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)分析

孫海龍

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?，文章提出一種基于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)

Abstract： With the continuous development of science and technology in China， the Internet of things technology is more and more widely used in the field of industrial production. With the continuous expansion of the scale of oil production in recent years， the demand for oil drilling tools is also increasing， which requires oil drilling tools production enterprises to actively rely on the Internet of things technology to build a new intelligent information management system to improve the production efficiency and quality of oil drilling tools. Based on this， this paper puts forward an intelligent information management system of oil drilling tool production line based on SAW-RFID technology.

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，必須要對生產(chǎn)線進(jìn)行升級。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)外毛刺去除后會變成一條無形的線，很多測量方法都難以判定其精準(zhǔn)位置，所以成為了自動化生產(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)存儲摩擦焊接信息，實(shí)現(xiàn)自動化生產(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)智能識別、跟蹤定位、自動監(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)自動識別。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)勢為：

（1）讀取距離更遠(yuǎn)、信號穿透力更強(qiáng)。

（2）可以適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，讀取速度更快，可以識別高速移動的物體。

也正是由于SAW-RFID具備以上幾種優(yōu)勢，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)識技術(shù)無法自動輸出信息，并且自動儀器連接數(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，識別芯片標(biāo)識，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、接頭號、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、臺車等，中頻熱處理設(shè)施、機(jī)床可以自動獲取生產(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、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)

3.1 SAW-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)簽反射信號可以憑借功分器作用變?yōu)閮陕沸盘?，分別傳送給混頻器，相差90°相位兩路信號通過混頻器作用后得出I/Q兩路基帶信號[4]。低噪放大器、低通濾波器將微弱信號處理之后，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，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。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].自動化應(yīng)用，2014（9）：555-556.

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

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