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Diese Erfindung betrifft ein Modem, das für den Einsatz in einer Mehrpunkt-Konfiguration geeignet ist.
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Unterwasser-Fluid- oder Gasgewinnungssysteme, zum Beispiel Untersee-Ölförderanlagen, weisen typischerweise eine Leitstation (Master Control Station MCS), die oft an der Küste angeordnet ist, und Unterwasser-Quellenkopfkomplexe auf. Die Kommunikation zwischen der Leitstation MCS und den Quellenköpfen wird typischerweise durch die Anwendung der Faseroptik-Technologie verwirklicht, wie es zum Beispiel in der
GB 2 396 086 A beschrieben ist. Die faseroptischen Kabel sind im Wesentlichen in den Kabeln oder den Versorgungsleitungen integriert, die die zwei Standorte verbinden, wobei diese Entfernungen typischerweise 40 km überschreiten können. Gegenwärtig entsteht ein immer größerer Bedarf an einer Kommunikation zwischen einer zentralen Verteilereinheit (Central Distribution Unit CDU) und den Quellenköpfen, die abseits von der zentralen Verteilereinheit CDU liegen, wobei die betroffenen Entfernungen normalerweise geringer als 40 km sind. Die zentrale Verteilereinheit CDU kann für solche Systeme landgestützt oder auf einer Plattform oder einem Schiff angeordnet sein. Obwohl die Faseroptik-Technologie derartigen Ansprüchen gerecht werden kann, ist die Weiterführung der Lichtleitfasern zu jedem Quellenkopf teuer. Die Alternative ist, die Daten über Leitungsdrähte zwischen der zentralen Verteilereinheit CDU und den Quellenköpfen unter Einsatz eines Modems an jedem Ende zu senden und zu empfangen. Es ist noch wünschenswerter, die Daten, die den in der Versorgungsleitung aufzunehmenden Stromversorgungsleitungen überlagert sind, unter Einsatz dafür bestimmter Modems, d. h. dem Strom überlagerte Kommunikationen (Communications superimposed On Power COP), zu senden und zu empfangen.
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Es gilt jedoch zwei größere Probleme zu überwinden. Zunächst hat die Entwicklung von Fluid- und/oder Gasgewinnungssystemen zu mehr zu der zentralen Verteilereinheit CDU versetzten Quellenköpfen und größeren Abständen geführt. Aufgrund dieser Tatsache und der zunehmenden Attraktivität ausgeklügelterer Quellenkopf-Überwachung ist eine wesentliche Zunahme von zu übertragenden Daten über größere Entfernungen zu verzeichnen. Das zweite Problem besteht darin, dass, falls die Kommunikation über die Stromkabel erfolgt und damit zusätzliche Leitungsdrähte vermieden werden, das Modemsystem im Gegensatz zu den weniger leistungsfähigen Punkt-zu-Punkt-Systemen ein Mehrpunkt-System sein muss. Bei herkömmlichen Mehrpunkt-Konfigurationen unter Einsatz von vorhandenen Modems sind die Entfernungen zwischen den Modems relativ kurz, zum Beispiel innerhalb eines Gebäudes, so dass die Signalpegel-Schwankung bei jedem Modem innerhalb des dynamischen Bereichs des Modemmodells liegt. Für Untersee-Anwendungen, von denen zu der zentralen Verteilereinheit CDU versetzte Quellen betroffen sind, sind jedoch die unterschiedlichen Abstände zwischen den Modems wesentlich. Zum Beispiel können die Modems an der Leitstation 5 km von den Modems an der zentralen Verteilereinheit CDU entfernt sein, mit weiteren Modems an versetzten Quellen, die 5 bis 20 km entfernt sein können. Folglich werden die Signalpegel an den Modems beträchtlich verschieden sein. Bei dem vorstehenden Beispiel müsste ein Master-Modem an der Steuerungsstation bei voller Leistung Daten übertragen, um zuverlässig mit einem Slave-Modem an der am weitesten versetzten Quelle, die ca. 30 km entfernt ist, zu kommunizieren. Dies wird zu einem Signalpegel an einem Slave-Modem an der zentralen Verteilereinheit CDU führen, das nur 5 km von dem Master-Modem entfernt ist, der den Modem-Eingang vollständig überdeckt, d. h. der Signalpegel wird deutlich über dem dynamischen Bereich seines Eingangs liegen. Folglich sind die Modems gemäß dem Stand der Technik, auch wenn sie in der Mehrpunkt-Betriebsart betrieben werden können, nicht in der Lage, eine große Variation der Abstände untereinander zu bewältigen.
