AT509440B1 - Verbindungseinrichtung zum verbinden von elektrischen stromversorgungsleitungen von bohr- und produktionsanlagen - Google Patents

Abstract

Eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Stromversorgungsleitungen (3), insbesondere von Bohr- und Produktionsanlagen, beispielsweise in einem Bohrloch, an einem Bohrgestänge oder einer Förderleitung, mit elektrischen, mechanischen, hydraulischen oder optischen Verbrauchern (8, 14, 15), weist einen Anschluss (4a) zum Einspeisen von elektrischen, den Betriebszustand eines Verbrauchers (8, 14, 15) repräsentierenden Signalen in die Stromversorgungsleitung (3) auf. Dem Anschluss (4a), insbesondere dem Modem (4), ist ein Mikrocontroller (6) vor- bzw. nachgeschaltet. Der Mikrocontroller (6) weist wenigstens einen externen Anschluss auf, über welchen Messwerte oder Daten von Messeinrichtungen oder Sensoren, welche Betriebszustände oder -daten von Verbrauchern oder deren Umgebung darstellen, eingespeist werden können.

Description

österreichisches Patentamt AT 509 440 B1 2012-09-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Stromversorgungsleitungen, insbesondere von Bohr- und Produktionsanlagen, beispielsweise in einem Bohrloch, an einem Bohrgestänge oder einer Förderleitung, mit elektrischen, mechanischen, hydraulischen oder optischen Verbrauchern, wobei die Verbindungseinrichtung einen Anschluss zum Einspeisen von elektrischen, den Betriebszustand eines Verbrauchers repräsentierenden Signalen in die Stromversorgungsleitung aufweist und wobei dem Anschluss, insbesondere dem Modem, ein Mikrocontroller vor- bzw. nachgeschaltet ist.

[0002] Derartige Verbindungseinrichtungen sind beispielsweise aus der JP 2001-256585 A und der JP 2006-245983 A bekannt.

[0003] Die Erfindung kommt bevorzugt bei Verbindungen von elektrischen Versorgungsleitungen für Bohr- und Produktionsanlagen, beispielsweise in einem Bohrloch, an einem Bohrgestänge oder einer Förderleitung, bzw. ganz allgemein für Untertageinrichtungen zur automatisierten Zustandserfassung zum Einsatz.

[0004] Ein wesentliches Element bei modernen Erdöl-, Erdgas- bzw. Geothermiebohrungen ist das Erfassen von Zuständen von Aggregaten, die für den Bohrvorgang relevant sind. Das Gleiche gilt aber auch für die anschließende Erdöl-, Gas- bzw. Warmwasserproduktion nachdem der Bohrvorgang abgeschlossen ist. Sowohl an Land, als auch Offshore, kann das Bohren oder ein produzierendes Bohrloch nur durch das Erfassen der jeweiligen relevanten Zustandsgrößen der Aggregate [z.B. Pumpen, (Electrical Submersible Pump, Sucker Rod Pump), Hebezeuge, Motoren] effizient und ökonomisch betrieben werden. Ein Problem entsteht allerdings bei dem Erfassen von Daten von Aggregaten, die typischerweise nicht an die klassische Messdatenerfassung angeschlossen sind, weil nur ihre Wirkung gemessen wird, aber nicht der Zustand (z.B. Druck einer Pumpe, aber nicht die Stromaufnahme oder der Leistungsfaktor). Damit wird zwar erfasst, dass kein Druck vorhanden ist, aber nicht die Ursache für den Ausfall (Fehler in der Druckleitung oder Defekt der Pumpe oder Stromausfall). Das gewünschte Erfassen der Daten beschränkt sich in den meisten Fällen auf das Erfassen des Zustandes (EIN/AUS) bzw. Span-nungsbzw. Strommessungen. Durch das bohrturmweite Erfassen solcher Zustände lassen sich Stillstandzeiten an Bohrtürmen reduzieren und die Wirtschaftlichkeit steigern.

[0005] Derzeit werden auf Bohranlagen die Messdaten von voneinander unabhängigen Unternehmen in ihrem Kontext erfasst (z.B. Mud-Logger, Driller, Geologen). Die Datenerfassung beschränkt sich auf die Messgrößen, die für das jeweilige Bohranlagen-Unternehmen notwendig sind. Eine zentrales durchgängiges Erfassen von Daten wird nicht ausgeführt. Das Überwachen von Hilfsaggregaten und deren Zuständen wird nur beschränkt vorgenommen, indem durch Ausfall/Abweichen einer Messgröße indirekt auf beteiligte Aggregate geschlossen wird. Eine qualifizierte Aussage auf das fehlerhafte Aggregat bzw. eine Vorwarnung bezüglich eines bevorstehenden Ausfalles existiert nicht.

