电动钻机系统设备信息识别系统设计

史金红，李庆福,2，廖刚,2，李娜，李博，杨丰博，王红樱，冯帆，尚卓

（1. 宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721000；2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721000）

0 引言

电动钻机由多个系统设备组成，每个系统设备都有大量的文件资料，具体包括产品使用说明书、维护保养手册、图册等，电动钻机在钻井作业过程中难免会出现系统设备故障或损坏的情况，此时油田用户需要查找相应系统设备资料来辅助处理故障或查询损坏设备型号等。当系统设备需要维护保养和易损件采购时, 油田用户也需要查找相应系统设备资料，按照要求进行维护保养及易损件的采购，保证设备正常工作。油田用户查看系统设备资料的频率较高，并且在大量的文件资料中查找所需要的信息非常困难，甚至会出现资料丢失或无法找到的情况，降低了现场解决问题的处理效率，影响易损件及损坏件采购的准确性和周期性，影响钻井效率。为解决上述问题，提出采用电动钻机系统设备信息识别系统的设计方案，以便油田用户可以通过手持RFID防爆识别终端在钻机现场迅速查看钻机系统设备的资料信息，同时可用于协助油田用户迅速处理设备故障，及时对设备进行维护保养，准确快速地采购易损件和损坏件，保证钻机系统设备安全稳定运行。

1 电动钻机系统设备信息识别系统设计

电动钻机系统设备信息识别系统主要由RFID手持式防爆识别终端、电子标签、数据管理系统组成。RFID(射频识别)是一种无线通信技术，RFID手持式防爆识别终端通过天线与RFID电子标签进行无线通信，当RFID电子标签在RFID手持式防爆识别终端2.5 m的识别范围内时，RFID电子标签可接收到RFID手持式防爆识别终端发出的射频信号，RFID电子标签凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的编码数据信息，RFID手持式防爆识别终端接收该编码数据后自动检索资料数据库，将检索到的设备资料信息通过APP进行显示，以便现场操作人员查看。系统设备资料信息主要包括使用说明书、维护保养手册、图册、设备增减记录、设备状态记录等。系统支持资料的上传和下载功能，多个RFID手持式防爆识别终端均可将已录入的设备资料信息通过4G网络上传至云服务器，同时也可通过4G网络将云服务器上的设备资料信息下载至本地手持式防爆识别终端APP上。钻机系统设备主要包括绞车、转盘、泥浆泵、顶驱、钻机电控系统、柴油发电机组、固控系统、管柱处理设备等。电动钻机系统设备信息识别系统单线图如图1所示。

图1 电动钻机系统设备信息识别系统单线图

RFID手持式防爆识别终端自动检索资料数据库时支持本地及远程两种方式：1）本地检索。当前系统设备资料信息已录入或已远程下载至RFID手持式防爆识别终端，通过APP可直接检索并显示查询结果。2）远程检索。当前系统设备资料信息未录入或未远程下载至该RFID手持式防爆识别终端时，RFID手持式防爆识别终端APP可通过4G网络远程在线访问云服务器，并将系统设备资料信息下载至本地RFID手持式防爆识别终端APP上，实现远程在线检索并显示查询结果。

RFID信息识别系统具有以下优点：1）非接触识别。不需物理接触，通过无线射频识别。2）识别能力强。能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢读取电子标签编码数据信息。3）读取速度极快。大多数情况下读取时间不超过100 ms。4）电子标签编码唯一性。每个RFID电子标签编码都是独一无二的，每个RFID电子标签编码对应一个系统设备。5）读取距离远。读取距离2.5 m。6）安全性高。通过加密技术，RFID电子标签不会向未授权的RFID手持式防爆识别终端发送编码信息[1]。

1.1 RFID手持式防爆识别终端设计

RFID手持式防爆识别终端主要由收发天线、频率产生器、锁相环、调制电路、微处理器、存储器、解调电路组成。RFID手持式防爆识别终端用于读取RFID电子标签的编码数据，是RFID信息识别系统的控制和处理中心。RFID手持式防爆识别终端通过天线与RFID电子标签进行无线通信，当RFID电子标签在RFID手持式防爆识别终端2.5 m的识别范围内时，RFID电子标签可接收到RFID手持式防爆识别终端发出的射频信号，RFID电子标签凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的编码数据信息，RFID手持式防爆识别终端接收该编码数据后自动检索资料数据库，将检索到的设备资料信息通过APP进行显示[2]，以便现场操作人员查看。RFID手持式防爆识别终端内部存储空间满足设备资料信息文档存储要求。

