CN107269268B - 一种随钻测控仪器总线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随钻测控仪器总线系统，包括内总线、外总线、总线规约转换器，总线系统是一种实现测控短节之间通过外总线进行数据交换，以及实现多测控模块之间通过内总线进行数据交换的总线操作系统；内总线是指在各测控短节内测控模块之间提供数据通路所需要的所有硬件；外总线是指在各测控短节之间提供一路单一数据通路或电源载波数据通路所需要的所有硬件。整个总线系统结构简单，各测控短节间通过单芯总线相连，便于机械设计加工；总线系统可扩展性强，井下各测控短节可根据需要调换位置及增减数目；总线系统故障诊断和仪器维修方便。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井、随钻测井领域，尤其涉及随钻测井系统中的井下仪器总线系统。
背景技术
把测井仪器放在钻头上，让钻头长上“眼睛”，一边钻进一边获取地层的各种资料，这就是随钻测井。这样不仅对任何状况的井，特别是水平井可以进行测井，而且利用测得的钻井参数和地层参数及时调整钻头轨迹，使之沿目的层方向钻进。由于随钻测井获得的地层参数是刚钻开的地层参数，它最接近地层的原始状态，用于对复杂地层的含油、气评价比一般电缆测井更有利。随钻测井仪器放在钻铤内，除测量电阻率、声速、中子孔隙度、密度等常规测井和某些成像测井外，还测量钻压、扭矩、转速、环空压力、温度等钻井参数。
在定向井或水平井钻井工程中，目前，随钻测控仪器为短节式连接结构，各测控短节间进行电气连接和机械连接。随钻测控短节之间以及测控短节多模块之间数据交换主要通过基于CAN总线自定义通讯协议、基于485总线自定义通讯协议、基于单总线自定义通讯协议来实现，数据交换总线的概念比较模糊，外总线和内总线并没有独立的定义，也不存在内外总线间的规约转换。电气连接用以提供电源和进行信号传输，机械连接用以传递钻井液和扭矩。目前，随钻测控仪器间都采用点对点直接连接方式进行电源供给和信号发送接收，该方式需要通过电源线和信号线分别连接，当各测控短节间需要调整顺序或增减测控短节时，必须重新设计走线布局及修改主控单元与各测控单元的通讯方式和相关协议。这种连接方式的系统结构复杂、扩展性差、机械设计难度大，不利于随钻测控短节组装和更换，同时也不便于故障的诊断和仪器的维修，造成了整个井下随钻测控系统的可靠性差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单、扩展性好、机械设计难度低，有利于随钻测控短节组装和更换，同时也便于故障的诊断和仪器维修的随钻测控仪器总线系统。
本发明的技术方案为：
一种随钻测控仪器总线系统，包括内总线、外总线和总线规约转换器，所述总线规约转换器是内总线与外总线之间进行数据通讯转换的装置，其中，所述的总线系统是一种实现测控短节之间通过外总线进行数据交换，以及实现多测控模块之间通过内总线进行数据交换的总线操作系统；所述的内总线是指在各测控短节内测控模块之间提供数据通路所需要的包括RS232、RS485或CAN标准总线在内的所有硬件；所述的外总线是指在各测控短节之间提供一路单一数据通路或电源载波数据通路所需要的包括电缆、总线耦合器在内的所有硬件。
所述外总线包括：一路与主控模块连接的总线规约转换器和总线耦合器，一路与电源模块连接的信号隔离器，以及多路分别与测控短节连接的总线规约转换器和总线耦合器。
所述与主控模块连接的总线规约转换器和总线耦合器设置在含有主控模块的测控短节内或者设置在单独的一个测控短节内，所述与电源模块连接的信号隔离器设置在含有电源模块的测控短节内或者设置在单独的一个测控短节内，所述多路与测控短节连接的总线规约转换器和总线耦合器分别设置在各自对应的测控短节内或者设置在单独的一个测控短节内。
所述的测控短节是由一个或者多个测控模块封装在钻铤内构成的，所述的主控模块是系统控制中心，包括任务管理、消息传输、差错控制的一种主控模块，所述测控模块是系统中完成测量、传输、控制等功能的基本单元，包括MWD、方位伽马、随钻电磁波电阻率、旋转导向工具、随钻声波、随钻中子、随钻密度中的一种或几种，所述电源模块包括泥浆发电机和／或电池。