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Es gibt Modems, die über Entfernungen von bis zu 40 km über das verrauschte Medium eines Stromkabels mit Datenraten von 115 KBits pro Sekunde übertragen können, wie sie in dem von Adaptive Networks Inc. angemeldeten US-Patenten mit den Publikationsnummern
US 5 727 004 A und
US 4 815 106 A beschrieben sind. Diese Modemkonstruktionen sind jedoch unter den härteren Bedingungen in einer Mehrpunkt-System-Anordnung mit stark variierenden Abständen zwischen den Modems, und wo lange Abzweigungen erforderlich sind, nicht betriebsfähig.
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US 6 400 822 B1 offenbart ein Modem zum Empfangen und Senden von Daten aus und in einen Leiter, das die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Der Emfänger und der Sender sind durch einen Optokoppler von dem Leiter und voneinander getrennt.
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US 2003 /0 128 057 A1 offenbart eine Leitungschnittstellenschaltung mit einem Leitungstreiber zur Steuerung des Sendens von Daten über eine Übertragungsleitung, einem Empfänger zum Empfangen von Daten aus der Übertragungsleitung, Impedanzanpassungsmitteln zum Anpassen der Eingangsimpedanz des Empfängereingangs an die Last der Übertragungsleitung, Mitteln zur Einstellung der Verstärkung des Leitungstreibers und einem Verstärker zur Verstärkung des Eingangssignals.
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US 4 794 620 A offenbart ein Modem zum Empfangen und Senden von Daten aus und in einen Leiter mit einem Emfängerschaltkreis, einem Sendeschaltkreis, Verstärkern zur Empfangs- und Sendesignalverstärkung und einem Bandpassfilter als Impedanzanpassungsmittel in dem Emfängerschaltkreis.
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JP 2003 -
174387 A offenbart eine dynamische Einstellung des Empfängereingangs eines Modems, in der die Impendanz eines Empfängers und eines Senders mittels eines einstellbaren Widerstands an die Übertragungsleitung angepasst wird, und offenbart ferner die Übertragung von Modemdaten über eine Stromversorgungsleitung.
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US 4 149 030 A beschreibt die Vernetzung von Modems in Mehrpunktnetzwerken.
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US 6 046 638 A beschreibt einen Eingangsverstärker für Hochgeschwindigkeitssignale, der zur Einsparung von Energie und zur Minimierung von Interferenzen eine komplementäre Verstärkerstruktur in der Eingangsstufe nutzt.
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GB 2 083 964 A beschreibt ein Telekommunikationsübertragunssystem zur Signalübermittlung in optischen Fasern mit Modemfunktionalität, wobei eine frequenzabhängige Ausgangsverstärkung mit Voranpassung vorgenommen wird, um bestimmte Singalbereiche, die zum Beispiel zur Videoübertragung vorgesehen sind, anzuheben, wobei die daraus entstehenden Verluste durch einen Vorverzerrungsverstärker ausgeglichen werden.
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US 2003 / 0 194 068 A1 beschreibt ein Modem, welches zur Verstärkung des Ausgangssignals einen programmierbaren Verstärker nutzt.
