網(wǎng)絡(luò)化井下儀器數(shù)據(jù)總線研究

陳文軒，岳宏圖，陳文，戴光明，汪新國(guó)，裴彬彬

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井技術(shù)研究院，北京100176）

網(wǎng)絡(luò)化井下儀器數(shù)據(jù)總線研究

陳文軒，岳宏圖，陳文，戴光明，汪新國(guó)，裴彬彬

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井技術(shù)研究院，北京100176）

隨著LEAP800測(cè)井系統(tǒng)應(yīng)用，井下儀器的總線速率必須達(dá)到兆級(jí)以上才能滿(mǎn)足新一代的測(cè)井儀器大數(shù)據(jù)量的傳輸需求。利用以太網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線，該總線具有寬傳輸帶寬、模塊化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)、可遠(yuǎn)程操控等優(yōu)點(diǎn)。介紹了井下儀器總線的工作原理，詳細(xì)描述了總線的硬件及軟件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)提高了井下儀器的傳輸帶寬，實(shí)現(xiàn)了LEAP800測(cè)井系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)量的可靠傳輸。

測(cè)井儀器；數(shù)據(jù)總線；以太網(wǎng)技術(shù)；傳輸帶寬；硬件；軟件

0 引 言

隨著陣列測(cè)井和成像測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，測(cè)井儀器在測(cè)井過(guò)程中需要把大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，需要使用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)提高井下儀器總線的通訊速率。此外，井下儀器總線是和電纜傳輸系統(tǒng)配合的，通訊總線速率要大于電纜傳輸速率，這樣才能充分發(fā)揮電纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能。已經(jīng)研制成功的LEAP800電纜傳輸系統(tǒng)的傳輸速率在1 Mbit／s以上，這樣井下儀器的總線速率必須高于電纜傳輸速率才能滿(mǎn)足新一代測(cè)井儀器大數(shù)據(jù)量的傳輸需求。本文介紹的井下儀器總線是基于以太網(wǎng)技術(shù)，以50Ω同軸線為總線通訊介質(zhì)，總線的接口為10BASE－2，井下儀器總線接口板中使用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了軟件的開(kāi)發(fā)，增加了軟件的靈活性和可靠性；總線的通訊速率達(dá)到了10 Mbit／s，可在175℃環(huán)境下連續(xù)工作2 h以上。

1 網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線的總體設(shè)計(jì)

1.1 井下儀器總線的研究現(xiàn)狀

斯倫貝謝公司的CSU測(cè)井系統(tǒng)采用的是DTB總線，通訊速率是100 kbit／s；阿特拉斯公司的ECLIPS－5700測(cè)井系統(tǒng)使用的是1553B總線，最高通訊速率可以達(dá)到1 Mbit／s；而最新的哈里伯頓公司的IQ快速測(cè)井平臺(tái)采用的是以太網(wǎng)總線，最高通訊速率可以達(dá)到10 Mbit／s。國(guó)內(nèi)測(cè)井儀器主要使用的是1553B和DTB總線。此外，也有使用RS485總線和CAN總線的，通訊速率最高約為500 kbit／s和1 Mbit／s［1－4］。新型成像類(lèi)和陣列類(lèi)測(cè)井儀器的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)量很大，而且，隨著高速測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)的發(fā)展，電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率已突破1 Mbit／s。要充分利用電纜傳輸帶寬，井下儀器總線的速率必須高于電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率，傳統(tǒng)的低速井下儀器總線已不能夠滿(mǎn)足其傳輸需求，制約了其高性能的充分發(fā)揮。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線的工作原理

網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線是利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一種高速井下儀器總線系統(tǒng)，其采用目前正在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大量應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù)［5］替代傳統(tǒng)的低速井下儀器總線。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于硬件技術(shù)成熟，有完善的配套通訊協(xié)議。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的接口為以后儀器的調(diào)試帶來(lái)很大方便。

