基于RFID技術的鉆井工具管理系統研究與實現

摘要：針對油田生產作業區環境惡劣、工具管理困難等問題，基于物聯網技術提出一種智能化系統設計方案，設計了基于射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術的鉆井工具管理系統。該系統利用RFID 技術為鉆井工具賦予唯一身份碼，通過建立相應的數據庫，實現對工具生產、運輸、維修及使用情況的全程監控。系統采用3 層架構模式進行設計，該方法可以實現手持端與服務器數據庫的實時同步。

關鍵詞：RFID 技術；鉆井工具；管理系統設計；功能實現

中圖分類號：TP391.44；TE28 文獻標識碼：A

0 引言

隨著油田生產規模的不斷擴大，鉆井工具的管理成為制約生產效率和安全的關鍵因素。傳統的工具管理方式依賴人工記錄和識別，不僅效率低，而且容易出錯。物聯網射頻識別（radio frequencyidentification，RFID）技術作為一種新興的信息化手段，具有非接觸式識別、快速讀寫、數據量大等優點，為鉆井工具管理提供了新的解決方案。本文旨在探索基于RFID 技術的鉆井工具管理系統的構建，實現鉆井工具的智能化識別和管理。

1 RFID技術分析及其在鉆井工具管理中的應用優勢分析

1.1 技術概述

RFID 技術是一種非接觸式的自動識別技術。該技術是基于物聯網技術持續化發展而出現的，其通過無線射頻信號實現RFID 讀寫器與標簽之間的數據通信，從而完成對目標物體的識別和數據交換。RFID 技術具有高效率、長距離讀取和大規模應用等顯著優點[1]。

1.2 應用優勢

通過科學地應用RFID 技術，可以對鉆井工具進行智能化管理，其具備以下應用優勢：①有效縮短設備信息采集時長，實現設備智能化管理，降低管理難度，提升管理效率；②降低人工勞動強度，有效節約人力成本支出；③ RFID 技術通過無線傳輸方式實現標簽與讀寫器之間信息交互，可以有效避免鋼號磨損或者油污等造成的標簽無法識別問題；④借助智能化管理系統，簡化業務流程，實現網絡一體化辦公；⑤具備海量數據安全、穩定存儲能力，可以滿足石油鉆井設備工具管理需求。

2 基于RFID技術的鉆井工具管理系統設計

2.1 鉆井工具管理系統需求分析

鉆井工具是石油機械設備管理的重要組成部分，基于RFID 技術的鉆井工具管理系統總體設計需求如下。

（1）RFID 標簽應嵌入鉆井工具中。在設計時需要保證標簽嵌入鉆井工具中，因此對安裝槽提出更高要求，需要安裝槽便于加工且不會對工具性能的發揮產生影響。在實際設計中，一般選擇圓形、尺寸不超過25 mm×6 mm（直徑× 深度）的安裝槽[2]。

（2）具備鉆井工具信息快速采集能力。鉆井工具在使用過程中容易由于磨損、油污污染等原因造成鋼號識別困難的現象，再加上人工讀取方式效率低且容易出現失誤，因此，系統需要具備高效、快速識別標簽的能力。

（3）實現鉆井工具信息智能化查詢、定位及跟蹤。系統應具備對鉆井工具新料入庫、出庫、井隊使用、回收、檢修及報廢等全生命周期信息記錄能力，確保工作人員可以智能化查詢各環節的歷史信息。

（4）鉆井工具信息統計匯總。鉆井工具復雜多樣且在日常使用過程中出入庫、檢修頻繁，因此，需要系統具備自動化生成報表的能力。

（5）鉆井工具信息實施一體化、無紙化管理。現代社會中，無紙化辦公成為必然趨勢，因此，系統應具備所有數據電子化、管理過程無紙化能力。

2.2 系統總體架構設計

結合上文的需求分析，系統總體架構如圖1所示。

由圖1 可知，該系統主要由客戶端、數據庫服務器、手持端RFID 讀寫器及網絡通信設備等組成。具體來看，各部分結構與功能如下。

（1）客戶端。客戶端主要負責操作系統的基礎信息、業務流程信息以及統計信息等的展示與操作。系統客戶端共設有6 個板塊，具體包括基礎信息登記、工具器材中心、維修加工車間、查詢統計、報表管理中心和系統維護設置。

（2）數據庫服務器。數據庫作為鉆井工具管理系統的基礎組成部分，負責存儲系統全部的數據信息。為確保數據安全，并減輕客戶端及手持端本地存儲數據的壓力，本系統將數據庫部署在專用服務器上。客戶端可通過網絡連接訪問服務器，實現數據交互；而手持端在現場可以采集并處理鉆井工具信息，因此需要先將數據存儲在本地SQLite 數據庫，待聯網后再以數據同步方式將其上傳至服務器[3]。

（3）手持端RFID 讀寫器。在鉆井工具均已嵌入RFID 標簽并完成信息綁定的前提下，手持設備可應用于維修加工車間和工具器材中心的工作現場，并且對鉆井工具信息進行采集和操作，在聯網狀態下將工作現場的數據同步至系統服務器。