所述规约转换器包括规约转换处理单元和内、外总线控制单元，规约转换处理单元分别通过内、外总线控制单元与内、外总线连接，其中，外总线控制单元负责外总线数据的接收和发送，内总线控制单元负责内总线数据的接收和发送，规约转换处理单元负责将接收的内外总线数据按照对应的内外总线通讯规约进行解析、转换、封装和转发，外总线与内总线通过规约转换器的转换方式包括：外总线与RS232内总线数据转换、外总线与RS485内总线数据转换、外总线与CAN总线数据转换中的一种或几种。
测控短节通过短截线与总线耦合器、总线规约转换器连接到外总线上，短截线的长度不超过6m，总线耦合器包括耦合变压器、隔直电容、隔离电阻；电源模块通过短截线与信号隔离器连接后与外总线相连，信号隔离器通过隔离电感实现电源模块与数据信号分离。
耦合变压器其匝数比为1:1±3.0%，隔离电阻的阻值为（1±2.0%）0.75 Z0Ω，Z0为所选用电缆的标称特性阻抗，隔直电容其额定耐压值大于电源电压，其额定电流值大于测控短节的额定电流。
系统中的电源模块还具有自动断电保护模块。
主控模块和各个测控短节采用单芯电缆进行电气连接，所述电缆及短截线均为带护套的屏蔽电缆。
本发明的一种随钻测控仪器总线系统具有的有益效果是，总线系统结构简单，各测控短节间通过单芯电缆相连，便于机械设计加工；总线系统可扩展性强，井下各测控短节可根据需要调换位置及增减数目；总线系统故障诊断和仪器维修方便。
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
附图说明
图1是一种随钻测控仪器总线系统拓扑结构示意图；
图2是一种随钻测控仪器外总线与CAN内总线规约转换器结构示意图；
图3是一种随钻测控仪器总线系统电气连接方式拓扑结构示意图；
图4是一种随钻测控仪器总线系统电气连接方式电路示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对该随钻测控仪器总线系统进行详细说明。
图1为随钻测控仪器总线系统拓扑结构示意图。如图所示，总线系统包括内总线、外总线、总线规约转换器。该系统是一种实现测控短节之间通过外总线进行数据交换以及实现多模块之间通过内总线进行数据交换的总线操作系统。
如上所述的内总线是指在各测控短节内测控模块之间提供数据通路所需要的所有硬件（如RS232、RS485、CAN等标准总线）。
如上所述的外总线是指在各测控短节之间提供一路单一数据通路或电源载波数据通路所需要的包括电缆、总线耦合器等在内的所有硬件。
如上所述的总线规约转换器是内总线与外总线之间进行数据通讯转换的装置。
如上所述的测控短节是由一个或者多个测控模块封装在钻铤内构成的，而测控短节内的模块又包括主控模块和测控模块，其中，主控模块是系统控制中心，完成任务管理、消息传输、差错控制等功能的一种主控模块；测控模块是系统中完成测量、传输、控制等功能的基本单元，如MWD、方位伽马、随钻电磁波电阻率、旋转导向工具、随钻声波、随钻中子、随钻密度等。
所述的总线系统可以由泥浆发电机、电池等提供电源，连接到总线系统的测控短节可以使用该电源，也可以使用自带电源
图2为随钻测控仪器外总线与CAN内总线规约转换器结构示意图。总线规约转换器可以包含在测控短节内也可以单独作为一个短节，实现测控短节与外总线电缆之间信号传输的装置。通过总线规约转换器可以实现内总线与外总线之间的数据转换与共享。内总线的通信方式多采用RS232、RS485、CAN等总线。内外总线转换方式可分为：外总线与RS232内总线数据转换、外总线与RS485内总线数据转换、外总线与CAN总线数据转换等。
如图2所示，外总线控制单元负责外总线数据的接收和发送，CAN总线控制单元负责内总线数据的接收和发送，规约转换处理单元负责将接收的总线数据按照对应的总线通讯规约进行解析、转换、封装和转发。
图3为随钻测控仪器总线系统电气连接方式拓扑结构示意图，总线系统中的主控模块和各个测控短节采用单芯电缆进行电气连接，所有的电缆及短截线均应是带护套的屏蔽电缆，单芯电缆的直流电阻及电缆额定电流必须满足总线系统要求。
系统中主控模块和测控短节通过总线耦合器与外总线相连。
系统中的电源模块不能直接与外总线相连，是通过信号隔离器来实现相连的，这样就不影响总线数据传输。同时该电源模块还需具有自动断电保护功能，若总线系统实际工作电流超过配置的额定工作电流上限时，应自动断电保护。