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US 5 533 054 A beschreibt ein Hochgeschwindigkeitsübertragungssystem, in dem das Ausgangssignal parallel und komplementär von einem Verstärker über die Ausgänge gesendet wird und an dem Empfängereingang auch die Ausgangsimpedanz eingestellt wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Modem zum Empfangen und Senden von Daten aus und in einen Leiter bereitgestellt, das eine Ausgangssteuerung zum Senden von Daten in den Leiter, einen Empfänger zum Empfangen von Daten aus dem Leiter und Impedanzanpassungsmittel zum Anpassen der Impedanz des Empfängereingangs an die Impedanz des Leiters aufweist, wobei die Verstärkung der Ausgangssteuerung, die Empfängerverstärkung und die Impedanz des Empfängereingangs alle einstellbar sind. Der Empfängereingang ist komplementär. Die Ausgangssteuerung weist mindestens einen Ausgangsstromverstärker mit Voranpassung auf. Die Ausgangssteuerung und der Empfängereingang sind galvanisch von der anderen Modem-Elektronik isoliert. Das Modem enthält einen internen Steuerbus eines ersten Formates, und es sind Mittel zum Umwandeln des Steuerbusses des ersten Formates in ein anderes Format zur externen Verbindung vorhanden.
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Die Impedanz des Empfängereingangs kann durch schaltbares Anschließen von mindestens einem Widerstand zwischen die Eingänge des Empfängers eingestellt sein. In diesem Fall kann ein elektronischer Schalter zum Anschließen des mindestens einen Widerstandes bereitgestellt sein.
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Vorzugsweise hat die Ausgangssteuerung einen programmierbaren Verstärker, und der Verstärkungsfaktor der Ausgangssteuerung ist durch Einstellen des Verstärkers einstellbar.
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Vorzugsweise hat die Ausgangssteuerung alternativ auswählbare parallele und komplementäre Verbindungen, und der Spannungsausgang der Ausgangssteuerung ist durch Anschließen einer der parallelen und komplementären Verbindungen an dem Ausgang eingestellt.
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Die galvanische Isolierung kann durch Optoisolatoren und/oder Transformatoren bereitgestellt sein.
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Vorteilhafterweise sind die durch den Leiter empfangenen Daten einer Stromversorgung überlagert.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Mehrpunkt-Modemnetzwerk bereitgestellt, das eine Vielzahl derartiger Modems aufweist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Unterwasser-Einrichtung mit einem derartigen Mehrpunkt-Modemnetzwerk bereitgestellt.
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Beispiele der vorliegenden Erfindung können ein Kupferdraht-Modem vorsehen, das Daten über Entfernungen bis zu ungefähr 40 km (abhängig vom Kabeltyp) mit einer Datenrate von bis zu ungefähr 115 KBits pro Sekunde senden und empfangen kann und das über ein einziges Stromkabel in einer Mehrpunkt-Konfiguration mit stark unterschiedlichen Abständen zwischen den Modems kommunizieren kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 - eine typische Kommunikationsanordnung für eine Fluidgewinnungseinrichtung gemäß einem Beispiel der Erfindung zeigt; und
- 2 - ein Schaltbild eines Modems gemäß einem Beispiel der Erfindung zeigt.
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Die 1 zeigt eine typische Kommunikationsanordnung zwischen einer Leitstation (MCS) und einem Komplex Untersee-Fluidgewinnungs-Quellen, die durch eine zentrale Verteilereinheit (CDU) 2 betrieben wird. Elektrischer Strom wird aus einer Stromquelle 1, die an der Leitstation (MCS) angeordnet ist, der zentralen Verteilereinheit CDU 2 über eine Versorgungsleitung 3 zugeführt und an die versetzten Quellen 4, 5 und 6 über eine Versorgungsleitung 7 weitergeleitet. (Es ist anzumerken, dass als Beispiel nur drei versetzte Quellen dargestellt sind, eine derartige Anordnung jedoch mehr als zweihundertfünfzig Slave-Modems an verschiedenen Abzweigungen beinhalten könnte, die über Gleichstrom- oder Wechselstromsysteme kommunizieren).
