NO339939B1 - Modem - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder et modem som er egnet for bruk i en flerpunktskonfigurasjon (multidrop configuration).

Fra WO 98/40980 A1 er det kjent med et apparat for kommunikasjon over en elektrisk linje / ledning, som omfatteren sender, en mottager, et modem og en kobler/ kobling ved hvert av to eller flere steder langs en elektrisk ledning / linje. Koblerne har kapasitive kretser som er koblet i serie med en transformator med luftkjerne. De kapasitive kretser kommer i resonans med transformatoren med luftkjerne ved en forhåndsvalgt frekvens. En ny fase-lineær kobler / kobling eliminerer støy og er henholdsvis matchet til den karakteristiske impedans av linjen ved den forhåndsvalgte frekvens, som lineariserer kommunikasjon på linjen og tillater høyhastighetsdata og talekommunikasjon over lange avstander.

EP 0 156 557 omhandler en transceiver (sender/mottager) for et lokalt flerpunktsnett.

Undersjøiske fluid- eller gassutvinningssystemer, slik som undersjøiske oljeutvinnings-installasjoner, har typisk en hovedstyringsstasjon (MCS - Master Control Station) som ofte er plassert på land, og undersjøiske, sammensatte brønnhodeenheter. Kommunikasjonen mellom MCS'en og brønnhodene utføres typisk ved bruk av en fiberoptisk teknikk, slik som beskrevet i GB-patentsøknad nr. 0228203.6. Fiberoptiske kabler blir generelt innlemmet i kabler eller navlestrengkabler med grensesnitt på de to steder og disse avstander kan typisk være mer enn 40 km. For tiden er det en tilbøyelighet til behov for kommunikasjon mellom en sentral fordelingsenhet (CDU - Central Distribution Unit) og brønnhodene som befinner seg i avstand fra CDU'en og hvor de aktuelle avstander vanligvis er mindre enn 40 km. CDU'en for sådanne systemer kan være landbasert eller plassert på en plattform eller et fartøy. Skjønt en fiberoptisk teknikk er i stand til å tilfredsstille sådanne behov, er for-lengelse av optiske fibre til hvert brønnhode kostbart. Alternativet er å sende og motta data via ledninger mellom CDU'en og brønnhodene ved bruk av et modem i hver ende. Det er enda mer ønskelig å sende og motta data overlagret på kraftforsyningskabler som er blitt innlemmet i en navlestreng, ved å bruke modemer konstruert for dette formål, dvs. "kommunikasjon lagt oppå kraft" (COP - Communikations superimposed On Power).

Det er imidlertid to viktige problemer som må overvinnes. For det første har utviklingen av fluid- og/eller gassutvinningssystemer ført til flere brønnhoder som befinner seg i avstand fra CDU'en og også lengre unna. Som et resultat av dette og den økende ønskelighet av mer sofistikert overvåking av brønnhoder er det en betraktelig økning i dataene som skal overføres og da over større avstander. Det andre problem er at dersom kommunikasjonen finner sted via en kraftkabel må modemsystemet, for å unngå tilleggsledninger, være av flerpunktstype (multidrop) i motsetning til mindre effektive punkt-til-punkt-systemer. I konvensjonelle flerpunktskonfigurasjoner som utnytter eksisterende modemer er avstanden mellom modemene forholdsvis kort, f.eks. innenfor en bygning, slik at variasjonen i signal-nivå ved hvert modem ligger innenfor modemkonstruksjonens dynamiske område. For undersjøiske anvendelser på brønner som befinner seg i avstand fra CDlTen er imidlertid forskjellen i avstand mellom modemene betraktelig. Som et eksempel kan modemene ved hovedstyringsstasjonen befinne seg 5 km fra modemene ved CDlTen, mens ytterligere modemer ved fjerne brønner kan være 5 - 20 km borte. Som en konsekvens vil signalnivået ved modemene bli meget forskjellig. I eksempelet ovenfor kan hovedmodemet ved styrings-stasjonen bli nødt til å sende ved full effekt for på pålitelig måte å kommunisere med et slavemodem ved den brønn som er lengst unna, dvs. 30 km borte. Dette vil føre til at signalnivået ved et slavemodem ved CDlTen som bare befinner seg 5 km borte fra hovedmodemet, totalt oversvømmer modeminngangen, dvs. at signalnivået vil ligge godt over denne inngangs dynamiske område. Skjønt tidligere kjente modemer kan arbeide i fler-punktsmodus er de således ute av stand til å håndtere store variasjoner i avstanden dem imellom.

