井下測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 崔洪源

大慶油田第四采油廠 崔 蕾

井下測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 崔洪源

大慶油田第四采油廠 崔 蕾

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)在石油井下測(cè)井方面也得到了一定的發(fā)展和進(jìn)步，測(cè)井系統(tǒng)所具有的傳輸速率目前已經(jīng)能夠達(dá)到1Mbps之上。本文通過(guò)對(duì)井下測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線進(jìn)行分析探究，并且提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方案。

井下測(cè)井儀器；數(shù)據(jù)總線；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

引言

在實(shí)際的測(cè)井工作中，井下測(cè)井儀器在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，主要就是運(yùn)用數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送到遙傳儀器上，然后在通過(guò)遙傳儀器將數(shù)據(jù)成功的傳輸?shù)降孛嬷骺?；之后，地面主控再將各?xiàng)控制口令通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)骄聹y(cè)井儀器中，完成整個(gè)環(huán)節(jié)的井下測(cè)井工作。通常情況下，井下測(cè)井儀器中的數(shù)據(jù)總線在數(shù)據(jù)傳輸方面要具有雙向性特點(diǎn)，才能保證傳輸?shù)捻槙?。而且結(jié)合測(cè)井的特點(diǎn)分析，地面主控的傳輸速率要比井下測(cè)井儀器的傳輸速率高出很多。

1 井下測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線

遙傳儀器的地面主控傳輸速率為1Mbit/s以上時(shí)，為了將遙傳儀器所具有的高速傳輸作用充分發(fā)揮出來(lái)，井下測(cè)井儀器的傳輸速率應(yīng)該達(dá)到2Mbit/s。新型的遙傳系統(tǒng)中，其井下測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線通常會(huì)選用10-Base2類型的以太網(wǎng)總線，它的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到101Mbit/s，而且這種類型的總線具有開(kāi)發(fā)周期較短、軟硬件發(fā)展成熟以及通訊協(xié)議相對(duì)完善等優(yōu)點(diǎn)，可以充分滿足當(dāng)前井下測(cè)井工作對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾实囊骩1]。但以太網(wǎng)存也在著一定的缺點(diǎn)，其主要體現(xiàn)在民用產(chǎn)品的應(yīng)用中，市場(chǎng)上出現(xiàn)的以太網(wǎng)芯片溫度幾乎都是在工業(yè)級(jí)或者商業(yè)級(jí)的等級(jí)范圍，并不適合應(yīng)用在高溫的井下測(cè)井工作中，使得測(cè)井儀器的整體適用范圍受到了限制。測(cè)井工作中所用到的遙傳系統(tǒng)作為一種傳輸系統(tǒng)，具有非對(duì)稱性的特點(diǎn)，通過(guò)TCP方法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，容易延遲信號(hào)的等待和確認(rèn)，這使得遙傳系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率降低。

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)要求

1)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足通用性要求。測(cè)井電纜主要包括單芯電纜和多芯電纜等兩種類型，其中單芯電纜主要應(yīng)用在生產(chǎn)測(cè)井方面，其遙傳系統(tǒng)所具有的傳輸速率幾乎都在400kbit/s以下；而多芯電纜主要用在裸眼井的測(cè)井工作中，其遙傳系統(tǒng)所具有的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)能夠達(dá)到1Mbit/s之上[2]。因此，總線設(shè)計(jì)必須要同時(shí)適應(yīng)這兩種應(yīng)用。

2)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足易實(shí)現(xiàn)性要求。井下測(cè)井工作環(huán)境空間狹小，環(huán)境惡劣，所以在總線和相關(guān)控制協(xié)議方面的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單有效。那些復(fù)雜繁瑣的總線會(huì)增強(qiáng)測(cè)井儀器的復(fù)雜程度，延長(zhǎng)儀器的整個(gè)開(kāi)發(fā)周期的同時(shí)，還會(huì)增加儀器發(fā)生故障的概率。要想實(shí)現(xiàn)總線設(shè)計(jì)可以借助現(xiàn)有的器件進(jìn)行完成，并且保證控制協(xié)議要盡可能的可靠和簡(jiǎn)單，不需要使用性能較高的處理器。如果處理器的性能過(guò)高，那么其在高溫環(huán)境下的功耗就會(huì)越大，這時(shí)器件所具有的耐高溫性很難滿足井下測(cè)井工作的要求。

2.2 總體方案

結(jié)合以上各級(jí)要求，本文設(shè)計(jì)了一套井下測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線的具體方案，如圖1所示。

圖1 總線的設(shè)計(jì)方案

該方案中主要用到了兩條雙絞線，且都具有非屏蔽性，其中一條主要運(yùn)用CAN總線，是一種具有雙向接口類型的總線；而另一條則是為RS-485總線，是一種單向接口類型的總線[3]。每一個(gè)測(cè)井儀器都需要經(jīng)過(guò)CAN總線來(lái)接受命令；而相對(duì)于地面主控?cái)?shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，它的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該通過(guò)CAN總線發(fā)送，并且保證平均速率在100kbit/s以下；當(dāng)數(shù)據(jù)的平均傳輸速率在150kbit/s以上時(shí)，則需要通過(guò)RS-485總線來(lái)進(jìn)行傳輸，需要結(jié)合儀器的要求自由選擇這兩種總線類型進(jìn)行傳輸。

