CN105634893A - 一种石油井下信号实时传输控制系统 - Google Patents

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王宏伟
周志雄
毛为民
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Abstract

本发明涉及一种石油井下信号实时传输控制系统，包括：井下数据采集单元、井下主控单元、井下电力载波单元，井上电力载波单元和上位机控制单元；其中，所述井下数据采集单元通过CAN总线与所述井下主控单元相连，所述井下主控单元通过RS422接口电路与井下电力载波单元相连，所述井下电力载波单元通过电力线与所述井上电力载波单元相连，所述井上电力载波单元通过RS422接口电路与所述上位机控制单元相连，实现石油井下信号实时传输控制。

Description

一种石油井下信号实时传输控制系统
技术领域
本发明涉及石油井下控制技术领域，特别涉及一种石油井下信号实时传输控制系统。
背景技术
在油气资源的勘探和开采过程中，通过测井仪器获取井下数据，并将其传输到地面以供分析，实现对井下系统数据进行实时监测；同时，总控制台也需要控制命令实时地传送给井下各个数据采集子模块，以便对测井过程进行实时控制。
数据传输方式可分为有线传输和无线传输两种。有线传输主要是通过专用电缆光缆将井下数据传送到地面；无线传输即利用电场磁场、声、光等物理量实现信息的传输。这些方法在不同的应用背景下发挥着各自的特点，但也有各自的不足之处。特别是某些井下环境恶劣，测井系统所需进行的数据通信对速度、距离、抗干扰性都有很高的要求。实时准确地获取井下的温度、压力、流量等参数是了解井下具体情况并做出相应措施的关键所在。
发明内容
为解决现有技术的问题，本发明提出一种石油井下信号实时传输控制系统。本技术方案基于井下主控单元的CAN总线数据通信系统的硬件结构，并在硬件结构基础上实现具体的数字信号处理算法，通过DSP的软件设计了典型的测井信号的采集和处理，以及与地面监测系统之间的数据通信。
为实现上述目的，本发明提供了一种石油井下信号实时传输控制系统，包括：井下数据采集单元、井下主控单元、井下电力载波单元，井上电力载波单元和上位机控制单元；其中，
所述井下数据采集单元通过CAN总线与所述井下主控单元相连，所述井下主控单元通过RS422接口电路与井下电力载波单元相连，所述井下电力载波单元通过电力线与所述井上电力载波单元相连，所述井上电力载波单元通过RS422接口电路与所述上位机控制单元相连，实现石油井下信号实时传输控制。
优先地，所述井下主控单元通过CAN总线收发接口电路与所述CAN总线相连；所述CAN总线收发接口电路包括：
CAN控制器、双非串联电路、隔离电路、CAN收发器；其中，
所述CAN控制器的信号输出端与所述双非串联电路的信号输入端相连，所述双非串联电路的第一信号输出端与所述隔离电路的相应信号输入端相连，所述双非串联电路的第二信号输出端与所述隔离电路的另一相应信号输入端相连，所述隔离电路的输出端与所述CAN收发器的输入端相连；所述CAN收发器的输出端与所述CAN总线相连。
优选地，所述CAN中心收发接口电路还包括共模抑制电感；其中，所述CAN收发器的输出端与所述共模抑制电感的输入端相连，所述共模抑制电感的输出端与所述CAN总线相连。
优选地，所述井下数据采集单元包括压缩模块、电源模块、上液压模块、上爬行机构、下液压模块、下爬行机构和遥测模块。
上述技术方案具有如下有益效果：
本发明基于TMS320F2808与CAN总线构成的井下测控系统实现了测井数据通信系统电路结构模块化，且容易拆装、容易检测、容易校准；功能单元或部件安装的整体性，即集成度要高；电路设计标准化、通用化。具有简洁性、开放性、高可靠性和强抗干扰性以及保证整个系统的安全性、保密性，工作人员操作的便捷性以及系统产品化可扩展和技术升级空间等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的一种石油井下信号实时传输控制系统框图；
图2为本发明涉及的CAN总线收发接口电路框图之一；
图3为本发明涉及的CAN总线收发接口电路框图之二；
图4为CAN总线收发接口电路的芯片管脚图；
图5为本实施例的石油井下信号实时传输控制系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明主要针对测井数据通信系统的实际发展情况，提出基于DSP和CAN总线的测井数据通信系统的设计方案，利用DSP为主处理器完成对井下典型测井信号的采集以及利用CAN总线进行各个数据采集模块和主控单元之间的数据通信。一方面解决了不同类型的井下仪器之间的配节问题，也大大减少了地面系统的复杂性，增强了可靠性，另一方面实现了地面监控系统与井下测控模块之间的高效、可靠、实时的数据通信。
在测井系统中，井下主控单元和井下数据采集单元之间是一点对多点的通信关系，由于节点的数量是不定的，因此通信局域网络应采用组网方式的拓朴结构，并且网络中某一个单元发生故障不应当引起整个网络和其它单元之间的通信。由于井下数据采集单元和井下主控单元之间的这些特性，它们之间的组网采用总线型拓朴结构。CAN总线技术与现有数据传输方法相比，具有传输速率快、传输距离远、容错机制好等优点，在硬件上可以减少布线，易于系统扩展或改型，在软件上通信更加灵活，实时性更好，纠错能力更强；CAN总线可以点对点、一点对多点或全局广播这三种方式传送接收数据；CAN总线采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，且具有极好的检错能力。
如图1所示，为本发明提出的一种石油井下信号实时传输控制系统框图。包括：井下数据采集单元、井下主控单元、井下电力载波单元，井上电力载波单元和上位机控制单元；其中，