Det eksisterer modemer som kan sende over avstander på inntil 40 km via støyende medier slik som kraftkabler, med en datahastighet så høy som 115 kbit/sek, slik som dem beskrevet i US-patent nr. 5,727,004 og nr. 4,815,106 i navnet Adaptive Networks Inc. Disse modemkonstruksjoner er imidlertid ikke i stand til å arbeide under de mer vanskelige betingelser i et system med flerpunktsarrangement hvor det er store variasjoner i avstanden mellom modemene og hvor lange forskyvninger er nødvendig.

Trekkene ved oppfinnelsen fremgår av patentkravene.

I henhold til et første aspekt av foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet et modem for mottagning og sending av data fra og til en leder og som omfatter en utgangsdriver for å sende data til lederen, en mottager for å motta data fra lederen og impedanstilpassende utstyr for å tilpasse mottagerinngangens impedans til lederens impedans, idet både utgangsdriverens forsterkningsfaktor, mottagerforsterkningen og mottagerinngangens impedans er justerbare.

Fortrinnsvis er mottagerinngangen komplementær.

I det minste en utgangsstrømforsterker med forbetoning er med fordel innlemmet i utgangsdriveren.

Mottagerinngangens impedans kan justeres ved svitsj bart å koble i det minste en motstand over mottagerinngangen. I dette tilfelle kan det være anordnet en elektronisk svitsj for å koble inn nevnte minst ene motstand.

Utgangsdriveren omfatter fortrinnsvis en programmerbar forsterker slik at utgangsdriverens forsterkningsfaktor kan justeres ved å justere forsterkeren.

Fortrinnsvis har utgangsdriveren alternativt valgbare parallelle og komplementære forbindelser, slik at spenningsavgivelsen fra utgangsdriveren justeres ved å koble den ene av nevnte parallelle og komplementære forbindelser til utgangen.

Utgangsdriveren og mottagerinngangen kan være galvanisk isolert fra den øvrige modemelektronikk. Det kan være sørget for den galvaniske isolasjon ved hjelp av opto-isolatorer og/eller transformatorer.

Modemet kan ha en intern styringsbuss med et første format. I dette tilfelle kan det være innlemmet anordninger for å konvertere styringsbussen med det første format til et annet format for ekstern forbindelse.

Dataene som mottas av lederen er med fordel overlagret en kraftforsyning.

I henhold til et andre aspekt av oppfinnelsen er det fremskaffet et flerpunkts (multidrop) modemnett som omfatter flere sådanne modemer.

I henhold til et tredje aspekt av oppfinnelsen er det fremskaffet en undersjøisk installasjon som omfatter et sådant flerpunkts modemnett.

Eksempler på foreliggende oppfinnelse kan utgjøres av et kobbertrådmodem som er i stand til å sende og motta over avstander på inntil omtrent 40 km (avhengig av kabeltype) med en datahastighet på inntil omtrent 115 kbit/sek, og kommunisere via en eneste kraftkabel i en flerpunktskonfigurasjon med store forskjeller i avstanden mellom modemene.

Bare som eksempel skal oppfinnelsen nå beskrives med henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 viser et typisk kommunikasjonsarrangement for en fluidutvinningsinstallasjon i

henhold til et eksempel på oppfinnelsen, og

Fig. 2 skjematisk viser arrangementet i et modem i henhold til et eksempel på oppfinnelsen. Fig. 1 viser et typisk kommunikasjonsarrangement mellom en hovedstyringsstasjon (MCS) og en sammensetning av undersjøiske fluidutvinningsbrønner som betjenes av en sentral fordelingsenhet (CDU) 2. Elektrisk kraft overføres fra en effektkilde 1 plassert ved MCS'en til CDlTen 2 via en navlestrengkabel 3 som fortsetter videre til fjerne brønner 4, 5 og 6 via en navlestrengkabel 7. Det skal legges merke til at det bare som eksempel er vist tre fjerne brønner, mens et sådant arrangement kan ta hånd om mer enn to hundre og femti slavemodemer med forskjellig innbyrdes avstand og som kommuniserer via likestrøms-eller vekselstrømseffektsystemer.

