ES2221069T3 - Sistema de comunicacion mediante conductos. - Google Patents

Abstract

UN SISTEMA DE COMUNICACION POR CANALIZACION EMPLEA LA CANALIZACION (10) Y LA TIERRA ADYACENTE E INCLUYE RAMIFICACIONES CON UNIONES (11 Y 12). LOS MODULOS DE ADMINISTRACION (14) Y TRANSFORMADORES/RECTIFICADORES FORMAN PARTE DE LA RED. LOS ELEMENTOS DE CONTROL (16,17 Y 18) PROVEEN INFORMACION PERIODICAMENTE AL CONTROLADOR DE RED (20). EL SISTEMA DE CONTROL (22) RECIBE INFORMACION A TRAVES DE LA SUBCENTRAL (21) PARA PROVEER INFORMACION DE DOS VIAS Y CONTROL UTILIZANDO LA CANALIZACION Y LA TIERRA ADYACENTE COMO CONDUCTORES. TIPICAMENTE LA INFORMACION EN FORMA DE MODULACION POR DESPLAZAMIENTO DE FASE A FRECUENCIA RAPIDA SE SUPERPONE SOBRE EL SISTEMA DE PROTECCION DEL CONDUCTO CATODICO.

Description

Sistema de comunicación mediante conductos.

Esta invención se refiere a un sistema de comunicaciones mediante conductos, para proporcionar la monitorización y el control de un equipo y una maquinaria basada en conductos.

Los documentos WO-A-9326115 y FR-A-2097265 describen sistemas de conductos submarinos que cooperan con una plataforma de perforación submarina, y que incorporan protección de ánodos sacrificiales frente a la corrosión del conducto. Los conductos se utilizan como enlaces de comunicación.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema de comunicación mediante conductos según se reivindica en la reivindicación 1.

Según un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un método de comunicación según se reivindica en la reivindicación 13.

A continuación, la invención va a describirse a título de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 muestra un ejemplo de red de conductos que utiliza la invención;

La figura 2 muestra un transmisor para la comunicación mediante conductos, que emplea técnicas de manipulación por desplazamiento de frecuencia;

La figura 3 es una disposición de transmisor alternativo en la que se amplifica la señal y se aplica directamente al conducto;

La figura 4 muestra un receptor adecuado para recibir señales transmitidas captadas desde el conducto;

La figura 5 muestra una disposición de recuperación del reloj, para su uso con la salida procedente del receptor de la figura 4;

La figura 6 muestra un receptor no coherente analógico alternativo al de la figura 4, con algunas ventajas constructivas;

La figura 7 muestra la correlación al usar una versión digital del receptor de la figura 4, y

La figura 8 muestra la disposición digital para recuperación del reloj del receptor de la figura 6.

La figura 1 muestra una disposición típica de conductos que utiliza la invención. El conducto 10 incluye empalmes 11 y 12. El equipamiento o maquinaria, tal como los módulos 14 de regulación y los transformadores / rectificadores (T/R) 15, forman parte de la red. Un número de monitores que incluyen los monitores 16 de flujo, el monitor 17 de regulación y el monitor 18 de peligro, proporcionan periódicamente información al controlador 20 de red. Esta información puede pasar al control 22 de sistema a través de la estación 21 de salida, utilizando un enlace de telemetría que opera sobre uno de los medios normales de comunicaciones de datos, con acceso por radioenlace, la PSTN u otro equipo adecuado. Para comunicar con el controlador 20, los monitores utilizan el conducto como conductor. Con el fin de usar la tierra como conductor de retorno, el conducto metálico se ha aislado de la misma. Aunque las señales de transmisión pueden aplicarse directamente al conducto, normalmente se superpondrán al sistema de protección catódica del conducto ya existente.

Adicionalmente a las señales de monitorización, se pueden enviar señales de control desde el controlador 20 hasta los reguladores, los transformadores / rectificadores u otra maquinaria que se proporcione. Con ello, se encuentra disponible una comunicación de dos vías.

