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Die
Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem für eine Pipeline bzw. eine Rohrleitung,
um für
eine Beobachtung und/oder Steuerung von rohrleitungsbasierten Einrichtungen
und Equipment zu sorgen.
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Die
Druckschrift WO-A-9326115 und die Druckschrift FR-A-2097265 offenbaren
Unterseepipelinesysteme, welche mit Offshore-Bohrplattformen zusammenwirken
und einen Rohrleitungskorrosionsschutz mittels galvanischer Schutzanode
bzw. Opferanode umfassen. Die Rohrleitungen werden als Kommunikationsverbindungen
verwendet.
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Gemäss einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Rohrleitungskommunikationssystem
gemäss
Anspruch 1 bereitgestellt.
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Gemäss einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kommunikationsverfahren gemäss Anspruch
13 bereitgestellt.
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Die
Erfindung wird nun rein beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 ein Beispiel eines Rohrleitungsnetzwerks
zeigt, welches die Erfindung verwendet;
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2 eine Übertragungseinrichtung für die Rohrleitungskommunikation
zeigt, welche Frequenzmodulationstechniken verwendet;
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3 stellt eine alternative Übertragungseinrichtungsanordnung
dar, wobei das Signal verstärkt
wird und direkt auf das Rohr aufgebracht wird;
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4 zeigt eine Empfängereinrichtung,
welche zum Empfangen von übertragenen
Signalen geeignet ist, die von der Pipeline erhalten worden sind;
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5 zeigt eine Zeitrückgewinnungsanordnung
zur Verwendung mit der Ausgabe von der Empfängereinrichtung von 4;
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6 zeigt eine alternative
analoge nichtkohärente
Empfängereinrichtung
zu der von 4, welche
einige konstruktive Vorteile aufweist;
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7 zeigt die Korrelation
durch Verwendung einer digitalen Version der Empfängereinrichtung
von 4; und
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8 stellt die digitale Anordnung
für die Zeitrückgewinnung
von der Empfängereinrichtung von 6 dar.
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1 zeigt eine typische Rohrleitungsanordnung,
welche die Erfindung verwendet. Die Rohrleitung 10 umfasst
Verbindungen 11 und 12. Das Equipment oder die
Einrichtung bzw. Fabrikeinrichtung wie die Steuermodule 14 und
die Umwandler/Gleichrichter (T/R) 15 bilden einen Teil
des Netzwerks. Eine Anzahl von Überwachungseinrichtungen
einschließlich Strömungsüberwachungseinrichtungen 16,
Reglerüberwachungseinrichtung 17 und
Gefährdungsüberwachungseinrichtung 18 versorgen
periodisch Informationen zu der Netzwerksteuereinrichtung 20.
Diese Information wird der Systemsteuereinrichtung 22 über eine
Außenstation 21 unter
Verwendung einer telemetrischen Verbindung zugeführt, welche über eine
herkömmliche
Einrichtung zur Datenkommunikation mit Zugang durch eine Radioverbindung
einem PSTN oder einem anderen geeigneten Equipment zugeführt. Um
mit der Steuereinrichtung 20 zu kommunizieren, verwenden
die Überwachungseinrichtungen
die Rohrleitung bzw. die Pipeline als Leiter. Um die Erde als Rückführleiter
zu verwenden, ist das metallische Rohr davon isoliert: Obwohl Übertragungssignale
direkt auf das Rohr bzw. die Rohrleitung aufgebracht werden, werden
diese typischerweise von dem existierenden kathodischen Rohrschutzsystem
ausgeschossen bzw. überlagert.
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Zusätzlich zu Überwachungssignalen
können
Steuerungssignale von der Steuereinrichtung 20 gesendet
werden, um Regler, Umwandler/Gleichrichter oder andere vorgesehene
Einrichtungen zu justieren bzw. einzustellen. Somit ist eine Zweiwegekommunikation
möglich.
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Das
Kommunikationssystem verwendet Niedrigfrequenz- (typischerweise
5–20 Hz,
kann jedoch auch bis zu einer Höhe
von 200 Hz betragen) -Modulationstechniken mit geringer Bandbreite.
