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摘要：在油田分層采油與分層注水過程中，井下儀不僅需要供電，還需要與地面控制裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸。針對井下系統(tǒng)供電和通信距離長、線纜成本高的情況，將低壓直流載波通信技術(shù)引入系統(tǒng)應(yīng)用，可有效減少供電和通信電纜芯數(shù)，降低系統(tǒng)成本。低壓直流載波通信技術(shù)采用幅值電壓發(fā)送、電流信號回傳的方式，提高了通信的抗干擾能力。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于直流載波的井下儀數(shù)據(jù)通信傳輸協(xié)議，既實(shí)現(xiàn)了地面與井下多支儀器的雙向通信，又為井下儀提供了電源。將采集的信號調(diào)制解調(diào)，將編碼信號耦合到50-80VDC的直流電力線上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的雙向傳輸。為適應(yīng)不同長度的電纜通信所引起的阻抗變化，采用程控放大器對不同強(qiáng)度的信號進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。在室內(nèi)接電纜（5000m）聯(lián)調(diào)測試，可準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)地面控制裝置與井下儀之間的雙向通信，滿足油田現(xiàn)場的通信要求。
關(guān)鍵詞：直流載波；脈沖編碼；解碼；串口通信
隨著科技水平的迅速發(fā)展，油田分采也朝著自動化和智能化的方向迅速普及。本文提出了一套低成本、高可靠性的技術(shù)方案，是一種在直流輸電線纜上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d波通信技術(shù)。電力線載波通信技術(shù)(PLC技術(shù))是把電力線作為通信線路，節(jié)省了大量布線成本。目前電力線載波通信技術(shù)是指：利用原有的電力系統(tǒng)中的電纜線替代通信中的通信線來進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的傳輸，就可以不用鋪設(shè)專門的通信線，節(jié)省成本。電力載波通信技術(shù)分為交流和直流兩種，本文使用直流載波通信技術(shù)，井下系統(tǒng)采用單芯電纜實(shí)現(xiàn)設(shè)備的供電及數(shù)據(jù)傳輸，單芯電纜傳輸是指在電纜纜芯上供電的同時(shí)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在井下單片機(jī)把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼處理后，把數(shù)據(jù)耦合到電纜上，由地面控制裝置把數(shù)據(jù)從電纜上提取出來。
1總體設(shè)計(jì)方案
本文設(shè)計(jì)了智能分層注水測控系統(tǒng)的控制電路和通信協(xié)議，井下儀的數(shù)據(jù)通信是在直流環(huán)境下，以電力線載波技術(shù)為基礎(chǔ)，可以完成井下溫度、壓力、流量信息實(shí)時(shí)監(jiān)測及存儲，并實(shí)現(xiàn)注水量的調(diào)節(jié)。同時(shí)采集其輸出電壓電流等信息，可保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。按照自定義的幀格式進(jìn)行編碼，經(jīng)過一系列的運(yùn)算放大電路和濾波電路，將數(shù)據(jù)信號調(diào)制耦合到電纜上并傳輸至地面控制裝置。地面控制裝置解調(diào)接收信號并傳輸采集的數(shù)據(jù)和控制命令，進(jìn)行解析后可選用串口通信、以太網(wǎng)接口等多種通信方式將數(shù)據(jù)交互到PC端或服務(wù)器端。從而實(shí)現(xiàn)井下儀與地面的雙向通訊。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖見圖1。
2具體實(shí)現(xiàn)
2.1數(shù)據(jù)傳輸編碼
井下注水控制系統(tǒng)是采用有線方式來實(shí)現(xiàn)井下儀器供電和數(shù)據(jù)傳輸。具體是指由鋼管電纜或鎧裝電纜纜芯上供電的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，井下儀控制電路的主控芯片將采集到的數(shù)據(jù)按照規(guī)定好的協(xié)議進(jìn)行編碼處理，把數(shù)據(jù)耦合到電纜上，地面控制裝置同樣通過解碼電路把數(shù)據(jù)從電纜上解析出來完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸和指令控制。由于地層的環(huán)境復(fù)雜，通常處于高溫高壓的環(huán)境中，而且地層有一些雜波信號會對井下儀實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)帶來干擾。一般不適合直接在電纜上傳輸，因此在信號傳輸前要先對信號相應(yīng)的編碼處理，本文設(shè)計(jì)了一種新型的脈沖編碼協(xié)議。其編碼規(guī)則與RS232比較相似，但是卻有所區(qū)別，具體是將二進(jìn)制“0”用“10”進(jìn)行，把二進(jìn)制“1”用“00”表示。