图4为随钻测控仪器总线系统电气连接方式电路示意图。如上所述随钻测控仪器总线系统在电气连接方式上，主控模块或测控短节首先经过总线规约转换器实现数据通讯转换，然后通过总线耦合器实现与外总线电缆之间的信号传输；电源模块则通过信号隔离器实现与外总线电缆之间的信号传输。
下面将针对总线耦合器和信号隔离器进行具体的说明。
总线耦合器一般包含在测控短节内，实现测控短节与外总线电缆之间信号传输的装置。测控短节通过短截线和总线耦合器连接到外总线上，采用变压器耦合方式，短截线的长度不超过6m。总线耦合器由耦合变压器、隔直电容、隔离电阻等组成，其中，耦合变压器其匝数比应为1:1±3.0%；隔直电容其额定耐压值应大于总线电源电压，建议按一级降额等级选择；隔离电阻是为了不使某个测控短节的故障影响这个系统，阻值为（1±2.0%）0.75 Z0Ω，Z0为所选用电缆的标称特性阻抗。
信号隔离器一般包含在测控短节内，实现电源模块与数据信号分离的装置。电源模块通过隔离电感后与外总线相连。隔离电感其额定电流值大于测控短节的额定电流值，建议按一级降额等级选择。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种随钻测控仪器总线系统，包括内总线、外总线和总线规约转换器，所述总线规约转换器是内总线与外总线之间进行数据通讯转换的装置，其特征在于，所述的总线系统是一种实现测控短节之间通过外总线进行数据交换，以及实现多测控模块之间通过内总线进行数据交换的总线操作系统；所述的内总线是指在各测控短节内测控模块之间提供数据通路所需要的RS232、RS485或CAN标准总线；所述的外总线是指在各测控短节之间提供一路单一数据通路或电源载波数据通路所需要的包括电缆或总线耦合器；所述外总线包括：一路与主控模块连接的总线规约转换器和总线耦合器，一路与电源模块连接的信号隔离器，以及多路分别与测控短节连接的总线规约转换器和总线耦合器；所述与主控模块连接的总线规约转换器和总线耦合器设置在含有主控模块的测控短节内或者设置在单独的一个测控短节内，所述与电源模块连接的信号隔离器设置在含有电源模块的测控短节内或者设置在单独的一个测控短节内，所述多路与测控短节连接的总线规约转换器和总线耦合器分别设置在各自对应的测控短节内或者设置在单独的一个测控短节内；
所述总线规约转换器包括规约转换处理单元和内、外总线控制单元，规约转换处理单元分别通过内、外总线控制单元与内、外总线连接，其中，外总线控制单元负责外总线数据的接收和发送，内总线控制单元负责内总线数据的接收和发送，规约转换处理单元负责将接收的内外总线数据按照对应的内外总线通讯规约进行解析、转换、封装和转发，外总线与内总线通过规约转换器的转换方式包括：外总线与RS232内总线数据转换、外总线与RS485内总线数据转换、外总线与CAN总线数据转换中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种随钻测控仪器总线系统，其特征在于所述的测控短节是由一个或者多个测控模块封装在钻铤内构成的，所述的主控模块是系统控制中心，包括任务管理、消息传输、差错控制的一种主控模块，所述测控模块是系统中完成测量、传输和控制功能的基本单元，包括MWD、方位伽马、随钻电磁波电阻率、旋转导向工具、随钻声波、随钻中子、随钻密度中的一种或几种，所述电源模块包括泥浆发电机和／或电池。
3.根据权利要求2所述的一种随钻测控仪器总线系统，其特征在于测控短节通过短节线与总线耦合器、总线规约转换器连接到外总线上，短节线的长度不超过6m，总线耦合器包括耦合变压器、隔直电容、隔离电阻；电源模块通过短节线与信号隔离器连接后与外总线相连，信号隔离器通过隔离电感实现电源模块与数据信号分离。
4. 根据权利要求3所述的一种随钻测控仪器总线系统，其特征在于，耦合变压器其匝数比为1:1±3.0%，隔离电阻的阻值为（1±2.0%）0.75 Z0Ω，Z0为所选用电缆的标称特性阻抗，隔直电容其额定耐压值大于电源电压，其额定电流值大于测控短节的额定电流。
5.根据权利要求2-4任一所述的一种随钻测控仪器总线系统，其特征在于系统中的电源模块还具有自动断电保护模块。
6.根据权利要求2-4任一所述的一种随钻测控仪器总线系统，其特征在于主控模块和各个测控短节采用单芯电缆进行电气连接，所述电缆及短节线均为带护套的屏蔽电缆。
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