Die Modulation ist typischerweise in Form von einer schnellen Frequenzmodulation
(FFSK) bzw. einem schnellen Frequenzwechsel. Da die Länge der
Pipeline, welche involviert werden kann, typischerweise bis zu 50
km beträgt,
kann die Abschwächung
bzw. Reduktion der Signale derart hoch sein, wobei ebenso entsprechende
Geräuschpegel
vorhanden sind, welche für
niedrige Signale den Störabstand
erhöhen.
Somit kann es passieren, dass das Geräusch so hoch ist, dass der
Störabstand
gering ist, typischerweise 5 dB beträgt. Um dies zu überwinden
werden Signalrückgewinnungstechniken
verwendet, typischerweise unter Verwendung von abgeglichenen Filtern.
Die Wiederholungseinrichtungen bzw. Verstärkungseinrichtungen 23 können ebenso
verwendet werden, um die Signalpegel zu erhöhen, und sind ausreichend intelligent,
um die eingebetteten Adressbestimmungen zu überwachen und somit für den Bedarf
einer wahlweisen Regeneration zu sorgen. Die Überträgereinrichtung verwendet FFSK
unter Aufbringung eines Tons von einer Frequenz, um ein Eingabebit
mit einem Datensinn von '1' zu repräsentieren,
und bringt einen zweiten Frequenzton auf, um ein Eingabebit mit
einem Datensinn von '0' zu repräsentieren.
Diese Datenbits werden mit einer Datenrate von typischerweise 10
Bits pro Sekunde getaktet bzw. getimed. Das System ist nicht auf
zwei Töne
beschränkt
bzw. begrenzt. Zusätzliche
Töne können verwendet
werden, um multiple Datenbits parallel zu verschicken.
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2 zeigt die Struktur einer Überträgereinrichtung,
welche für
die Umwand-ler/Gleichrichter
geeignet ist. Die Überträgereinrichtung 30 umfasst
Wellenformgeneratoren 31–34, deren Überträgereinrichtung
die Daten an der Eingabe 35 aufnimmt bzw. empfängt, welche
10 Hz-Töne
als eine Anzeige bzw. Indikation für die Daten '1' und einen 15 Hz-Ton als Daten '0' über
die Auswahleinrichtung 36 auswählt. Unter Verwendung der schnellen
Frequenzmodulation (FFSK bzw. Fast Frequency Shift Keying) bei 10 baud
wird das modulierte Datensignal durch ein Modulationsteil des Stroms
aufgebracht, welcher auf das Rohr (Stromschalter 37) aufgebracht
wird, welches für
den kathodischen Schutz (CP) als Folge des Rohrleitungswiderstands
sorgt. Die Signale befinden sich in digitaler Form mit Mehrstufenrepräsentationen
von zwei Modulationstönen.
Jeder Zustand von diesen Tönen
repräsentiert
die Schaltpegel für
die Umwandler/Gleichrichterrohrleitungsvorrichtung. Die Bandbreite
des Rohrs ist derart, dass ein harmonisches Schalten beträchtlich
durch deren Passage in dem Rohr reduziert wird, so dass diese beim
Empfänger
bzw. bei der Empfängereinrichtung
keine große
Bedeutung aufweisen.
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Wenn
alleinstehende Stellen auftreten, wird das Datensignal verstärkt und
direkt auf das Rohr unter Verwendung eines Überträgers 40 aufgebracht, wie
in 3 gezeigt. Der Überträger umfasst
Wellenformgeneratoren 41–44, dessen Überträger die
Daten an der Eingabe 45 empfängt und 10 Hz oder 15 Hz wie
zuvor auswählt.
Die Signale werden auf die Rohrleitung über Tiefpassfilter 46, 47 und
einen Verstärker 48 aufgebracht.
Die Signale sind sämtliche
digitale Repräsentationen,
wobei diese jedoch an dem Rohr CP analog überlagert bzw. ausgeschossen
werden.