整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸邏輯框圖見(jiàn)圖1。測(cè)井系統(tǒng)通過(guò)井下總線系統(tǒng)并配合電纜傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面控制臺(tái)與井下各儀器之間的信息交互，完成對(duì)油井的測(cè)試功能。井下儀器總線的主要功能是負(fù)責(zé)井下儀器數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，并通過(guò)電纜傳輸系統(tǒng)傳送到地面控制臺(tái)，同時(shí)還需要協(xié)調(diào)多只儀器和電纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換節(jié)奏。其核心功能通過(guò)儀器通訊接口板的電路實(shí)現(xiàn)。在地面控制臺(tái)與井下儀器通信中，儀器通訊接口板起到非常重要的作用：接收地面控制臺(tái)下發(fā)的控制命令，并把其中的儀器類(lèi)操作控制命令向儀器轉(zhuǎn)發(fā)；接收儀器采集的測(cè)試數(shù)據(jù)并打包上送到地面控制臺(tái)進(jìn)行處理。其中，儀器通訊接口板又分為普通儀器通訊接口板和網(wǎng)關(guān)儀器通訊接口板2種類(lèi)型。這2種通訊接口板在硬件上采取完全相同的設(shè)計(jì)，但在功能上有著較大的區(qū)別。普通儀器通訊接口板實(shí)現(xiàn)了單支儀器數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，而網(wǎng)關(guān)儀器通訊接口板還實(shí)現(xiàn)了多支儀器的網(wǎng)關(guān)路由功能。具體實(shí)現(xiàn)中，每支儀器均安裝有1塊通訊接口板，多支儀器通過(guò)各自的通訊接口板構(gòu)成一個(gè)以太局域網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，既有實(shí)現(xiàn)單支儀器數(shù)據(jù)收發(fā)的普通網(wǎng)元，也有實(shí)現(xiàn)多支儀器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)關(guān)網(wǎng)元。這樣，配合電纜傳輸系統(tǒng)便可以實(shí)現(xiàn)井下儀器與地面控制臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換。整個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)10 Mbit／s總線通訊速率的同時(shí)，也減少了對(duì)儀器貫通線占用，只需2根貫通線即可，提高了通訊可靠性。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸邏輯框圖

2 網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線的硬件設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線中，儀器通訊接口板的設(shè)計(jì)是核心。儀器通訊接口板的目的是為了建立井下儀器和地面軟件的溝通渠道，因此，其需要完成的功能：實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊；提供儀器的通訊接口；測(cè)量和監(jiān)控多路模擬信號(hào)，包括電壓信號(hào)、溫度信號(hào)等。由此，儀器通訊接口板在硬件設(shè)計(jì)上也主要包括了3個(gè)模塊：以太網(wǎng)通訊模塊、儀器接口模塊及模擬信號(hào)采集模塊。儀器通訊接口板的邏輯框圖見(jiàn)圖2。普通儀器通訊接口板和網(wǎng)關(guān)儀器通訊接口板在硬件結(jié)構(gòu)上并沒(méi)有區(qū)別。

2.1 以太網(wǎng)通訊模塊設(shè)計(jì)

采用“ARM＋RAM＋FLASH”的模式搭建最小系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展一個(gè)以太網(wǎng)控制芯片，實(shí)現(xiàn)了完整的以太網(wǎng)通訊功能（見(jiàn)圖3）。整個(gè)井下總線系統(tǒng)采用同軸電纜的連接方式，接口為10BASE－2，傳輸速度是10 Mbit／s。因此，在通訊接口板上外擴(kuò)了一個(gè)同軸收發(fā)接口芯片，用于驅(qū)動(dòng)同軸電纜和接收從同軸電纜來(lái)的以太網(wǎng)信號(hào)，主要包括發(fā)射器、接收器、沖突檢測(cè)器和數(shù)據(jù)幀超長(zhǎng)檢測(cè)等功能模塊。發(fā)射器在傳輸時(shí)直接驅(qū)動(dòng)50Ω同軸電纜。沖突檢測(cè)電路監(jiān)控同軸電纜上的信號(hào)以判斷是否有數(shù)據(jù)包沖突出現(xiàn)，并在沖突發(fā)生時(shí)向以太網(wǎng)控制芯片發(fā)送提示信號(hào)。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果所傳數(shù)據(jù)幀超過(guò)限定長(zhǎng)度，發(fā)射器的輸出將被關(guān)閉，當(dāng)錯(cuò)誤排除后，在500 ms內(nèi)發(fā)射器的輸出將被重新使能。如果要使用RJ45接口，只需外接相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器即可以使用。

