HT-1旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀通信原理及干擾抑制

陳小東 孫 偉 何小冬 許海民

(川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司 重慶)

HT-1旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀通信原理及干擾抑制

陳小東 孫 偉 何小冬 許海民

(川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司 重慶)

HT-1旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀以RS-485通信方式傳輸命令和數(shù)據(jù),通信芯片采用半雙工設(shè)計(jì)的MAX487芯片。出現(xiàn)通信干擾時(shí),HT-1地面控制臺(tái)上顯示的所有遙測(cè)信號(hào)均隨機(jī)跳變,且井下電機(jī)電源不能接通。通信干擾通常與傳輸線及通道絕緣、電纜纜芯信號(hào)分配方式、阻抗匹配、屏蔽地接觸電阻、信號(hào)波特率等因素有關(guān)。文章介紹了一系列抑制通信干擾的方法和措施。

接觸電阻;阻抗匹配;波特率;干擾抑制

0 引 言

HT-1旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀是航天一院十二所北京天達(dá)技術(shù)開發(fā)總公司開發(fā)生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)第二代旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀,該取心儀運(yùn)用了單片機(jī)支持的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù),通信方式也由第一代的載波通信方式改為RS-485總線驅(qū)動(dòng)方式,因此取心系統(tǒng)的復(fù)雜程度更低,可操作性更強(qiáng)。然而,作為一個(gè)系統(tǒng),HT-1取心儀和所有測(cè)井系統(tǒng)一樣,在應(yīng)用中不可避免地會(huì)受到各種噪聲和散亂信號(hào)的干擾,加之取心時(shí)的工作電壓非常高(地面高達(dá)1 500 VAC),這就對(duì)基于微控通信基礎(chǔ)的HT-1型旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀的系統(tǒng)抗干擾能力帶來(lái)了一定的影響。

1 RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)

RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)為平衡式發(fā)送數(shù)據(jù),差分式接收數(shù)據(jù)的總線驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),通信方式為半雙工串行異步通信,接線方式采用兩線制或四線制。由于四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式,目前RS-485通信多采用兩線制方式,即每個(gè)信號(hào)通道采用兩根信號(hào)傳輸線加一根共用地線的方式。信號(hào)傳輸時(shí),如果一根信號(hào)線是邏輯”1”狀態(tài),另一根就為邏輯”0”,且一根信號(hào)線用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)(TxD),另一根用來(lái)接收數(shù)據(jù)(RxD)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),平衡驅(qū)動(dòng)器把傳輸線上的邏輯電平變換成電位差,完成始端的信息傳送;接收數(shù)據(jù)時(shí),差分接收器把電位差轉(zhuǎn)換成邏輯電平,實(shí)現(xiàn)終端的信息接收。RS-485標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動(dòng)器輸出的共模電壓為±2 V～6 V,而接收器可以檢測(cè)到低至200 mV的輸入信號(hào)[1]。

圖1 平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收電路

圖1所示是一個(gè)典型的平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收的原理圖。其中,VT為發(fā)送信號(hào)電壓,en為干擾噪聲電壓;VR為接收信號(hào)電壓,顯然,各參數(shù)間的關(guān)系為:

故可得到:

式(3)表明:發(fā)送端輸出的信號(hào)電壓VT經(jīng)過(guò)線路傳輸后可以直接到達(dá)差分接收器輸入端,而與干擾電壓無(wú)關(guān),因此,理論上,平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收數(shù)據(jù)的總線驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)除可以大大提高傳輸距離外,還可抗擊各種電磁干擾及提高數(shù)據(jù)傳輸速率(波特率)[2]。

2 HT-1通信原理與系統(tǒng)控制

2.1 通信原理

HT-1旋轉(zhuǎn)式井壁取心系統(tǒng)地面和井下均以微處理器PCF80C552為核心組成控制電路,通信時(shí)以RS-485主從應(yīng)答方式通過(guò)鎧裝測(cè)井電纜下傳控制命令和上傳取心數(shù)據(jù)(液壓系統(tǒng)壓力、GR計(jì)數(shù)率、鉆進(jìn)位移、巖心長(zhǎng)度、液壓油溫度、電子線路保溫瓶溫度、平衡系統(tǒng)保護(hù)狀態(tài)等),通信芯片采用半雙工設(shè)計(jì)的MAX487芯片。MAX487是用于RS-485通信的低功耗收發(fā)器,每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。與標(biāo)準(zhǔn)RS-485驅(qū)動(dòng)器(最多32個(gè)收發(fā)器)的單位負(fù)載(12 kΩ輸入阻抗)相比,MAX487具有48 kΩ輸入電阻,1/4單位負(fù)載的接收器輸入阻抗,在一條總線上允許最多掛接128個(gè)收發(fā)器,傳輸距離大于1 km,傳輸速率高達(dá)250 kb/s,圖2為MAX487工作于RS-485通信方式下的典型工作電路。

