直流载波下的井下仪数据通信传输协议

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摘要：在油田分层采油与分层注水过程中，井下仪不仅需要供电，还需要与地面控制装置进行数据双向传输。针对井下系统供电和通信距离长、线缆成本高的情况，将低压直流载波通信技术引入系统应用，可有效减少供电和通信电缆芯数，降低系统成本。低压直流载波通信技术采用幅值电压发送、电流信号回传的方式，提高了通信的抗干扰能力。本文设计开发了一套基于直流载波的井下仪数据通信传输协议，既实现了地面与井下多支仪器的双向通信，又为井下仪提供了电源。将采集的信号调制解调，将编码信号耦合到50-80VDC的直流电力线上，实现数据和指令的双向传输。为适应不同长度的电缆通信所引起的阻抗变化，采用程控放大器对不同强度的信号进行自动调节。在室内接电缆（5000m）联调测试，可准确、可靠地实现地面控制装置与井下仪之间的双向通信，满足油田现场的通信要求。

关键词：直流载波；脉冲编码；解码；串口通信

随着科技水平的迅速发展，油田分采也朝着自动化和智能化的方向迅速普及。本文提出了一套低成本、高可靠性的技术方案，是一种在直流输电线缆上进行数据传输的载波通信技术。电力线载波通信技术(PLC技术)是把电力线作为通信线路，节省了大量布线成本。目前电力线载波通信技术是指：利用原有的电力系统中的电缆线替代通信中的通信线来进行数据信号的传输，就可以不用铺设专门的通信线，节省成本。电力载波通信技术分为交流和直流两种，本文使用直流载波通信技术，井下系统采用单芯电缆实现设备的供电及数据传输，单芯电缆传输是指在电缆缆芯上供电的同时并进行数据传输，在井下单片机把采集到的数据经过编码处理后，把数据耦合到电缆上，由地面控制装置把数据从电缆上提取出来。

1总体设计方案

本文设计了智能分层注水测控系统的控制电路和通信协议，井下仪的数据通信是在直流环境下，以电力线载波技术为基础，可以完成井下温度、压力、流量信息实时监测及存储，并实现注水量的调节。同时采集其输出电压电流等信息，可保证设备的稳定运行。按照自定义的帧格式进行编码，经过一系列的运算放大电路和滤波电路，将数据信号调制耦合到电缆上并传输至地面控制装置。地面控制装置解调接收信号并传输采集的数据和控制命令，进行解析后可选用串口通信、以太网接口等多种通信方式将数据交互到PC端或服务器端。从而实现井下仪与地面的双向通讯。系统方案设计图见图1。

2具体实现

2.1数据传输编码

井下注水控制系统是采用有线方式来实现井下仪器供电和数据传输。具体是指由钢管电缆或铠装电缆缆芯上供电的同时进行数据传输，井下仪控制电路的主控芯片将采集到的数据按照规定好的协议进行编码处理，把数据耦合到电缆上，地面控制装置同样通过解码电路把数据从电缆上解析出来完成数据的双向传输和指令控制。由于地层的环境复杂，通常处于高温高压的环境中，而且地层有一些杂波信号会对井下仪实时获取数据带来干扰。一般不适合直接在电缆上传输，因此在信号传输前要先对信号相应的编码处理，本文设计了一种新型的脉冲编码协议。其编码规则与RS232比较相似，但是却有所区别，具体是将二进制“0”用“10”进行，把二进制“1”用“00”表示。

2.2发码信号设计

基于直流载波的井下仪数据通信传输时速率采用9600波特率，将其经过脉冲编码后，通过软件延时控制每位的时间应该为208μs左右。井下仪采集一帧数据规定由20Bytes组成，并提前规定好协议避免数据混乱。规定帧头的第一个字节为13H，每帧数据的帧尾即最后一个字节为26H结束。在进行传输数据时先传低位，再传高位。由于选择的采集芯片为16位的AD7794，而选型的PIC单片机则是8位的，故单片机从采集芯片获取的每一大帧数据，包含帧头帧尾共有42个字节的数据，传输时每帧的数据格式按照表1所示进行编码。下面以帧头13H为例进行详细的编码说明，13H的二进制码为“00010011”，按照事先规定的通信协议，编码后为“10101000、10100000”传输时数据先传低位在传高位，如图2所示。井下仪的各个参数由传感器进行信号采集，经过AD7794采集芯片模数转化处理后将数据发送给单片机进行处理和通信。该协议每帧数据包含10道信号，分别代表10个不同地址的参数，地址按0~9循环进行发送，地址定义如下：1—流量；2—温度；3—内压；4—外压；5—水嘴开度；6—电机状态；7—和检验；8—备用；9—备用；0—未用。其中每道信号由地址位、数据位、校验位以及延时位组成。单片机跟地面进行数据通信时先发低位后发高位。数据1为一个正脉冲，50%占空比延迟后紧跟一个负脉冲，数据0为一个负脉冲，50%占空比延迟后紧跟一个正脉冲，不能连续出现正脉冲或负脉冲，否则，第二个脉冲不出现。井下信号经过单片机编码后通过发码电路，主要由三极管和场效应管控制其电平状态。将采集的信号通过耦合电路耦合在钢管或铠装电缆上，通过电缆将信号传输到地面控制装置。地面控制装置则通过耦合电路将加载在电缆上的信号耦合下来进行处理。通过主控芯片进行数据算法的实现，从而解析出井下仪的流量、温度、压力、开度等重要数据。地面控制装置也能够通过发送指令完成对井下仪的流量和开度进行手动调节，从而完成双向通信。