圖2 儀器通訊接口板的邏輯框圖

圖3 儀器通訊接口板以太網(wǎng)通訊模塊

2.2 儀器接口模塊設(shè)計(jì)

儀器接口模塊是為了提供中央處理器和井下儀器之間通訊的渠道?？紤]到ARM處理器的處理能力以及系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，儀器通訊接口板使用一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器DSP把ARM處理器的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成儀器能夠正常連接的串行數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)方法是利用DSP處理器的IDMA接口，把ARM處理器需要發(fā)送到儀器中的數(shù)據(jù)采集到DSP處理器內(nèi)部，然后再通過(guò)DSP處理器的串行接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到儀器（見(jiàn)圖4）。

圖4 儀器通訊接口板儀器接口模塊

2.3 模擬信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

這部分需要完成的功能是實(shí)現(xiàn)外接模擬信號(hào)的采集，監(jiān)控儀器的電壓信號(hào)（＋5、＋3.3、＋12、－12 V）和溫度信息等。儀器通訊接口板擴(kuò)展一個(gè)16 bit模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并使用模擬開(kāi)關(guān)對(duì)多個(gè)采樣通道數(shù)進(jìn)行切換（見(jiàn)圖5）。

圖5 儀器通訊接口板模擬信號(hào)采集模塊

由此可以看出，在硬件設(shè)計(jì)中將儀器通訊接口板開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、模板化，建立標(biāo)準(zhǔn)的硬件和標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，保證在大多數(shù)沒(méi)有特殊要求的儀器中通信板可以直接互換。所有新儀器的開(kāi)發(fā)，只要遵循標(biāo)準(zhǔn)，就可以直接連入總線系統(tǒng)，極大地簡(jiǎn)化和加快了儀器的開(kāi)發(fā)，減輕了后續(xù)維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

3 井下儀器總線的軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，使用這種技術(shù)可以很方便地完成以太網(wǎng)相對(duì)應(yīng)的TCP、UDP、PPPOE等通訊協(xié)議。設(shè)備軟件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議，每個(gè)設(shè)備都有獨(dú)立的IP地址，所有設(shè)備在一起組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)?？梢栽诰W(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)包括互聯(lián)網(wǎng)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)看到設(shè)備的控制信息和儀器數(shù)據(jù)。所有的設(shè)備儀器可以自由組合，沒(méi)有任何限制條件。設(shè)備軟件開(kāi)發(fā)獨(dú)立，完全實(shí)現(xiàn)了模塊化開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)任務(wù)可以控制，耦合性極大降低。

儀器通訊接口板的軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)重要的邏輯功能，即通訊接口板（包括網(wǎng)關(guān)通訊板與儀器通訊板）各物理芯片間信息交流，儀器通訊接口板與各儀器之間的信息交流以及儀器通訊接口板與地面控制臺(tái)之間的信息交流。因此，儀器通訊接口板主要完成以下功能。

（1）支持路由服務(wù)。作為儀器總線的數(shù)據(jù)通訊中轉(zhuǎn)站。

（2）支持DHCP。儀器通訊板從網(wǎng)關(guān)通訊板自動(dòng)獲取IP地址。

（3）地面控制系統(tǒng)和儀器通訊板的控制命令、數(shù)據(jù)通道。對(duì)儀器通訊接口板本身的操作命令進(jìn)行相應(yīng)的處理；傳輸儀器的數(shù)據(jù)到地面控制系統(tǒng)。

（4）儀器通訊板和儀器的命令、數(shù)據(jù)通道。對(duì)儀器的控制命令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；接收處理儀器的數(shù)據(jù)。