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An der Leitstation MCS kann ein einziges Master-Modem 8, wie vorstehend genannt ist, über zweihunderfünfzig Slave-Modems bedienen, und es ist mit der Stromleitung über die Versorgungsleitung 3 und über die Versorgungsleitung 7 verbunden. Indem programmierbare Nachrichtenköpfe verwendet werden, können mehrere Master-Modems über die gleiche Versorgungsleitung an getrennten Leitern betrieben werden, ohne einem destruktiven Übersprechen ausgesetzt zu sein. Jedes Modem hat eine zweiadrige Schnittstelle und kann an Gleichstrom- oder Wechselstromleitungen gekoppelt sein. An dem Quellen-Baumende des Systems, d. h. dem Quellenkomplex, werden Slave-Modems über die Stromleitung an jedem Baum angeschlossen. Dadurch ist das Master-Modem 8 an der Leitstation MCS über die Stromversorgungsleitungen mit den Modems an den Quellen-Bäumen, die versetzten Quellen einschließend, in einer Mehrpunkt-Konfiguration verbunden.
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Typischerweise liegt die verwendete Impedanz der Stromleitung, die an das Modem-Frequenzspektrum anliegt, (typischerweise ungefähr 45 kHz bis ungefähr 450 kHz), im Bereich von 100 Ohm. Wenn eine Vielzahl von herkömmlichen Modems über die gleiche Übertragungsleitung verbunden werden müssten, wäre die Möglichkeit einer Impedanzanpassung an die Leitung gering, keine Möglichkeit wäre vorhanden, die Ausgangssteuerungsspannung oder die Empfängerempfindlichkeit zu erhöhen, um die zusätzliche Last vieler Modems anzupassen, und böte keine Möglichkeit, ein Gleichtakt-Übersprechen zwischen den Modems zu eliminieren. Diese Einschränkungen führen dazu, dass herkömmliche Modems für eine Mehrpunkt-Konfiguration ungeeignet sind.
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Die 2 zeigt die interne Konfiguration eines Modems gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung für den Einsatz mit einem COP-System, bei der Pfeile die Signalflussrichtung zeigen. Insbesondere zeigt das Modem eine Anzahl von erfinderischen Merkmalen, die bei herkömmlichen, geschützten Modems nicht vorhanden sind, wie nachstehend erörtert wird.
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Der Modemempfängereingang und die Ausgangssteuerung sind an der Stromleitung über zwei Primärwicklungen eines dreiadrigen Transformators 9 angeschlossen, wobei der Empfängereingang, wie gezeigt, oben und die Ausgangssteuerung, wie gezeigt, unten angeschlossen sind, und dessen Sekundärwicklung kapazitiv an die Stromleitung (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Die Empfängereingangs- und Ausgangssteuerungs-Elektronik sind galvanisch von der restlichen Modem-Elektronik isoliert, wie bei 17 dargestellt ist. Die galvanische Isolierung ist ein Merkmal, das bei herkömmlichen Modems nicht bekannt ist, welches das Erdschleifen-Rauschen zwischen Sende-Schaltkreis Tx und Empfänger-Schaltkreis Rx reduziert, und, wie dargestellt ist, durch Transformatoren 18 in sowohl den Empfänger- als auch Sende-Pfaden (Rx- und Tx-Pfaden) und durch optische isolierte Ankoppelung 19 des Steuerbusses bereitgestellt wird.
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Die Modem-Elektronik, die links von der galvanischen Isolierungsbarriere 17 gezeigt ist, ist mit Ausnahme des Steueranschluss-Sendeempfängers und des PIC-Wandlers (Programmable Integrated Circuit PIC) ganz links und dem programmierbaren Verstärker 13 und dem Dämpfungsglied 15 aus herkömmlichen Modems bekannt und wird daher hier nicht ausführlich erörtert.
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Der Empfängereingang ist komplementär, um Interferenzsignale zu reduzieren und die Gleichtaktunterdrückung zu erhöhen, und die Einstellung der Empfängerempfindlichkeit oder Verstärkung wird durch das programmierbare Dämpfungsglied 15 erreicht. Keines dieser Merkmale ist aus herkömmlichen Modems bekannt.