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Die
Empfängereinrichtung
muss einen Signalstörabstand
von lediglich 5 dB für
einen herkömmlichen
Rohrabstand von 40 km bewältigen.
Eine geeignete Empfängereinrichtung
bzw. ein geeigneter Empfänger
ist in 4 dargestellt.
Der Empfänger 50 ist
ein nicht kohärenter
FFSK abgeglichener Filterempfänger.
Der Empfänger 50 weist
einen Verstärker 51,
einen Tiefpassfilter 52 und eine automatische Leistungssteuerung 53 sowie
einen Bandpassfilter 54 auf. Die Filterausgabe wird über den
Verstärker 55 zu
der Erfassungseinrichtung 56 geführt. Dies ermöglicht,
dass das analoge Signal von dem Rohr empfangen werden kann und die
digitalen Daten in Ströme
F1 und F2 aufgeteilt bzw. rückgeführt werden können. Die
abgeglichenen Filter 57 und 58 sowie die Summiereinrichtung 59 sorgen
für die
rückgeführten Daten
(ungetaktet) an dessen Ausgabe. Es werden separate abgeglichene
Filterpfade für
jeden Ton verwendet und die Datenentscheidungen werden durch den
Vergleich der sich ergebenden Energieausgabe von jedem Filter vorgenommen.
Die Symbolrückführung wird
von dem Datenentscheidungsstrom abgeleitet.
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Jeder
abgeglichene Filter ist in eine Integration des einkommenden Datenstroms
implementiert, welcher durch eine Sinuswellenform an einer entsprechenden
Zwischenträgerfrequenz
multipliziert wird (über
jede sukzessive Arbeitssymbolperiode). Dies ist eine analoge Autokorrelation
von jedem Ton mit dem entsprechenden einkommenden Datenstrom. Um
die übertragene
Zeit bzw. Taktung zurückzuführen bzw.
zurückzugewinnen,
welche mit den übertragenen
Daten einhergeht, wird der Schaltkreis von 5 verwendet. Der Zeitabfolgerückgewinnungsschaltkreis
bzw. Schaltkreis zur Zeitpunktrückgewinnung 60 umfasst
eine Probenverzögerung 61 und
einen Datenspalter 62. Der digitale spannungsgesteuerte
Oszillator 63 und die phasengeschlossene Schleife 64 sowie
der Doppler 65 sind vorgesehen. Die Zeitabfolgerückführung bzw.
Zeitpunktrückgewinnung
wird durch ein Erfassen der beiden Spitzen der Autokorrelationsströme bewirkt,
um einen neuen Zeitabfolgeprobenstrom auszubilden, der von dem unstetigen
Wert von einem der korrelierenden Ströme abgeleitet wird. Dieser
Zeitabfolgeprobenstrom wird bei der Zeitabfolgerate zurückgewonnen.
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In
der Praxis kann der analoge nichtkohärente Empfänger auf denjenigen modifiziert
werden, welche in 6 gezeigt
ist. Die Komponenten umfassen Niedrigpassfilter 70 und
Probenverzögerer 72 an
einem Pfad und Niedrigpassfilter 71 sowie einen Verstärker 73 an
dem anderen Pfad, welcher zu dem Summierer bzw. zu der Summiereinrichtung 74 und somit
zu dem Verzögerer
bzw. Verzögerungseinrichtung 61 führt. Andere
Pfade umfassen eine Verzögerungseinrichtung 75 und
eine Mischeinrichtung 76. Die Ausgabe von der Mischeinrichtung 76 verläuft zu dem
Bandpassfilter 77 und dann zu dem Verstärker 78 bevor es zu
einer Eingabe zu dem Vergleicher bzw. Komparator 79 kommt.
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Wenn
die digitale Implementation erforderlich ist, kann ein Verstärker konstruiert
werden, wie er in 7 gezeigt
ist. Dieser verwendet abgeglichene Filter sowie eine Serie von Korrelatoren.