通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)井下各儀器與地面控制系統(tǒng)之間的信息交互，順利完成油井測(cè)試。

圖6 儀器通訊接口板軟件結(jié)構(gòu)

4 功能實(shí)現(xiàn)

（1）使用TCP／IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以使儀器和任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)接，整個(gè)總線系統(tǒng)可以直接掛接到互聯(lián)網(wǎng)上，通過(guò)TCP／IP協(xié)議直接操作和控制。

（2）儀器組網(wǎng)簡(jiǎn)單方便，只要配置好IP地址就可以通信。

（3）對(duì)任意儀器可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的單支調(diào)試，而無(wú)需附加任何配套系統(tǒng)，就能獲得該支儀器的全面信息。

（4）井下總線帶寬為10 Mbit／s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前需求，而且可以隨時(shí)開(kāi)發(fā)到100 Mbit／s。

（5）可遠(yuǎn)程維護(hù)和控制儀器。

（6）可進(jìn)行遠(yuǎn)程固件升級(jí)，不需要拆裝儀器，也可在井下直接升級(jí)設(shè)備，方便快捷。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線已成功應(yīng)用于中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司的LEAP800測(cè)井系統(tǒng)中，掛接了常規(guī)大滿(mǎn)貫測(cè)井儀器、陣列聲波測(cè)井儀器、陣列感應(yīng)測(cè)井儀器和聲電成像測(cè)井儀器，完成了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，已先后多次在河北任丘91號(hào)井、山東孤島古古八井和遼寧盤(pán)錦馬古二井等試驗(yàn)井進(jìn)行了下井測(cè)試；同時(shí)也分別在遼河油田、內(nèi)蒙古油田及吉林油田等商業(yè)井進(jìn)行了下井試驗(yàn)，所有測(cè)試結(jié)果都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取得了完整的測(cè)井曲線，完全滿(mǎn)足先進(jìn)的大數(shù)據(jù)量測(cè)井儀器的要求。

［1］ 楊建軍，林興春，郝秀全，等.測(cè)井電纜通信系統(tǒng)綜述［J］.石油儀器，2007，21（3）：1－5.

［2］ 趙平，張美玲，劉甲辰，等.2004～2005年國(guó)內(nèi)外測(cè)井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.測(cè)井技術(shù)，2006，30（5）：385－389.

［3］ 楊明，郭海龍.CAN總線在測(cè)井儀器中的應(yīng)用［J］.石油儀器，2009，23（4）：86－88.

［4］ 梁建軍，宿德平.RS485總線接口在測(cè)井儀中的應(yīng)用［J］.石油儀器，2008，22（3）：83－85.

［5］ 王榮莉，雷斌.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.自動(dòng)化博覽，2004，21（4）：63－65.

Research on the Data Bus for Networked Downhole Tool

CHEN Wenxuan，YUE Hongtu，CHEN Wen，DAI Guangming，WANG Xinguo，PEI Binbin
（Well Logging Technology Center，CNPC Greatwall Drilling and Exploration Engineering Company，Beijing 100176，China）

With the application of the megabit telemetry system of LEAP800 well logging system，the data transmission rate of the downhole tool’s data bus must be higher than one megabit per second to meet the requirements of massive acquisition data of downhole tools.Based on ethernet technology，proposed is a design of networked downhole tool’s data bus which has the advantages of wide bandwidth，modular structure，excellent expansibility，and etc.Introduced is the principle of downhole tool’s data bus，and detailed are bus designs of hardware and software.The experiments show that this design can greatly increase the bandwidth of downhole tool’s data bus and realize the reliable transmission of large amount of data in LEAP800 well logging system.

logging tool，data bus，ethernet technology，transmission bandwidth，hardware，software

1004－1338（2011）06－0572－04

P631.84

A

陳文軒，男，1963年生，高級(jí)技術(shù)專(zhuān)家，從事測(cè)井系統(tǒng)技術(shù)總體設(shè)計(jì)、電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸和井下儀器總線研究工作。

2011－04－13 本文編輯 余迎）