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工学专栏:浅谈直读式电子压力计数据传输方案和实施

作者:江苏天源    添加时间:2014/8/18 11:41:38    浏览量:

                        作者:谢冬梅 冯贵洪 王文青 田昆 

  论文关键词:直读式电子压力计;单芯远距离传输;曼彻斯特码;编码;解码
  论文摘要:本文从现有存储式电子压力计的技术现状出发,分析了在井下高温、高压、远距离条件下,实现压力、温度数据实时可靠采集、传输、分析的压力计——直读式电子压力计的数据传输方案和实施,并从技术需求分析、通讯方案选择、单芯远距离传输、曼彻斯特码编解码的软硬件设计等方面,对直读式电子压力计数据传输方案进行了深入研究。试验数据分析结果表明,本文研究结果解决了直读式电子压力计的关键技术,增强了电子压力计在油田测井领域的市场竞争力。

  
  一、引言
  
  目前存储式电子压力计已广泛应用于国内各大油田高温井下压力和温度的测量。存储式电子压力计在工作过程中,仪器内的单片机系统和各种传感器共同完成井下压力和温度的采集,并以数字量形式存储于电可改写型存储器中,待测试过程完成后,再将压力计返回地面,用专门配套研制的数据回放仪与压力计连接,通过软件和硬件接口通讯进行数据的接收、回放和处理,使用很不方便,影响生产。
  因此,为克服存储式电子压力计的上述缺点,提高油田生产效率,提升电子压力计在油田测井领域的市场竞争力,必须研制在井下高温、高压、远距离条件下,实现压力、温度数据实时可靠采集、传输、分析的压力计——直读式电子压力计。
  
  二、直读式电子压力计技术需求分析
  
  (一)功能及主要技术指标要求
  直读式电子压力计实现井下压力和温度参数的测量,并将测量结果通过单芯铠装电缆实时传送至地面解码控制仪,主要技术指标要求如下所示。
  a) 压力测量范围:(0~30、45、60、80)MPa;压力测量误差: 0.04%F.S;
  b) 温度测量范围:(-20~+150)℃, 测量误差:±1℃;
  c) 传输距离不小于6000m;通讯误码率1.0×10-7。
  (二)基本方案及工作原理
  直读式电子压力计由井下电子压力计和地面解码控制仪两部分组成,其中井下电子压力计由压力传感器、温度传感器、信号放大电路、模数转换电路、单片机系统、编码电路、数字通讯接口电路和装载于单片机系统中的相关工作软件组成,解码控制仪由解码电路、通讯接口电路、通用计算机(油田配置)和相关工作软件组成。
  工作过程中,井下电子压力计由地面解码控制仪通过单芯铠装电缆提供能源,温度和压力传感器分别将环境压力和温度转换为电信号输出,该电信号经放大和模数转换后由单片机系统进行数据实时采集和处理,然后按一定周期经数字通讯口输出。井下电子压力计和井上解码控制仪之间通过单芯铠装电缆连接,解码控制仪中通讯接口电路接收井下电子压力计输出的压力和温度数据,并经解码后输入计算机中进行实时分析和处理。
  
  三、数据传输方案选择
  
  设备之间数据通讯通常有并行通讯和串行通讯两种方案,并行通讯的缺点是传输距离短,通讯信道所占点号多,而串行通讯与之相反。根据井下电子压力计与井上解码控制仪的数据传输特点,需选择串行数据传输方式。
  在曼彻斯特编码中,用电压跳变的相位不同来区分逻辑1和逻辑0,即用正的电压跳变表示逻辑0,用负的电压跳变表示逻辑1。
  在油田测井中,井下电子压力计在井下采集大量信息,并传送给地面解码控制仪;但井下电子压力计到地面解码控制仪这段信道的传输距离较长且环境恶劣,常用的NRZ码不适合在这样的信道里传输,而且NRZ码含有丰富的直流分量,容易引起滚筒的磁化。曼彻斯特编码方式使得信号以串行脉冲码的调制方式在数据线上传输,和最常用的NRZ码相比,消除了NRZ码的直流成分,具有时钟恢复和更好的抗干扰性能,这使它更适合于从井下到井上的信道传输,因而在井下电子压力计和地面解码控制仪之间选用曼彻斯特编码使数据传输可靠性更高、传输距离更远。
  
