電動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備信息識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史金紅，李慶福,2，廖剛,2，李娜，李博，楊豐博，王紅櫻，馮帆，尚卓

（1. 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000；2. 國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引言

電動(dòng)鉆機(jī)由多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備組成，每個(gè)系統(tǒng)設(shè)備都有大量的文件資料，具體包括產(chǎn)品使用說明書、維護(hù)保養(yǎng)手冊(cè)、圖冊(cè)等，電動(dòng)鉆機(jī)在鉆井作業(yè)過程中難免會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備故障或損壞的情況，此時(shí)油田用戶需要查找相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備資料來輔助處理故障或查詢損壞設(shè)備型號(hào)等。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備需要維護(hù)保養(yǎng)和易損件采購(gòu)時(shí), 油田用戶也需要查找相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備資料，按照要求進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)及易損件的采購(gòu)，保證設(shè)備正常工作。油田用戶查看系統(tǒng)設(shè)備資料的頻率較高，并且在大量的文件資料中查找所需要的信息非常困難，甚至?xí)霈F(xiàn)資料丟失或無法找到的情況，降低了現(xiàn)場(chǎng)解決問題的處理效率，影響易損件及損壞件采購(gòu)的準(zhǔn)確性和周期性，影響鉆井效率。為解決上述問題，提出采用電動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備信息識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以便油田用戶可以通過手持RFID防爆識(shí)別終端在鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)迅速查看鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的資料信息，同時(shí)可用于協(xié)助油田用戶迅速處理設(shè)備故障，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，準(zhǔn)確快速地采購(gòu)易損件和損壞件，保證鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備信息識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備信息識(shí)別系統(tǒng)主要由RFID手持式防爆識(shí)別終端、電子標(biāo)簽、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。RFID(射頻識(shí)別)是一種無線通信技術(shù)，RFID手持式防爆識(shí)別終端通過天線與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，當(dāng)RFID電子標(biāo)簽在RFID手持式防爆識(shí)別終端2.5 m的識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，RFID電子標(biāo)簽可接收到RFID手持式防爆識(shí)別終端發(fā)出的射頻信號(hào)，RFID電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的編碼數(shù)據(jù)信息，RFID手持式防爆識(shí)別終端接收該編碼數(shù)據(jù)后自動(dòng)檢索資料數(shù)據(jù)庫(kù)，將檢索到的設(shè)備資料信息通過APP進(jìn)行顯示，以便現(xiàn)場(chǎng)操作人員查看。系統(tǒng)設(shè)備資料信息主要包括使用說明書、維護(hù)保養(yǎng)手冊(cè)、圖冊(cè)、設(shè)備增減記錄、設(shè)備狀態(tài)記錄等。系統(tǒng)支持資料的上傳和下載功能，多個(gè)RFID手持式防爆識(shí)別終端均可將已錄入的設(shè)備資料信息通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器，同時(shí)也可通過4G網(wǎng)絡(luò)將云服務(wù)器上的設(shè)備資料信息下載至本地手持式防爆識(shí)別終端APP上。鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備主要包括絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、頂驅(qū)、鉆機(jī)電控系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組、固控系統(tǒng)、管柱處理設(shè)備等。電動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備信息識(shí)別系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備信息識(shí)別系統(tǒng)單線圖

RFID手持式防爆識(shí)別終端自動(dòng)檢索資料數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)支持本地及遠(yuǎn)程兩種方式：1）本地檢索。當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)備資料信息已錄入或已遠(yuǎn)程下載至RFID手持式防爆識(shí)別終端，通過APP可直接檢索并顯示查詢結(jié)果。2）遠(yuǎn)程檢索。當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)備資料信息未錄入或未遠(yuǎn)程下載至該RFID手持式防爆識(shí)別終端時(shí)，RFID手持式防爆識(shí)別終端APP可通過4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程在線訪問云服務(wù)器，并將系統(tǒng)設(shè)備資料信息下載至本地RFID手持式防爆識(shí)別終端APP上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線檢索并顯示查詢結(jié)果。