2.3解码信号设计

地面控制装置通过井上耦合电路把信号从电缆上提取出来后，经过信号滤波，整形后形成规则的脉冲信号后，为了能够使地面串口芯片直接接收井下的数据，还需要把信号从新解码。解码电路主要由触发电路结合适当参数的电阻、电容，使用RC网络中电容的充放电特性，能够将脉冲信号按照编码格式转化为标准的RS-232串口形式。解码数据格式如图3所示。

3数据传输

地面控制装置把井下采集的流量、压力、温度信号解码后与上位机进行通信，采用有缆智能分注系统软件，对采集的信号进行实时数据显示、曲线绘制以及历史数据的回放。并实现流量数据的计算与信号的存储。为了便于调试，地面控制电路与PC端的通信，采用成熟的异步单工通信方式，采用MAX232芯片作为电平转换接口，PIC单片机将井下采集到的信号通过串行口TX，与MAX232的T1IN口相连。MAX232的输出通过9针的DB9标准接口与PC机的RS232接口相连，具体电路如图4所示。能够实现地面的调试和试验，完成对数据收发的测试和验证。

4仿真波形

井下仪的实时数据通过电缆进行传输，采用示波器对其载波信号进行波形监测。由于钢管电缆或铠装电缆上存在着分布电容，井下数据的传输距离较长，数据信号易被微分且有不同程度的干扰。由原来的脉冲方波信号变成不太规则的正弦波信号，所以耦合下来的信号要经过滤波放大电路与LM358组成的电压比较器硬件处理后输出脉冲信号。单片机从收到的脉冲信号按照数据编码规则进行解析，最终将数据传输到地面控制系统，便于上位机的调试和查看。示波器测试波形如图5所示。

5结语

本文采用直流载波的耦合方式将井下仪与地面控制系统之间建立双向通信方式，井下单片机选择不同的电阻通道来实现可变增益放大，并在通过井下单片机实现信号的采集和编码及传输。地面控制装置把井下传输的数据进行解码，经过串口与上位机进行通信。鉴于井下环境复杂并受干扰较大，对数据进行相应的编码规则的设定，极大地减小了误码率，保证了数据可靠稳定地传输，在油田智能分注中具有重要的参考价值。

参考文献：

[1]赵东亚，张建华.低压电力线载波通讯技术在中国智能电网中的应用现状及发展方向[J].数字技术与应用，2012(03).

[2]杨刚.电力线通信技术[M].电子工业出版社，2010.

[3]侯永春.测井电缆高速数据传输系统研究[D].西安石油大学，2013.

[4]杨忠华.过套管电阻率测井数据传输及解码技术研究[D].西安石油大学，2011.

[5]郭朝阳.多分层试井仪数传系统研究[D].西安石油大学，2011.

[6]杨钢.基于STC单片机与Modbus通信控制[J].电子科学技术，2017,04(03):103~105.

[7]傅启国.基于ModbusRTU协议的电力数据采集系统设计[J].电子世界，2016(15):84~85.

[8]徐永森.低压电力线载波通信技术浅析[J].数字技术与应用，2012(03).

[9]周小飞.基于直流载波的井下仪器通信技术的研究[D].中国石油大学(华东)，2016.

[10]周青山，王珏，谭辉.基于曼彻斯特码的通信协议设计及实现[J].计算机应用，2011(08).

[11]李微微，陈国栋，李谦.应用在测井电缆传输的几种编码技术[J].科技资讯，2010(25).

[12]董惠娟，李瑞敏，张广玉，等.单芯测井电缆频率特性分析[J].光纤与电缆及其应用技术，2008(06).

作者：孟祥海 陈征 蓝飞 张志熊 王柳 刘闯 单位：中海石油（中国）有限公司天津分公司