基于物联网的石油钻具生产线智能信息管理系统分析
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摘 要：随着我国科学技术不断发展，当今物联网技术在工业生产领域的应用愈加广泛。近些年石油生产规模不断扩大，对石油钻具的需求量也随之增加，这就需要石油钻具生产企业积极借助物联网技术，打造全新智能信息管理系统，提高石油钻具生产效率和质量。基于此，文章提出一种基于SAW-RFID技术的石油钻具生产线智能信息管理系统。
关键词：物联网;SAW-RFID;石油钻具;智能信息管理系统
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
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，讀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
3.1 SAW-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標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.
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