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Um den Empfängereingang an die Stromleitungsimpedanz anzupassen, ist ein elektronischer Schalter 16, wie z. B. ein Feldeffekttransistor FET eingebaut, der die seriellen Widerstände R an die Leitung anschließt. Die Widerstände R können typischerweise ungefähr 47 Ohm aufweisen, die in Zusammenhang mit dem Widerstand von wenigen Ohm des Schalters 16 den erforderlichen Anpassungswiderstand von ungefähr 100 Ohm bereitstellen, wenn sie angeschlossen sind (d. h. wenn der Schalter 16 aktiviert ist). Die Widerstände sind allgemein nur an die Modems angeschlossen, die an den Enden der Leitung sind, d. h. an das Master-Modem und an das entfernteste Slave-Modem (Modems 8 und 6 in der 1).
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Die Ausgangssteuerung kann selektiv entweder in einer parallelen oder komplementären Konfiguration geschaltet werden. Bei der herkömmlichen parallelen Konfiguration werden die Verbindungen 10 und 12 angeschlossen und die Verbindung 11 wird entfernt. Bei der komplementären Konfiguration sind die Verbindungen 10 und 12 getrennt, die Verbindung 11 angeschlossen und die Phase eines der Ausgangsverstärker 14 wird umgekehrt. Die komplementäre Konfiguration verdoppelt den Spannungsausgang der Steuerung im Vergleich zu der parallelen Konfiguration. Dies schafft einen viel einfacheren Aufbau, um den Ausgang entsprechend der Anwendung einzustellen, als die Alternative, die Auslegung des Transformators 9 zu ändern, d. h. das Windungszahlenverhältnis des Transformators anzupassen.
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Weiterhin kann der Ausgangsleistungssteuerungspegel oder die Verstärkung durch die Steuerung des programmierbaren Verstärkers 13 eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Minimierung des Stromverbrauchs des Systems, was ein bedeutender Kostenfaktor ist, wenn man an die lange Länge des Stromkabels und die thermische Dissipation innerhalb eines Unterwasser-Behälters denkt. Typischerweise ist die Ausgangsleistung in Schritten von ungefähr 100 %, 60 %, 40% und 25% steuerbar. Es ist anzumerken, dass die herkömmlichen Punkt-zu-Punkt-Modems eine automatische Verstärkungsregelung (Automatic Gain Control AGC) verwenden, um den Sendeleistungspegel zur Anpassung an die Leitungsbedingungen einzustellen. Normalerweise übertragen derartige Systeme Daten nahtlos. Die Wirkung der automatischen Verstärkungsregelung AGC in langen Leitungen, wie z. B. von 40 km, und die Mehrpunkt-Konfiguration bewirken jedoch, dass der erste Teil einer übertragenen Nachricht verloren geht. Der Grund liegt darin, dass AGC-Systeme eine Nachrichtenübertragung bei niedrigerer Steuerungsamplitude beginnen und dann die Amplitude während der Übertragung anheben. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, den Kopf vor der Datenübertragung zu verlängern. Wenn jedoch Daten nicht nahtlos sondern stattdessen als einzelne Pakete übertragen werden, wobei diese jeweils einen Kopf davor benötigen, wird ein großer Prozentsatz der Übertragungszeit durch die Köpfe in Anspruch genommen, wodurch die effektive Bandbreite des Systems vergeudet wird. Folglich ist es bei einer Mehrpunkt-Konfiguration über lange Leitungen notwendig, eine vorher festgelegte Sende-Amplitude die ganze Nachricht hindurch aufrechtzuerhalten. Daher wird bei der vorliegenden Ausführungsform auf die automatische Verstärkungsregelung AGC verzichtet und sie wird durch einen vollen Steuerungs-Ausgang ersetzt.
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Eine Voranpassung ist in den Ausgangsstrom-Verstärkern 14 eingeschlossen. Diese hebt die Ausgangs-Amplitude mit Anhebung der Frequenz an, um die Dämpfungssteigerung des Kabels mit Anhebung der Frequenz auszugleichen.
