直流載波下的井下儀數(shù)據(jù)通信傳輸協(xié)議

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摘要：在油田分層采油與分層注水過(guò)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(duì)井下系統(tǒng)供電和通信距離長(zhǎng)、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(hào)回傳的方式，提高了通信的抗干擾能力。本文設(shè)計(jì)開(kāi)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(hào)調(diào)制解調(diào)，將編碼信號(hào)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(zhǎng)度的電纜通信所引起的阻抗變化，采用程控放大器對(duì)不同強(qiáng)度的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。在室內(nèi)接電纜（5000m）聯(lián)調(diào)測(cè)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(chǎng)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(dòng)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(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸，就可以不用鋪設(shè)專門(mén)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(guò)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(lái)。

1總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)了智能分層注水測(cè)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(cè)及存儲(chǔ)，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(guò)一系列的運(yùn)算放大電路和濾波電路，將數(shù)據(jù)信號(hào)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(hào)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(jiàn)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(lái)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(guò)解碼電路把數(shù)據(jù)從電纜上解析出來(lái)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(hào)會(huì)對(duì)井下儀實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)帶來(lái)干擾。一般不適合直接在電纜上傳輸，因此在信號(hào)傳輸前要先對(duì)信號(hào)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(hào)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(guò)脈沖編碼后，通過(guò)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(shuō)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(hào)采集，經(jīng)過(guò)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(hào)，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(kāi)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(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)編碼后通過(guò)發(fā)碼電路，主要由三極管和場(chǎng)效應(yīng)管控制其電平狀態(tài)。將采集的信號(hào)通過(guò)耦合電路耦合在鋼管或鎧裝電纜上，通過(guò)電纜將信號(hào)傳輸?shù)降孛婵刂蒲b置。地面控制裝置則通過(guò)耦合電路將加載在電纜上的信號(hào)耦合下來(lái)進(jìn)行處理。通過(guò)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(kāi)度等重要數(shù)據(jù)。地面控制裝置也能夠通過(guò)發(fā)送指令完成對(duì)井下儀的流量和開(kāi)度進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，從而完成雙向通信。

2.3解碼信號(hào)設(shè)計(jì)

地面控制裝置通過(guò)井上耦合電路把信號(hào)從電纜上提取出來(lái)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波，整形后形成規(guī)則的脈沖信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)采集的信號(hào)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(hào)的存儲(chǔ)。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(hào)通過(guò)串行口TX，與MAX232的T1IN口相連。MAX232的輸出通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)的測(cè)試和驗(yàn)證。

4仿真波形

井下儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)電纜進(jìn)行傳輸，采用示波器對(duì)其載波信號(hào)進(jìn)行波形監(jiān)測(cè)。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(zhǎng)，數(shù)據(jù)信號(hào)易被微分且有不同程度的干擾。由原來(lái)的脈沖方波信號(hào)變成不太規(guī)則的正弦波信號(hào)，所以耦合下來(lái)的信號(hào)要經(jīng)過(guò)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(hào)。單片機(jī)從收到的脈沖信號(hào)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(cè)試波形如圖5所示。

5結(jié)語(yǔ)

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(lái)實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯螅⒃谕ㄟ^(guò)井下單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(guò)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(duì)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。

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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(guó)）有限公司天津分公司