RFID信息識(shí)別系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）非接觸識(shí)別。不需物理接觸，通過無線射頻識(shí)別。2）識(shí)別能力強(qiáng)。能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢讀取電子標(biāo)簽編碼數(shù)據(jù)信息。3）讀取速度極快。大多數(shù)情況下讀取時(shí)間不超過100 ms。4）電子標(biāo)簽編碼唯一性。每個(gè)RFID電子標(biāo)簽編碼都是獨(dú)一無二的，每個(gè)RFID電子標(biāo)簽編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)設(shè)備。5）讀取距離遠(yuǎn)。讀取距離2.5 m。6）安全性高。通過加密技術(shù)，RFID電子標(biāo)簽不會(huì)向未授權(quán)的RFID手持式防爆識(shí)別終端發(fā)送編碼信息[1]。

1.1 RFID手持式防爆識(shí)別終端設(shè)計(jì)

RFID手持式防爆識(shí)別終端主要由收發(fā)天線、頻率產(chǎn)生器、鎖相環(huán)、調(diào)制電路、微處理器、存儲(chǔ)器、解調(diào)電路組成。RFID手持式防爆識(shí)別終端用于讀取RFID電子標(biāo)簽的編碼數(shù)據(jù)，是RFID信息識(shí)別系統(tǒng)的控制和處理中心。RFID手持式防爆識(shí)別終端通過天線與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，當(dāng)RFID電子標(biāo)簽在RFID手持式防爆識(shí)別終端2.5 m的識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，RFID電子標(biāo)簽可接收到RFID手持式防爆識(shí)別終端發(fā)出的射頻信號(hào)，RFID電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的編碼數(shù)據(jù)信息，RFID手持式防爆識(shí)別終端接收該編碼數(shù)據(jù)后自動(dòng)檢索資料數(shù)據(jù)庫(kù)，將檢索到的設(shè)備資料信息通過APP進(jìn)行顯示[2]，以便現(xiàn)場(chǎng)操作人員查看。RFID手持式防爆識(shí)別終端內(nèi)部存儲(chǔ)空間滿足設(shè)備資料信息文檔存儲(chǔ)要求。

RFID手持式防爆識(shí)別終端組成部分功能概述：1）收發(fā)天線。發(fā)送射頻信號(hào)給RFID電子標(biāo)簽，并接收RFID電子標(biāo)簽返回的編碼數(shù)據(jù)信息。2）頻率產(chǎn)生器。產(chǎn)生系統(tǒng)的工作頻率（840～960 MHz）。3）鎖相環(huán)。產(chǎn)生所需的載波信號(hào)。4）調(diào)制電路。把發(fā)送至RFID電子標(biāo)簽的信號(hào)加載到載波并由射頻電路送出。5）微處理器。產(chǎn)生要發(fā)送至RFID電子標(biāo)簽的信號(hào)，同時(shí)對(duì)RFID電子標(biāo)簽返回的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，并把譯碼所得的數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用程序。6）存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。7）解調(diào)電路。解調(diào)RFID電子標(biāo)簽返回的編碼數(shù)據(jù)信號(hào)，并交給微處理器處理。

1.2 RFID電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)

采用RFID無源抗金屬標(biāo)簽，RFID電子標(biāo)簽由收發(fā)天線、AC/DC電路、解調(diào)電路、邏輯控制電路、存儲(chǔ)器和調(diào)制電路組成。

每個(gè)RFID電子標(biāo)簽具有唯一的標(biāo)簽編碼，每個(gè)RFID電子標(biāo)簽編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)設(shè)備和關(guān)系文檔，關(guān)系文檔中包括系統(tǒng)設(shè)備的使用說明書、維護(hù)保養(yǎng)手冊(cè)、圖冊(cè)、設(shè)備增減記錄、設(shè)備狀態(tài)記錄等資料信息。RFID電子標(biāo)簽固定在設(shè)備表面上，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)備編碼數(shù)據(jù)。RFID電子標(biāo)簽通過接收RFID手持式防爆識(shí)別終端發(fā)出的射頻信號(hào)并通過電磁感應(yīng)線圈獲取能量來對(duì)自身短暫供電，對(duì)內(nèi)部集成電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，靠感應(yīng)電流的能量將儲(chǔ)存在RFID電子標(biāo)簽中的編碼數(shù)據(jù)發(fā)送至RFID手持式防爆識(shí)別終端[3]。

