石油鉆具生產(chǎn)線智能信息管理系統(tǒng)分析

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摘要：隨著我國科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。近些年石油生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)石油鉆具的需求量也隨之增加，這就需要石油鉆具生產(chǎn)企業(yè)積極借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造全新智能信息管理系統(tǒng)，提高石油鉆具生產(chǎn)效率和質(zhì)量?；诖耍恼绿岢鲆环N基于SAW-RFID技術(shù)的石油鉆具生產(chǎn)線智能信息管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；SAW-RFID；石油鉆具；智能信息管理系統(tǒng)

引言

隨著我國石油開采產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，鉆井作為一項(xiàng)巨大工程，在施工中要消耗掉大量石油鉆具，并且石油鉆具直接影響了鉆井質(zhì)量，為了能夠保證石油鉆具生產(chǎn)質(zhì)量，必須要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行升級(jí)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了人與物、物與物之間的互聯(lián)，其中SAW-RFID技術(shù)就是物聯(lián)網(wǎng)的衍生品，可以借助鉆具標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)高效管理。石油鉆具生產(chǎn)線運(yùn)作可以分為多個(gè)工段，包括焊前加工、摩擦焊接、焊縫熱處理、無損檢測(cè)和輔助[1]。焊縫熱處理是整個(gè)工藝流程的核心，這是由于焊縫內(nèi)外毛刺去除后會(huì)變成一條無形的線，很多測(cè)量方法都難以判定其精準(zhǔn)位置，所以成為了自動(dòng)化生產(chǎn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如今很多生產(chǎn)商在鉆具生產(chǎn)中都是采用人工監(jiān)控和記錄，鉆具生產(chǎn)質(zhì)量追溯難度很高。而SAW-RFID技術(shù)應(yīng)用可以更好的實(shí)現(xiàn)信息追溯，并且可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)摩擦焊接信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、追蹤、管理、查詢等功能。

1物聯(lián)網(wǎng)與SAW-RFID技術(shù)相關(guān)闡述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指借助傳感器，按照相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將帶有傳感芯片的物體和網(wǎng)絡(luò)連接，借助網(wǎng)絡(luò)媒介實(shí)現(xiàn)信息通信與交換，從而實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、跟蹤定位、自動(dòng)監(jiān)管等多項(xiàng)功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在未來發(fā)展中，可以將更多的末端設(shè)備、設(shè)施連接，可以應(yīng)用到工業(yè)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等領(lǐng)域，如可以在產(chǎn)品上貼上RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別。還可以借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)長距離信息互通，構(gòu)建“大集成”以及基于云計(jì)算的SaaS運(yùn)營模式[2]。SAW-RFID是指無需半導(dǎo)體元件的超高頻段、純無源射頻技術(shù)。傳統(tǒng)IC標(biāo)簽不耐高溫（85℃以上讀取精度降低），而SAW-RFID技術(shù)憑借聲表面?zhèn)鞲衅?，不受溫度的影響，并且電源適應(yīng)性更強(qiáng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。SAW-RFID技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)為：（1）讀取距離更遠(yuǎn)、信號(hào)穿透力更強(qiáng)。（2）可以適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，讀取速度更快，可以識(shí)別高速移動(dòng)的物體。也正是由于SAW-RFID具備以上幾種優(yōu)勢(shì)，因此在工業(yè)生產(chǎn)鏈領(lǐng)域才得到了廣泛應(yīng)用。在鉆具生產(chǎn)線管理系統(tǒng)中應(yīng)用SAW-RFID技術(shù)，能夠?yàn)橄到y(tǒng)快速提供有效信息，提升鉆具生產(chǎn)線智能信息管理水平。

2石油鉆具生產(chǎn)線智能信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體方案

普通的射頻標(biāo)識(shí)技術(shù)無法自動(dòng)輸出信息，并且自動(dòng)儀器連接數(shù)量存在上限，而借助SAW-RFID標(biāo)簽技術(shù)（可以劃分為螺塞和芯片標(biāo)簽），可以在接頭根部外壁設(shè)置接口，螺塞為六邊形連接件，可以和平底螺紋連接緊固，識(shí)別芯片標(biāo)識(shí)，為了降低高溫影響，電子標(biāo)簽上還覆蓋一層隔熱防磁層。整體設(shè)計(jì)方案采用了緊鎖凹口結(jié)構(gòu)，芯片安裝十分牢固可靠，借助接口連接配套儀器即可實(shí)現(xiàn)操作，總體架構(gòu)如圖2所示。基于SAW-RFID技術(shù)的石油鉆具生產(chǎn)線系統(tǒng)，大體上可以分為焊后發(fā)卡、讀卡加工、檢驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)。其主要表現(xiàn)在：（1）焊后發(fā)卡。傳感器采集鉆具條碼信息并傳遞給計(jì)算機(jī)，將物理信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訕?biāo)簽可接收形式，一個(gè)鉆具產(chǎn)品對(duì)應(yīng)專門的電子標(biāo)簽。在完成一個(gè)摩擦焊接循環(huán)后，焊機(jī)將寫卡器中的鉆具信息依次傳遞給電子標(biāo)簽，在一個(gè)電子標(biāo)簽中集成生產(chǎn)號(hào)、接頭號(hào)、焊縫尺寸、焊接結(jié)果等信息。同時(shí)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中直接存入電子標(biāo)簽信息。（2）讀卡加工。生產(chǎn)線中的鉆具進(jìn)入到每個(gè)工位時(shí)，鉆具標(biāo)簽信息自動(dòng)被讀寫器獲取，借助CAN總線直接傳送給上位機(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)鉆具運(yùn)輸和設(shè)備加工參數(shù)，統(tǒng)一操控齊頭設(shè)備、機(jī)床、臺(tái)車等，中頻熱處理設(shè)施、機(jī)床可以自動(dòng)獲取生產(chǎn)參數(shù)，并將生產(chǎn)加工信息直接寫入到鉆具標(biāo)簽存儲(chǔ)地址當(dāng)中。（3）檢驗(yàn)。在鉆具完成生產(chǎn)線所有加工流程之后，讀寫器與終端計(jì)算機(jī)連接，讀寫器可以獲得電子標(biāo)簽所有寫入信息，如鉆具型號(hào)、工位生產(chǎn)信息等，這樣即可直接看到每道工序負(fù)責(zé)人、生產(chǎn)情況，實(shí)現(xiàn)鉆具生產(chǎn)信息的追溯。