2.2發(fā)碼信號設(shè)計(jì)
基于直流載波的井下儀數(shù)據(jù)通信傳輸時(shí)速率采用9600波特率，將其經(jīng)過脈沖編碼后，通過軟件延時(shí)控制每位的時(shí)間應(yīng)該為208μs左右。井下儀采集一幀數(shù)據(jù)規(guī)定由20Bytes組成，并提前規(guī)定好協(xié)議避免數(shù)據(jù)混亂。規(guī)定幀頭的第一個(gè)字節(jié)為13H，每幀數(shù)據(jù)的幀尾即最后一個(gè)字節(jié)為26H結(jié)束。在進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)先傳低位，再傳高位。由于選擇的采集芯片為16位的AD7794，而選型的PIC單片機(jī)則是8位的，故單片機(jī)從采集芯片獲取的每一大幀數(shù)據(jù)，包含幀頭幀尾共有42個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，傳輸時(shí)每幀的數(shù)據(jù)格式按照表1所示進(jìn)行編碼。下面以幀頭13H為例進(jìn)行詳細(xì)的編碼說明，13H的二進(jìn)制碼為“00010011”，按照事先規(guī)定的通信協(xié)議，編碼后為“10101000、10100000”傳輸時(shí)數(shù)據(jù)先傳低位在傳高位，如圖2所示。井下儀的各個(gè)參數(shù)由傳感器進(jìn)行信號采集，經(jīng)過AD7794采集芯片模數(shù)轉(zhuǎn)化處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理和通信。該協(xié)議每幀數(shù)據(jù)包含10道信號，分別代表10個(gè)不同地址的參數(shù)，地址按0~9循環(huán)進(jìn)行發(fā)送，地址定義如下：1—流量；2—溫度；3—內(nèi)壓；4—外壓；5—水嘴開度；6—電機(jī)狀態(tài)；7—和檢驗(yàn)；8—備用；9—備用；0—未用。其中每道信號由地址位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位以及延時(shí)位組成。單片機(jī)跟地面進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)先發(fā)低位后發(fā)高位。數(shù)據(jù)1為一個(gè)正脈沖，50%占空比延遲后緊跟一個(gè)負(fù)脈沖，數(shù)據(jù)0為一個(gè)負(fù)脈沖，50%占空比延遲后緊跟一個(gè)正脈沖，不能連續(xù)出現(xiàn)正脈沖或負(fù)脈沖，否則，第二個(gè)脈沖不出現(xiàn)。井下信號經(jīng)過單片機(jī)編碼后通過發(fā)碼電路，主要由三極管和場效應(yīng)管控制其電平狀態(tài)。將采集的信號通過耦合電路耦合在鋼管或鎧裝電纜上，通過電纜將信號傳輸?shù)降孛婵刂蒲b置。地面控制裝置則通過耦合電路將加載在電纜上的信號耦合下來進(jìn)行處理。通過主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)算法的實(shí)現(xiàn)，從而解析出井下儀的流量、溫度、壓力、開度等重要數(shù)據(jù)。地面控制裝置也能夠通過發(fā)送指令完成對井下儀的流量和開度進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，從而完成雙向通信。
2.3解碼信號設(shè)計(jì)
地面控制裝置通過井上耦合電路把信號從電纜上提取出來后，經(jīng)過信號濾波，整形后形成規(guī)則的脈沖信號后，為了能夠使地面串口芯片直接接收井下的數(shù)據(jù)，還需要把信號從新解碼。解碼電路主要由觸發(fā)電路結(jié)合適當(dāng)參數(shù)的電阻、電容，使用RC網(wǎng)絡(luò)中電容的充放電特性，能夠?qū)⒚}沖信號按照編碼格式轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串口形式。解碼數(shù)據(jù)格式如圖3所示。
3數(shù)據(jù)傳輸