[0006] Die Datenübertragungstechnik erfolgt häufig durch Datenleitungen, die in rauer Umgebung verlegt werden (z.B. explosionsgefährdeter Bereich). Auf Grund der harten Umgebungsbedingungen (mechanische, thermische, chemische Belastung) werden nur hochwertige Kabel, in aufwendiger Verlegung zugelassen.

[0007] Die Absicht, die Zustände von Aggregaten am Bohrloch lückenlos zu erfassen, stößt auf mehrere Probleme gleichzeitig: [0008] - Aggregate, deren Zustand erfasst werden soll, müssen mit hitze-, chemisch, mecha nisch beständigen Datenkabeln verdrahtet bzw. nachgerüstet werden.

[0009] - Bei der Ortsveränderung von Bohrtürmen muss diese Datenverkabelung wieder abgebaut und anschließend beim nächsten Bohrloch wieder aufgebaut werden.

[0010] - Die Messdatenerfassung von Aggregatzustanddaten ist ein derzeit noch nicht er schlossenes Feld. Klassische Datenerfassungstechnik ist für diesen Einsatz zu teuer. 1 /6 österreichisches Patentamt AT509 440 B1 2012-09-15 [0011] - Ein zentrales Erfassen von Daten für diese Aggregatdaten ist zur Zeit am Bohrturm nicht verfügbar.

[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Zustand von Aggregaten am Bohrloch möglichst einfach erfassen zu können.

[0013] Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Verbindungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch, dass der Mikrocontroller wenigstens einen externen Anschluss aufweist, über welchen Messwerte oder Daten von Messeinrichtungen oder Sensoren, welche Betriebszustände oder -daten von Verbrauchern oder deren Umgebung darstellen, eingespeist werden können.

[0014] Durch (zusätzliche) Prozesseingänge am Mikrocontroller bzw. am Gehäuse können (zusätzliche) Sensordaten, welche Betriebszustände oder -daten der Verbraucher oder der Umgebung der Anlage darstellen, z.B. in Form von 4-20mA bzw. 0-30V - Signalen, eingespeist werden.

[0015] Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0016] Die Erfindung geht von dem Umstand aus, dass alle zu erfassenden Aggregate über eine Stromversorgungsleitung mit Netzspannung versorgt werden. Diese Stromversorgungsleitung kann erfindungsgemäß dazu verwendet werden, elektrische Signalen zu übertragen, welche den Betriebszustand einer Vorrichtung bzw. eines der vorstehend beispielhaft erwähnten Aggregate repräsentieren.

[0017] Wird nun das elektrische Netz mit einer Trägerfrequenzanlage verbunden, so ist es möglich über die Spannungsversorgungsleitungen Daten auszutauschen, ohne dass zusätzliche Datenleitungen verlegt werden müssen.

[0018] Bevorzugt erfolgt die Einspeisung der Signale bzw. Daten mit Hilfe einer Trägerfrequenzanlage, bei der ein Narrow-Band OFDM (orthogonal frequency divison multiplex, multi carrier) Verfahren verwendet wird. Dieses Verfahren ist auch unter "Power Line Cominunication (PLC)" bekannt. Modems, die dieses Verfahren verwenden, werden zurzeit in elektrischen Energienetzen zur Fernwartung oder Zählerfernauslesung verwendet (Distributed Line Commu-nication, DLC). Es gelingt damit über herkömmliche Energieversorgungsleitungen ohne Zusatzverkabelung Informationen über mehrere Kilometer ohne Repeater mit Datenraten von einigen hundert Kilobaud auszutauschen.

[0019] Die Erfindung stellt somit bevorzugt ein System zum zentralen Erfassen von Zuständen verteilter Aggregate bzw. Vorrichtungen am Bohrloch während des Bohrens, der Fertigstellung und der Produktion unter Verwendung von PLC zur Verfügung.