El sistema de comunicación emplea técnicas de modulación de bajo ancho de banda, de baja frecuencia (normalmente, 5 - 20 Hz, pero podría llegar a 200 Hz). Normalmente, la modulación es en forma de manipulación rápida por desplazamiento de frecuencia (FFSK). Debido a la longitud del conducto que puede estar implicado, normalmente de hasta 50 km, la atenuación de las señales puede ser alta, así como también los niveles de ruido asociados, dando lugar a bajas relaciones de señal a ruido. Por ello, puede ocurrir que el ruido sea tan alto que la relación señal a ruido sea baja, normalmente de 5 dB. Para subsanar todo esto, se emplean técnicas de recuperación de señal, utilizando normalmente filtros adaptados. También pueden emplearse repetidores 23 para incrementar los niveles de señal, y serán suficientemente inteligentes como para monitorizar los destinos de dirección insertados, y con ello la necesidad de regeneración selectiva. El transmisor utiliza FFSK aplicando un tono de una frecuencia para representar un bit de entrada con un sentido de dato de "1", y un segundo tono de frecuencia para representar un bit de entrada con un sentido de dato de "0". Estos bits de datos se registran a una velocidad de datos de, normalmente, 10 bits por segundo. El sistema no se limita a dos tonos. Se pueden utilizar tonos adicionales para enviar múltiples bits de datos en paralelo.

La figura 2 muestra la estructura de un transmisor adecuado para posiciones de transformador / rectificador. El transmisor 30 comprende generadores 31 - 34 de forma de onda, cuyo transmisor recibe los datos en la entrada 35 que selecciona un tono de 10 Hz como una indicación del dato "1" y un tono de 15 Hz como dato "0", a través de un selector 36. Utilizando Manipulación Rápida por Desplazamiento de Frecuencia (FFSK) a 10 baudios, la señal de datos modulada se aplica modulando parte de la corriente aplicada al conducto (conmutador de corriente 37), lo que proporciona protección catódica (CP) como resultado de la resistencia del conducto. Las señales tienen forma digital con representaciones multi-etapa de los dos tonos de modulación. Cada estado de estos tonos representa los niveles de conmutación para los dispositivos de transformador / rectificador de la conducción. El ancho de banda del conducto es tal que los armónicos de conmutación se reducen considerablemente a través de su paso por el conducto, de modo que no afectan de manera importante al receptor.

Cuando se producen ubicaciones autónomas, se amplifica la señal de datos y se aplica directamente al conducto utilizando un transmisor 40, tal como se muestra en la figura 3. El transmisor incluye generadores 41 - 44 de forma de onda, cuyo transmisor recibe los datos en la entrada 45 y selecciona 10 Hz o 15 Hz como antes. Las señales se aplican al conducto a través de filtros 46, 47 de paso bajo, y del amplificador 48. Las señales son todas representaciones digitales, pero impuestas sobre la CP del conducto como analógicas.

El receptor necesita hacer frente a una relación señal a ruido de sólo 5 dB para una distancia de conducto típica de 40 km. En la figura 4 se ha mostrado un receptor adecuado. El receptor 50 es un receptor de filtro adaptado FFSK no coherente. El receptor 50 incluye un amplificador 51, un filtro 52 de paso bajo y un control 53 automático de ganancia, y el filtro 54 pasabanda. La salida de filtro se hace pasar a través del amplificador 55 hasta el detector 56. Esto permite que sea recibida la señal analógica del conducto y que los datos digitales sean recuperados en corrientes F1 y F2. Los filtros 57 y 58 adaptados y el sumador 59, proporcionan los datos recuperados (sin señales de reloj) en su salida. Se utilizan trayectorias separadas de filtro adaptado para cada tono, y se toman decisiones de datos por comparación de la salida de energía resultante desde cada filtro. La recuperación de símbolos se extrae de la corriente de decisión de datos. Cada filtro adaptado se implementa como integración de la corriente de datos de entrada multiplicada por una onda sinusoidal a la frecuencia de la sub-portadora respectiva (sobre cada período de símbolo de estudio sucesivo). Esto constituye una correlación analógica de cada tono con la corriente de datos de entrada recibida. Con el fin de recuperar las señales de reloj transmitidas que acompañan a los datos transmitidos, se emplea el circuito de la figura 5. El circuito 60 de recuperación del reloj incluye un retardo 61 de muestra y un segmentador de datos 62. Un oscilador 63 digital controlado por tensión y un bucle 64 de enganche de fase y un doblador 65. La recuperación del reloj se efectúa rastreando ambos picos de las corrientes de auto-correlación para formar una nueva corriente de muestreo de reloj derivada del valor instantáneo de cualquiera de las corrientes correlacionadas. Esta corriente de muestreo de reloj se recupera a la velocidad de reloj.

En la práctica, el receptor analógico no coherente puede ser modificado según el que se muestra en la figura 6. Los componentes incluyen filtros 70 de paso bajo y retardo 72 de muestra en una trayectoria, y el filtro 71 de paso bajo y el amplificador 73 en la otra trayectoria, pasando al sumador 74 y desde ahí hasta el retardo 61. Otras trayectorias incluyen el retardo 75 y el mezclador 76. La salida del mezclador 76 llega hasta el filtro 77 pasabanda, y después hasta el amplificador 78 con anterioridad a la entrada en el comparador 79. La salida del mezclador 76 va hasta el filtro 77 pasabanda, y después hasta el amplificador 78 con anterioridad a entrar en el comparador 79.