Ved MCS'en kan et eneste hovedmodem 8, slik som nevnt ovenfor, være vert for mer enn to hundre og femti slaver og forbundet med kraftlinjen som løper gjennom navlestrengkabelen 3 og videre gjennom navlestrengkabelen 7. Ved å bruke programmerbare meldings-innledninger kan flere hovedmodemer arbeide nedover den samme navlestrengkabel på separate ledere, uten å lide av ødeleggende krysstale. Hvert modem har et totrådet grensesnitt og kan tilkobles likestrøms- eller vekselstrømskraftlinjer. Ved brønn-ventiltreenden av systemet, dvs. brønnutstyrssammenstillingen, er slavemodemene koblet over kraftledningen ved hvert ventiltre. Således er hovedmodemet 8 ved MCS'en forbundet via navlestrengkabelens kraftlinje med modemene ved brønnventiltrærne, innbefattet de fjerne brønner, i en flerpunktskonfigurasjon (multidrop configuration).

Den impedans som kraftlinjen oppviser overfor det modemfrekvensspekter som brukes (typisk omkring 45 - 450 kHz), er typisk i størrelsesorden 100 ohm. Dersom en mengde konvensjonelle modemer skulle kobles over den samme overføringslinje ville det foreligge liten sjanse for impedanstilpasning til linjen, ingen mulighet for å øke utgangsdriverens spenning eller mottagerens følsomhet for å ta hånd om tilleggsbelastningen med mange modemer, og ingen måte å eliminere krysstale av fellesmodustype modemene imellom på. Som en følge av disse begrensninger er konvensjonelle modemer uegnet i en flerpunktskonfigurasjon.

Fig. 2 viser den innvendige konfigurasjon av et modem i henhold til et eksempel på foreliggende oppfinnelse for bruk sammen med et COP-system, hvor piler viser signalflyt-retningen. Særlig oppviser modemet et antall oppfinneriske trekk som ikke finnes i konvensjonelle, fabrikerte modemer, slik det vil bli drøftet nedenfor.

Modemets mottagerinngang og utgangsdriver er forbundet med kraftlinjen via to primær-sider av en tretrådet transformator 9, idet mottagerinngangen er forbundet med toppen slik som vist og utgangsdriveren er forbundet med bunnen slik som vist, og hvis sekundære er kapasitivt koblet til kraftlinjen (ikke vist). Mottagerinngangen og utgangsdriverelektronikken er galvanisk isolert fra resten av modemelektronikken, slik som vist ved henvisningstallet 17. Den galvaniske isolasjon er et teknisk trekk som ikke er kjent fra konvensjonelle modemer og som reduserer jordsløyfestøyen mellom sender- og mottagerkretsen, og slik som vist er den fremskaffet ved hjelp av transformatorer 18 i både mottagerveien (Rx) og senderveien (Tx) og ved hjelp av opto-isolasjon 19 av styringsbussen.

Modemelektronikken vist til venstre for den galvaniske isolasjonssperre 17 er med unntak av styringsport-sender/mottagere og en PIC-omformer helt til venstre, og en forsterker 13 og et dempeledd 15 som begge er programmerbare, kjent fra konvensjonelle modemer og vil ikke bli drøftet inngående her.

Mottagerinngangen er komplementær for å redusere interferenssignaler og øke felles-modusavvisningen, idet justering av mottagerens følsomhet eller forsterkningsfaktor oppnås ved hjelp av det programmerbare dempeledd 15. Ingen av disse tekniske trekk er kjent fra konvensjonelle modemer.

For å tilpasse mottagerinngangen til kraftlinjens impedans er det satt inn en elektronisk svitsj 16, slik som en felteffekt-transistor (FET), som kobler seriemotstander R over linjen. Seriemotstandene R kan typisk være på omtrent 47 ohm, hvilket sammen med de få ohms motstand i svitsjen 16, gir den nødvendige tilpassede motstand på omtrent 100 ohm når de er tilkoblet (dvs. når svitsjen 16 er aktivert). Motstandene er generelt tilkoblet bare på modemer som befinner seg ved endene av linjen, dvs. hovedmodemet (master) og den mest fjerne slave (henholdsvis modem 8 og 6 i fig. 1).

