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石油鉆具生產(chǎn)線智能信息管理系統(tǒng)分析

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石油鉆具生產(chǎn)線智能信息管理系統(tǒng)分析

摘要:隨著我國科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,當今物聯(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)

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)線進行升級。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn),實現(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,可以借助鉆具標識實現(xiàn)高效管理。石油鉆具生產(chǎn)線運作可以分為多個工段,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位置,所以成為了自動化生產(chǎn)的重點和難點。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)用可以更好的實現(xiàn)信息追溯,并且可以實時存儲摩擦焊接信息,實現(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)媒介實現(xiàn)信息通信與交換,從而實現(xiàn)智能識別、跟蹤定位、自動監(jiān)管等多項功能。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標簽,實現(xiàn)自動識別。還可以借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)長距離信息互通,構(gòu)建“大集成”以及基于云計算的SaaS運營模式[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。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、信號穿透力更強。(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),能夠為系統(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)計整體方案

普通的射頻標識技術(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標簽技術(shù)(可以劃分為螺塞和芯片標簽),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,識別芯片標識,為了降低高溫影響,電子標簽上還覆蓋一層隔熱防磁層。整體設(shè)計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現(xiàn)操作,總體架構(gòu)如圖2所示?;赟AW-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、檢驗三個環(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算機,將物理信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訕撕灴山邮招问?,一個鉆具產(chǎn)品對應(yīng)專門的電子標簽。在完成一個摩擦焊接循環(huán)后,焊機將寫卡器中的鉆具信息依次傳遞給電子標簽,在一個電子標簽中集成生產(chǎn)號、接頭號、焊縫尺寸、焊接結(jié)果等信息。同時,計算機數(shù)據(jù)庫中直接存入電子標簽信息。(2)讀卡加工。生產(chǎn)線中的鉆具進入到每個工位時,鉆具標簽信息自動被讀寫器獲取,借助CAN總線直接傳送給上位機,上位機負責(zé)協(xié)調(diào)鉆具運輸和設(shè)備加工參數(shù),統(tǒng)一操控齊頭設(shè)備、機床、臺車等,中頻熱處理設(shè)施、機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簽存儲地址當中。(3)檢驗。在鉆具完成生產(chǎn)線所有加工流程之后,讀寫器與終端計算機連接,讀寫器可以獲得電子標簽所有寫入信息,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責(zé)人、生產(chǎn)情況,實現(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

3.1SAW-RFID芯片標簽

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)溫度要達到250℃左右,考慮壓電材料在使用中的局限性,SAW-RFID標簽壓電基片可以采用藍寶石基底、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、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,這是因為鋁材料熔點可達350℃以上,可以滿足上述要求。(3)SAW-RFID標簽天線設(shè)計中,要重點考慮類型、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簽,可以選用微帶貼片天線,工作頻率可達922.5MHz,帶寬可達32MHz。由于當今天線設(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標簽在高溫環(huán)境下運行是否穩(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

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,這是因為直接調(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、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。在閱讀器體系當中,前端模塊包括低噪放大器、帶通濾波器。天線標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)進行平衡和匹配,確保系統(tǒng)運行的可靠性。閱讀器系統(tǒng)的核心模塊為DSP,負責(zé)對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理。

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)用有得天獨厚的優(yōu)勢,可以實現(xiàn)非接觸式信息采集,保證在高溫環(huán)境下實現(xiàn)智能化生產(chǎn)和信息追蹤,彌補了傳統(tǒng)標簽技術(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),讓管理人員時刻可以觀察到生產(chǎn)線的實時信息,極大的提升了石油鉆具生產(chǎn)線智能管理效率。

參考文獻:

[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.

作者:孫海龍 單位:中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆具公司