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In der Anwendung erfolgt die Auswahl oder Einstellung der Leitungsanpassungsimpedanz durch Betätigen des Schalters 16 und die programmierbare Empfängerverstärkung und programmierbare Ausgabeverstärkung werden über den Steuerbus vorgenommen. Die Steuersignale für diesen Bus, an dem unterseeischen Ende des Systems, werden durch Verarbeiten innerhalb eines elektronischen Untersee-Moduls innerhalb eines unterseeischen Steuermoduls bereitgestellt, das an dem Quellen-Baum montiert ist und das ebenfalls das Fluidgewinnungsverfahren steuert. Die Modemsteuerung und Datenkanäle stimmen typischerweise mit dem RS232-Format überein, wohingegen die interne Steuerbus-Schnittstelle des Modems von einem anderen Format sein kann, zum Beispiel eine I2C (entwickelt von Philips Electronics). Bei der dargestellten Ausführungsform ist daher eine Programmierbare Integrierte Schaltung (Programmable Integrated Ciurcuit PIC) bereitgestellt, um I2C in TTL (Transformator-Transformator-Logik) umzuwandeln, mit einer weiteren Umwandlung in RS232. Daher sind serielle Anschlüsse sowohl für RS232 als auch für TTL vorgesehen. Dadurch kann das Modem, sobald es in dem Unterwasser-Behälter installiert ist, konfiguriert werden.
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Es kann eine Vielzahl von Modems aufgebaut werden, um optimale Betriebsbedingungen und eine zuverlässige Kommunikation bereitzustellen. Die normale Technik besteht darin, die Anpassungswiderstände an den Modems an den äußersten Enden des Systems einzuschalten, d. h. das Master-Modem 8 und das Slave-Modem 6, indem der Schalter 16 benutzt wird, wobei bei den verbleibenden Modems deren Schalter 16 offen bleiben, d. h. mit hohen Impedanzeingängen. Unter Einsatz eines Signalpegelmessgerätes werden dann die Empfängerverstärkung und die Ausgangsverstärkung eingestellt, um optimale Empfangsempfindlichkeiten zu erhalten und um Ansteuerungspegel mit einer Test-Nachricht zum Anpassen an die System-Betriebsbedingungen zu übertragen. Sobald das System eingerichtet ist, ist keine weitere Einstellung erforderlich, d. h. es wird „eingestellt und vergessen“.
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Daher lässt die Erfindung eine Kommunikation über verrauschte Stromleitungen zwischen einer Vielzahl von Modems zu, die an die gleiche Fernstromleitung in einer Mehrpunkt-Anordnung angeschlossen sind. Diese ermöglicht eine Kommunikation zwischen einer Leitstation MCS und einer Vielzahl von Quellen-Bäumen, wo die Variation der Abstände zwischen diesen stark ist, die über eine einzige Stromleitung zu erreichen ist und dadurch beträchtliche Kosten vermeidet, die anfallen würden, wenn zusätzliche Kabel über die Versorgungsleitung zur Bewältigung der Kommunikation zu jeder Quelle bereitgestellt werden müssten, was das Punkt-zu-Punkt-System erforderlich machen würde.
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Auch wenn die Erfindung mit Bezug auf die vorstehende Ausführungsform beschrieben worden ist, sind viele andere Modifikationen und Alternativen innerhalb des Umfangs der Ansprüche möglich. Zum Beispiel ist in der dargestellten Ausführungsform die maximale Entfernung zwischen der Leitstation MCS und der entferntesten Quelle geringer als ca. 40 km, so dass das gesamte Kommunikationssystem über die Stromleitungen unter Einsatz der Erfindung implementiert werden können. In anderen Fällen, in denen die Leitstation viel weiter von der zentralen Verteilereinheit CDU entfernt ist und die Kommunikation durch teurere Faseroptik-Vorrichtungen bereitgestellt wird, kann dann die Erweiterung der Kommunikation von der zentralen Verteilereinheit CDU zu den zu dem Komplex versetzten Quellen durch dem Strom überlagerte Kommunikationen COP unter Einsatz des Modems der vorliegenden Erfindung erleichtert werden.
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Selbstverständlich ist, obwohl das Modem der vorliegenden Erfindung für den Einsatz in einer Unterwasser-Umgebung beschrieben worden ist, dieses für viele andere Anwendungen geeignet, wobei landgestützte Kommunikationssysteme eingeschlossen sind.