圖2 MAX487芯片典型工作電路

2.2 系統(tǒng)控制

HT-1地面系統(tǒng)(控制臺(tái))設(shè)有三個(gè)按鍵開關(guān)(復(fù)位、GR增益+、GR增益-)和三個(gè)控制開關(guān)(推靠臂:靠/收、鉆頭:進(jìn)/退、馬達(dá):轉(zhuǎn)/停),用來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信及控制?！皬?fù)位”按鍵用來(lái)對(duì)地面控制臺(tái)EPROM內(nèi)的常駐程序進(jìn)行初始化,同時(shí)可觸發(fā)控制臺(tái)切斷井下電機(jī)電源;“GR增益+/-”用來(lái)調(diào)節(jié)控制臺(tái)GR輸出幅度或脈沖計(jì)數(shù)率,便于測(cè)井記錄系統(tǒng)的信號(hào)識(shí)別與采集;三個(gè)控制開關(guān)則用來(lái)對(duì)探頭內(nèi)的三個(gè)電磁閥進(jìn)行控制,從而使井下儀器完成諸如“推靠-靠/收”、“鉆頭-進(jìn)/退”、“馬達(dá)-轉(zhuǎn)/停”的動(dòng)作。取心操作時(shí),三個(gè)控制開關(guān)的開關(guān)組合量通過(guò)地面控制臺(tái)通信應(yīng)答位個(gè)位實(shí)時(shí)顯示。

3 通信干擾

實(shí)踐表明,影響HT-1旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀正常通信的各種干擾主要表現(xiàn)為各種形式的“電磁干擾”,分傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。其中傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò),主要在電源線、信號(hào)線、互連線等導(dǎo)線以及屏蔽體、接地導(dǎo)體中進(jìn)行傳播;輻射干擾則是指干擾源通過(guò)物理空間把其信號(hào)耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò),形成干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源,能發(fā)射電磁波并影響其它系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。

盡管RS-485通信抗干擾能力較強(qiáng),但在長(zhǎng)線傳輸時(shí),通信通道不可避免地會(huì)受到各種雜散信號(hào)的干擾。一旦受干擾,各種遙測(cè)數(shù)據(jù)和通信應(yīng)答指示會(huì)隨機(jī)跳變,復(fù)位鍵和控制開關(guān)失去作用,電機(jī)電源不能接通,井下電磁閥控制繼電器誤動(dòng)作,最終導(dǎo)致儀器損壞和取心失敗。

4 干擾抑制[3]

4.1 通信線及通道絕緣良好

HT-1的正常工作電壓及電流都很高,若測(cè)井電纜線間絕緣不好,或者與數(shù)據(jù)傳輸通道有關(guān)的高壓接插組件以及集流環(huán)絕緣不好等等,都會(huì)對(duì)測(cè)井通信造成極大的干擾,因此,要保障測(cè)井通信暢通,首先要保證測(cè)井傳輸線及通道的良好絕緣性。根據(jù)HT-1的技術(shù)要求,測(cè)井電纜對(duì)鎧裝外殼以及任意兩根纜芯之間的絕緣電阻必須大于1 000 MΩ,而電子線路內(nèi)部用于通信的5#、10#纜芯對(duì)儀器外殼的絕緣電阻必須大于20 MΩ。

4.2 電纜纜芯按功能對(duì)稱排列

當(dāng)遙測(cè)信號(hào)和電源同時(shí)在測(cè)井電纜纜芯上傳輸時(shí),如果電源和遙測(cè)信號(hào)在空間上采取對(duì)稱分布結(jié)構(gòu),由電源產(chǎn)生的干擾信號(hào)經(jīng)疊加抵消后就可使干擾磁場(chǎng)較弱(或者沒有)[4],從而有效提高遙測(cè)信號(hào)的抗干擾能力。

HT-1測(cè)井7芯電纜纜芯上傳輸?shù)碾娦盘?hào)有通信a、通信b、電機(jī)A相電源(850 VAC,兩根并聯(lián))、電機(jī)B相電源(850 VAC,兩根并聯(lián))以及電磁閥電源(220/240 VAC)。在對(duì)信號(hào)和電源進(jìn)行纜芯分配時(shí),應(yīng)按圖3所示的方式進(jìn)行。