[0020] Das Modem und/oder der Mikrocontroller und/oder die Messeinrichtung befinden sich vorzugsweise in leicht nachrüstbaren Gehäusen in Form von kommerziell verfügbaren bzw. leicht modifizierten Steckern, Buchsen oder Kupplungen (Instrumented Connectors).

[0021] Es ist mit der Erfindung möglich, ein Messsystem bestehend aus PLC-Modem, Mikrocontroller, Datenerfassung (Sensorik) bzw. Steuerung (Aktorik) zu schaffen, das sich über die Netzleitungen mit Strom versorgt und über die Netzleitungen mit der zentralen Datenerfassung kommuniziert.

[0022] Das erfindungsgemäße System kann beispielsweise Strom, Spannung, Frequenz, Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung messen und berechnet auf Grund dieser Größen davon abgeleitete Aggregatzustände.

[0023] Das erfindungsgemäße System kann über die Netzleitungen ein Datennetzwerk basierend auf einer Bus-Topologie aufbauen. In diesem werden mittels Master/Slave Kommunikationsverfahren adressierbare Knoten an den erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtungen ausgewertet.

[0024] Das erfindungsgemäße System erlaubt es auch, wenn es bidirektional ausgeführt ist, über Fernzugriff Aggregate in ihrem Betriebszustand zu verändern (z.B. Ein/Aus oder geänderter Modus). 2/6 österreichisches Patentamt AT 509 440 B1 2012-09-15 [0025] Im Einzelnen kann in Ausführungsformen der Erfindung wie folgt gearbeitet werden: [0026] Mit Hilfe von Modems werden die Zustandsdaten des jeweiligen Aggregats bzw. der jeweiligen Vorrichtung auf dessen Stromversorgungsleitung aufmoduliert und einer zentralen Datenerfassung im Stromnetz des Aggregats zugeführt. Mehrere solcher Aggregat-Modems sind in diesem Spannungsversorgungsnetz in einer Bustoplogie zusammen geschaltet und stehen mit der zentralen Datenverbindung mittels eines Master/Slave Kommunikationsverfahrens in Verbindung.

[0027] Um ein einfaches Nachrüsten im Feld zu verwirklichen werden verschiedene Gehäusevarianten für den Einbau des Aggregatmodems vorgeschlagen: [0028] - Modem-Einbau in der elektrischen Steckdose (einphasige oder mehrphasige Steck dose).

[0029] - Modem-Einbau in eine elektrische Kupplung (einphasige oder mehrphasige Kupp lung).

[0030] - Modem-Einbau in elektrische Verteildose bzw. elektrischen Schaltschrank.

[0031] - Modem-Einbau in explosionsgeschütztes druckfestes Gehäuse.

[0032] Für elektrische Kupplungen/Stecker werden bevorzugt vorhandene kommerziell verfügbare Gehäuse oder leicht modifizierte Gehäuse (Instrumented Plugs & Sockets) verwendet. Da die Einspeisung bzw. Auskoppelung von Mess- und Steuerdaten in die elektrischen-Kupplungen/Stecker integriert ist, sind automatisch auch die für den jeweiligen Anwendungsfall zu erfüllenden Sicherheitskriterien erfüllt und keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

[0033] Auf der im jeweiligen Gehäuse befindlichen elektronischen Leiterplatte befindet sich das Modem, das mit einer Mikrocontrollerschaltung in Verbindung steht. Modem und Mikrocontroller können auch auf einem Chip integriert sein. Der Mikrocontroller (Busteilnehmer mit eindeutiger Adresse) sendet seine Daten in einem digitalen Protokoll (z.B. Modbus) auf Anfrage vom Master (zentrale Datenerfassung).

[0034] Das Erfassen der Daten wird vom Mikrocontroller mittels seiner I/O Einheiten (z.B. ADC, SPIBus, Ports) durchgeführt, indem er definierte elektrische Größen misst. Folgende Varianten der Messung können im Rahmen der Erfindung ausgeführt werden: [0035] - Im einfachsten Fall ist dies der Ein/Aus Zustand, welcher z.B. durch Strommessung (Hall-Sensor) bestimmt wird.

[0036] - Durch Strom und Spannungsmessung kann die Leistung bestimmt werden, bzw. durch eine Phasenmessung zwischen Strom und Spannung der Leistungsfaktor oder durch das Produkt die derzeitige Leistung bzw. durch Integration die Energie.