  四、曼彻斯特码编码软硬件设计
  
  每一周期井下电子压力计需将采集到的压力和温度两个参数分别进行曼彻斯特编码方式输出,井下电子压力计与地面解码控制仪之间按如下通讯协议进行。
  a) 压力与温度均以字为单位进行传送,先发送压力字,后发送温度字,一个压力字和一个温度字的组合称为一个消息;
  b) 每一个字由20位组成,第1~3位为3个起始位,第4~19位为16个数据位,第20位为奇偶校验位;

  c) 压力字3个起始位电平为先高后低,温度字起始位为先低后高,高低电平均各占一位半,压力字与温度字校验位均采用奇校验;

  d) 传输的波特率:5.7292 kbps(175μs/位),传输一个消息共耗时3.5ms。为保证数据传输可靠性,井下电子压力计同一消息在一个采样周期内重复发送两次,地面解码控制仪根据校验位判断每个字的正确性。
  由单片机编程输出两路I/O控制信号,经过滤波电路、运放电路、整型电路后,产生曼彻斯特编码双相电平信号,并经单芯铠装电缆送至地面解码控制仪。为满足曼彻斯特编码格式及井下电子压力计与地面解码控制仪之间的通讯协议,井下电子压力计软件采用如下的编程方式输出波形。
  a)压力字同步头为262.5μs高电平后跟随262.5μs低电平,温度字同步头为262.5μs低电平后跟随262.5μs高电平;
  b)若数据位为逻辑0,则在87.5μs低电平后跟随87.5μs高电平;
  c)若数据位为逻辑1,则在87.5μs高电平后跟随87.5μs低电平;
  d)校验位的波形产生方式与数据位相同。
  
  五、曼彻斯特码解码软硬件设计
  
  地面解码控制仪需将井下电子压力计输出的曼彻斯特码进行解码,并按通讯协议用软件将接收到的曼彻斯特码数据转换为井下电子压力计测得的压力和温度数据,即地面解码控制仪中的解码过程为井下电子压力计编码过程的逆过程。曼彻斯特码解码过程可分为如下三部分:
  a) 同步字头检测,并辨别其为温度数据还是压力数据。
  b) 对曼码形式的数据进行解码,从曼彻斯特码波形中分离出同步时钟,并将时钟和数据进行处理使曼码数据转化为非归零二进制数据。
  c) 将串行数据转化为并行数据,并进行奇偶校验,以检验数据传输的正确性。
  经过几千米铠装电缆传输上来的数据,幅度衰减到毫伏级,因此井上需要精密的解码电路,才能保证数据传输无误码率。井下传输上来的数据经过滤波电路、精密运算放大器、双D触发器输出曼码波形给单片机,经过单片机的程序转化为井下的压力与温度数字量。
  
  六、试验结果
  
  直读式电子压力计首台产品完成厂内试验后,到油田用8000m的铠装电缆连接井下电子压力计和地面解码控制仪,将电子压力计下放到井下6500m的深度,在温度高达150℃、压力为30~60 MPa的油井中测试压力和温度。在三次连续5个小时的测试过程中,数据传输准确可靠,没有出现丢点现象,误码率为零。
  
  七、结束语
  
  试验数据统计分析结果表明,本文研究结果解决了直读式电子压力计通讯方案、通讯协议、单芯远距离传输、曼彻斯特码编解码软硬件设计等关键技术,增强了电子压力计在油田测井领域的市场竞争力。
  
  参考文献:
  [1] 1553B总线及其在测控网络中的应用.计量与测试技术. 侯青剑.2005.3
  [2]《采油工程手册》.万仁薄