Die analoge erste Stufenausgabe wird durch eine Summierung des Verstärkers 81 empfangen
und in digitale Form über
den Analog/Digital-Wandler 82 umgewandelt. Die
Zweipfadfilterung 57 und 58 wird wie zuvor nun
in digitaler Form vorgesehen. Wie in dem oberen (ausgedehnten) Pfad
gezeigt, ist ein Probennehmer 83 mit Verzögerungseinrichtungen 84 und
Addiereinrichtungen 85 sowie Teilern 86 und Summiereinrichtungen 87 zu
dem Pfadprobennehmer 88 und Komparator bzw. Vergleichseinrichtung 89 vorgesehen. Somit
wird das empfangene analoge Signal verstärkt, gefiltert und zu einer
automatischen Leistungssteuerschleife zugeführt. Typischerweise umfasst
das LPF ein –3
dB Abschneiden bei 20 Hz. Der AGC verwendet einen Bandpassfilter
mit –3
dB Stellen bei 7,5 Hz und 17,5 Hz, um das für die Erfassung interessante
Band auszuwählen.
Die Pegelerfassungseingabe wird verwendet, um die Leistung bzw. den
Gewinn der Schleife derart zu justieren, so dass die Ausgabe-AC-Spitze
zu dem Spitzensignal am Nähesten
der Spitze zu der vollen Spitzenskala-(FS)-Grenze des digitalen
Konverters (ADC) passt. Der ADC sorgt typischerweise für eine 10 Bit-Auflösung. Die
F1 und F2-Pfade betreffen jeweils abgeglichene Filter bzw. weisen
diese auf.
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Die
mit der übertragenen
Information angegliederte Zeitabfolgerückgewinnung bzw. Zeitpunktrückgewinnung
muss von der übertragenen
Information extrahiert werden, wenn diese unter Verwendung von Korrelationstechniken
empfangen worden sind, welche Datenregister verwenden, wie in 8 gezeigt.
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Die
Vorrichtungen 61–65 sind
wie zuvor vorgesehen und nun verwenden digitale Daten in den Registern 90 mit
angegliederten Summiereinrichtungen 91 und einer Vergleichseinrichtung 92 Proben, welche
von den Probenströmen
F1 und F2 erhältlich sind.
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Die
Natur des Kommunikationskanals, welcher durch dieses System verwendet
wird, ist derart, dass eine Ausgleichung herkömmlicherweise für eine akzeptable
Datenperformance erforderlich ist. Wenn die gleiche Hardware mit
vielen unterschiedlichen Rohrarten, Größen und Beschichtungen verwendet werden
soll, dann können
die Rohrfrequenzen und Phasencharakteristiken extrem variiert werden.
Eine automatische Abgleichung ist daher mit eingeschlossen, um die
Gesamtamplitude von Nichtlinearitäten mit einer Frequenz eines
Designpegels von in etwa +/– 15
dB über
das Modulationsband für
das gegenwärtig
bevorzugte Modulationsschema zu kompensieren. Andere Formen der
Abgleichung bzw. Equalisation könnten
vorgenommen werden, wenn ein anderes Modulationsschema verwendet
worden ist. Das neue Abgleichsschema kann daraufhin dementsprechend
einen unterschiedlichen Betrag einer fixierten oder automatischen
Abgleichung bzw. Equalisation erfordern.
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Das
Kommunikationsträgersystem,
welches hierin beschrieben ist, bildet ein Datennetzwerk für eine entfernte Überwachung
zwischen der Steuereinrichtung an jeden Abschnitt eines elektrisch
isolierten Rohrs und den Überwachungseinrichtungen.
Das entfernte Überwachungsdatennetzwerk
(RMDN), welches hierin detailliert beschrieben ist, verwendet Multipegelprioritätszugangstechniken
unter Verwendung von Trägersinnmehrfachzugang
(CSMA) mit N-persistenten Rückgewinnungseinrichtungen.