3石油鉆具生產(chǎn)線智能信息管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1SAW-RFID芯片標(biāo)簽

在石油鉆具生產(chǎn)線系統(tǒng)中，SAW-RFID主要分為電壓基片、叉指換能器、反射柵、天線。（1）電壓基片會(huì)直接影響SAW-RFID標(biāo)簽性能以及功能范圍。所以做好基片選擇尤為重要，有助于提升SAW-RFID穩(wěn)定性、承載性、耐高溫性。當(dāng)今，聲表面波器件原材料主要采用鈮酸鋰、石英、鉭酸鋰等。通常鉆具生產(chǎn)溫度要達(dá)到250℃左右，考慮壓電材料在使用中的局限性，SAW-RFID標(biāo)簽壓電基片可以采用藍(lán)寶石基底、氮化鋁薄膜。（2）反射柵和叉指換能器共同組成了SAW-RFID標(biāo)簽金屬電極。高溫生產(chǎn)環(huán)境對(duì)金屬層材料提出了更高要求，如高導(dǎo)電率、高熔點(diǎn)、高溫抗氧化性、化學(xué)惰性等。因此反射柵、叉指換能器可以使用鋁材料，這是因?yàn)殇X材料熔點(diǎn)可達(dá)350℃以上，可以滿足上述要求。（3）SAW-RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中，要重點(diǎn)考慮類型、帶寬、中心頻率、回波損耗和駐波比、增益與阻抗匹配度等。為了在金屬表面貼上標(biāo)簽，可以選用微帶貼片天線，工作頻率可達(dá)922.5MHz，帶寬可達(dá)32MHz。由于當(dāng)今天線設(shè)備逐漸朝向集成化方向發(fā)展，可以選擇規(guī)格80*30*1.6mm的PCB板，介電常數(shù)在7.5左右，采用銅貼片作為天線輪廓材料[3]。除了上述工作外，還要做好封裝工作，良好的封裝可以減少外界干擾，起到防水、防塵、防污的作用。SAW-RFID標(biāo)簽在高溫環(huán)境下運(yùn)行是否穩(wěn)定取決于封裝形式、引線，建議采用全陶瓷外殼封裝方案。

3.2閱讀器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的閱讀器為I/Q零中頻正交接調(diào)節(jié)方案，這是因?yàn)橹苯诱{(diào)節(jié)方案中沒有中頻頻率，所以不會(huì)產(chǎn)生鏡像干擾問題，并且系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、集成性強(qiáng)、成本低、PCB空間占用小。閱讀器射頻的核心技術(shù)是混頻器和放大器，能夠滿足動(dòng)態(tài)范圍要求。在閱讀器體系當(dāng)中，前端模塊包括低噪放大器、帶通濾波器。天線標(biāo)簽反射信號(hào)可以憑借功分器作用變?yōu)閮陕沸盘?hào)，分別傳送給混頻器，相差90°相位兩路信號(hào)通過混頻器作用后得出I/Q兩路基帶信號(hào)[4]。低噪放大器、低通濾波器將微弱信號(hào)處理之后，經(jīng)過A/D采用傳輸?shù)交鶐幚砥髦薪獯a。在閱讀器設(shè)計(jì)中，為了減少直流漂移增益變化干擾影響，可以使用自動(dòng)增益控制系統(tǒng)進(jìn)行平衡和匹配，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。閱讀器系統(tǒng)的核心模塊為DSP，負(fù)責(zé)對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4結(jié)束語

綜上所述，SAW-RFID作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的衍生品，在環(huán)境惡劣的石油鉆具生產(chǎn)線中應(yīng)用有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式信息采集，保證在高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)和信息追蹤，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)標(biāo)簽技術(shù)的劣勢(shì)。本文所提出的石油鉆具生產(chǎn)線系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)分析、處理鉆具生產(chǎn)線的信息，自動(dòng)追蹤生產(chǎn)數(shù)據(jù)，讓管理人員時(shí)刻可以觀察到生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)信息，極大的提升了石油鉆具生產(chǎn)線智能管理效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王欣.基于物聯(lián)網(wǎng)的石油鉆具生產(chǎn)線智能信息管理系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014（11）：36-38.

[2]王欣.基于SAW-RFID的石油鉆桿生產(chǎn)線智能信息管理系統(tǒng)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2014（9）：555-556.

[3]王欣.基于SAW－RFID的石油鉆具全程動(dòng)態(tài)信息管理系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014（6）：110-112.

[4]王景.探討石油鉆具全程動(dòng)態(tài)信息管理系統(tǒng)[J].科學(xué)與信息化，2016（030）：16-18.

作者：孫海龍 單位：中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司鉆具公司