[0037] - Mittels Frequenzmessung kann auf die Drehzahl eines Motors und durch die Strom messung auf das Moment geschlossen werden. Damit entsteht ein verteiltes Energiemonitoring System am Rig.

[0038] - Durch hochfrequente Messung des Stromes bzw. durch Berechnung des Frequenz spektrums ist es möglich auf Belastungsfälle bzw. Fehlern oder Anomalien im Aggregat zu schließen, welche sich in der Stromform sichtbar machen.

[0039] - Durch die Kombination von bestehenden Sensordaten und diesen neuen Zustands daten ist es möglich, Algorithmen (Zustands-/Prozessanalyse) zu entwickeln, die Aussagen über die Qualität des Bohrvorgangs erweitern, indem sie die Bohrturmausstattung mit berücksichtigen.

[0040] - Alternativ ist mittels dieses Verfahrens auch eine verteilte Aktorik an den Aggregaten möglich. D.h., dass zentral Aggregatgruppen beispielsweise mittels PLC ein- und ausgeschaltet oder in ihrem Betriebszustand (Modusschalter) verändert werden können (z.B. Motorendrehzahl, Beleuchtungen etc.). Dadurch können gezielt Verbrau- 3/6 österreichisches Patentamt AT509 440B1 2012-09-15 eher ein- bzw. ausgeschaltet werden und ein Energiemanagement verwirklicht werden.

[0041] Die Energie zur Versorgung des Modems und der angeschlossenen Elektronik kann dem Versorgungsnetz entnommen werden.

[0042] Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit bezug auf die Zeichnungen. Es zeigt: [0043] Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbin dungseinrichtung und [0044] Fig. 2 verschiedene Verbraucher, die in einem Powerline-Netzwerk mit einer zentralen

Datenerfassungseinrichtung verbunden sind.

[0045] In dem in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbild ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung in Form eines Steckers 1 gezeigt. In den Stecker 1, der an eine Stromquelle in Form einer Steckdose oder Buchse 2 angsteckt werden kann, sind an eine Stromversorgungsleitung 3 (z.B. 240/400 V) über einen Anschluss 4a ein PLC-Modem 4 und über einen Anschluss 5a eine Schaltung 5 zur Datenerfassung angeschlossen. Weiters ist im Stecker 1, insbesondere auf einer Leiterplatte, ein Mikrocontroller 6 vorgesehen. Das PLC-Modem 4, die Schaltung 5 und der Mikrocontroller 6 werden über eine einen Anschluss 7a und eine Schaltung 7 mit Strom versorgt.

[0046] An die Leitung 3 ist ein Verbraucher 8 angeschlossen, der mit elektrischer Energie versorgt wird. In der Leitung 3 ist dem Verbraucher 8 ein Ein/Aus-Schalter 9 vorgeschaltet, der vom Mikrocontroller 6 angesteuert wird.

[0047] Messdaten der Schaltung 5 werden über den Mikrocontroller 6 und das PLC-Modem 4 über die Stromversorgungsleitung 3 und die Steckdose 2 an eine in Fig. 1 nicht dargestellte zentrale Datenerfassungseinrichtung gesandt. Außerdem kann der Schalter 9 von der zentralen Datenerfassungseinrichtung oder einer anderen, ebenfalls nicht dargestellten Steuereinrichtung über das PLC-Modem 4 und den Mikrocontroller 6 geschaltet werden.

[0048] Da das vorstehend beschriebene System in einen bevorzugt kommerziell verfügbaren Stecker oder einen nur leicht modifizierten Stecker 1 integriert ist, sind allfällige Sicherheitsbestimmungen auch bei zusätzlicher Verwendung des beschriebenen Systems erfüllt, wenn der Stecker 1 an sich diese Sicherheitsbestimmungen erfüllt.

[0049] In dem in Fig. 2 gezeigten Powerline-Netzwerk ist eine zentrale Datenerfassungseinrichtung 10 als Netzwerkmaster vorgesehen und steht mit Slaves 11, 12, 13 über Powerline Com-munication in Verbindung. Die Slaves 11, 12, 13 verfügen, wie zu Fig. 1 beschrieben, über PLC Modems sowie eine Netzwerkadresse, die sie im Netzwerk identifiziert. Abhängig von der Leistung der Aggregate bzw. Verbraucher, die in Fig. 2 mit 8, 14 und 15 bezeichnet sind, werden diese, in der Regel bei höheren Leistungen, entweder über Anschlüsse in einem Schaltkasten oder Verteilerkasten mit der Auswerteelektronik verbunden oder, in der Regel bei kleineren Leistungen, über eine erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung 1.

