石油钻具生产线智能信息管理系统分析

随着我国石油开采产业不断发展，钻井作为一项巨大工程，在施工中要消耗掉大量石油钻具，并且石油钻具直接影响了钻井质量，为了能够保证石油钻具生产质量，必须要对生产线进行升级。物联网技术的出现，实现了人与物、物与物之间的互联，其中SAW-RFID技术就是物联网的衍生品，可以借助钻具标识实现高效管理。石油钻具生产线运作可以分为多个工段，包括焊前加工、摩擦焊接、焊缝热处理、无损检测和辅助[1]。焊缝热处理是整个工艺流程的核心，这是由于焊缝内外毛刺去除后会变成一条无形的线，很多测量方法都难以判定其精准位置，所以成为了自动化生产的重点和难点。如今很多生产商在钻具生产中都是采用人工监控和记录，钻具生产质量追溯难度很高。而SAW-RFID技术应用可以更好的实现信息追溯，并且可以实时存储摩擦焊接信息，实现自动化生产、追踪、管理、查询等功能。

1物联网与SAW-RFID技术相关阐述

物联网技术是指借助传感器，按照相关的网络协议，将带有传感芯片的物体和网络连接，借助网络媒介实现信息通信与交换，从而实现智能识别、跟踪定位、自动监管等多项功能。物联网技术在未来发展中，可以将更多的末端设备、设施连接，可以应用到工业系统、数控系统等领域，如可以在产品上贴上RFID标签，实现自动识别。还可以借助网络技术实现长距离信息互通，构建“大集成”以及基于云计算的SaaS运营模式[2]。SAW-RFID是指无需半导体元件的超高频段、纯无源射频技术。传统IC标签不耐高温（85℃以上读取精度降低），而SAW-RFID技术凭借声表面传感器，不受温度的影响，并且电源适应性更强。其系统结构如图1。SAW-RFID技术的主要优势为：（1）读取距离更远、信号穿透力更强。（2）可以适应恶劣的生产环境，读取速度更快，可以识别高速移动的物体。也正是由于SAW-RFID具备以上几种优势，因此在工业生产链领域才得到了广泛应用。在钻具生产线管理系统中应用SAW-RFID技术，能够为系统快速提供有效信息，提升钻具生产线智能信息管理水平。

2石油钻具生产线智能信息管理系统设计整体方案

普通的射频标识技术无法自动输出信息，并且自动仪器连接数量存在上限，而借助SAW-RFID标签技术（可以划分为螺塞和芯片标签），可以在接头根部外壁设置接口，螺塞为六边形连接件，可以和平底螺纹连接紧固，识别芯片标识，为了降低高温影响，电子标签上还覆盖一层隔热防磁层。整体设计方案采用了紧锁凹口结构，芯片安装十分牢固可靠，借助接口连接配套仪器即可实现操作，总体架构如图2所示。基于SAW-RFID技术的石油钻具生产线系统，大体上可以分为焊后发卡、读卡加工、检验三个环节。其主要表现在：（1）焊后发卡。传感器采集钻具条码信息并传递给计算机，将物理信息转变为电子标签可接收形式，一个钻具产品对应专门的电子标签。在完成一个摩擦焊接循环后，焊机将写卡器中的钻具信息依次传递给电子标签，在一个电子标签中集成生产号、接头号、焊缝尺寸、焊接结果等信息。同时，计算机数据库中直接存入电子标签信息。（2）读卡加工。生产线中的钻具进入到每个工位时，钻具标签信息自动被读写器获取，借助CAN总线直接传送给上位机，上位机负责协调钻具运输和设备加工参数，统一操控齐头设备、机床、台车等，中频热处理设施、机床可以自动获取生产参数，并将生产加工信息直接写入到钻具标签存储地址当中。（3）检验。在钻具完成生产线所有加工流程之后，读写器与终端计算机连接，读写器可以获得电子标签所有写入信息，如钻具型号、工位生产信息等，这样即可直接看到每道工序负责人、生产情况，实现钻具生产信息的追溯。