RFID電子標(biāo)簽組成部分功能概述：1）收發(fā)天線。接收來自RFID手持式防爆識(shí)別終端的信號(hào)，并將RFID電子標(biāo)簽的編碼數(shù)據(jù)發(fā)送至RFID手持式防爆識(shí)別終端。2）AC/DC電路。利用RFID手持式防爆識(shí)別終端發(fā)射的電磁場(chǎng)能量，經(jīng)穩(wěn)壓電路輸出為其它電路提供穩(wěn)定的電源。3）解調(diào)電路。從接收的信號(hào)中去除載波，解調(diào)出原信號(hào)。4）邏輯控制電路。對(duì)來自RFID手持式防爆識(shí)別終端的信號(hào)進(jìn)行譯碼，并向調(diào)制電路發(fā)送電子標(biāo)簽編碼數(shù)據(jù)。5）存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。6）調(diào)制電路。邏輯控制電路所發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制電路加載至收發(fā)天線。

1.3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要由終端管理器和云服務(wù)器組成，利用RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)資料信息全過程跟蹤與信息化管理，構(gòu)成一個(gè)信息化管理服務(wù)平臺(tái)。終端管理器由RFID電子標(biāo)簽、RFID手持式防爆識(shí)別終端構(gòu)成，用于錄入各系統(tǒng)設(shè)備的資料信息。云服務(wù)器用于存儲(chǔ)、分類及歸檔各系統(tǒng)設(shè)備資料信息。系統(tǒng)設(shè)置管理員權(quán)限，只有具有管理員權(quán)限的人員才被允許對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行資料信息上傳及下載等功能。系統(tǒng)具有設(shè)備信息管理功能，實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)設(shè)備使用說明書、維護(hù)保養(yǎng)手冊(cè)、圖冊(cè)、設(shè)備增減記錄、設(shè)備狀態(tài)記錄等信息，資料信息上傳及下載均采用實(shí)名制，防止相關(guān)人員責(zé)任推諉。

在RFID手持式防爆識(shí)別終端上安裝系統(tǒng)設(shè)備信息識(shí)別APP軟件，將各系統(tǒng)設(shè)備RFID電子標(biāo)簽編碼數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的關(guān)系文檔資料信息（主要包括使用說明書、維護(hù)保養(yǎng)手冊(cè)、圖冊(cè)、設(shè)備增減記錄、設(shè)備狀態(tài)記錄等）錄入RFID手持式防爆識(shí)別終端，確保各系統(tǒng)設(shè)備RFID電子標(biāo)簽編碼數(shù)據(jù)與關(guān)系文檔資料信息一一對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)支持資料信息的上傳和下載功能，多個(gè)RFID手持式防爆識(shí)別終端均可通過4G網(wǎng)絡(luò)將已錄入的系統(tǒng)設(shè)備資料信息上傳至云服務(wù)器并進(jìn)行存儲(chǔ)和歸檔，同時(shí)也可通過4G網(wǎng)絡(luò)將云服務(wù)器上的系統(tǒng)設(shè)備資料信息下載至本地RFID手持式防爆識(shí)別終端APP上。

系統(tǒng)根據(jù)識(shí)別到的設(shè)備RFID電子標(biāo)簽編碼數(shù)據(jù)，自動(dòng)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)并將檢索到的系統(tǒng)設(shè)備資料信息通過APP進(jìn)行顯示，以便現(xiàn)場(chǎng)操作人員查看，數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)可根據(jù)需要進(jìn)行修改。通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備資料信息的錄入、查詢、上傳、下載等，并對(duì)資料信息進(jìn)行科學(xué)的分類、歸檔，使資料管理更加科學(xué)化和信息化，查詢更加方便快捷，資料保存更加安全可靠。

2 結(jié)語

通過采用系統(tǒng)設(shè)備信息識(shí)別系統(tǒng)，徹底解決了系統(tǒng)設(shè)備資料多、查詢困難、資料容易丟失的問題，現(xiàn)場(chǎng)操作人員手持RFID防爆識(shí)別終端到設(shè)備識(shí)別范圍內(nèi)，通過RFID(射頻識(shí)別)方式自動(dòng)識(shí)別出設(shè)備RFID電子標(biāo)簽編碼數(shù)據(jù)并自動(dòng)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，將檢索到的設(shè)備資料信息通過APP進(jìn)行顯示，以便現(xiàn)場(chǎng)操作人員查看。RFID手持式防爆識(shí)別終端通過4G網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)設(shè)備資料信息上傳至云服務(wù)器，并可通過云服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和下載，提高數(shù)據(jù)信息的安全可靠性。該系統(tǒng)同時(shí)可用于協(xié)助油田用戶迅速處理故障，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，準(zhǔn)確快速地采購(gòu)易損件和損壞件，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，減少停鉆時(shí)間，提高鉆井效率，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。