4.3 380 VAC發(fā)電機(jī)的工頻干擾

HT-1供電方式為發(fā)電機(jī)380 VAC/220 VAC(10 KW,50 Hz)三相獨(dú)立供電,若發(fā)電機(jī)離取心系統(tǒng)太近,50 Hz低頻交流電極易耦合到數(shù)據(jù)傳輸線上形成工頻干擾,從而影響正常的測(cè)井通信,因此,為有效抑制電磁輻射和噪聲電壓對(duì)通信的干擾,在取心時(shí),要盡量讓380 VAC發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)離取心系統(tǒng),同時(shí),380 VAC發(fā)電機(jī)和測(cè)井車外殼必須與保護(hù)地可靠相連。

圖3 HT-1信號(hào)及電源纜芯分配

4.4 屏蔽地引線接觸電阻控制

屏蔽地引線接觸電阻過(guò)大極易引發(fā)通信干擾,進(jìn)而引發(fā)供電機(jī)高壓時(shí)保護(hù)監(jiān)測(cè)和遙測(cè)信號(hào)的跳變。按技術(shù)要求,屏蔽地引線接觸電阻應(yīng)小于0.5Ω,但一般情況下,只要屏蔽地引線接觸電阻小于10Ω,即可保障HT-1的正常通信。

4.5 合理選擇信號(hào)傳輸驅(qū)動(dòng)器阻抗匹配電阻

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸為長(zhǎng)線傳輸。數(shù)據(jù)長(zhǎng)線傳輸時(shí),由于長(zhǎng)傳輸線上分布電容、寄生電容、分布電感和漏電阻的影響,由電流或電壓波的反射造成的干擾就會(huì)使傳輸信號(hào)失真,要避免這種失真,使傳輸功率達(dá)到最大,就必須使傳輸線的波阻抗與負(fù)載阻抗相等,以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

4.6 系統(tǒng)“復(fù)位(RESET)”

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,各種干擾源常常使程序指令的地址碼和操作碼發(fā)生改變,從而使系統(tǒng)通信出現(xiàn)紊亂,因此,在HT-1所有硬件系統(tǒng)工作正常的情況下出現(xiàn)通信干擾時(shí),可嘗試用地面控制臺(tái)上的“復(fù)位”鍵對(duì)軟件系統(tǒng)強(qiáng)行復(fù)位,使系統(tǒng)通信恢復(fù)正常。

4.7 波特率設(shè)置

由于RS-485通信方式的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)為串行標(biāo)準(zhǔn),故對(duì)特定的傳輸線經(jīng),信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長(zhǎng)度與信號(hào)傳輸速率(波特率)有關(guān)。通常,數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸時(shí),從信號(hào)發(fā)生器到負(fù)載,其所允許的最大電纜長(zhǎng)度是數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸速率的函數(shù)。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率降低到90 kbit/s以下時(shí),假定最大允許的信號(hào)損失為6 dBV時(shí),則電纜長(zhǎng)度被限制在1 200 m。

對(duì)于RS-485主從應(yīng)答式通信系統(tǒng),信號(hào)傳輸速率通常在1 200 bit/s～9 600 bit/s之間選取:通信距離1 km以內(nèi),綜合考慮通信效率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信距離等因素,選用4 800 bit/s最佳;通信距離1 km以上時(shí),應(yīng)考慮通過(guò)降低信號(hào)傳輸速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

因此,當(dāng)HT-1旋轉(zhuǎn)式井壁取心系統(tǒng)出現(xiàn)通信干擾時(shí),若傳輸電纜太長(zhǎng)(＞7 000 m),而硬件方面抗干擾措施又得當(dāng),可通過(guò)修改軟件參數(shù),適當(dāng)降低通信“波特率”,使通信恢復(fù)正常。

4.8 低壓電源地懸浮

在小功率電路與大功率電路共用地線時(shí),大功率電路的啟動(dòng)會(huì)在共用地線中流過(guò)很強(qiáng)的干擾電流并對(duì)小功率電路造成影響。由于這種干擾是由兩個(gè)電路的連接電纜與公共地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的,因此稱為“地環(huán)路干擾”,此外,地環(huán)路中的電流還可以由外界電磁場(chǎng)感應(yīng)出來(lái)。