Cuando se requiere implementación digital, se puede construir un receptor como el que se muestra en la figura 7. Éste utiliza filtros adaptados y emplea una serie de correlacionadores. La primera salida de etapa analógica se recibe mediante el amplificador 81 sumador y se convierte en forma digital mediante el convertidor 82 analógico a digital. El filtrado 57 y 58 de doble trayectoria, se proporciona como hasta ahora, en forma digital. Según se ha representado en la trayectoria superior (ampliada), un muestreador 83 con retardos 84 y sumadores 85, divisores 86 y el sumador 87 se han conectado al muestreador 88 de trayectoria y al comparador 89. Con ello, la señal analógica recibida se amplifica, se filtra y se alimenta a un bucle de control automático de ganancia. Normalmente, el LPF tiene un límite de -3 dB a 20 Hz. El AGC utiliza un filtro pasabanda con puntos de -3 dB a 7,5 Hz y 17,5 Hz para seleccionar la banda de interés para la detección. La entrada del detector de nivel se utiliza para ajustar la ganancia del bucle de modo que la señal pico a pico de AC de salida se adapte de manera más próxima al límite de la escala de pico completa (FS) del convertidor digital (ADC). El ADC proporciona normalmente una resolución de 10 bit. Las trayectorias F1 y F2 están afectadas, respectivamente, por cada filtro adaptado.

La recuperación del reloj asociada a la información transmitida, ha de ser extraída desde la información transmitida cuando se recibe, utilizando técnicas de correlación que emplean registros de datos como se muestra en la figura 8.

Los dispositivos 61 - 65 se proporcionan como en lo que antecede, y ahora los datos digitales de los registros 90 con el sumador 91 y el comparador 92 asociados, utilizan muestras disponibles a partir de las corrientes de muestra F1 y F2.

La naturaleza del canal de comunicaciones utilizado por este sistema es tal que se requiere normalmente una ecualización para una ejecución de datos aceptable. Si va a utilizarse el mismo hardware con muchos tipos, tamaños y recubrimientos diferentes de conducto, entonces las características de frecuencia y fase del conducto pueden ser ampliamente variadas. La Ecualización Automática está por lo tanto incluida para compensar no linealidades de gran amplitud con frecuencia a nivel de diseño de alrededor de +/- 15 dB a través de la banda de modulación para el esquema de modulación normalmente preferido. Se podrían implementar otras formas de ecualización si se utilizara otro esquema de modulación. El nuevo esquema de ecualización puede requerir entonces una cantidad diferente de ecualización fija o automática, de manera correspondiente.

El sistema operador de comunicaciones que aquí se ha descrito, forma una red de datos para monitorización remota entre el controlador en cada sección de conducto eléctricamente aislado y los monitores. La red de datos de monitorización remota (RMDN) aquí detallada, utiliza una técnica de acceso de prioridad multi-nivel que hace uso de Acceso Múltiple de Sentido de Portadora (CSMA) con N-reintentos persistentes. En la actualidad se utilizan dos niveles de prioridad. La Alta Prioridad (HP) y la Baja Prioridad (LP), aunque no obstante se podrán utilizar más niveles en el futuro según las demandas de los usuarios. En la actualidad, todos los mensajes de monitorización de LP son M-reintentos_de_acceso permitidos, y todos los mensajes HP de alarma y control son P-reintentos_de_acceso permitidos, donde M, N y P se eligen estadísticamente de modo que aseguren que todos los mensajes HP tengan éxito y que un porcentaje Q (aceptable para el usuario) de mensajes LP alcance su destino.

El sistema ha sido diseñado para que opere en un canal a intervalos en los que el SNR sea mejor de 5 dB y el nivel de señal sea mayor de 100 mV en el receptor. Estos parámetros han sido elegidos como un compromiso de la tecnología actual frente al coste observado del producto comercializable. La ejecución a valores inferiores de umbral y de SNR, podría ser contemplada en el futuro, según las tendencias del mercado.

Se proporciona funcionalidad repetidora para enrutar mensajes a través de repetidores entre unidades de partida y de destino que están separadas físicamente por una distancia mayor que la máxima Distancia Entre-Unidades (IUD). El sistema aquí descrito puede soportar hasta 512 unidades repetidoras, permitiendo una red de entre 1 y 10.220 m de longitud por sección eléctricamente aislada. La máxima longitud del conducto de servicio aquí elegida ha sido identificada a partir de los conductos típicos de largo recorrido en el mundo, hasta la fecha. El protocolo puede cambiar para acomodarse a conductos más largos en el futuro, pero se observa que esto no es probable que sea de coste económico, hoy en día.

