGÍA 24 7.1 Prototipo gemelo digital (DTP) 28 7.2 Instancia Gemelo Digital (DTI) 28 7.3 Digital Twin Environment (DTE) 28 8. MODELADO CAD 29 8.1 Planos del banco de pruebas del ICP 29 8.2 Pruebas de funcionamiento AR 30 8.3 Subsistema Anular 31 8.3.1 Modelado Subsistema Anular 31 8.4 Subsistema de Mezcla de Fluidos 33 8.4.1 Modelado Subsistema de Mezcla de Fluidos 34 8.5 Subsistema de Bombeo y Circulación 35 8.5.1 Modelado Subsistema de Bombeo y Circulación 35 8.6 Subsistema de Incorporación de cortes 36 8.6.1 Modelado Subsistema de Incorporación de Cortes 37 8.7 Sistema de separación de cortes (Shaker) 37 8.7.1 Modelado Sistema de separación de cortes (Shaker) 38 8.8 Geometría y Optimización de la malla 38 8.9 Sensores y Actuadores 40 8.10 Ensamblaje Blender 40 9. REALIDAD AUMENTADA 41 9.1 Google AR Core 41 9.1.1 Seguimiento de Movimiento 41 9.1.2 Comprensión Ambiental 41 9.1.3 Estimación de Luz 42 9.1.4 Arquitectura Sensor 42 9.2 Interfaz de Usuario 43 9.3 Shader 44 9.4 Sólidos Polimórficos 45 9.5 Ensamblaje AR 48 9.6 Comportamientos AR 49 9.7 Alarma Sensor 51 9.8 Rutas de Fluido 52 9.9 Comportamientos Generales 52 10. INTERFACES GRÁFICAS 54 10.1 Interfaz log In 54 10.2 Diseño Interfaz Principal 56 10.3 Diseño Interfaz Monitoreo 57 10.4 Data Manager Gráficas 58 10.5 Motor de Gráficas 59 10.6 Instrucciones de Trabajo 61 11. GESTIÓN EN LA NUBE 61 11.1 Arquitectura General 61 11.2 Diseño Base de Datos 62 11.3 Script Data 64 11.4 Data Base Manager 64 11.5 Registro de Datos 65 11.6 Conexión Unity a Azure SQL Server 66 12. VERIFICACIÓN Y VALIDACIÓN 67 13.1 Emulación de la Instrumentación 67 12.2 Log In App 72 12.3 Interfaz Monitoreo 73 12.4 Comportamiento Físico vs Comportamiento Digital 74 13. MODELO MATEMÁTICO SISTEMA ANULAR 77 13.1 Pérdidas de Energía por Accesorios y Fricción en Tubería 78 13.2 Análisis de la Presión mediante la Aplicación de la Ecuación de Bernoulli 83 14. CONCLUSIONES 86 15. TRABAJOS A FUTURO Y RECOMENDACIONES 88 16. BIBLIOGRAFÍA 90 17. ANEXOS 69 16.1 ANEXO A. MATRIZ DE SELECCIÓN QFD 69 16.2 ANEXO B. PLANOS BANCO DE PRUEBAS ICP 70 16.3 ANEXO C. DATASHEETS MOTORES 75 16.4 ANEXO D. MODELADO 81 16.5 ANEXO E. SHADER GRAPH 83 16.6 ANEXO F. PRUEBAS AR 84 16.7 ANEXO G. MANUALES DE INSTALACIÓN 88 16.8 ANEXO H. MANUAL DE USUARIO 99 16.9 ANEXO I. CÓDIGO ARDUINO 106 16.10 ANEXO J. DOCUMENTACIÓN CÓDIGO DEL PROYECTO 108 16.11 ANEXO K. DOCUMENTACIÓN MODELO MATEMÁTICO 117PregradoTest benches are a platform for experimenting with large-scale projects, as they provide a rigorous, transparent, and repeatable means of testing scientific theories, computational elements, and other emerging technologies. The Geomechanics group at the ICP Innovation and Technology Center of Ecopetrol designed and built a prototype for testing the transportation of "cavings" (drilling cuttings), which replicates tests related to multiphase flow behavior, drilling mud, and cavings within a controlled environment that simulates the operational characteristics of an oil well drilling process. Based on this, there is a need to automate the testing prototype to reduce strictly manual tasks, optimize time, and improve operational reliability. The project aims to develop an augmented reality digital twin programmed using Unity software, capable of behaving in real-time like the physical system through communication between the controller implemented in the testing prototype and a database designed on Microsoft Azure cloud servers, which will store data generated by the desired instrumentation. This is to enable advanced functions such as analysis, monitoring, visualization of animations, information, work instructions, and real-time remote prediction of the processes and variables involved in the test bench systems.Les bancs d'essai sont une plateforme pour expérimenter des projets de grande envergure, car ils offrent une méthode rigoureuse, transparente et répétable pour tester des théories scientifiques, des éléments informatiques et d'autres nouvelles technologies. Le groupe de géomécanique du Centre d'innovation et de technologie ICP d'Ecopetrol a conçu et construit un prototype d'essai de transport de "cavings" (déblais de forage) qui reproduit des essais liés au comportement de l'écoulement multiphasique, de la boue de forage et des déblais, dans un environnement contrôlé qui simule les caractéristiques opérationnelles du processus de forage d'un puits de pétrole. Sur la base de cela, il est nécessaire d'automatiser le prototype d'essai pour réduire les tâches strictement manuelles, optimiser le temps et améliorer la fiabilité des opérations. L'objectif du projet est de développer un jumeau numérique en réalité augmentée programmé à partir du logiciel Unity, capable de se comporter en temps réel comme le fait le système physique grâce à la communication entre le contrôleur implémenté dans le prototype d'essai et une base de données conçue sur les serveurs cloud de Microsoft Azure, qui stockera les données générées par les instruments à installer. Cela permettra d'effectuer des fonctions avancées telles que l'analyse, la surveillance, la visualisation d'animations, les informations, les instructions de travail et la prédiction en temps réel et à distance des processus et variables impliqués dans les systèmes du banc d'essai.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Desarrollo de un gemelo digital utilizando realidad aumentada con gestión en la nube para el banco de pruebas de transporte de fluidos y cortes de perforación del Instituto Colombiano del PetróleoDevelopment of a digital twin using augmented reality with cloud management for the fluid transport and drill cuttings test bench of the Colombian Petroleum InstituteIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicDigital TwinIoTAugmented RealityUnityBlenderCloud ComputingMicrosoft AzureData3D ModelingHMIPetroleum industry and tradeTechnological innovationsMecatrónicaIndustria del petróleoInnovaciones tecnológicasGemelo DigitalIoTRealidad AumentadaUnityBlenderComputación en la NubeMicrosoft AzureDatosModelado 3DHMI[1] Basco, A. 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