CAN總線屬于一種現(xiàn)場(chǎng)總線，可以支持分布式類型的控制系統(tǒng)，其不僅可以運(yùn)用非破壞性的技術(shù)，通信方式也非常靈活，而且還具有一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)等各種傳輸方法，是當(dāng)前石油井下測(cè)井工作常用到的一種總線類型。

CAN總線在數(shù)據(jù)傳輸方面的最高速率可達(dá)1Mbit/s，但實(shí)際上它的有效數(shù)據(jù)傳輸速率在600kbit/s以下。所以，如果只用1路CAN總線很難滿足總線的設(shè)計(jì)要求。若是運(yùn)用2路CAN總線，它的數(shù)據(jù)傳輸速率也只能達(dá)到與高性能遙傳儀器相當(dāng)?shù)乃俣?，也降低了遙傳系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸效率。因此，本文在設(shè)計(jì)方案中，只采用了1路RS-485總線來(lái)作為測(cè)井儀器總線，同時(shí)該總線僅與成像測(cè)井儀器相連接，由于RS-485總線具有高速傳輸性能，基本可以滿足總線的設(shè)計(jì)要求。

3 總線的測(cè)試與應(yīng)用

3.1 傳輸性能的測(cè)試和應(yīng)用

結(jié)合測(cè)井要求，選用100m的雙絞線來(lái)測(cè)試，得到的傳輸速率為10Mbit/s.在RS-485總線的整體上掛接數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，其中數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)為1個(gè)，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)為3個(gè)，并且保證每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上要有一塊儀器模擬板。然后分別用2m和1.5m的雙絞線將中間兩個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)連接到RS-485總線。測(cè)試雙絞線所具有的阻抗性，而兩端的接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)則是選用120Ω終端來(lái)與電阻進(jìn)行匹配[4]。為了進(jìn)一步測(cè)試每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸上的性能和效果，三個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)可以通過(guò)225周期的m序列優(yōu)選來(lái)產(chǎn)生Gold序列。

當(dāng)三個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送量分別達(dá)到100kbit/s、10kbit/s、200kbit/s時(shí)，由接收點(diǎn)來(lái)選擇CAN總線來(lái)控制發(fā)送間隔，分別為200ms、50ms、500ms。同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的總量能夠達(dá)到1.1Mbit/s。然后在接收節(jié)點(diǎn)上來(lái)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最后將比較出現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量和接收數(shù)量通過(guò)RS-232串口以一定的格式定時(shí)傳輸?shù)紺P機(jī)上進(jìn)行顯示。

3.2 誤碼率測(cè)試和應(yīng)用

為進(jìn)一步測(cè)試RS-483總線的誤碼率，只需在總線兩端分別設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)即可。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⒂蒅old序列形成的數(shù)據(jù)連續(xù)以7Mbit/s的傳輸速率進(jìn)行發(fā)送時(shí)，需要通過(guò)接收端來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和比較分析，最后再將比較出現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量和接收數(shù)量以一定的格式傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行顯示。

我們從接收端的信號(hào)中可以發(fā)現(xiàn)，每位數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間都是100ns,相當(dāng)于10Mbit/s的波特率，并且會(huì)在數(shù)據(jù)接收端呈現(xiàn)出眼圖，其中眼圖中的“眼睛”會(huì)大大的張開(kāi)，內(nèi)部的眼線變得極為清晰，這表明100m雙絞線正在RS-845總線上以10MHz的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行傳輸，其中傳送碼間產(chǎn)生的噪聲和串?dāng)_影響相對(duì)較小[5]。經(jīng)過(guò)20小時(shí)的連續(xù)測(cè)試，確保不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)量在5.0x1011之上，誤碼率在1.0x10-11時(shí)，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方案滿足總線設(shè)計(jì)要求，并且具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

總之，隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)石油勘探事業(yè)發(fā)展水平也在不斷提升，而石油井下測(cè)井工作作為石油開(kāi)采的重要環(huán)節(jié)，其對(duì)測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線的要求越來(lái)越高。因此，我們應(yīng)該結(jié)合井下測(cè)井在通用性、易實(shí)現(xiàn)性方面的設(shè)計(jì)要求，合理制定總線設(shè)計(jì)方案，選擇最為合理的總線類型，使其滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室?；然后在確保方案具有較強(qiáng)的可用性之后，再將其應(yīng)用到石油測(cè)井工作中，保證測(cè)井工作正常進(jìn)行。

[1]馬麗婷．井下測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線的研究與設(shè)計(jì)[J]．石化技術(shù),2016(01):261．

[2]郭明亮．基于RS485的井下測(cè)井儀器高速總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．電子科技大學(xué),2015．

[3]顧慶水,歐莽平,張菊茜,陶愛(ài)華,陳偉,伍瑞卿．井下測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線的研究與設(shè)計(jì)[J]．測(cè)井技術(shù),2015(01)

崔洪源（1988—），男，黑龍江大慶人，碩士，助理工程師。