電動鉆機系統設備信息識別系統設計

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. 寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2. 國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引言

電動鉆機由多個系統設備組成，每個系統設備都有大量的文件資料，具體包括產品使用說明書、維護保養手冊、圖冊等，電動鉆機在鉆井作業過程中難免會出現系統設備故障或損壞的情況，此時油田用戶需要查找相應系統設備資料來輔助處理故障或查詢損壞設備型號等。當系統設備需要維護保養和易損件采購時, 油田用戶也需要查找相應系統設備資料，按照要求進行維護保養及易損件的采購，保證設備正常工作。油田用戶查看系統設備資料的頻率較高，并且在大量的文件資料中查找所需要的信息非常困難，甚至會出現資料丟失或無法找到的情況，降低了現場解決問題的處理效率，影響易損件及損壞件采購的準確性和周期性，影響鉆井效率。為解決上述問題，提出采用電動鉆機系統設備信息識別系統的設計方案，以便油田用戶可以通過手持RFID防爆識別終端在鉆機現場迅速查看鉆機系統設備的資料信息，同時可用于協助油田用戶迅速處理設備故障，及時對設備進行維護保養，準確快速地采購易損件和損壞件，保證鉆機系統設備安全穩定運行。

1 電動鉆機系統設備信息識別系統設計

電動鉆機系統設備信息識別系統主要由RFID手持式防爆識別終端、電子標簽、數據管理系統組成。RFID(射頻識別)是一種無線通信技術，RFID手持式防爆識別終端通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，當RFID電子標簽在RFID手持式防爆識別終端2.5 m的識別范圍內時，RFID電子標簽可接收到RFID手持式防爆識別終端發出的射頻信號，RFID電子標簽憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的編碼數據信息，RFID手持式防爆識別終端接收該編碼數據后自動檢索資料數據庫，將檢索到的設備資料信息通過APP進行顯示，以便現場操作人員查看。系統設備資料信息主要包括使用說明書、維護保養手冊、圖冊、設備增減記錄、設備狀態記錄等。系統支持資料的上傳和下載功能，多個RFID手持式防爆識別終端均可將已錄入的設備資料信息通過4G網絡上傳至云服務器，同時也可通過4G網絡將云服務器上的設備資料信息下載至本地手持式防爆識別終端APP上。鉆機系統設備主要包括絞車、轉盤、泥漿泵、頂驅、鉆機電控系統、柴油發電機組、固控系統、管柱處理設備等。電動鉆機系統設備信息識別系統單線圖如圖1所示。

圖1 電動鉆機系統設備信息識別系統單線圖

RFID手持式防爆識別終端自動檢索資料數據庫時支持本地及遠程兩種方式：1）本地檢索。當前系統設備資料信息已錄入或已遠程下載至RFID手持式防爆識別終端，通過APP可直接檢索并顯示查詢結果。2）遠程檢索。當前系統設備資料信息未錄入或未遠程下載至該RFID手持式防爆識別終端時，RFID手持式防爆識別終端APP可通過4G網絡遠程在線訪問云服務器，并將系統設備資料信息下載至本地RFID手持式防爆識別終端APP上，實現遠程在線檢索并顯示查詢結果。

RFID信息識別系統具有以下優點：1）非接觸識別。不需物理接觸，通過無線射頻識別。2）識別能力強。能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢讀取電子標簽編碼數據信息。3）讀取速度極快。大多數情況下讀取時間不超過100 ms。4）電子標簽編碼唯一性。每個RFID電子標簽編碼都是獨一無二的，每個RFID電子標簽編碼對應一個系統設備。5）讀取距離遠。讀取距離2.5 m。6）安全性高。通過加密技術，RFID電子標簽不會向未授權的RFID手持式防爆識別終端發送編碼信息[1]。

1.1 RFID手持式防爆識別終端設計

RFID手持式防爆識別終端主要由收發天線、頻率產生器、鎖相環、調制電路、微處理器、存儲器、解調電路組成。RFID手持式防爆識別終端用于讀取RFID電子標簽的編碼數據，是RFID信息識別系統的控制和處理中心。RFID手持式防爆識別終端通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，當RFID電子標簽在RFID手持式防爆識別終端2.5 m的識別范圍內時，RFID電子標簽可接收到RFID手持式防爆識別終端發出的射頻信號，RFID電子標簽憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的編碼數據信息，RFID手持式防爆識別終端接收該編碼數據后自動檢索資料數據庫，將檢索到的設備資料信息通過APP進行顯示[2]，以便現場操作人員查看。RFID手持式防爆識別終端內部存儲空間滿足設備資料信息文檔存儲要求。