所述井下数据采集单元通过CAN总线与所述井下主控单元相连，所述井下主控单元通过RS422接口电路与井下电力载波单元相连，所述井下电力载波单元通过电力线与所述井上电力载波单元相连，所述井上电力载波单元通过RS422接口电路与所述上位机控制单元相连，实现石油井下信号实时传输控制。
对于本技术方案来说，所述井下主控单元通过CAN总线收发接口电路与所述CAN总线相连。如图2所示，为本发明涉及的CAN总线收发接口电路框图之一。包括：CAN控制器、双非串联电路、隔离电路、CAN收发器；其中，
所述CAN控制器的信号输出端与所述双非串联电路的信号输入端相连，所述双非串联电路的第一信号输出端与所述隔离电路的相应信号输入端相连，所述双非串联电路的第二信号输出端与所述隔离电路的另一相应信号输入端相连，所述隔离电路的输出端与所述CAN收发器的输入端相连；所述CAN收发器的输出端与所述CAN总线相连。
如图4所示，为CAN总线收发接口电路的芯片管脚图。井下主控单元与CAN总线之间通过CAN总线收发接口电路来连接。井下主控单元的DSP芯片采用的单片机的型号为TMS320F2808。本技术方案选用PHILIP公司生产的型号为PCA82C250的收发驱动芯片作为CAN收发器，该器件可以提供对总线的差动发送和接收功能，主要特征如下：1)与ISO/OIS11898标准完全兼容；2)高速性(最高可达1MbPS)；3)抗瞬间干扰，保护总线能力；4)降低射频干扰的斜率控制；5)热保护；6)总线与电源及地之间的短路保护；7)低电流待机方式；8)掉电自动关闭输出；9)可支持多达110个节点相连接。对于本实施来说，井下主控单元的主处理器DSP芯片采用型号为TMS320LF2808的芯片，通过该芯片自带的CAN控制器功能，引出接收和发送两根信号线，信号线分别输入信号CANRA和信号CANTXA。该信号分别输入至双非门串联电路U31，转换为信号CANRXA2和CANTXA2，然后各自输入至隔离电路U36、隔离电路U37，经过光电隔离后的信号转换为CANRXA3和CANTXA3，最终接入CAN收发器U39，再由此收发器芯片转换成CAN现场总线的CANH和CANL。本实施例中，双非门串联电路U31来提高系统的抗干扰性。如果为了进一步提高系统的抗干扰能力，考虑在芯片PCA82C250前增加高速光电隔离器件构成的隔离电路，隔离电路U36、隔离电路U37选用HCPLM611高速光耦芯片或6N137芯片，实现总线与控制器的隔离。整个系统的节点控制器都通过芯片PCA82C250与CAN总线联系，可以保护总线不受瞬态冲击的影响，并可提高节点的总线驱动能力，增强系统抗电磁干扰能力。
如图3所示，为本发明涉及的CAN总线收发接口电路框图之二。在图2的基础上，所述CAN中心收发接口电路还包括共模抑制电感；其中，所述CAN收发器的输出端与所述共模抑制电感的输入端相连，所述共模抑制电感的输出端与所述CAN总线相连。
对于本实施例来说，由于CAN总线利用双绞线进行数据传输,受外界干扰的程度相同。因此,可以充分利用共模抑制电感的高共模抑制性能,提高通信的抗干扰能力。在图4中，共模抑制电感U38必须在双绞线两端连接匹配电阻R来消除长线反射所引起的干扰，匹配电阻R与双绞线特性阻抗Z的关系为:R＝Z/2。在本系统中，双绞线特性阻抗为220Ω左右，因此必须在两端各自连接两个124Ω左右的电阻，如果没有这两个匹配电阻,将导致系统总线无法进行正常的数据通信。
如图5所示，为本实施例的石油井下信号实时传输控制系统示意图。井下数据采集单元通过CAN总线与井下主控单元连接，井下主控单元经过RS422连接至电力载波系统完成与地面监控系统的数据传输。所述井下数据采集单元包括压缩模块、电源模块、上液压模块、上爬行机构、下液压模块、下爬行机构和遥测模块。
本技术方案实现在井下高温、高压、高干扰等环境中数据采集子模块与主控模块之间可靠数据交换。具体指标要求主控模块通过CAN总线接口与各个数据采集子模块之间的数据传输速率达到1Mbit/s，而且电路要易于维修；电路电路板宽度为50mm，长度小于300mm，有一定的机械强度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种石油井下信号实时传输控制系统，其特征在于，包括：井下数据采集单元、井下主控单元、井下电力载波单元，井上电力载波单元和上位机控制单元；其中，
所述井下数据采集单元通过CAN总线与所述井下主控单元相连，所述井下主控单元通过RS422接口电路与井下电力载波单元相连，所述井下电力载波单元通过电力线与所述井上电力载波单元相连，所述井上电力载波单元通过RS422接口电路与所述上位机控制单元相连，实现石油井下信号实时传输控制。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下主控单元通过CAN总线收发接口电路与所述CAN总线相连；所述CAN总线收发接口电路包括：
CAN控制器、双非串联电路、隔离电路、CAN收发器；其中，
所述CAN控制器的信号输出端与所述双非串联电路的信号输入端相连，所述双非串联电路的第一信号输出端与所述隔离电路的相应信号输入端相连，所述双非串联电路的第二信号输出端与所述隔离电路的另一相应信号输入端相连，所述隔离电路的输出端与所述CAN收发器的输入端相连；所述CAN收发器的输出端与所述CAN总线相连。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述CAN中心收发接口电路还包括共模抑制电感；其中，所述CAN收发器的输出端与所述共模抑制电感的输入端相连，所述共模抑制电感的输出端与所述CAN总线相连。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下数据采集单元包括压缩模块、电源模块、上液压模块、上爬行机构、下液压模块、下爬行机构和遥测模块。
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