（4）網絡通信設備。網絡通信設備以無線通信方式Wi-Fi 為主。

2.3 系統網絡局域網設計方案分析

廠房內使用無線路由器實現廠房局域網全覆蓋，但由于系統數據庫服務器放置在維修加工車間的廠房配電室內，所以需要為該配電室配備信號屏蔽裝置，這導致服務器和路由器之間無法直接進行通信。因此，借助電力線載波（power line carrier，PLC）通信技術，確保服務器和電力調制解調器能夠通過網絡傳輸線實現通信，并且借助網絡傳輸線確保路由器和電力調制解調器的連接，實現通信互聯。在廠房局域網的設計過程中，為了保證手持端RFID 讀寫器能夠與數據服務器進行信息交互、數據同步，通過構建同一局域網模式，在主路由器和副路由器之間采用無線橋接技術來保證通信正常進行[4]。

2.4 軟件部分設計

系統軟件采用3 層軟件架構模式進行開發設計。

2.4.1 客戶端軟件功能模塊設計

客戶端軟件架構如圖2 所示。

業務邏輯層作為系統的核心組成部分，既要響應表示層用戶的服務請求，又要負責向數據訪問層發送數據訪問請求。客戶端軟件的業務邏輯層主要處理客戶端用戶界面的服務請求，并利用.NET 架構下的數據訪問組件（ADO.NET）向服務器中的SQL Server 數據庫發送數據訪問請求。

由圖2 可知，系統客戶端軟件主要功能包括以下內容。①基礎信息登記：錄入和管理鉆井工具的各項基礎信息，具體包括公司、供應商、倉庫、物料、工具及井隊信息；②工具器材中心：負責工具分類存儲、日常維護和租借管理，具體包括新料入庫、成品入庫、成品出庫及報廢記錄；③維修加工車間：鉆井工具回收至倉庫前的清洗和檢修部門，設計檢修記錄功能操作模塊；④查詢統計：設計物料歷史查詢和庫存統計查詢模塊，詳細查詢鉆井工具歷史流轉和庫存情況；⑤報表管理中心：匯總鉆井工具日常運營和管理狀況，生成包括物資庫存周報表、入庫統計表、報廢統計表和檢修記錄表等報表，便于公司決策。除了上述五大功能之外，為了保證基于RFID 技術的鉆井工具管理系統正常穩定運行，系統還需要具備維護設置功能。維護設置功能與數據連接配置、同步配置、系統初始化、數據庫管理、權限管理及系統日志等功能聯系緊密，只有通過上述各項功能的充分實現，才能達到系統安全、穩定運行的目標。同時，為了保證系統維護功能得到系統化管控，對維護設置權限進行個性化設置，基于系統管理員負責任務，有針對性地開放相對應的權限。

2.4.2 手持端RFID 讀取器功能模塊設計

手持端RFID 讀取器是一款直接應用于鉆井工具管理現場的數據終端，通過掃描RFID 標簽以獲取工具信息。因此，手持端RFID 讀取器功能模塊包括維修加工車間、工具器材中心和公用模塊3 個部分。維修加工車間和工具器材中心的具體功能模塊與客戶端軟件相對應，公用模塊則包括工具查詢、數據同步、系統設置和切換用戶4 個部分[5]。

2.5 數據庫設計

本系統手持端RFID 讀寫器需具備離線操作能力，確保操作數據能夠實時保存。為此，手持端內置有嵌入式SQLite 數據庫，以存儲操作數據。同時，為便于手持端與服務器進行數據同步，系統服務器數據庫采用的是微軟公司推出的SQL Server 數據庫。

3 基于RFID技術的鉆井工具管理系統功能實現

3.1 工具的精準識別與追蹤

通過為每個工具配備RFID 標簽，系統可以迅速、準確地識別工具的身份信息，包括工具類型、編號、使用狀態等。同時，系統能夠實時追蹤工具的位置和移動軌跡，確保工具的快速定位和查找。這一功能的實現，大大提高了工具管理的效率和準確性，降低了工具丟失和誤用的風險。

3.2 數據記錄與統計自動化

系統能夠自動記錄工具的使用時間、使用次數、維修記錄等關鍵信息，并生成詳細的統計報表。這大大提高了數據的準確性和可靠性。通過數據分析，管理人員能夠更好地了解工具的使用情況和性能狀態，為決策提供支持。

3.3 智能預警與優化調度

系統能夠實時監測工具的使用情況和性能狀態，一旦發現異常情況或工具即將達到使用壽命，系統會立即發出預警提示，提醒管理人員及時采取措施。此外，系統還可以根據工具的使用情況和需求，優化調度方案，確保工具的合理使用和高效利用。這一功能的實現，不僅提高了工具管理的智能化水平，還有助于降低鉆井作業的成本和風險。

4 結語

綜上，通過對基于RFID 技術的鉆井工具管理系統需求進行分析，構建了一套高效、智能的鉆井工具管理系統。該系統有效解決了傳統管理方式存在的效率低、易出錯等問題，實現了對鉆井工具全生命周期的精確監控和管理。本文可以為鉆井工具管理部門和人員提供借鑒與幫助。

參考文獻

[1] 唐鈕熨，李健. 海洋石油鉆井機械及工具現代技術要點分析[J]. 中國石油和化工標準與質量，2023，43（22）：153-155.

[2] 王森. 基于RFID 技術的智能化工器具室管理系統[J].農村電工，2023，31（9）：38-39.

[3] 王瑞娜. 基于RFID 技術的智能倉儲管理系統研究[J]. 湖南郵電職業技術學院學報，2023，22（1）：29-31，36.

[4] 徐承松，陳琦，蔣勁雨. 基于RFID 技術的電力工具柜管理系統的設計[J]. 光源與照明，2022（11）：140-142.

[5] 張小佳，劉文紅，申昭熙，等. 基于RFID 技術的石油鉆具管理系統研制[J]. 石油鉆探技術，2022，50（6）：107-111.