RFID手持式防爆識別終端組成部分功能概述：1）收發天線。發送射頻信號給RFID電子標簽，并接收RFID電子標簽返回的編碼數據信息。2）頻率產生器。產生系統的工作頻率（840～960 MHz）。3）鎖相環。產生所需的載波信號。4）調制電路。把發送至RFID電子標簽的信號加載到載波并由射頻電路送出。5）微處理器。產生要發送至RFID電子標簽的信號，同時對RFID電子標簽返回的編碼數據進行譯碼，并把譯碼所得的數據傳給應用程序。6）存儲器。存儲程序和數據。7）解調電路。解調RFID電子標簽返回的編碼數據信號，并交給微處理器處理。

1.2 RFID電子標簽設計

采用RFID無源抗金屬標簽，RFID電子標簽由收發天線、AC/DC電路、解調電路、邏輯控制電路、存儲器和調制電路組成。

每個RFID電子標簽具有唯一的標簽編碼，每個RFID電子標簽編碼對應一個系統設備和關系文檔，關系文檔中包括系統設備的使用說明書、維護保養手冊、圖冊、設備增減記錄、設備狀態記錄等資料信息。RFID電子標簽固定在設備表面上，用于存儲系統設備編碼數據。RFID電子標簽通過接收RFID手持式防爆識別終端發出的射頻信號并通過電磁感應線圈獲取能量來對自身短暫供電，對內部集成電路進行驅動，靠感應電流的能量將儲存在RFID電子標簽中的編碼數據發送至RFID手持式防爆識別終端[3]。

RFID電子標簽組成部分功能概述：1）收發天線。接收來自RFID手持式防爆識別終端的信號，并將RFID電子標簽的編碼數據發送至RFID手持式防爆識別終端。2）AC/DC電路。利用RFID手持式防爆識別終端發射的電磁場能量，經穩壓電路輸出為其它電路提供穩定的電源。3）解調電路。從接收的信號中去除載波，解調出原信號。4）邏輯控制電路。對來自RFID手持式防爆識別終端的信號進行譯碼，并向調制電路發送電子標簽編碼數據。5）存儲器。存儲程序和數據。6）調制電路。邏輯控制電路所發送的編碼數據經調制電路加載至收發天線。

1.3 數據管理系統設計

數據管理系統主要由終端管理器和云服務器組成，利用RFID自動識別技術與后臺數據庫管理系統相結合，實現對資料信息全過程跟蹤與信息化管理，構成一個信息化管理服務平臺。終端管理器由RFID電子標簽、RFID手持式防爆識別終端構成，用于錄入各系統設備的資料信息。云服務器用于存儲、分類及歸檔各系統設備資料信息。系統設置管理員權限，只有具有管理員權限的人員才被允許對系統進行資料信息上傳及下載等功能。系統具有設備信息管理功能，實時管理系統設備使用說明書、維護保養手冊、圖冊、設備增減記錄、設備狀態記錄等信息，資料信息上傳及下載均采用實名制，防止相關人員責任推諉。

在RFID手持式防爆識別終端上安裝系統設備信息識別APP軟件，將各系統設備RFID電子標簽編碼數據及對應的關系文檔資料信息（主要包括使用說明書、維護保養手冊、圖冊、設備增減記錄、設備狀態記錄等）錄入RFID手持式防爆識別終端，確保各系統設備RFID電子標簽編碼數據與關系文檔資料信息一一對應。系統支持資料信息的上傳和下載功能，多個RFID手持式防爆識別終端均可通過4G網絡將已錄入的系統設備資料信息上傳至云服務器并進行存儲和歸檔，同時也可通過4G網絡將云服務器上的系統設備資料信息下載至本地RFID手持式防爆識別終端APP上。

系統根據識別到的設備RFID電子標簽編碼數據，自動檢索數據庫并將檢索到的系統設備資料信息通過APP進行顯示，以便現場操作人員查看，數據庫的數據可根據需要進行修改。通過數據管理系統實現系統設備資料信息的錄入、查詢、上傳、下載等，并對資料信息進行科學的分類、歸檔，使資料管理更加科學化和信息化，查詢更加方便快捷，資料保存更加安全可靠。

2 結語

通過采用系統設備信息識別系統，徹底解決了系統設備資料多、查詢困難、資料容易丟失的問題，現場操作人員手持RFID防爆識別終端到設備識別范圍內，通過RFID(射頻識別)方式自動識別出設備RFID電子標簽編碼數據并自動檢索數據庫，將檢索到的設備資料信息通過APP進行顯示，以便現場操作人員查看。RFID手持式防爆識別終端通過4G網絡將系統設備資料信息上傳至云服務器，并可通過云服務器進行遠程數據查詢和下載，提高數據信息的安全可靠性。該系統同時可用于協助油田用戶迅速處理故障，及時對設備進行維護保養，準確快速地采購易損件和損壞件，保證設備穩定運行，減少停鉆時間，提高鉆井效率，創造良好的經濟效益。