解決地環(huán)路干擾的方案有很多種,其中最有效的方法是將設(shè)備一端的電路浮地,如果將一端電路浮地,就切斷了地環(huán)路,從而可以消除地環(huán)路電流。應(yīng)將+5 VDC電源地設(shè)置為懸浮地,使其不與儀器外殼(交流地)相通,同時(shí)保證交流地和低壓電源地嚴(yán)格絕緣。

4.9 使用EMI電源濾波器

為有效抑制850 VAC交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾影響低壓電源,最好在低壓電源中使用EMI電源濾波器。EMI電源濾波器允許有用信號(hào)無(wú)衰減通過(guò),同時(shí)大大衰減雜波干擾信號(hào),保護(hù)設(shè)備免受其害,同時(shí)它又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI信號(hào)。

5 結(jié) 論

1)信號(hào)傳輸驅(qū)動(dòng)器阻抗匹配電阻通常在車間進(jìn)行一次測(cè)定,不需反復(fù)作精細(xì)調(diào)節(jié);

2)由地線設(shè)置不當(dāng)引起的通信干擾可以通過(guò)減小地線接觸電阻和切斷地環(huán)路進(jìn)行消除。但大多數(shù)情況下,盡管電路設(shè)計(jì)、布局合理,地環(huán)路干擾依然存在,這往往是由PCB的制作工藝和PCB本身的質(zhì)量造成的,一旦出現(xiàn)這種情況,應(yīng)對(duì)整塊電路板進(jìn)行更換;

3)正常情況下,用于數(shù)據(jù)通信的5#、10#纜芯對(duì)儀器外殼的絕緣電阻必須大于20 MΩ,否則,通信極易受干擾;

4)HT-1探頭中的大小泵壓力傳感器、鉆進(jìn)位移傳感器、心長(zhǎng)傳感器和油溫傳感器電源均為+5 V,一旦傳感器引線破裂,由電機(jī)產(chǎn)生的高達(dá)40 VAC的干擾電壓就會(huì)直接影響+5 V電源,進(jìn)而燒壞井下電子線路內(nèi)的MAX487通信芯片和微處理器PCF80C552,影響正常通信,因此,要對(duì)電機(jī)的絕緣性能進(jìn)行定期檢查,性能差的應(yīng)及時(shí)予以修復(fù)或更換;

5)為保證正常通信和GR信號(hào)的采樣精度,HT-1通常將波特率設(shè)定為1 200 bit/s(低速),以排除波特率設(shè)置不當(dāng)對(duì)通信的影響;

6)采用載波通信方式的第一代國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀的最大可靠傳輸距離為5 000 m,為了滿足油田長(zhǎng)線傳輸?shù)男枰?HT-1采用RS-485總線驅(qū)動(dòng)通信方式,將傳輸距離提高到了7 000 m,但實(shí)踐表明,對(duì)于井壁取心儀這種大功率系統(tǒng),HT-1盡管通信電路得到了簡(jiǎn)化,但相比于載波通信方式,系統(tǒng)的通信抗干擾能力反而有所下降,而且對(duì)測(cè)井電纜的要求更高。

[1] 北京天達(dá)控制技術(shù)開發(fā)公司.HT-1型鉆進(jìn)式井壁取心儀使用手冊(cè).2006(資料)

[2] 胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004

[3] 陳小東.HT-1型旋轉(zhuǎn)式井壁取心器應(yīng)用中的典型干擾探討[J].內(nèi)江科技.2008,2(159)

[4] 竇振中.基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008

PI,2011,25(1):39～41,45

The command and data of HT-1 rotary sidewall coring tool are transmitted by the RS-485 communication way.The communication chip is MAX487,which is one half-duplex chip.When communication interference appears,all telemetering signals shown on the ground panel of HT-1 jump to change randomly,and the motor power of downhole tools can’t be put through.Communication interference of HT-1 system is always relevant to the insulation of deliver line and signal channel,the allotment way of cable and signal,impedance matching,contact resistance of shielding ground,and baud rate,etc.Combining with the operational principle of coring tool,the article introduces a series of ways and precautions to suppress the communication interference of HT-1.

Key words:rotary sidewall coring tool,communication,insulation,contact resistance,impedance matching,baud rate,interference suppression

Communication principle and interference suppression of HT-1 rotary sidewall coring tool.

Chen Xiaodong,Sun wei,He Xiaodong and Xu Haimin.

P631.8+3

B

1004-9134(2011)01-0039-03

陳小東,男,1972年生,碩士,高級(jí)工程師,1997年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院電子儀器及測(cè)量技術(shù)專業(yè),現(xiàn)在川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司從事特種儀器維護(hù)工作。郵編:400021

2010-08-19編輯:劉雅銘)