Utgangsdriveren kan valgfritt kobles enten til en parallell eller en komplementær konfigurasjon. I den konvensjonelle, parallelle konfigurasjon er forbindelsene 10 og 12 innkoblet, mens forbindelsen 11 er fjernet. I den komplementære konfigurasjon er forbindelsene 10 og 12 frakoblet mens forbindelsen 11 er innkoblet og fasen for en av utgangsforsterkerne 14 reversert. Den komplementære konfigurasjon dobler utgangsspenningen fra driveren sammenlignet med den parallelle konfigurasjon. Dette gir et mye enklere arrangement med hensyn til å justere avgivelsen, slik at den passer til anvendelsen, enn alternativet med å forandre konstruksjonen av transformatoren 9, dvs. transformatorens viklingsforhold, slik at det passer.

Videre kan utgangseffektens drivernivå eller -forsterkningsfaktor justeres under styring fra den programmerbare forsterker 13. Dette åpner for å gjøre systemets effektforbruk så lavt som mulig, hvilket er en viktig kostnadsfaktor i betraktning av kraftkabelens lange lengder og det termiske energitap inne i den undersjøiske beholder. Utgangseffekten er typisk regulerbar i trinn på omtrent 100, 60, 40 og 25%. Det skal bemerkes at konvensjonelle punkt-til-punkt-modemer bruker automatisk forsterkningsregulering (AGC - Automatic Gain Control) for å justere senderens effektnivå, slik at det passer til linjebetingelsene. Normalt overfører sådanne systemer data på heltrukken måte (seamlessly). Virkningen av AGC på lange linjer, slik som 40 km, med flerpunktskonfigurasjon får den første del av en sendt melding til å gå tapt. Grunnen til dette er at AGC-systemer starter en meldingsutsendelse ved lav driveramplitude for så trinnvis å øke amplituden under overføringen. En løsning på dette problem er å forlenge innledningen forut for dataoverføringen. Når dataene ikke sendes ut fortløpende, men i stedet som individuelle pakker, som hver fordrer en innledning foran seg, opptas en stor prosentandel av overføringstiden av disse innledninger, hvilket således kaster bort effektiv båndbredde i systemet. Med en flerpunktskonfigurasjon over lange linjer er kravet å opprettholde en forutbestemt sendeamplitude over hele meldingen. Med foreliggende oppfinnelse blir derfor AGC tatt bort og erstattet med full driveravgivelse.

Forbetoning (pre-emphasis) er inkludert i utgangsstrømforsterkerne 14. Dette løfter utgangs-amplituden med økning i frekvensen i den hensikt å kompensere for økningen i svekkelse i kabelen med økende frekvens.

Under bruk gjøres valg eller justering av den linjetilpassende impedans ved å stille inn svitsjen 16, den programmerbare mottagningsforsterkningsfaktor og programmerbare utgangsforsterkningsfaktor via styringsbussen. Ved den undersjøiske ende av systemet frembringes styresignalene for denne buss ved hjelp av prosesseringen inne i en under-sjøisk elektronikkmodul i en undersjøisk styringsmodul montert på et brønn ven ti I tre og som også regulerer fluidutvinningsprosessen. Modemstyringen og dataportene er typisk i sam-svar med RS232-formatet, mens modemets interne styringsbussgrensesnitt kan ha et annet format f.eks. I<2>C (utviklet av Philips Electronics). I den viste utførelse er det derfor anordnet en programmerbar integrert krets (PIC - Programmable Integrated Circuit) som omformer l<2>C til TTL (Transformer Transformer Logic) som videre omformes til RS232. Det er derfor anordnet serielle porter for både RS232 og TTL. Dette tillater modemet å bli konfigurert så snart det er installert i den undersjøiske beholder.