[0050] Die beschriebene, erfindungsgemäße Zustandserfassung von Aggregaten beschränkt sich nicht nur auf den Bohrvorgang, sondern auch auf die folgende Produktionsphase am Bohrloch. Sobald die Bohrlöcher über eine externe Spannungsversorgung verfügen, kann eine zentrale Datenerfassung mittels Power Line Communication die Daten der verteilten Bohrlöcher erfassen bzw. Aktoren betätigen. Voraussetzung dafür ist, dass sich die verteilten Messdatenerfassungen und die zentrale Datenauswertung im gleichen Versorgungsnetz 3 befinden. PLC ermöglicht die Kommunikation in einem Umkreis von mehreren Kilometern, wobei über die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung bei Bedarf ein äußerst einfacher Einbau möglich ist.

[0051] Die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung kann aber nicht nur als Stecker oder Buchse ausgeführt werden. Beispielsweise ist es auch möglich, diese als Kupplung zu gestalten, die zwischen Stecker und Buchsen bzw. Steckdosen angeschlossen bzw. gesteckt wird, 4/6

Claims (8)

1. österreichisches Patentamt AT509 440B1 2012-09-15 wodurch herkömmliche Stecker und Buchsen bzw. Steckdosen verwendet werden können, die nicht umgebaut werden müssen. [0052] Die Erfindung ergibt je nach Ausführungsform einen oder mehrere der nachstehend genannten Vorteile: [0053] - Durch die leichte Installierbarkeit bzw. Nachrüstbarkeit des Systems (Kupplungen, Stecker) wird eine ökonomisch vorteilhafte Installation ermöglicht. [0054] - Für verschiedene Umweltbedingungen werden entsprechende Gehäusevarianten angeboten. [0055] - Durch die Verwendung der PLC Modulation sind keine getrennten Verkabelungen für die Datenkommunikation notwendig. Dadurch werden Kosten für Verkabelung und Installation reduziert. [0056] - Für die erwünschten Übertragungsdistanzen (einige Kilometer) sind keine Repeater notwendig. Dadurch entstehen geringere Installations- und Betriebskosten. Die Zuverlässigkeit wird gesteigert. [0057] - Das Erfassen von Daten oder die Fernsteuerung von bisher nicht erfassten Aggregat ermöglicht eine Reihe neuer Anwendungen (z.B. Verteiltes Energiemanagement, Verteilte Zustanderfassung, Prozessanalyse). Patentansprüche 1. Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Stromversorgungsleitungen (3), insbesondere von Bohr- und Produktionsanlagen, beispielsweise in einem Bohrloch, an einem Bohrgestänge oder einer Förderleitung, mit elektrischen, mechanischen, hydraulischen oder optischen Verbrauchern (8, 14, 15), wobei die Verbindungseinrichtung (1) einen Anschluss (4a) zum Einspeisen von elektrischen, den Betriebszustand eines Verbrauchers (8, 14, 15) repräsentierenden Signalen in die Stromversorgungsleitung (3) aufweist und wobei dem Anschluss (4a), insbesondere dem Modem (4), ein Mikrocontroller (6) vor-bzw. nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (6) wenigstens einen externen Anschluss aufweist, über welchen Messwerte oder Daten von Messeinrichtungen oder Sensoren, welche Betriebszustände oder -daten von Verbrauchern oder deren Umgebung darstellen, eingespeist werden können.
2. 2. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (4a) an einem Modem (4), insbesondere einem PLC-Modem, vorgesehen ist.
3. 3. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modem (4) von der Stromversorgungsleitung (3) mit Strom versorgt wird.
4. 4. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (4a) bidirektional ausgeführt ist.
5. 5. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Anschluss (4a), insbesondere dem Modem (4), eine Messeinrichtung (5) für einen Betriebszustand vorgeschaltet ist.
6. 6. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung Werte der Stromversorgungsleitung (3) misst.
7. 7. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Stecker (1), eine Buchse (2), eine Kupplung oder dergl. ist.
8. 8. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Modem (4) und/oder der Mikrocontroller (6) und/oder die Messeinrichtung (5) in das Gehäuse des Steckers (1), der Buchse (2), der Kupplung oder dergl. integriert ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 5/6