地面控制裝置把井下采集的流量、壓力、溫度信號解碼后與上位機(jī)進(jìn)行通信，采用有纜智能分注系統(tǒng)軟件，對采集的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、曲線繪制以及歷史數(shù)據(jù)的回放。并實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的計(jì)算與信號的存儲。為了便于調(diào)試，地面控制電路與PC端的通信，采用成熟的異步單工通信方式，采用MAX232芯片作為電平轉(zhuǎn)換接口，PIC單片機(jī)將井下采集到的信號通過串行口TX，與MAX232的T1IN口相連。MAX232的輸出通過9針的DB9標(biāo)準(zhǔn)接口與PC機(jī)的RS232接口相連，具體電路如圖4所示。能夠?qū)崿F(xiàn)地面的調(diào)試和試驗(yàn)，完成對數(shù)據(jù)收發(fā)的測試和驗(yàn)證。
4仿真波形
井下儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過電纜進(jìn)行傳輸，采用示波器對其載波信號進(jìn)行波形監(jiān)測。由于鋼管電纜或鎧裝電纜上存在著分布電容，井下數(shù)據(jù)的傳輸距離較長，數(shù)據(jù)信號易被微分且有不同程度的干擾。由原來的脈沖方波信號變成不太規(guī)則的正弦波信號，所以耦合下來的信號要經(jīng)過濾波放大電路與LM358組成的電壓比較器硬件處理后輸出脈沖信號。單片機(jī)從收到的脈沖信號按照數(shù)據(jù)編碼規(guī)則進(jìn)行解析，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)，便于上位機(jī)的調(diào)試和查看。示波器測試波形如圖5所示。
5結(jié)語
本文采用直流載波的耦合方式將井下儀與地面控制系統(tǒng)之間建立雙向通信方式，井下單片機(jī)選擇不同的電阻通道來實(shí)現(xiàn)可變增益放大，并在通過井下單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號的采集和編碼及傳輸。地面控制裝置把井下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，經(jīng)過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。鑒于井下環(huán)境復(fù)雜并受干擾較大，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼規(guī)則的設(shè)定，極大地減小了誤碼率，保證了數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定地傳輸，在油田智能分注中具有重要的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
[1]趙東亞，張建華.低壓電力線載波通訊技術(shù)在中國智能電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012(03).
[2]楊剛.電力線通信技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2010.
[3]侯永春.測井電纜高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究[D].西安石油大學(xué)，2013.
[4]楊忠華.過套管電阻率測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸及解碼技術(shù)研究[D].西安石油大學(xué)，2011.
[5]郭朝陽.多分層試井儀數(shù)傳系統(tǒng)研究[D].西安石油大學(xué)，2011.
[6]楊鋼.基于STC單片機(jī)與Modbus通信控制[J].電子科學(xué)技術(shù)，2017,04(03):103~105.
[7]傅啟國.基于ModbusRTU協(xié)議的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2016(15):84~85.
[8]徐永森.低壓電力線載波通信技術(shù)淺析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012(03).
[9]周小飛.基于直流載波的井下儀器通信技術(shù)的研究[D].中國石油大學(xué)(華東)，2016.
[10]周青山，王玨，譚輝.基于曼徹斯特碼的通信協(xié)議設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011(08).
[11]李微微，陳國棟，李謙.應(yīng)用在測井電纜傳輸?shù)膸追N編碼技術(shù)[J].科技資訊，2010(25).
[12]董惠娟，李瑞敏，張廣玉，等.單芯測井電纜頻率特性分析[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2008(06).
作者：孟祥海 陳征 藍(lán)飛 張志熊 王柳 劉闖 單位：中海石油（中國）有限公司天津分公司