直流載波下的井下儀數據通信傳輸協(xié)議

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摘要：在油田分層采油與分層注水過程中，井下儀不僅需要供電，還需要與地面控制裝置進行數據雙向傳輸。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引入系統(tǒng)應用，可有效減少供電和通信電纜芯數，降低系統(tǒng)成本。低壓直流載波通信技術采用幅值電壓發(fā)送、電流信號回傳的方式，提高了通信的抗干擾能力。本文設計開發(fā)了一套基于直流載波的井下儀數據通信傳輸協(xié)議，既實現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。將采集的信號調制解調，將編碼信號耦合到50-80VDC的直流電力線上，實現數據和指令的雙向傳輸。為適應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度的信號進行自動調節(jié)。在室內接電纜（5000m）聯(lián)調測試，可準確、可靠地實現地面控制裝置與井下儀之間的雙向通信，滿足油田現場的通信要求。

關鍵詞：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、高可靠性的技術方案，是一種在直流輸電線纜上進行數據傳輸的載波通信技術。電力線載波通信技術(PLC技術)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行數據信號的傳輸，就可以不用鋪設專門的通信線，節(jié)省成本。電力載波通信技術分為交流和直流兩種，本文使用直流載波通信技術，井下系統(tǒng)采用單芯電纜實現設備的供電及數據傳輸，單芯電纜傳輸是指在電纜纜芯上供電的同時并進行數據傳輸，在井下單片機把采集到的數據經過編碼處理后，把數據耦合到電纜上，由地面控制裝置把數據從電纜上提取出來。

1總體設計方案

本文設計了智能分層注水測控系統(tǒng)的控制電路和通信協(xié)議，井下儀的數據通信是在直流環(huán)境下，以電力線載波技術為基礎，可以完成井下溫度、壓力、流量信息實時監(jiān)測及存儲，并實現注水量的調節(jié)。同時采集其輸出電壓電流等信息，可保證設備的穩(wěn)定運行。按照自定義的幀格式進行編碼，經過一系列的運算放大電路和濾波電路，將數據信號調制耦合到電纜上并傳輸至地面控制裝置。地面控制裝置解調接收信號并傳輸采集的數據和控制命令，進行解析后可選用串口通信、以太網接口等多種通信方式將數據交互到PC端或服務器端。從而實現井下儀與地面的雙向通訊。系統(tǒng)方案設計圖見圖1。

2具體實現

2.1數據傳輸編碼

井下注水控制系統(tǒng)是采用有線方式來實現井下儀器供電和數據傳輸。具體是指由鋼管電纜或鎧裝電纜纜芯上供電的同時進行數據傳輸，井下儀控制電路的主控芯片將采集到的數據按照規(guī)定好的協(xié)議進行編碼處理，把數據耦合到電纜上，地面控制裝置同樣通過解碼電路把數據從電纜上解析出來完成數據的雙向傳輸和指令控制。由于地層的環(huán)境復雜，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時獲取數據帶來干擾。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的編碼處理，本文設計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，具體是將二進制“0”用“10”進行，把二進制“1”用“00”表示。

2.2發(fā)碼信號設計

基于直流載波的井下儀數據通信傳輸時速率采用9600波特率，將其經過脈沖編碼后，通過軟件延時控制每位的時間應該為208μs左右。井下儀采集一幀數據規(guī)定由20Bytes組成，并提前規(guī)定好協(xié)議避免數據混亂。規(guī)定幀頭的第一個字節(jié)為13H，每幀數據的幀尾即最后一個字節(jié)為26H結束。在進行傳輸數據時先傳低位，再傳高位。由于選擇的采集芯片為16位的AD7794，而選型的PIC單片機則是8位的，故單片機從采集芯片獲取的每一大幀數據，包含幀頭幀尾共有42個字節(jié)的數據，傳輸時每幀的數據格式按照表1所示進行編碼。下面以幀頭13H為例進行詳細的編碼說明，13H的二進制碼為“00010011”，按照事先規(guī)定的通信協(xié)議，編碼后為“10101000、10100000”傳輸時數據先傳低位在傳高位，如圖2所示。井下儀的各個參數由傳感器進行信號采集，經過AD7794采集芯片模數轉化處理后將數據發(fā)送給單片機進行處理和通信。該協(xié)議每幀數據包含10道信號，分別代表10個不同地址的參數，地址按0~9循環(huán)進行發(fā)送，地址定義如下：1—流量；2—溫度；3—內壓；4—外壓；5—水嘴開度；6—電機狀態(tài)；7—和檢驗；8—備用；9—備用；0—未用。其中每道信號由地址位、數據位、校驗位以及延時位組成。單片機跟地面進行數據通信時先發(fā)低位后發(fā)高位。數據1為一個正脈沖，50%占空比延遲后緊跟一個負脈沖，數據0為一個負脈沖，50%占空比延遲后緊跟一個正脈沖，不能連續(xù)出現正脈沖或負脈沖，否則，第二個脈沖不出現。井下信號經過單片機編碼后通過發(fā)碼電路，主要由三極管和場效應管控制其電平狀態(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到地面控制裝置。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行處理。通過主控芯片進行數據算法的實現，從而解析出井下儀的流量、溫度、壓力、開度等重要數據。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行手動調節(jié)，從而完成雙向通信。

2.3解碼信號設計

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據，還需要把信號從新解碼。解碼電路主要由觸發(fā)電路結合適當參數的電阻、電容，使用RC網絡中電容的充放電特性，能夠將脈沖信號按照編碼格式轉化為標準的RS-232串口形式。解碼數據格式如圖3所示。

3數據傳輸

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進行通信，采用有纜智能分注系統(tǒng)軟件，對采集的信號進行實時數據顯示、曲線繪制以及歷史數據的回放。并實現流量數據的計算與信號的存儲。為了便于調試，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芯片作為電平轉換接口，PIC單片機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標準接口與PC機的RS232接口相連，具體電路如圖4所示。能夠實現地面的調試和試驗，完成對數據收發(fā)的測試和驗證。

4仿真波形

井下儀的實時數據通過電纜進行傳輸，采用示波器對其載波信號進行波形監(jiān)測。由于鋼管電纜或鎧裝電纜上存在著分布電容，井下數據的傳輸距離較長，數據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。單片機從收到的脈沖信號按照數據編碼規(guī)則進行解析，最終將數據傳輸到地面控制系統(tǒng)，便于上位機的調試和查看。示波器測試波形如圖5所示。

5結語

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，井下單片機選擇不同的電阻通道來實現可變增益放大，并在通過井下單片機實現信號的采集和編碼及傳輸。地面控制裝置把井下傳輸的數據進行解碼，經過串口與上位機進行通信。鑒于井下環(huán)境復雜并受干擾較大，對數據進行相應的編碼規(guī)則的設定，極大地減小了誤碼率，保證了數據可靠穩(wěn)定地傳輸，在油田智能分注中具有重要的參考價值。

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作者：孟祥海 陳征 藍飛 張志熊 王柳 劉闖 單位：中海石油（中國）有限公司天津分公司