Zwei Prioritätspegel
werden derzeit verwendet. Eine hohe Priorität (HP) und eine niedrige Priorität (LP),
wobei jedoch mehrere Pegel zukünftig
gemäss
den Erfordernissen der User verwendet werden können. Derzeit ermöglichen
alle LP-Überwachungsbotschaften M-Zugangs-Wiederholungen
bzw. Wahlwiederholungen und alle HP-Alarm- und Steuerbotschaften
ermöglichen
P-Zugangs-Wiederholungen, wobei M, N und P statistisch ausgewählt werden,
um sicherzustellen, dass sämtliche
HP-Botschaften erfolgreich sind und ein Anteil Q (welcher für den User
akzeptierbar ist) von LP-Botschaften hindurch gelangt.
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Das
System ist derart ausgestaltet worden, um über einen Kanal in einem Bereich
zu operieren, wo SNR besser als 5 dB und der Signalpegel größer als
100 mV an der Empfängereinrichtung
ist. Diese Parameter sind als Kompromiss der gegenwärtigen Technologie
gegenüber
den zu erwartenden Kosten des erzielbaren Produkts ausgewählt worden.
Die Performance an einem niedrigen Schwellenwert und SNR-Werten könnte gemäss den zukünftigen Markttrends
in Betracht gezogen werden.
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Der
Wiederholer bzw. die Verstärkereinrichtung
ist funktionell derart vorgesehen, um Botschaften über Verstärkereinrichtungen
zwischen erzeugenden und bestimmenden Einheiten zu leiten, welche
physikalisch durch eine Distanz getrennt sind, welche größer ist
als die maximale Zwischeneinheitdistanz (IUD), d.h. der maximale
Abstand zwischen den Einheiten. Das hierin beschriebene System kann bis
zu 512 Verstärkereinheiten
unterstützen,
was ein Netzwerk zwischen 1 und 10.220 m in der Länge pro elektrisch
isoliertem Abschnitt ermöglicht.
Die maximale unterstützbare
Länge der
Pipeline, welche hier ausgewählt
worden ist, ist aus den typischen Fernpipelines in der Welt bis
zum heutigen Tage identifiziert worden. Das Protokoll kann dementsprechend geändert werden,
um längere
Pipelines in der Zukunft unterzubringen, wobei dies heute jedoch
nicht als wahrscheinlich hinsichtlich der Kosteneffektivität angesehen
wird.
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Ein
Anmelderprotokoll wird für
den Datenbetrieb über
das entfernte Überwachungsnetzwerk
zwischen der Überwachungseinrichtung
und dem Steuersystem verwendet. Das Protokoll ist derart ausgestaltet,
um die optimale Datenperformance über das System durch Anpassung
bzw. Abgleichung der Datentechniken zu realisieren, welche für die Kommunikationskanäle verwendet
werden, die durch das Rohr bzw. die Rohre ausgebildet werden.
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Dieses
System verwendet bis zu 5 vordefinierte Datenpaketgrößen und
bis zu 16 userdefinierten Datenbotschaftstypen innerhalb jedes Pakets. Jedes
Paket weist eine Vorwärtsfehlerverbindung (FEC)
und eine Bitverschachtelung auf, welche während der Übertragung aufgebracht wird.
Die Fehlerüberprüfung wird
unter Verwendung eines Standard-CRC durchgeführt. Das System verwendet einen
Standardlauf bzw. Standardeinlauf und eine Byte-Synchronisationstechnik.
Das verwendete Byte-Synchronisationswort
ist 32 Bits lang und es werden 5 verschiedene Wörter verwendet, nämlich eines
um jede der unterschiedlichen Packungsarten zu identifizieren.
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Die
Anzahl der Pakete und userdefinierten Botschaften ist derart ausgewählt worden,
um dem vorliegenden Gasmarkt zu entsprechen. Jedoch können diese
Parameter für
einen anderen Markt zukünftig
justiert werden.
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Innerhalb
jedes Datenpakets werden Zweiwegroutingfelder zu Routenpaketen über Einheiten verwendet,
welche für
die wiederholten Botschaften bzw. verstärkten Botschaften geeignet
bzw. fähig sind.