RFID手持式防爆识别终端组成部分功能概述：1）收发天线。发送射频信号给RFID电子标签，并接收RFID电子标签返回的编码数据信息。2）频率产生器。产生系统的工作频率（840～960 MHz）。3）锁相环。产生所需的载波信号。4）调制电路。把发送至RFID电子标签的信号加载到载波并由射频电路送出。5）微处理器。产生要发送至RFID电子标签的信号，同时对RFID电子标签返回的编码数据进行译码，并把译码所得的数据传给应用程序。6）存储器。存储程序和数据。7）解调电路。解调RFID电子标签返回的编码数据信号，并交给微处理器处理。

1.2 RFID电子标签设计

采用RFID无源抗金属标签，RFID电子标签由收发天线、AC/DC电路、解调电路、逻辑控制电路、存储器和调制电路组成。

每个RFID电子标签具有唯一的标签编码，每个RFID电子标签编码对应一个系统设备和关系文档，关系文档中包括系统设备的使用说明书、维护保养手册、图册、设备增减记录、设备状态记录等资料信息。RFID电子标签固定在设备表面上，用于存储系统设备编码数据。RFID电子标签通过接收RFID手持式防爆识别终端发出的射频信号并通过电磁感应线圈获取能量来对自身短暂供电，对内部集成电路进行驱动，靠感应电流的能量将储存在RFID电子标签中的编码数据发送至RFID手持式防爆识别终端[3]。

RFID电子标签组成部分功能概述：1）收发天线。接收来自RFID手持式防爆识别终端的信号，并将RFID电子标签的编码数据发送至RFID手持式防爆识别终端。2）AC/DC电路。利用RFID手持式防爆识别终端发射的电磁场能量，经稳压电路输出为其它电路提供稳定的电源。3）解调电路。从接收的信号中去除载波，解调出原信号。4）逻辑控制电路。对来自RFID手持式防爆识别终端的信号进行译码，并向调制电路发送电子标签编码数据。5）存储器。存储程序和数据。6）调制电路。逻辑控制电路所发送的编码数据经调制电路加载至收发天线。

1.3 数据管理系统设计

数据管理系统主要由终端管理器和云服务器组成，利用RFID自动识别技术与后台数据库管理系统相结合，实现对资料信息全过程跟踪与信息化管理，构成一个信息化管理服务平台。终端管理器由RFID电子标签、RFID手持式防爆识别终端构成，用于录入各系统设备的资料信息。云服务器用于存储、分类及归档各系统设备资料信息。系统设置管理员权限，只有具有管理员权限的人员才被允许对系统进行资料信息上传及下载等功能。系统具有设备信息管理功能，实时管理系统设备使用说明书、维护保养手册、图册、设备增减记录、设备状态记录等信息，资料信息上传及下载均采用实名制，防止相关人员责任推诿。

在RFID手持式防爆识别终端上安装系统设备信息识别APP软件，将各系统设备RFID电子标签编码数据及对应的关系文档资料信息（主要包括使用说明书、维护保养手册、图册、设备增减记录、设备状态记录等）录入RFID手持式防爆识别终端，确保各系统设备RFID电子标签编码数据与关系文档资料信息一一对应。系统支持资料信息的上传和下载功能，多个RFID手持式防爆识别终端均可通过4G网络将已录入的系统设备资料信息上传至云服务器并进行存储和归档，同时也可通过4G网络将云服务器上的系统设备资料信息下载至本地RFID手持式防爆识别终端APP上。

系统根据识别到的设备RFID电子标签编码数据，自动检索数据库并将检索到的系统设备资料信息通过APP进行显示，以便现场操作人员查看，数据库的数据可根据需要进行修改。通过数据管理系统实现系统设备资料信息的录入、查询、上传、下载等，并对资料信息进行科学的分类、归档，使资料管理更加科学化和信息化，查询更加方便快捷，资料保存更加安全可靠。

2 结语

通过采用系统设备信息识别系统，彻底解决了系统设备资料多、查询困难、资料容易丢失的问题，现场操作人员手持RFID防爆识别终端到设备识别范围内，通过RFID(射频识别)方式自动识别出设备RFID电子标签编码数据并自动检索数据库，将检索到的设备资料信息通过APP进行显示，以便现场操作人员查看。RFID手持式防爆识别终端通过4G网络将系统设备资料信息上传至云服务器，并可通过云服务器进行远程数据查询和下载，提高数据信息的安全可靠性。该系统同时可用于协助油田用户迅速处理故障，及时对设备进行维护保养，准确快速地采购易损件和损坏件，保证设备稳定运行，减少停钻时间，提高钻井效率，创造良好的经济效益。