Se utiliza un protocolo de propietario para operación de datos sobre la red de monitorización remota entre el monitor y el control del sistema. El protocolo está diseñado para llevar a cabo la óptima ejecución de datos sobre el sistema mediante la adaptación de las técnicas de datos utilizadas al canal de comunicaciones formado por el conducto.

Este sistema utiliza hasta 5 tamaños de paquetes de datos predefinidos y hasta 16 tipos de mensajes de datos definidos de usuario dentro de cada paquete. Cada paquete tiene Conexión de Error Adelantado (FEC) e intercalación de bit aplicado al mismo sobre la transmisión. La comprobación de errores se realiza utilizando un CRC estándar. El sistema utiliza técnicas estándar de ejecución y de sincronización de byte. El término sincronización de byte utilizado es de 32 bits de longitud y se utilizan 5 términos diferentes, uno para identificar cada uno de los diferentes tipos de paquetes.

El número de paquetes y de mensajes definidos de usuario, ha sido elegido de modo que se adapte al actual Mercado del Gas. Sin embargo, estos parámetros podrían ser ajustados a otro mercado en el futuro.

Dentro de cada paquete de datos, se utilizan campos de enrutamiento de dos vías para enrutar los paquetes a través de unidades capaces de repetir los mensajes.

Claims (15)

1. Sistema de comunicaciones mediante conductos para un conducto (10) eléctricamente conductor aislado de la tierra adyacente, incluyendo el sistema:

medios transmisores para enviar información desde una estación remota que utiliza el conducto (10) y la tierra adyacente como conductores;

medios (50) receptores para recibir información en una estación remota utilizando el conducto y la tierra adyacente;

medios (60) que emplean técnicas de recuperación para incrementar las señales recibidas degradadas debido a su paso a lo largo del conducto (10) y de la tierra adyacente; caracterizado por:

estaciones (23) repetidoras para soportar al menos alguna de las señales a lo largo del que se (10) en la dirección requerida, incluyendo las estaciones (23) repetidoras medios para identificar direcciones que seleccionen los requisitos de repetición.

2. Sistema según la reivindicación 1, que incluye medios para recibir información con independencia del tiempo de transmisión.

3. Sistema según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que incluye medios para recuperar información de sincronización a partir de la información recibida.

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios (60) que emplean técnicas de recuperación incluyen filtros adaptados.

5. Sistema según la reivindicación 4, en el que el filtrado incluye medios de correlación.

6. Sistema según la reivindicación 1, la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que los medios (60) que emplean técnicas de recuperación incluyen un filtro adaptado no coherente para recuperar información de reloj.

7. Sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que los medios (30, 40) transmisores incluyen medios para transmitir señales a baja frecuencia.

8. Sistema según la reivindicación 7, en el que los medios (30, 40) transmisores están configurados para modular la información sobre una portadora de baja frecuencia que emplea manipulación por desplazamiento de frecuencia.

9. Sistema según se reivindica en cualquier reivindicación anterior, que incluye medios para superponer la información sobre un sistema de protección catódica del conducto.

10. Sistema según cualquier reivindicación anterior, que incluye una pluralidad de dispositivos monitores para proporcionar periódicamente información a un controlador de red.

11. Sistema según la reivindicación 10, que incluye un controlador (22) remoto de sistema, que tiene un enlace de comunicaciones a un controlador de red.

12. Sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que se puede enviar la información de control para proporcionar comunicación de dos vías con el fin de actuar el equipo remoto unido al conducto (10) utilizando el conducto y la tierra adyacente como trayectoria para la señal.

13. Método de comunicaciones que emplea un conducto (10) eléctricamente conductor aislado de la tierra adyacente, incluyendo el método:

transmitir información desde una estación remota utilizando el conducto (10) y la tierra adyacente como conductores;

recibir la información en una estación remota utilizando el conducto y la tierra adyacente;

emplear técnicas de recuperación para incrementar las señales recibidas degradadas, con el fin de recuperar la información contenida en las mismas; caracterizado por:

mantener al menos alguna de las señales a lo largo del conducto (10) según una dirección requerida, e identificar direcciones para seleccionar los requisitos de repetición.

14. Método según la reivindicación 13, en el que la etapa de recuperación incluye filtrar la información y detectar la información de reloj presente en la información recibida.

15. Método según la reivindicación 13 o la reivindicación 14, que incluye transmitir la información modulando una portadora de baja frecuencia y empleando manipulación por desplazamiento de frecuencia.