En mengde modemer kan settes opp for å gi optimale arbeidsbetingelser og pålitelig kommunikasjon. Den normale teknikk er å svitsje de tilpassende motstander inn i kretsen på modemer ved ytterendene av systemet, f.eks. hovedmodemet 8 og slavemodemet 6, ved å bruke svitsjen 16, mens de øvrige modemer etterlates med sine svitsjer 16 åpne, dvs. med høyimpedansinnganger. Ved å bruke en signalstyrkemåler blir så mottager- og utgangsforsterkningsfaktorene justert for å oppnå optimale mottagerfølsomheter og sender- drivernivåer med en prøvemelding, som passer til systemets arbeidsbetingelser. Så snart systemet er satt opp, er ingen ytterligere justering nødvendig, dvs. "set and forget".

Oppfinnelsen muliggjør derfor kommunikasjon via støyende kraftlinjer mellom en mengde modemer forbundet med den samme langdistansekraftlinje i et arrangement med flere uttak (multidrop). Dette åpner for at det kan oppnås kommunikasjon via en eneste kraftlinje mellom en MCS og flere brønnventiltrær selv når variasjonen i avstand dem imellom er stor. Derved unngås betraktelige kostnader forbundet med å måtte anordne tilleggsledninger gjennom navlestrengkabler for å håndtere kommunikasjon til hver brønn, hvilket det konvensjonelle punkt-til-punkt-system ville kreve.

Skjønt oppfinnelsen er blitt beskrevet med henvisning til utførelsen ovenfor, er mange andre modifikasjoner og alternativer mulige innenfor omfanget av de vedføyde patentkrav. I den viste utførelse er f.eks. den største avstand mellom MCS'en og brønnen lengst unna mindre enn omtrent 40 km, slik at det samlede kommunikasjonssystem kan realiseres via kraftlinjer som utnytter denne oppfinnelse. Når MCS'en er mye lengre borte fra CDlTen og kommunikasjon er frembragt ved hjelp av dyrere fiberoptikk kan med andre ord for-lengelsen av kommunikasjonen fra CDlTen til brønner fjernt fra utstyrssammensetningen bli muliggjort av COP ved bruk av modemet i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Skjønt modemet i henhold til foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet for bruk i under-vannsmiljø er det selvsagt egnet for mange andre anvendelser, innbefattet landbaserte kommunikasjonssystemer.

Claims (9)

1. Modem som er egnet for mottagning og sending av data fra og til en leder og som omfatter: en utgangsdriver egnet for å sende data til lederen, idet utgangsdriveren omfatter minst én utgangsstrømforsterker (14) med forbetoning, en mottager egnet for å motta data fra lederen, idet mottagerens inngang er komplementær, og hvor utgangsdriveren og mottagerinngangen er galvanisk isolert (17) fra den øvrige modemelektronikk, impedanstilpassende utstyr egnet for å tilpasse mottagerinngangens impedans til lederens impedans, en intern styringsbuss med et første format, og anordninger egnet for å konvertere det første format til et annet format for ekstern forbindelse, hvor både utgangsdriverens forsterkningsfaktor, mottagerens forsterkningsfaktor og mottagerinngangens impedans er justerbare.

2. Modem som angitt i krav 1, hvor mottagerinngangens impedans justeres ved svitsj bart å koble minst én motstand (R) over mottagerinngangen.

3. Modem som angitt i krav 2, og som omfatter en elektronisk svitsj (16) for å koble inn den minst ene motstand (R).

4. Modem som angitt i et av de foregående krav, hvor utgangsdriveren omfatter en programmerbar forsterker (13), slik at utgangsdriverens forsterkningsfaktor justeres ved å justere forsterkeren.

5. Modem som angitt i et av de foregående krav, hvor utgangsdriveren omfatter alternativt valgbare parallelle og komplementære forbindelser (10, 11, 12), slik at spenningsavgivelsen fra utgangsdriveren justeres ved å koble én av nevnte parallelle og komplementære forbindelser (10, 11, 12) til modemutgangen.

6. Modem som angitt i et av de foregående krav, hvor den galvaniske isolasjon (17) er frembragt ved hjelp av opto-isolatorer (19) og/eller transformatorer (18).

7. Modem som angitt i et av de foregående krav, hvor dataene som mottas av lederen, er overlagret på en kraftforsyning.

8. Flerpunkts (multidrop) modemnett som omfatter flere modemer som angitt i et av de foregående krav.

9. Undersjøisk installasjon som omfatter et flerpunkts modemnett som angitt i krav 8.