3石油钻具生产线智能信息管理系统功能设计

3.1SAW-RFID芯片标签。在石油钻具生产线系统中，SAW-RFID主要分为电压基片、叉指换能器、反射栅、天线。（1）电压基片会直接影响SAW-RFID标签性能以及功能范围。所以做好基片选择尤为重要，有助于提升SAW-RFID稳定性、承载性、耐高温性。当今，声表面波器件原材料主要采用铌酸锂、石英、钽酸锂等。通常钻具生产温度要达到250℃左右，考虑压电材料在使用中的局限性，SAW-RFID标签压电基片可以采用蓝宝石基底、氮化铝薄膜。（2）反射栅和叉指换能器共同组成了SAW-RFID标签金属电极。高温生产环境对金属层材料提出了更高要求，如高导电率、高熔点、高温抗氧化性、化学惰性等。因此反射栅、叉指换能器可以使用铝材料，这是因为铝材料熔点可达350℃以上，可以满足上述要求。（3）SAW-RFID标签天线设计中，要重点考虑类型、带宽、中心频率、回波损耗和驻波比、增益与阻抗匹配度等。为了在金属表面贴上标签，可以选用微带贴片天线，工作频率可达922.5MHz，带宽可达32MHz。由于当今天线设备逐渐朝向集成化方向发展，可以选择规格80*30*1.6mm的PCB板，介电常数在7.5左右，采用铜贴片作为天线轮廓材料[3]。除了上述工作外，还要做好封装工作，良好的封装可以减少外界干扰，起到防水、防尘、防污的作用。SAW-RFID标签在高温环境下运行是否稳定取决于封装形式、引线，建议采用全陶瓷外壳封装方案。3.2阅读器设计。本系统所采用的阅读器为I/Q零中频正交接调节方案，这是因为直接调节方案中没有中频频率，所以不会产生镜像干扰问题，并且系统电路结构简单、集成性强、成本低、PCB空间占用小。阅读器射频的核心技术是混频器和放大器，能够满足动态范围要求。在阅读器体系当中，前端模块包括低噪放大器、带通滤波器。天线标签反射信号可以凭借功分器作用变为两路信号，分别传送给混频器，相差90°相位两路信号通过混频器作用后得出I/Q两路基带信号[4]。低噪放大器、低通滤波器将微弱信号处理之后，经过A/D采用传输到基带处理器中解码。在阅读器设计中，为了减少直流漂移增益变化干扰影响，可以使用自动增益控制系统进行平衡和匹配，确保系统运行的可靠性。阅读器系统的核心模块为DSP，负责对所传输的数据进行处理。

4结束语

综上所述，SAW-RFID作为互联网技术的衍生品，在环境恶劣的石油钻具生产线中应用有得天独厚的优势，可以实现非接触式信息采集，保证在高温环境下实现智能化生产和信息追踪，弥补了传统标签技术的劣势。本文所提出的石油钻具生产线系统，可以精准分析、处理钻具生产线的信息，自动追踪生产数据，让管理人员时刻可以观察到生产线的实时信息，极大的提升了石油钻具生产线智能管理效率。

参考文献：

[1]王欣.基于物联网的石油钻具生产线智能信息管理系统[J].自动化技术与应用，2014（11）：36-38.

[2]王欣.基于SAW-RFID的石油钻杆生产线智能信息管理系统[J].自动化应用，2014（9）：555-556.

[3]王欣.基于SAW－RFID的石油钻具全程动态信息管理系统[J].工业仪表与自动化装置，2014（6）：110-112.

[4]王景.探讨石油钻具全程动态信息管理系统[J].科学与信息化，2016（030）：16-18.

作者:孙海龙 单位:中国石油集团长城钻探工程有限公司钻具公司